Metodologia baseada em simulações para determinação dos esforços eletromecânicos em transformadores de potência

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Medeiros, Leonardo Hautrive
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Manancial - Repositório Digital da UFSM
dARK ID: ark:/26339/0013000002d6z
Texto Completo: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/22433
Resumo: The power transformers, responsible for adapt the voltage levels, are essential equipment to the operation of electrical systems. Exposed to different situation, they are subject to several failures that can lead to an operational unavailability. Among the failures, there may be the rupture of the dielectric insulation, due the windings deformations by electromechanical forces from high currents, as short-circuits, leading to technical and financial losses. This master thesis presents a methodology for electromechanical forces determination and its distribution in the windings through simulations employing Finite Element Method. After an overview of the forces, presenting operating situations of high currents and possible deformations, analytical methods of calculation are approached, exposing their simplifications and applications difficulties, with the example of the use Waters’ equations on three concentric windings arrangements: same height, tap on the end of winding and central tap. Thereby, 3D modeling and simulations of the same arrangements in finite element software are presented, showing the practicality and applicability of the simulation method. After comparing the simulations results with the equations, analyzes of the radial and axial forces are presented, with details in divisions modeled along the height of the windings and around the core column, including a parametric variation in the tap size. From the simulations, it was found that the analytical equations, even with simplifications, are accurate. Additionally, the finite element simulation tool proved to be very efficient, mainly because it allows the modeling and analysis of more complex geometries and arrangements, where the equations applications becomes limited. Still, with simulation modeling, the forces distribution was verified in detail, in addition to critical points and characteristics that can be taken into account I more reliable transformers projects.
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This master thesis presents a methodology for electromechanical forces determination and its distribution in the windings through simulations employing Finite Element Method. After an overview of the forces, presenting operating situations of high currents and possible deformations, analytical methods of calculation are approached, exposing their simplifications and applications difficulties, with the example of the use Waters’ equations on three concentric windings arrangements: same height, tap on the end of winding and central tap. Thereby, 3D modeling and simulations of the same arrangements in finite element software are presented, showing the practicality and applicability of the simulation method. After comparing the simulations results with the equations, analyzes of the radial and axial forces are presented, with details in divisions modeled along the height of the windings and around the core column, including a parametric variation in the tap size. From the simulations, it was found that the analytical equations, even with simplifications, are accurate. Additionally, the finite element simulation tool proved to be very efficient, mainly because it allows the modeling and analysis of more complex geometries and arrangements, where the equations applications becomes limited. Still, with simulation modeling, the forces distribution was verified in detail, in addition to critical points and characteristics that can be taken into account I more reliable transformers projects.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESOs transformadores de potência, responsáveis por adequar os níveis de tensão, são equipamentos essenciais para o funcionamento de sistemas elétricos como um todo. Expostos a diferentes situações, estão sujeitos a diversas falhas que podem acarretar em uma indisponibilidade operativa destes. Entre as falhas, pode haver o rompimento da isolação dielétrica, devido a deformações dos enrolamentos por esforços eletromecânicos oriundos de elevadas correntes, como curtos-circuitos, levando a prejuízos técnicos e financeiros. Este trabalho apresenta uma metodologia para determinação dos esforços eletromecânicos e sua distribuição nos enrolamentos de transformadores de potência através de simulações empregando o Método de Elementos Finitos. Após uma visão geral dos esforços, apresentando situações operativas de elevadas correntes e possíveis deformações, métodos analíticos de cálculo são abordados, expondo suas simplificações e dificuldades de aplicação, com a exemplificação do uso das equações de Waters sobre três arranjos de bobinas concêntricas: mesma altura, tap na cabeceira e tap central. Diante disso, são apresentadas modelagens 3D e simulações dos mesmos arranjos em software de elementos finitos, mostrando a praticidade e aplicabilidade da metodologia de simulação. Após comparar os resultados das simulações com as equações, análises dos esforços radiais e axiais são apresentadas, com detalhamento em divisões modeladas ao longo da altura dos enrolamentos e no entorno da coluna do núcleo, incluindo uma variação paramétrica do tamanho do tap. A partir das simulações, verificou-se que as equações analíticas, mesmo com simplificações, são precisas. Adicionalmente, a ferramenta de simulação em elementos finitos mostrou-se bastante eficiente, principalmente por permitir a modelagem e análise de geometrias e arranjos mais complexos, onde a aplicação de equações torna-se limitada. Ainda, com as modelagens em simulação, verificou-se detalhadamente a distribuição dos esforços, além de pontos críticos e características que podem ser levadas em conta em projetos de transformadores mais confiáveis.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia ElétricaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaMarchesan, Tiago Bandeirahttp://lattes.cnpq.br/2318413245910780Bender, Vitor CristianoChagas, Natalia BraunMedeiros, Leonardo Hautrive2021-10-18T13:39:25Z2021-10-18T13:39:25Z2020-02-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/22433ark:/26339/0013000002d6zporAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2021-10-19T06:02:08Zoai:repositorio.ufsm.br:1/22433Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/ONGhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.comopendoar:2021-10-19T06:02:08Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false
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