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Métodos de interacción de estructura fluida en la prevención de la explosión del transformador.

Las explosiones de transformadores llenos de aceite y su prevención es un problema industrial complejo. Las pruebas experimentales mostraron que cuando ocurre una falla eléctrica en un transformador, genera ondas de presión dinámicas que se propagan en el aceite. Los reflejos de estas ondas en las paredes generan una alta presión estática que los tanques de transformadores no pueden soportar.

 

La capacidad del tanque para soportar esta presión es uno de los parámetros clave en la prevención de explosión de transformadores, y se desarrolló una herramienta numérica para simular los fenómenos resaltados experimentalmente, especialmente la propagación de ondas de presión. Nuestro objetivo es completar esta herramienta numérica para que el comportamiento mecánico del tanque pueda estudiarse con precisión. La herramienta numérica hidrodinámica se combinó posteriormente con un paquete de análisis de estructura dinámica: el software de código abierto Code_ASTER. Primero se desarrolló una estrategia de acoplamiento débil aplicando las presiones simuladas a la geometría de la estructura para evaluar tensiones y deformaciones. Esta estrategia evolucionó con el desarrollo de una fuerte estrategia de acoplamiento que requería establecer una técnica de malla móvil para que el código hidrodinámico aceptara datos de desplazamiento del código de estructura y completara el intercambio entre códigos de estructura y hidrodinámicos. Se muestran nuestros primeros resultados alentadores

I. INTRODUCCIÓN

A. CAMPO DE APLICACIÓN

Los mercados de electricidad se han vuelto cada vez más competitivos en los últimos años. Para limitar los costos, las compañías de electricidad a menudo se ven obligadas a reducir sus inversiones mediante el uso de equipos antiguos y sobrecargando sus transformadores de potencia. Sin embargo, estos transformadores se encuentran entre los equipos eléctricos más peligrosos debido a la gran cantidad de aceite que contienen en contacto directo con elementos de alto voltaje. Las explosiones de transformadores llenos de aceite son cada vez más frecuentes. Producen incendios peligrosos, con daños costosos y posible contaminación ambiental. Por lo tanto, las explosiones de transformadores y su prevención son un desafío industrial crítico.

B. CRONOLOGÍA DE LOS EVENTOS

Cuando el aceite del transformador pierde sus propiedades dieléctricas (debido a la antigüedad, errores de diseño, contaminación por aceite, sobrecarga, falta de mantenimiento ...) (1) pueden ocurrir arcos eléctricos dentro del tanque del transformador; (2) El petróleo se vaporiza y (3) el gas generado se presuriza rápidamente porque la inercia del líquido impide su expansión; (4) La diferencia de presión entre las burbujas de gas y el aceite líquido circundante genera un pico de presión dinámica que se propaga e interactúa con la estructura del tanque; (5) La presión promedio en el transformador luego aumenta, y (6)La sobrepresión estática conduce a la explosión del tanque y al posible incendio, lo que resulta en daños muy costosos para las instalaciones de electricidad.

C. EXPERIMENTOS Y CONCLUSIONES PRINCIPALES

Debido a los riesgos que puede representar un evento tan catastrófico, se han realizado muchos estudios para analizar el proceso de explosión y proponer estrategias de prevención. Se llevaron a cabo una serie de campañas experimentales [10] [11] [13], la mayoría de ellas con transformadores de pequeño tamaño [6] [7] [8]. Más recientemente, se realizaron pruebas de arco interno en transformadores llenos de aceite de tamaño industrial (5,3 mx 3,8 mx 2,3 m ) totalmente equipados con su estructura interna (devanados, núcleo magnético, etc.).

Estas pruebas permitieron estudiar los fenómenos físicos después de la aparición del arco, así como la eficiencia de un método basado en la despresurización directa rápida que se describe completamente en la referencia [15]. La campaña de prueba enfatizó dos puntos:

  • La propagación de la onda de presión: los experimentos a mayor escala mostraron (1) aumento de presión y variaciones no son espacialmente uniformes en el tanque, y (2) ondas de presión, generadas después de la aparición del arco, se propagan a una velocidad finita dentro del aceite líquido, interactuando progresivamente con la estructura del tanque;
  • El tanque resiste a la alta presión dinámica: los picos de presión de hasta 14 bares (abs.) Se experimentaron localmente durante esa campaña de prueba. No se notó la ruptura del tanque: debido a la operación de protección rápida, el tanque fue sometido a picos de presión localizados por un período de tiempo muy corto. Si la evacuación de aceite a través de un conjunto protector se activa en milisegundos por el primer pico de presión dinámica de la onda de choque, el transformador evita explosiones antes de que aumente la presión estática.

D. NECESIDADES DE HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN NUMÉRICA

Sin embargo, realizar tales experimentos en transformadores grandes es costoso y puede ser peligroso. Además, no se pueden probar experimentalmente todas las configuraciones físicas y todas las configuraciones in situ. Para evaluar de manera fácil y eficiente las estrategias de protección, es necesario estudiar las explosiones de transformadores y las tecnologías de despresurización utilizando simulaciones computacionales.

Para este propósito, se ha desarrollado una herramienta numérica completa. Esta herramienta puede simular flujos de dos fases compresibles inestables, permitiendo efectos físicos adicionales (influencia de energía de arco, viscoso, efectos de gravedad) en un marco 3D no estructurado que puede explicar geometrías complejas de transformadores. El modelo detallado se presenta en [5].

E. INTEGRIDAD DE LA ESTRUCTURA DEL TANQUE

La descripción de la interacción de la onda de presión con la estructura es un desafío. La estimación de la sobrepresión local interna es importante para verificar si las paredes del tanque del transformador pueden soportar las tensiones a las que están sometidas.

Se implementó la evaluación global de esas tensiones. Sin embargo, las geometrías complejas de los transformadores combinadas con estructuras de datos de malla no estructuradas en 3D y el nivel de detalle requerido para describir los conjuntos atornillados y soldados llevaron a considerar formas más avanzadas de calcular los efectos de las ondas de presión interna en la estructura del tanque.

Simultáneamente, aumentó la necesidad de describir con mayor precisión las características del transformador externo. De hecho, la influencia de las vigas de refuerzo externas u otras características específicas puede no ser insignificante en el comportamiento estructural dinámico del tanque en general y, por lo tanto, debe incluirse en el modelado.

F. EMERGENCIA DE UNA NECESIDAD DE MEJORAR LA DESCRIPCIÓN DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEL TANQUE DE TRANSFORMADOR

Todos los problemas anteriores se pueden resolver mediante el desarrollo de una interacción fluida / estructura (FSI) estrategia basada en la unión de un código hidrodinámico de desarrollo propio denominado HYCTEP ( HY drodynamic C oda de T Media Tensión E xplosion P revención) con una estructura código que asegurará el cálculo preciso de los esfuerzos y los desplazamientos de la pared del tanque.

Nuestro objetivo es presentar los primeros pasos realizados hacia este objetivo. La siguiente sección describirá brevemente HYCTEP y algunos requisitos que proporcionan motivación para el código de estructura. Luego se discutirá la estrategia Fluido / Estructura, así como las diferentes opciones de acoplamiento. Se abordan problemas específicos y sus soluciones. Finalmente, los resultados preliminares ilustrarán las habilidades de la estrategia desarrollada.

II IMPLEMENTACIÓN DE LA ESTRATEGIA FSI

 DESCRIPCIÓN DE HYCTEP -  Creación de estructura de datos de malla - GMSH

Antes de realizar cualquier cálculo con HYCTEP, la geometría y la malla deben crearse con GMSH. Este generador de malla 3D no estructurado es conveniente porque (1) su uso es intuitivo y (2) combina la creación de geometría y la malla asociada en una herramienta. Se pueden encontrar más detalles en [9]. Elegir GMSH para generar datos HYCTEP requiere la elección de un código de estructura para que sea compatible con GMSH.

2. Modelado

Los modelos de flujo de dos fases utilizados en un marco compresible se pueden encontrar en la literatura, principalmente en el campo de la detonación donde los materiales están sujetos a presiones extremas. Tal enfoque fue utilizado por primera vez por Baer & Nunziato [3], quienes derivaron la base de un modelo de flujo bifásico compresible muy general donde cada fase tiene su propia presión y velocidad para representar explosiones y detonaciones. Su trabajo fue adaptado y mejorado para tener en cuenta los términos de relajación con el fin de volver instantáneamente al equilibrio mecánico y manejar los flujos con interfaces [17]. Sobre la base de ese trabajo, se aplicó un análisis asintótico para simplificar el modelo general bajo el supuesto de que el equilibrio mecánico debe cumplirse instantáneamente entre las fases en contacto [12].Este modelo se mejoró aún más para describir flujos con interfaces gas / líquido, y se demostró su capacidad para describir con precisión la propagación de ondas de presión dentro de flujos de dos fases [1] [14]. El modelo puede representar la propagación de ondas de presión dentro de líquidos y gases [1] [14]. Otros efectos físicos (gravedad, transferencias de energía) se contabilizan [5]. Cada fluido se describe por su propia ecuación de estado (EOS) . El gas rígido EOS se utiliza para gases y líquidos. El modelo está cerrado por una mezcla isobárica EOS que permite describir las zonas de mezcla artificial que aparecen en las interfaces manchadas entre petróleo y gas debido a la difusión numérica del método.

3. Método numérico

Se ha adoptado un método de volumen finito para resolver numéricamente el sistema PDE (ecuación diferencial parcial) especificado en [5]. Los flujos numéricos se evalúan en cada límite de la superficie de la celda gracias a un problema de Riemann que se resuelve para determinar todas las variables de flujo en el límite de la superficie. La malla 3D no estructurada está hecha de tetraedros. Dicha descripción permite una descripción precisa de geometrías complejas, como los tanques de transformadores de potencia. El modelo y el método se han descrito detalladamente en varias referencias [1] [14] y su aplicación en el campo de prevención de explosión de transformadores se ha abordado en [5].

B. ELECCIÓN DE UN CÓDIGO DE ESTRUCTURA

Elección de Code_ASTER -  Breve presentación

El desarrollo de Code_ASTER ha sido iniciado por la empresa eléctrica nacional francesa, EDF, Electricite de France, y su mantenimiento involucra muchos laboratorios de investigación de alto nivel especializados en análisis de estructuras. Code_ASTER se basa en un método de elementos finitos que puede describir el comportamiento mecánico de una estructura en diferentes configuraciones. Se puede encontrar más información en el sitio web oficial del proyecto, incluidas todas las pruebas de validación [2]. En las siguientes secciones, Code_ASTER se denominará ASTER.

b) ¿Por qué ASTER?

ASTER ha sido elegido porque (1) este programa con licencia de GNU de código abierto es mantenido activamente por laboratorios dedicados al análisis estructural; (2) se han realizado muchas pruebas de validación; (3) los cálculos dinámicos y estáticos se pueden ejecutar en regímenes tanto elásticos como plásticos; (4) puede ejecutarse mediante un archivo por lotes, lo que garantiza que sea posible una automatización completa de la estrategia de acoplamiento; (5) es GMSH, y por lo tanto HYCTEP, compatible; y finalmente (6) EDF ya ha intentado una estrategia de acoplamiento similar al acoplar su solucionador de flujo incompresible desarrollado internamente, Code_SATURNE, con Code_ASTER [4], y (7)ASTER puede describir conjuntos atornillados con elementos de cuerpo rígido utilizando la teoría del casco.

C. ESTRATEGIAS DE ACOPLAMIENTO FSI

Conceptos básicos de acoplamiento:  supuestos y opciones de ASTER

El ancho y la altura de las paredes del tanque son mucho mayores que los espesores de pared. Por lo tanto, en lugar de describir en detalle las paredes del tanque del transformador y mallarlas, usamos la teoría del casco para parametrizar ASTER.

La estrategia FSI es evaluar cualitativa y cuantitativamente la respuesta mecánica de las paredes del tanque cuando se somete a ondas de presión altamente dinámicas. La evolución en el tiempo y el espacio de los esfuerzos mecánicos y de las desviaciones de las paredes locales del tanque se resuelve mediante simulaciones dependientes del tiempo en el régimen plástico elástico.

b) Problemas enfrentados y solución encontrada

Para implementar la interacción fluido / estructura mediante el acoplamiento de dos códigos diferentes, modificamos HYCTEP para cumplir con los requisitos de ASTER, ASTER personalizado para describir la estructura y creamos un contenedor que administra la comunicación entre los dos programas. Se abordaron problemas específicos:

· Problemas para adaptar las simulaciones de fluidos

Para tener en cuenta las vigas externas en el tanque, se modificó HYCTEP para que los elementos geométricos adicionales relacionados con la estructura se contabilicen en la estructura de datos pero no en el cálculo hidrodinámico en sí; Se incluyeron límites de línea en el lector de malla para facilitar condiciones de borde fijo en el cálculo de la estructura. Los vectores normales en cada punto ahora se extraen para usarse mientras se aplican presiones. Se agregaron o modificaron varias subrutinas para tener en cuenta los desplazamientos de malla.

· Problemas para adaptar la simulación de estructura.

El primer problema fue extraer la geometría de la estructura del archivo inicial ".geo-format" que describe la geometría hidrodinámica. La malla de volumen se exporta a HYCTEP, mientras que la malla de superficie se exporta a ASTER. Esto se logró definiendo grupos físicos apropiados en GMSH mientras configuraba la geometría. El formato del archivo de inicio de ASTER tuvo que determinarse sin usar la interfaz de usuario incorporada. Nos aseguramos de que los vectores normales al casco estén en la dirección correcta mediante el uso directo de las salidas HYCTEP. Las descripciones de materiales de gestión para el cómputo de múltiples materiales se contabilizaron mediante la creación de un repositorio de datos de materiales, lo que permite a los usuarios elegir cualquier material o crear nuevos materiales al ingresar constantes constitutivas.

· Problemas al crear el acoplamiento

El acoplamiento es un script automatizado que transfiere información de HYCTEP y ASTER. El acoplamiento ha sido diseñado para usar cualquiera de los dos modos de operación. En el acoplamiento unidireccional, HYCTEP calcula primero las presiones que luego se suministran a ASTER para calcular los desplazamientos y las tensiones. El acoplamiento bidireccional hace que HYCTEP calcule las presiones que luego se suministran a ASTER, calculando los desplazamientos y las tensiones y transfiriendo los desplazamientos nuevamente a HYCTEP que afectan el siguiente conjunto de presiones al alterar el volumen. Ambos modos de acoplamiento luego repiten este proceso en el que HYCTEP espera hasta el final de cada simulación ASTER antes de continuar.

c) Automatizar el acoplamiento

Escribimos un programa de acoplamiento para controlar con precisión el tiempo en tándem de los dos cálculos y para automatizar el intercambio de datos físicos.

Los cálculos ASTER son controlados por un archivo de comando. Al iniciarse, ASTER leerá el archivo de comando, el archivo de malla y cualquier otro archivo según las instrucciones. Para simulaciones similares, solo se necesitan pequeños cambios en el archivo de comandos y se pueden realizar diferentes cálculos. Al adoptar algunas convenciones en la creación de la malla, incluso si la geometría de la malla es bastante diferente, los comandos seguirán siendo los mismos. Estas similitudes hacen que sea razonable automatizar los cambios en el archivo de comandos, lo que permite que el cálculo ASTER se automatice.

La salida de HYCTEP de las presiones calculadas en las caras exteriores del elemento se ingresa en ASTER. El comando ASTER para establecer esta condición no aceptará una lista de datos coincidentes. Solo acepta la misma presión para un grupo de entradas o presión de entrada única para un solo elemento. Por lo tanto, era necesaria una función para escribir el comando uniendo las presiones individuales a sus respectivos elementos de malla.

Se agregaron funciones adicionales a la generación del archivo de comando para permitir la sección de las paredes deformables y los diferentes materiales. Estas adiciones requieren una entrada mínima del usuario debido a suposiciones acerca de qué grupos de mallas deben usarse con cada comando. Estas convenciones son lo suficientemente flexibles como para permitir grandes variaciones en las geometrías.

2. Procedimiento de acoplamiento débil

La estrategia de acoplamiento débil utiliza los datos de presión calculados por el código hidrodinámico como cargas mecánicas de entrada en la estructura (ver Figura 1). El desafío es establecer un paso de tiempo de estructura , estructura D t , para que la estructura alcance localmente su estado de equilibrio. Durante este intervalo, se calculan varias iteraciones hidrodinámicas para evaluar la presión aplicada sobre las paredes internas del tanque; el paso de tiempo hidrodinámico, D t hidro , es una fracción del paso de tiempo de estructura. Después del tiempo de estructura

el cálculo hidrodinámico alcanza el paso, el mapa de presión se exporta de HYCTEP a ASTER, donde los valores de presión se utilizan como cargas mecánicas externas. ASTER puede estimar las tensiones mecánicas locales y los desplazamientos de la estructura. Los criterios de ruptura se aplican para determinar si se produce la ruptura y dónde.

3. Acoplamiento fuerte

Procedimiento

Con un acoplamiento débil, los datos de presión extraídos de HYCTEP se utilizaron para evaluar los esfuerzos mecánicos y las deformaciones de la estructura. Con el acoplamiento fuerte, estas deformaciones se inyectan nuevamente en el código hidrodinámico después del cálculo de la estructura para tener en cuenta la influencia de las deformaciones en la presión local (ver Figura 2).

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b) Modificaciones en comparación con el acoplamiento débil

Para lograr un acoplamiento más fuerte entre el código hidrodinámico HYCTEP y el código de estructura ASTER, explicamos explícitamente los efectos de los desplazamientos de malla en los valores de presión locales. Cuando una placa o una pared se ve afectada por una onda de presión, la presión local aumenta y conduce a deformaciones locales de la estructura. A medida que continúa la interacción fluido / estructura, estas deformaciones pueden inducir una caída de presión muy local. Para permitir estos efectos en HYCTEP, se implementó una estrategia de malla móvil. El trabajo detallado en [16]que se desarrolló exclusivamente para las PDE conservadoras, se ha extendido a conjuntos de ecuaciones no conservadoras. Como en el caso conservador, se agrega un flujo debido a la velocidad límite de la superficie en las expresiones de los flujos conservadores. Los vectores normales promediados en el tiempo hasta la superficie límite de la celda se utilizan para evaluar los términos no conservadores debido a la ecuación de la fracción de volumen. Este nuevo marco ha sido validado en tubos de choque de dos fases.

4. Paralelización

Además de la versión secuencial de HYCTEP, se desarrolló una versión paralela para (1) describir mejor las geometrías complejas de los transformadores y (2) acortar el tiempo de cálculo al tener en cuenta las configuraciones industriales reales. los

El marco utilizado para los cálculos paralelos se ha automatizado completamente desde la partición de malla hasta el lanzamiento simultáneo de la estructura y los cálculos hidrodinámicos en varias computadoras distantes.

III. RESULTADOS

Computaciones OLTC

1. Motivación

En este estudio estimamos la influencia de reducir el tamaño de protección OLTC en el proceso de despresurización. Se examinaron dos configuraciones OLTC utilizando nuestra estrategia de acoplamiento débil (1) una prueba en la que el OLTC está protegido con un conjunto de despresurización (DS) de 6 pulgadas con una presión de ruptura calibrada de 5 bar, la prueba 'estándar' y (2) una prueba con un diámetro reducido (5 pulgadas) para el DS. El umbral de estrés es de 450MPa.

2. Descripción

Las condiciones de arco utilizadas para cada una de las simulaciones en este informe son las siguientes: (1) Ubicación del arco: en el centro del tanque, justo fuera del eje, (2) Duración del arco: 90 ms, (3) Voltaje del arco: 20 kV y ( 4) Corriente de arco: 12.366 kA.

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3 . Incidente OLTC protegido con diseño DS estándar

En la siguiente simulación, el OLTC está protegido por un sistema de despresurización rápida calibrado con presión de explosión de 5 bar y 6 pulgadas de diámetro. El arco se activó y conduce a la aparición de una sobrepresión interna. Los mapas de presión se pueden ver en la FIGURA 4. La protección está completamente abierta en 10 ms y la presión ya se está aliviando con valores promedio de aproximadamente 16 bares. La presión continúa aliviando y luego vuelve a niveles de presión seguros (por debajo de 5 bares) dentro de 29 ms. Las tensiones se concentran entre los orificios de los pernos en la tapa del tanque, como se muestra en la FIGURA 5.

4. Incidente OLTC con una sección transversal reducida de DS

Esta configuración se ha simulado para evaluar los efectos de reducir la sección transversal del DS reduciendo el diámetro de las 6 pulgadas estándar a 5 pulgadas. La FIGURA 6 y la FIGURA 7 muestran la distribución de presión. Debido al tamaño reducido del DS, la despresurización del tanque lleva más tiempo y las presiones experimentadas por el tanque son más altas que en el caso estándar. Los niveles de presión seguros en el caso de la sección transversal reducida se producen solo después de 38 ms, un aumento del 31% en el tiempo de despresurización. B. CHORRO DE ACEITE LÍQUIDO IMPACTANDO UNA PLACA DE ACERO 1. Razones de tal prueba Este caso de prueba se consideró para verificar deformaciones calculadas debido a las presiones del movimiento del aceite. Esta simulación utiliza la fuerte estrategia de acoplamiento.

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Descripción

La placa de acero es un cuadrado de dos metros en un lado que se mantiene fijo a lo largo de sus bordes. La placa se define como una sección de pared deformable. La condición de entrada está configurada para simular la pulverización de aceite a doscientos metros por segundo. Todas las demás superficies del volumen utilizado por HYCTEP están configuradas para salidas.

Resultados

El rociado sobre la placa provoca una desviación arqueada como se esperaba. El chorro de aceite impacta la placa y la alta presión provoca una deformación, pero a medida que la placa se deforma, las presiones en la placa se reducen. A medida que los desplazamientos disminuyen, la presión aumenta nuevamente. Las presiones finales se muestran en la FIGURA 8. No se utilizó el límite de resistencia a la tensión en esta prueba, por lo que la simulación continúa deformando la placa mucho más allá del punto de falla de una placa de acero real.

Sin embargo, esta prueba muestra (1) que la adaptación de la estrategia de malla móvil a este nuevo conjunto de ecuaciones es efectiva y (2)

El protocolo de comunicación avanzado entre los códigos hidrodinámicos y de estructura está operativo.

CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS

La prevención de explosión de transformadores es un problema industrial importante para las compañías eléctricas. Para comprender los fenómenos involucrados y establecer estrategias de prevención eficientes [15] se han llevado a cabo experimentos. Se han desarrollado herramientas de simulación numérica para estudiar cualquier tipo de configuración física. Se ha adaptado un modelo hidrodinámico a esta nueva aplicación. Este marco permite la descripción de líquidos y gases como medios compresibles, lo que permite describir con precisión la propagación de las ondas de presión que se generan después de la aparición de un arco eléctrico en el aceite.

Ha aumentado la necesidad de una mejor descripción del comportamiento mecánico de las geometrías complejas 3D y se ha desarrollado una estrategia de interacción fluido / estructura mediante el acoplamiento de la hidrodinámica de flujo bifásico compresible desarrollada internamente

código, HYCTEP, al código de análisis de estructura, Code_ASTER. El presente documento dio una idea de los diferentes problemas enfrentados y resueltos para lograr este objetivo:

  • Un contenedor gestiona las entradas, salidas y el inicio automático de cada programa, asegurando así la comunicación entre ambos;
  • La evaluación de la tensión mecánica local y los desplazamientos de la estructura local se calculan de manera que el comportamiento mecánico local de la estructura se pueda evaluar mejor;
  • También se ha establecido una estrategia de malla móvil para tener en cuenta la influencia de los desplazamientos de malla calculados por ASTER en la presión local.

La estrategia global ha sido ilustrada y probada en varias configuraciones. Estos primeros resultados alentadores muestran que el procedimiento es apropiado para tratar problemas industriales más complejos. Podemos usar esta estrategia para modelar eventos de arco de transformadores y medios para mitigar las explosiones de tanques.

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