Esta web usa cookies

Este sitio web www.transproco.com utiliza cookies propias y de terceros para recopilar información que ayuda a optimizar su visita a sus páginas web. No se utilizarán las cookies para recoger información de carácter personal. Encontrará más información en nuestra Política de Cookies.

Idiomas

  

Iniciar sesión

Registrar



Protecciones de la caja del cable del buje de aceite

 

Los transformadores de potencia son la piedra angular de la red eléctrica y su protección es crucial para todas las empresas de generación, transmisión y distribución de todo el mundo. Las explosiones de transformadores de potencia son comunes y provocan incendios, riesgos para la vida humana, cortes de energía, contaminación ambiental y generan enormes gastos.

 

Por lo tanto, se desarrolló una estrategia para evitar la ruptura del tanque del transformador [1]. Esta estrategia se basa en la respuesta mecánica directa de hasta varios conjuntos rápidos de despresurización (DS) al primer pico de presión dinámica inducido por fallas eléctricas, que definimos como el PROTECTOR DEL TRANSFORMADOR (TP). En el mismo documento, el funcionamiento de esta estrategia de despresurización rápida fue validado experimentalmente: si la evacuación de petróleo y gases a través del Conjunto de despresurización rápida se activa en milisegundos por el primer pico de presión dinámica antes de que aumente la presión estática, se puede evitar la explosión del transformador.

Para minimizar los costos y los riesgos de las pruebas experimentales, se desarrolló una herramienta de simulación numérica de flujo de dos fases compresible basada en un método de volumen finito 3D para estudiar las explosiones de transformadores y las posibles estrategias para su prevención. El documento actual muestra las aplicaciones de este software de simulación para estudiar la influencia de las protecciones reales de transformadores mecánicos. En este documento, se presentarán simulaciones sobre una geometría de transformador con y sin protecciones de caja de cables de buje de aceite (OBCB) y se discutirán sus resultados.

1. Introducción

Los transformadores de potencia son altamente peligrosos debido a la gran cantidad de aceite que contienen en combinación con elementos de alto voltaje. Cuando el aceite pierde sus propiedades dieléctricas, pueden ocurrir fallas de baja impedancia, lo que resulta en un arco eléctrico. El primer pico de presión dinámica aumenta en la ubicación del arco, lo que lleva a que las ondas de presión se propaguen a la velocidad del sonido dentro del aceite, aproximadamente 1000 m / s. Estas ondas de presión se reflejan en las paredes del tanque que acumulan presión estática dentro del tanque del transformador, lo que finalmente resulta en una ruptura del tanque potencialmente violenta y se dispara cuando la presión estática alcanza el límite del tanque.

Los transformadores generalmente están construidos para soportar una presión estática de 0.7 bar (10.15 psi) de presión manométrica. En 2004, el laboratorio independiente brasileño de alta tensión CEPEL realizó una serie de experimentos sobre arco de transformadores y despresurización [1]. Las simulaciones muestran que la sobrepresión interna para los parámetros de las pruebas CEPEL habría dado como resultado presiones estáticas de calibre 7 bar (101.5 psi), 10 veces mayores que el límite de resistencia de los tanques del transformador.

La Sección VIII del código ASME define cómo determinar el grosor de las capas delgadas bajo presión interna. Como ejemplo, la División I, UG-27 se usa para determinar el grosor de una carcasa esférica. Si suponemos que la presión interna es mucho menor que el producto del esfuerzo máximo permitido de un material y la eficiencia de los pernos / soldaduras, entonces podemos concluir que el tanque del transformador debería haber sido aproximadamente 10 veces más grueso para evitar el transformador explosión sin protección [1]. Tal diseño de tanque induciría tensiones económicas e industriales adicionales. Por esta razón, se investiga un método alternativo de prevención de explosiones.

La estrategia informada en este documento implica la evacuación rápida de petróleo y gases dentro de los milisegundos del evento de arco por medio de un sistema mecánico pasivo, llamado PROTECTOR DE TRANSFORMADOR. UNA

estudio experimental completo de esta estrategia se informó anteriormente en [1]. Como las pruebas en vivo son muy caras y peligrosas, se ha desarrollado una herramienta alternativa de simulación computacional basada en los resultados de las pruebas CEPEL.

El objetivo de este trabajo es presentar los resultados de la aplicación de esta herramienta de simulación por computadora para comprender el funcionamiento de una estrategia rápida de evacuación de petróleo en una variedad de situaciones diferentes. Primero, se analiza brevemente una herramienta de simulación computacional. Luego, se presentan los parámetros para las simulaciones. Finalmente, se detalla la evolución temporal de una sobrepresión interna dentro de transformadores protegidos y no protegidos. La herramienta de simulación se usa para observar el efecto de la ubicación y el número de Conjuntos de despresurización de tanques rápidos, bajo dos configuraciones de arco.

 2 Herramienta de simulación computacional

 Los fenómenos físicos descritos se modelan como un flujo trifásico compresible en 3D, utilizando un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales basadas en un modelo de 5 ecuaciones desarrollado en [2]. Estas ecuaciones representan la conservación de masa, momento y energía, así como la advección de la fracción de volumen para cada fase. Se agregan efectos como la gravedad, la viscosidad y la conducción del calor en el modelado para cumplir con las restricciones físicas. Una de las principales características del modelo es su capacidad para representar con precisión la propagación de la onda de presión dentro de líquidos y gases. Se adopta un algoritmo de volumen finito para transformar el sistema de ecuaciones diferenciales en ecuaciones algebraicas y, por lo tanto, resolver computacionalmente el sistema. Los volúmenes están definidos por una malla 3D no estructurada, para permitir una descripción precisa de geometrías complejas como los tanques de transformadores.

En la serie de pruebas, las ecuaciones se resuelven permitiendo el cambio de fase a través de la cavitación. Esto modela adecuadamente las presiones locales extremadamente bajas como consecuencia de la despresurización rápida.

3 Descripción de la simulación

Para estudiar la estrategia rápida de protección contra la despresurización del tanque directo, es importante modelar con precisión la geometría del transformador, comprender la inicialización de los fenómenos y tener en cuenta la tecnología de prevención de explosión del tanque.

3.1 Geometría de transformador

 Como no existen estándares concretos para el diseño de tanques de transformadores, elegimos centrarnos en los componentes y dimensiones que son característicos de un tanque de transformadores real. Se ha creado una geometría genérica del tanque del transformador de 400 MVA con el propósito de simulaciones, y se muestra en la  Figura  1. Esta geometría modela el transformador con tres núcleos internos pero sin otros componentes internos (como vigas de soporte y cables). Esta geometría se utilizó en tres configuraciones principales:

1) Sin protección

2) Conjunto de despresurización horizontal individual (HDS)

3) Protecciones de caja de cable de buje de aceite HDS + 3 (OBCB) individuales (una en las torretas 1, 2 y 3)

Con dos ubicaciones de arco:

1) "Izquierda" - Entrada a la torreta 1

2) "Derecha" - Entrada a la torre 3

 Las mallas finales consistieron en aproximadamente 150,000 elementos tetraédricos.

En lugar de elementos de tubería aguas abajo de un TP real, se utilizan condiciones de límite atmosférico en las ubicaciones de los conjuntos de despresurización.

3.2 Descripción del arco eléctrico

 Las pruebas en transformadores a escala industrial [1] proporcionan información detallada sobre el fenómeno del arco eléctrico.

a) Descripción general: cuando se produce un arco de baja impedancia en un transformador aislado con aceite, el aceite líquido que rodea la ubicación del arco se vaporiza rápidamente y se crea una burbuja de gas. Como el aceite líquido no permite la expansión, la burbuja de gas se presuriza mucho en el punto de vaporización. Esta diferencia de presión entre la burbuja de gas y el petróleo circundante crea un primer pico de presión dinámica, que conduce a ondas de presión dinámica cuando interactúa con la estructura del tanque. Estas ondas de presión dinámica se propagan por todo el transformador, a la velocidad del sonido, generando presión estática dentro del

b) Después de la vaporización inicial del aceite y la creación de la burbuja de gas, el arco eléctrico ya no estará en contacto directo con el aceite del transformador y, por lo tanto, la vaporización adicional es limitada. En cambio, la energía del arco transferido al gas se usa para calentar el gas, generando plasma. Sin embargo, el agrietamiento del aceite vaporizado no tiene un efecto tan pronunciado en la generación de ondas de presión como el proceso de vaporización inicial.

c) Condiciones de arco de estudio: en la ubicación del arco "izquierdo", el arco se produce en el tanque del transformador en la conexión a la torreta 1. En la ubicación del arco "derecho", el arco se produce en el tanque del transformador en la conexión a El arco es simulado colocando un volumen presurizado de gas, o "burbuja", en el transformador. Luego, durante la duración del arco, se agrega energía a la región, causando un mayor aumento de la presión debido a la ecuación de estado. Este método para modelar el arco se ha utilizado para estudios previos, como el estudio paramétrico en configuraciones TP [3].

La burbuja tiene una forma aproximadamente cilíndrica, con una longitud y radio de aproximadamente 0.4 my 0.2 m, respectivamente, y bajo 11 bares de presión. Sin embargo, debido a las variaciones de malla, el resultado no es exactamente idéntico.

3.3 Modelado de la protección

 Simular el funcionamiento del sistema de despresurización es una tarea difícil. Esto se ha logrado en la herramienta computacional al eliminar la separación entre el aceite y la cámara de descompresión en función de la diferencia de presión a través de la barrera. Además, la función de apertura está obligada a abrirse progresivamente desde el centro primero y luego hacia afuera. En la Figura  2 se muestra una comparación de la evacuación de petróleo de las pruebas en vivo (izquierda) y las simulaciones (derecha)  .

 3.4 Parámetros de simulación

 Los parámetros de simulación utilizados para las pruebas se describen en la  Tabla 1,  Tabla 2 Tabla 3, a  continuación. los

 El petróleo y el gas se modelan con la ecuación de estado de gas endurecido.

 

Densidad (kg / m3)

Gamma (sin unidad)

Rigidez (Pa)

Petróleo

843,0

1.7

7.0 * 108

Gas

1.0

1,43

0.0

Tabla 1 - Propiedades del fluido

 

Alfa

Presión (Pa)

Tanque transformador

1.0 * 10-5

1.0 * 105

"Burbuja" de arco

0.99999

1,1 * 106

Salida (cuando está abierta)

0.99999

1.0 * 105

Tabla 2 - Condiciones iniciales

Corriente

(Pico)

voltaje

(Pico)

Frecuencia

Duración

Total

Energía

2,0 * 103

UNA

80.0 * 103

V

50,0 Hz

0.110 s

7.1986

MJ

Tabla 3 - Parámetros de arco

4 resultados de simulación

La Tabla 4  muestra las presiones máximas para las seis pruebas. La Tabla 5  muestra los tiempos de activación del DS individual y el Tiempo de despresurización del tanque del transformador. El tiempo de activación se define como el tiempo desde el comienzo del arco hasta la apertura del DS. El tiempo de despresurización se define como el período desde el comienzo del arco hasta el momento final en que la presión dinámica cae por debajo del límite de resistencia a la presión estática del tanque del transformador, el punto después del cual la ruptura del tanque ya no es posible.

Los tiempos de activación para la ubicación del arco izquierdo muestran que la protección OBCB es un 20% más rápida que el tiempo de activación del HDS solo. Al cambiar a la ubicación correcta del arco, la activación de OBCB es un 70% más rápida que el único tiempo de activación de HDS.

 

Tanque *

Torreta 1

Torreta 2

Torreta 3

"Izquierda" - Sin protección

19,3 bar

15.0 bar

10,7 bar

18,2 bar

"Izquierda" - HDS

16.8 bar

12,4 bar

9.4 bar

15,5 bar

"Izquierda" - HDS + 3 OBCB

15.0 bar

12,1 bar

7.0 bar

9.3 bar

"Correcto" - Sin protección

18,6 bar

17,7 bar

11,9 bar

15,5 bar

"Correcto" - HDS

17.0 bar

15,8 bar

10,1 bar

12,4 bar

"Correcto" - HDS + 3 OBCB

15.0 bar

11,5 bar

6.6 bar

11,5 bar

* La presión máxima del "tanque" puede ocurrir en cualquier punto del transformador, incluidas las torretas

Tabla 4 - Presiones máximas en transformador

 

Despresurización

Hora

Activación

HDS

Activación

Torreta OBCB 1

Activación

OBCB Turret 2

Activación

Torreta OBCB 3

"Izquierda" - Sin protección

n / A

n / A

n / A

n / A

"Izquierda" - HDS

400 ms

2,07 ms

n / A

n / A

n / A

"Izquierda" - HDS + 3 OBCB

146 ms

1,95 ms

1,56 ms

2,84 ms

5,33 ms

"Correcto" - Sin protección

n / A

n / A

n / A

n / A

"Correcto" - HDS

350 ms

5,33 ms

n / A

n / A

n / A

"Correcto" - HDS + 3 OBCB

139 ms

5,32 ms

5,97 ms

3,08 ms

1,65 ms

Tabla 5 - Tiempos de despresurización y activación

Ubicación del arco "izquierdo"

Ubicación del arco "derecho"

Figura 3 - Sin protecciones

 Los tiempos de despresurización son mucho más rápidos para el caso de las protecciones OBCB. En el caso del arco izquierdo, el tiempo de despresurización de OBCB es 36.5% del HDS solo. El tiempo de despresurización del caso de arco correcto es el 39.7% del tiempo que toma el HDS solo. Estos tiempos de despresurización más bajos son aproximadamente 2.6 veces más rápidos que los casos de HDS solamente.

4.1 Efecto de la ubicación del arco

 Los resultados muestran un alto grado de simetría basado en la ubicación del arco. La Figura  3 muestra los perfiles de presión en el transformador sin protección. A partir de estas figuras, podemos ver que los perfiles de presión en las dos pruebas son muy similares, donde los perfiles de la Torreta 2 son casi iguales, y los perfiles de la Torreta 1 y la Torreta 3 son imágenes especulares entre sí al cambiar la ubicación del arco .

Observamos algunas diferencias importantes entre las ubicaciones izquierda y derecha. La Tabla 6  ofrece una comparación de las presiones máximas en puntos importantes del transformador. Aunque los perfiles de presión son similares, los picos de presión varían hasta en un 10%.

 

Presión (bares)

"Izquierda"

"Correcto"

Diferencia

Tanque principal

19,3

18,6

- 0.7

Torreta lejana

18,2

17,7

- 0.5

Torreta Cercana

15,0

15,5

+ 0.5

Torreta media

10,7

11,9

+ 1.2

Tabla 6 - Comparaciones de presión máxima basadas en la ubicación del arco - Transformadores sin protección

Finalmente, notamos que con las protecciones OBCB, independientemente de dónde ocurra la falla inicial, un DS probablemente estará cerca del arco. En la ubicación del arco izquierdo, se activa el primer DS

1,25 veces antes. El caso correcto es incluso más rápido activando 3 veces antes que el HDS solo debido a su proximidad al arco.

4.2 Efecto de las protecciones OBCB

 Podemos ver una tendencia de que las protecciones adicionales de OBCB permiten la activación sustancialmente más rápida de un DS, si un arco está lo suficientemente cerca de una torreta.

 Más importante aún, los resultados muestran que la adición de 3 protecciones OBCB reduce el tiempo de despresurización en comparación con el de un único DS horizontal. Como se muestra en la  Tabla 5,  el tiempo de despresurización de la configuración 3 + 1 fue, en promedio, 2,6 veces el tiempo de despresurización en el HDS único en las simulaciones realizadas.

 Además, las simulaciones muestran que las protecciones adicionales de OBCB ayudan a limitar las presiones máximas experimentadas en los sensores de presión ubicados en las tres torretas de bujes, como se ve en la  Tabla 4.  La evolución de la presión de ambos casos se presenta en las  Figuras  4 y 5.

     

Ubicación del arco "izquierdo"

Ubicación del arco "derecho"

Figura 4 - Conjunto de depresión horizontal individual

Ubicación del arco "izquierdo"

Ubicación del arco "derecho"

Figura 5 - Conjunto de despresurización horizontal + 3 protecciones OBCB

  5. Conclusiones

Se ha utilizado una herramienta de simulación tridimensional basada en un modelo hidrodinámico de cinco ecuaciones para investigar una estrategia de protección contra la ruptura del tanque del transformador. El uso de esta estrategia de protección sirve como una alternativa al diseño de tanques de transformadores como recipientes a presión, que mediante la aplicación de la norma ASME requeriría un factor poco práctico de aumento de diez en el espesor del tanque. Al aplicar la herramienta de simulación, se ha estudiado la eficiencia de un método rápido de despresurización de tanques.

Se han realizado simulaciones en un tanque transformador de 400 MVA para determinar el efecto de agregar tres protecciones de la caja de cables del buje de aceite, además de un solo conjunto de despresurización horizontal. Según el modelo, las torretas en las que están instaladas las protecciones OBCB adicionales están conectadas abiertamente al tanque principal, sin obstrucciones internas entre el tanque principal y las torretas de buje.

Estas simulaciones indican que las protecciones adicionales reducen el tiempo de despresurización general del transformador en un factor de 2.6 al activarse hasta 3 veces antes. Además, las protecciones OBCB reducen la presión máxima en los casquillos, que son vulnerables a la ruptura.

6 referencias

  1.  S. MULLER, R. BRADY, G. de BRESSY, P. MAGNIER, G. PERIGAUD, "Prevención de la explosión del tanque transformador, Parte 1: Pruebas experimentales en transformadores grandes", ASME PVP 2008.

  2. R. BRADY, S. MULLER, G. de BRESSY, P. MAGNIER, G. PERIGAUD, "Prevención de la explosión del tanque transformador, Parte 2: Desarrollo y aplicación de una herramienta de simulación numérica", ASME PVP 2008

  3. R. BRADY, S. MULLER, M. PETROVAN- BOIARCIUC, G. PERIGAUD, B.LANDIS, "Prevención de la explosión del tanque transformador, Parte 3: Diseño de protecciones eficientes utilizando simulaciones numéricas", ASME PVP 2009

7 Biografía

Omar Ahmed actualmente trabaja en Transformer Protector Corporation como ingeniero de investigación, donde está modelando la física asociada con la explosión de transformadores y las estrategias de despresurización. Se especializa en optimizar los algoritmos computacionales de dinámica de fluidos para modelar la transferencia de energía desde el evento de arco al aceite del transformador y la propagación de ondas de presión subsiguiente.

Omar completó su licenciatura en Matemáticas y Física en la Universidad de Texas, Austin en 2006, y completó su Maestría en Dinámica de Fluidos Geofísicos en la Universidad de Rice en 2009.

Anne Goj actualmente trabaja en Transformer Protector Corporation como Ingeniera de Investigación, donde ella gasta tanto. pasa mucho tiempo calculando cantidades con la física y de vez en cuando se pregunta cómo todos sus títulos tienen escrita "química".

Anne estudió química física teórica y computacional en la Universidad de Cornell antes de mudarse a Texas en 2007.

 © Copyright Transformer Protector Corp. (TPC) 2006-2019 - Todos los derechos reservados