UFSM utiliza simulação para análise térmica de transformadores de potência
A Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) utilizou a simulação computacional para analisar o desempenho térmico de transformadores de potência, com resultados muito próximos dos testes experimentais e possibilidades reais de economia de tempo e custos para a indústria.
Transformadores de potência são equipamentos essenciais aos sistemas elétricos, responsáveis por adequar os níveis de tensão elétrica para as mais diversas aplicações. Seu desempenho térmico tem se tornado cada vez mais importante para a operação segura e confiável, tanto do equipamento quanto do sistema elétrico como um todo. Em resposta a essa demanda, o Laboratório de Engenharia Assistida por Computador (LabCAE) da Universidade Federal de Santa Maria, utilizou a simulação CFD como ferramenta para obter respostas precisas em questões envolvendo transferência de calor e dinâmica de fluidos em transformadores de potência.
Desafios na determinação da temperatura em transformadores
As altas temperaturas internas aceleram o envelhecimento e a degradação do isolamento dos transformadores de potência baseados em celulose. Isso pode levar a uma operação insegura e incorreta, acarretando na falha do equipamento e prejuízos técnicos e financeiros. Para evitar o envelhecimento precoce, é necessário conhecer a distribuição das temperaturas internas e prever pontos quentes.
O monitoramento preciso e a determinação da distribuição de temperatura ao longo do transformador de potência, principalmente em suas bobinas, são muito difíceis. Como resultado, na prática apenas alguns sensores são instalados com o objetivo de medir o ponto mais quente (hotspot) e ter essa temperatura como referência para tomada de decisões, design e sistema de proteção. No entanto, não há uma regra precisa para a localização do hotspot, e os sensores podem medí-lo incorretamente, levando a decisões equivocadas.
Vantagens da simulação para análise térmica de transformadores
O LabCAE da Universidade Federal de Santa Maria desenvolve projetos de pesquisa sobre transformadores e outros equipamentos de alta tensão utilizando a simulação computacional como ferramenta essencial para obter respostas precisas em questões envolvendo transferência de calor e dinâmica de fluidos.
Figura 1 – Modelo CAE detalhado do protótipo de transformador em análise.
Uma equipe multidisciplinar de engenheiros, pesquisadores e estudantes utilizou simulações CFD (fluidodinâmica computacional) para determinar a temperatura em transformadores de potência, através da ferramenta Ansys Fluent. As simulações apresentaram a distribuição detalhada de temperatura ao longo das bobinas, considerando todos os fenômenos envolvidos e indicando com maior precisão a localização do ponto quente. Um transformador protótipo foi modelado e simulado no Ansys Fluent, e posteriormente ensaiado em laboratório. Um sistema de medição de temperatura com sensores de fibra óptica ao longo das bobinas permitiu comparar os valores práticos com os resultados de CFD.
Figura 2 – Distribuição de temperatura ao longo das superfícies do tanque e radiadores.
Por um lado, os sensores ópticos fornecem temperaturas pontuais precisas. Por outro lado, a simulação CFD torna possível analisar o fluxo de óleo e as distribuições de temperatura de maneira detalhada, mostrando questões envolvendo o arranjo construtivo e o fluxo de óleo, que impactam as temperaturas internas e são muito difíceis de serem identificadas pelas medições pontuais.
Os resultados de CFD contribuem para uma melhor alocação dos sensores ópticos ao longo das bobinas, a fim de medir as temperaturas críticas reais. Além disso, devido à versatilidade da metodologia de simulação de CFD, o arranjo construtivo, as características dos materiais e as condições de operação do transformador podem ser facilmente modificados e o desempenho térmico analisado, visando otimizar os projetos.
Figura 3 – Distribuição de temperatura ao longo do enrolamento do transformador – Discos (a) 01-15, (b) 16-30, (c) 31-45, (d) 46-60.
Resultados e aplicação prática na indústria de transformadores
A utilização de simulações de CFD no estudo de transformadores de potência traz diversos benefícios, permitindo a análise de diversos fatores envolvidos na distribuição de temperatura ao longo das bobinas. Com o uso dessa tecnologia, é possível obter respostas precisas para questões envolvendo transferência de calor e dinâmica de fluidos, contribuindo para projetos mais seguros e eficientes.
O trabalho desenvolvido pelo LabCAE da UFSM é um exemplo do uso bem-sucedido da simulação para aprimorar equipamentos elétricos de alta tensão. Através dessa tecnologia, o laboratório obteve resultados muito próximos dos ensaios experimentais realizados para comparação e validação, comprovando sua precisão em relação a grandes problemas da indústria. Os estudos contribuem para projetos de transformadores de potência mais confiáveis e otimizados, trazendo possibilidades reais de economia de tempo e custos para a indústria.
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