Modelo termo-hidráulico em regime permanente para parte ativa de transformadores de potência validado por instrumentação óptica

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Medeiros, Leonardo Hautrive
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
dARK ID: ark:/26339/0013000009qbk
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Santa Maria
Brasil
Engenharia Elétrica
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Centro de Tecnologia
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/30930
Resumo: Due to the importance of the power transformer for electrical energy systems, designers are constantly looking for improvements in its thermal performance and, consequently, in prolonging its useful life. Since the composition of insulating paper is cellulose based, which has its aging and degradation accelerated under high temperatures during transformer operation, the paper becomes the dominant factor in its life expectancy. To keep temperatures within the limits stipulated by regulations, efficient thermal design and monitoring of operating conditions are necessary. In this sense, this work proposes a thermo-hydraulic model to determine the detailed distribution of the internal temperatures of power transformers’ active part in steady state. Based on transformer’s constructive dimensions and operational data, and with a fast processing response, the model builds networks of hydraulic and thermal resistances that, when coupled, determine: (i) the distribution of oil flows between the passage channels in the core and windings, and (ii) the distribution of temperatures in the oil channels, in the insulating paper and in the turns of winding discs, in addition to the temperature along the columns, yokes and joints of the magnetic core. The model is validated through temperature measurements using fiber optic sensors in temperature rise tests of a prototype transformer and a field transformer. Once verified its accuracy, the proposed model proves to be an accurate tool for determining and analyzing the hydraulic and thermal behavior of the active part of transformers. With generic modeling and simple application, the model meets the needs of the industry, being able to analyze the temperatures of transformers already in operation for the purposes of asset management and aid in decision making, as well as in the thermal design of new equipment, contributing to a reduction in costs, savings in materials and an increase in thermal performance, extending its useful life.
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To keep temperatures within the limits stipulated by regulations, efficient thermal design and monitoring of operating conditions are necessary. In this sense, this work proposes a thermo-hydraulic model to determine the detailed distribution of the internal temperatures of power transformers’ active part in steady state. Based on transformer’s constructive dimensions and operational data, and with a fast processing response, the model builds networks of hydraulic and thermal resistances that, when coupled, determine: (i) the distribution of oil flows between the passage channels in the core and windings, and (ii) the distribution of temperatures in the oil channels, in the insulating paper and in the turns of winding discs, in addition to the temperature along the columns, yokes and joints of the magnetic core. The model is validated through temperature measurements using fiber optic sensors in temperature rise tests of a prototype transformer and a field transformer. Once verified its accuracy, the proposed model proves to be an accurate tool for determining and analyzing the hydraulic and thermal behavior of the active part of transformers. With generic modeling and simple application, the model meets the needs of the industry, being able to analyze the temperatures of transformers already in operation for the purposes of asset management and aid in decision making, as well as in the thermal design of new equipment, contributing to a reduction in costs, savings in materials and an increase in thermal performance, extending its useful life.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESDevido à importância do transformador de potência para os sistemas de energia elétrica, projetistas estão constantemente buscando por melhorias na sua performance térmica e, consequentemente, no prolongamento da sua vida útil. Uma vez que a composição do papel isolante é à base de celulose, a qual tem o seu envelhecimento e degradação acelerados sob altas temperaturas durante a operação do transformador, o papel se torna o fator dominante na sua expectativa de vida. Para manter as temperaturas dentro dos limites estipulados por normas, são necessários um projeto térmico eficiente e um monitoramento das condições operativas. Nesse sentido, este trabalho propõe um modelo termo-hidráulico para determinação da distribuição detalhada das temperaturas internas da parte ativa de transformadores de potência em regime permanente. A partir das dimensões construtivas e dados operacionais do transformador, e com uma rápida resposta de processamento, o modelo constrói redes de resistências hidráulicas e térmicas que, acopladas, determinam: (i) a distribuição das vazões de óleo por entre os canais de passagem no núcleo e enrolamentos, e (ii) a distribuição das temperaturas nos canais de óleo, no papel isolante e nas espiras que compõem os discos dos enrolamentos, além da temperatura ao longo das colunas, culatras e junções do núcleo magnético. O modelo é validado através de medições de temperatura por sensores de fibra óptica em ensaios de elevação de temperatura de um transformador protótipo e um transformador de campo. Verificada sua acuracidade, o modelo proposto se mostra uma ferramenta precisa para determinação e análise dos comportamentos hidráulico e térmico da parte ativa de transformadores. Com uma modelagem genérica e de simples aplicação, o modelo atende as necessidades da indústria, podendo analisar as temperaturas de transformadores já em operação para fins de gerenciamento de ativos e auxílio na tomada de decisões, bem como no projeto térmico de novos equipamentos, contribuindo para uma redução de custos, economia de materiais e aumento da performance térmica, prolongando sua vida útil.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia ElétricaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaMarchesan, Tiago Bandeirahttp://lattes.cnpq.br/2318413245910780Calil, Wilerson VenceslauFeil, Dion Lenon PredigerLuz, Mauricio Valencia Ferreira daFalcão, Carlos Eduardo GuexMedeiros, Leonardo Hautrive2023-12-22T12:29:00Z2023-12-22T12:29:00Z2023-11-23info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/30930ark:/26339/0013000009qbkporAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2023-12-22T12:29:00Zoai:repositorio.ufsm.br:1/30930Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2023-12-22T12:29Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false
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