UFSM utiliza simulación para el análisis térmico de transformadores de potencia
La Universidad Federal de Santa Maria (UFSM) utilizó la simulación computacional para analizar el comportamiento térmico de transformadores de potencia, obteniendo resultados similares a las pruebas experimentales y posibilidades reales de ahorro de tiempo y costos para la industria.
Los transformadores de potencia son equipos de vital importancia en los sistemas eléctricos responsables de ajustar los niveles de tensión eléctrica para las más diversas aplicaciones. Su rendimiento térmico es cada vez más importante para un funcionamiento seguro y confiable, tanto del equipo como del sistema eléctrico en su conjunto. En respuesta a esta demanda, el Laboratorio de Ingeniería Asistida por Computador (LabCAE) de la Universidad Federal de Santa Maria, ha utilizado la simulación CFD como una herramienta para obtener respuestas precisas a cuestiones relacionadas con la transferencia de calor y la dinámica de fluidos en transformadores de potencia.
Desafíos para determinar la temperatura en transformadores
Las altas temperaturas internas aceleran el envejecimiento y la degradación del aislamiento de los transformadores de potencia a base de celulosa. Esto puede conducir a una operación insegura e incorrecta, lo que puede provocar fallas en el equipo y pérdidas técnicas y financieras. Para evitar tal envejecimiento prematuro, es necesario tanto conocer la distribución de las temperaturas internas como prever los puntos calientes.
Resulta bastante difícil controlar y determinar con precisión la distribución de la temperatura a lo largo del transformador de potencia, especialmente en sus bobinas. Como consecuencia, en la práctica sólo se instalan algunos sensores con el propósito de medir el punto más caliente (hotspot) y tomar su temperatura como base para la toma de decisiones, el diseño y el sistema de protección. Sin embargo, no existe una regla precisa para la localización del hotspot, y los sensores pueden realizar la medición de forma incorrecta, lo que conduce a decisiones erróneas.
Ventajas de la simulación para el análisis térmico de transformadores
El LabCAE de la Universidad Federal de Santa Maria desarrolla proyectos de investigación sobre transformadores y demás equipos de alta tensión utilizando la simulación computacional como una herramienta esencial para obtener respuestas precisas a cuestiones relacionadas con la transferencia de calor y la dinámica de fluidos.
Figura 1 – Modelo CAE detallado del prototipo de transformador analizado.
Un equipo multidisciplinario de ingenieros, investigadores y estudiantes, utilizó simulaciones CFD (fluidodinámica computacional) para determinar la temperatura en transformadores de potencia, utilizando la herramienta Ansys Fluent. Las simulaciones mostraron la distribución detallada de la temperatura a lo largo de las bobinas, teniendo en cuenta todos los fenómenos implicados e indicando con más precisión la ubicación del punto caliente. Se modeló y simuló un prototipo de transformador en Ansys Fluent y posteriormente se probó en el laboratorio. Un sistema de medición de la temperatura con sensores de fibra óptica a lo largo de las bobinas permitió comparar los valores prácticos con los resultados del CFD.
Figura 2 – Distribución de la temperatura a lo largo de las superficies del tanque y radiadores.
Por un lado, los sensores ópticos proporcionan temperaturas puntuales precisas. Por otro lado, la simulación CFD permite analizar el flujo de aceite y las distribuciones de temperatura de forma detallada, mostrando los problemas relacionados con la composición constructiva y el flujo de aceite que afecta a las temperaturas internas, siendo muy difíciles de identificar mediante mediciones puntuales.
Los resultados CFD contribuyen a una mejor disposición de los sensores ópticos a lo largo de las bobinas, con el fin de medir las temperaturas críticas reales. Además, gracias a la versatilidad de la metodología de simulación CFD, es posible modificar de manera simple la disposición constructiva, las características de los materiales y las condiciones de funcionamiento del transformador, además de analizar el rendimiento térmico con el fin de optimizar los diseños.
Figura 3 – Distribución de la temperatura a lo largo del bobinado del transformador – Discos (a) 01-15, (b) 16-30, (c) 31-45, (d) 46-60.
Resultados y aplicación práctica en la industria de transformadores
El empleo de simulaciones CFD en el estudio de transformadores de potencia aporta diversos beneficios, permitiendo el análisis de distintos factores que intervienen en la distribución de la temperatura a lo largo de las bobinas. Mediante el uso de esta tecnología, es posible obtener respuestas precisas a cuestiones relacionadas con la transferencia de calor y la dinámica de fluidos, lo que contribuye a que los proyectos sean más seguros y eficientes.
El trabajo desarrollado por el LabCAE de la UFSM es un ejemplo del uso exitoso de la simulación para optimizar los equipos eléctricos de alto voltaje. A través de esta tecnología, el laboratorio obtuvo resultados similares a las pruebas experimentales realizadas para comparación y validación, comprobando su precisión en relación a grandes problemas de la industria. Los estudios contribuyen a diseños de transformadores de potencia más confiables y optimizados, aportando posibilidades reales de ahorro de tiempo y costos a la industria.
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