Ensayo numérico del calentamiento en un transformador eléctrico

Resumen

Los componentes activos de un transformador eléctrico son los devanados y el núcleo magnético. Las pérdidas en estos componentes originan calentamientos que, si son desmesurados, aceleran el deterioro del aislamiento de los bobinados y de toda la máquina. A partir de un ensayo numérico en el interior de un transformador, se ha desarrollado un estudio del flujo fluidodinámico y del proceso de evacuación de calor. El objetivo final es la optimización del diseño y operación de estas máquinas. Los fenómenos se verifican en el fluido interno, desde las fuentes de energía, las pérdidas, hacia la cuba. Concretamente, se considera un transformador de distribución y la predicción de temperatura como parámetro más representativo. Los ensayos han sido ejecutados mediante el Método de Elementos Finitos, con el cual se resuelve numéricamente un modelo matemático basado en las ecuaciones de Navier-Stokes incompresible y la ecuación de transporte de energía térmica, acopladas con un término de flotación proporcional a la temperatura incorporado a la ecuación de momento. El elevado número de Prandtl del aceite de transformadores obliga a utilizar mallas muy refinadas en las interfaces
sólido - fluido. También se destaca la heterogeneidad de los devanados, en los cuales se requiere estudiar la distribución de temperaturas, con marcada anisotropía del arrollamiento de menor tensión. Los resultados numéricos se han correlacionado positivamente con datos experimentales del ensayo de calentamiento (IRAM 2018, 1995) de un transformador de distribución (13.2/0.4 - 0.231 kV 315 kVA) de la firma Tadeo Czerweny S.A. Se presentan resultados de la simulación ejecutada, correspondientes al régimen fluidodinámico y térmico, concluyéndose que los mismos son consistentes con los fenómenos, y que el procedimiento aplicado es una herramienta robusta para el estudio de problemas de campo como el considerado. En el Anexo se registran los procedimientos para determinar las conductividades térmicas de los bobinados.