Improvement of the detailed thermalhydraulic model of oil-immersed power transformers, and extension of its application

[У. Радоман ]

191 стр.

Техничке науке – Електротехника - Енергетски претварачи и погони, енергетски трансформатори / Technical sciences – Electrical engineering - Power Converters and Drives, Power transformers

Предмет, циљеви и доприноси дисертације су у области термичког моделовања енергетских уљних трансформатора (ЕУТ). Први део дисертације бави се основним проблемом температуре најтоплије тачке изолације (hot-spot, HS) намотаја трансформатора и старења изолације, које је зависно од температуре HS и концентрације влаге и киселина у изолационој течности. Приказује се детаљни термо-хидраулички модел (ДТХМ), који представља оптимално савремено решење за одређивање HS температуре. ДТХМ је заснован на решавању скупа нелинеарних једначина, оријентационо са неколико стотина непознатих, при чему се обухвата утицај релевантних конструкционих детаља и физичких карактеристика материјала на HS температуру. У овом делу дисертације је раздвојен утицај различитих физичких појава при преносу топлоте које утичу на вредност HS температуре, чији утицај није јасно и прецизно квантификован у поједностављеним методама које се примењују у пракси. У овом делу дисертације приказује се и једна неинвазивна метода за процену релативне старости папирне изолације, која је верификована резултатима експерименталних истраживања на два специјална трансформатора, при чему је уважена промена HS температуре и садржаја влаге у уљу. Други део дисертације односи се на два унапређења модела стационарног ДТХМ. ДТХМ се заснива на математичком моделовању термичких и хидрауличких процеса унутар ЕУТ. У литератури не постоје аналитички изрази за све детаље реалних конструкција. У дисертацији су представљене нове једначине за прорачун коефицијента преласка топлоте струјањем на радијалним површинама намотаја са радијалним и аксијалним уљним каналима без баријера за усмеравање уља. Ове једначине су направљене на основу резултата FEM/CFD симулација, а затим су валидиране поређењем са мерењима која су објављена у литератури. Друго унапређење представљају нове једначине за прорачун пада притиска у глави радијатора, направљене на основу резултата експеримената на реалном расхладном систему у испитној станици фабрике трансформатора. Нове једначине за коефицијент преласка топлоте струјањем затим су употребљене за упоредну анализу ефикасности хлађења различитих типова намотаја. Трећи део дисертације се односи на проширење примене ДТХМ. ДТХМ и програми засновани на њему се превасходно користе у пројектовању нових ЕУТ. У дисертацији је изложена нова метода, заснована на квазистационарном ДТХМ, којом се у реалном времену, на основу стандардних мерења, врши прорачун запрљања трансформаторских размењивача топлоте типа shell-and-tube, код којих је спољашњи расхладни флуид вода. Вредност израчунатог фактора запрљања је важна за процену тренутно највећег могућег оптерећења трансформатора и планирање производње и одржавања. Истраживање је извршено на основу вишегодишњих резултата мерења на трансформатору који је у погону на једној хидроелектрани.

The subject, objectives and contributions of the dissertation are in the field of thermal modeling of oil-immersed power transformers (OIPT). The first part of the dissertation deals with the basic problem of the insulation’s hot-spot temperature (HS) of the transformer winding and the aging of the insulation, which depends on the temperature of the HS and the concentration of moisture and acids in the insulating liquid. A detailed thermo-hydraulic model (DTHM, or detailed THNM) is presented, which represents the optimal modern solution for determining the HS temperature. Detailed THNM is based on solving a set of non-linear equations, taking into account the influence of relevant construction details and physical characteristics of the material on the HS temperature. In this part of the dissertation, the influence of different physical occurrences during heat transfer that affect the value of HS temperature is separated, the influence of which is not clearly and precisely quantified in simplified empirical methods that are generally applied. In this part of the dissertation, a non-invasive method for assessing the relative age of paper insulation is presented, which was verified by the results of experimental research on two special transformers, whereby the change in HS temperature and moisture content in the oil was taken into account. The second part of the dissertation refers to two improved models of the stationary THNM. THNM is based on the mathematical modeling of thermal and hydraulic processes inside the OIPT. In literature, there are no analytical expressions for all the details of real constructions. The dissertation presents new equations for the calculation of the convection heat transfer coefficient on the radial surfaces of windings with radial and axial oil channels without oil guiding barriers. These equations were created based on the results of FEM/CFD simulations, and then confirmed by comparison with measurements published in the literature. The second improvement is represented by new equations for the calculation of the pressure drop in the radiator heads, made on the basis of the results of experiments on a real cooling system in the transformer factory’s test bay. New equations for the calculation of the convection heat transfer coefficient are afterward utilized in a comparative analysis of the cooling efficiency of different types of transformer windings. The third part of the dissertation refers to the extension of the application of THNM. THNM and programs based on it are primarily used in the design process of new OIPT. The dissertation presents a new method based on quasi-stationary THNM. In real-time operation, based on standard measurements, the method calculates fouling of shell-and-tube type transformer heat exchangers, in which the external cooling fluid is water. The value of the calculated fouling factor is important for the assessment of the current maximum possible load of the transformer and the production and maintenance planning. The research was carried out on the basis of several years of measurement data on a transformer that is in operation at a hydroelectric power plant.

Енергетски уљни трансформатори, Термо-хидраулички модел, Старење чврсте изолације, Пренос топлоте, Размењивачи топлоте, Hot-spot фактор, Фактор запрљања

Oil-immersed power transformers, Thermo-hydraulic network model, Aging of solid insulation, Heat transfer, Heat exchangers, Hot-spot factor, Fouling factor

621.314.22.08(043.3)

Tekst