Comparação dos resultados da solução utilizando o modelo de dinâmica dos fluidos computacional e modelos de rede aplicados ao escoamento interno do óleo no enrolamento primário de um autotransformador

Abstract

Resumo: Os transformadores de potência são equipamentos essenciais para transmissão e distribuição de energia elétrica. Possuem a finalidade de modificar os níveis de tensão e corrente do sistema elétrico, proporcionando a transmissão de grandes blocos de energia com baixas perdas. A capacidade de transmissão de potência do transformador está relacionado com o seu desempenho térmico, assim a temperatura dos enrolamentos torna-se um parâmetro importante para determinar condições de operação do equipamento e seu limite de carregamento. Para avaliar a eficiência do equipamento e o envelhecimento precoce no isolamento é necessário determinar os valores de temperatura no interior do transformador. Desta forma, podese determinar o comportamento do óleo nos dutos de resfriamentos dos enrolamentos, na etapa de projeto, por meio de modelos matemáticos. Entre esses, tem-se o modelo de rede térmico-hidráulico, em que utiliza-se uma rede com parâmetros concentrados que representam os arranjos dos dutos, a qual determinam as velocidades, pressões e temperaturas médias em cada duto. Com a evolução dos recursos computacionais facilitou a utilização de modelos numéricos em problemas físicos de geometria complexas, solucionando as equações governantes, Navier Stokes, entre elas está a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), que permite modelar detalhes do fluxo de óleo dentro dos dutos de resfriamento. O trabalho tem como objetivo a comparação entre a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), e o modelo de rede termo-hidráulico, com o intuito de avaliar a discrepância dos valores de temperatura em cada duto de resfriamento de um enrolamento do tipo disco entrelaçado, determinando assim, a localização dos pontos mais quentes nos dutos de óleo em ambos os métodos. Uma vez que existem dificuldades em determinar, exatamente, a localização e os níveis de temperatura por meio de medição direta. O estudo é realizado em um autotransformador, com potência de 470MVA, 50 Hz e tensões 525/241.5/13.8 kV, com modo de operação de arrefecimento ODAF e ODAN. Por fim o resultados foram comparados com os resultados fornecidos pela fabricante.

Abstract: The Power transformers are essential equipment for the transmission and distribution of electricity. They have the purpose of modifying the voltage and current levels of the electrical system, providing the transmission of large blocks of energy with low losses. The power transmission capacity of the transformer is related to its thermal performance, so the winding temperature becomes an important parameter to determine the operating conditions of the equipment and its load limit. To evaluate the efficiency of the equipment and the early aging in the insulation it is necessary to determine the temperature values inside the transformer. In this way, the behavior of the oil in the cooling ducts of the windings, in the design stage, can be determined by means of mathematical models. Among these, the thermal-hydraulic network model is used, in which a network with concentrated parameters representing the pipeline arrangements is used, which determines the average velocities, pressures and temperatures in each duct. With the evolution of the computational resources, it facilitated the use of numerical models in complex physical geometry problems, solving the governing equations, Navier Stokes, among them is Computational Fluid Dynamics (CFD), which allows modeling details of the oil flow inside the ducts cooling. The objective of this work is to compare the Computational Fluid Dynamics (CFD) and the thermohydraulic network model, in order to evaluate the discrepancy of the temperature values in each cooling duct of a interlaced disk type winding, thus determining the location of the hot spots in the oil ducts in both methods. Since there are difficulties in accurately determining the location and temperature levels by direct measurement. The study is performed in an autotransformer, with power of 470MVA, 50 Hz and voltages 525 / 241.5 / 13.8 kV, with ODAF and ODAN cooling operation mode. Finally the results were compared with the results provided by the manufacturer in addition to being compared to each other, in this case the temperature elevation presented coherent in both models. And in relation to the hottest point the CFD model had close values provided by the manufacturer