Análisis CFD de la refrigeración de un transformador de potencia con distintos tipos de aceite

Abstract

El objetivo de este trabajo es realizar estudio de la refrigeración de un transformador de potencia inmerso en aceite, mediante técnicas CFD (Dinámica de fluidos computacional). En concreto diseñaremos la parte del devanado, que es donde el fluido del sistema entra en contacto con las bobinas del transformador. Para ello se realizará un modelo a escala de esta parte del sistema de refrigeración. El primer apartado consiste en obtener el mejor modelo posible para la simulación. Elaboraremos dos mallados, cuya diferencia está en el tamaño de los elementos que lo forman. Al final vemos que el modelo con más elementos y por lo tanto el más preciso es el mejor para este cometido. La principal duda era si la mayor calidad de simulación y por tanto uso de recursos, justificaba la diferencia de resultados. En este estudio se valorarán diferentes aceites empleados en la refrigeración de transformadores, tanto de origen mineral como biodegradables. Para ello, se utilizarán, 4 aceites: un aceite de origen mineral, otro hecho a partir de soja, el tercero proveniente de la colza y por último uno sintético. Los aceites biodegradables y de origen vegetal se están abriendo un hueco en el mercado y se están empezando a implementar en los sistemas de refrigeración de transformadores de potencia. Mediante este estudio veremos qué diferencias tienen con los que se han usado históricamente, que son los de origen mineral. El propósito de este trabajo es un estudio teórico del impacto de modificar la geometría de los canales de refrigeración del transformador para el uso de esteres naturales. En este ensayo no hemos tenido en cuenta las cualidades de cada tipo de aceite referidas a seguridad, mantenimiento, su facilidad de obtención etc. Cualidades que sí se tienen en cuanta a la hora de elegir el fluido para un sistema de refrigeración. Veremos las grandes diferencias que existen entre las dos tipologías de aceite. Entre todos ellos, el que ha sido capaz de enfriar mejor el devanado de nuestro transformador es el aceite mineral. Dentro de los aceites biodegradables el que mejores resultados obtiene es el aceite vegetal 1 o aceite de soja. Aunque en muchos aspectos obtenga resultados parecidos al aceite vegetal 3 (sintético), en general es el que obtiene los valores más fiables. El que peor consigue enfriar el devanado y obtiene los peores resultados, lejos de los otros dos, es el aceite vegetal 2, proveniente de la colza. La última parte del ensayo consiste en ver si un aumento de tamaño en de nuestra pieza en determinados puntos influye en la refrigeración y si gracias a ello podemos igualar las prestaciones entre los aceites minerales y los biodegradables. Los datos obtenidos nos muestran que, como es lógico, al aumentar el tamaño de los conductos, mejoran los resultados. Esto es muy importante ya que hemos podido comprobar que, si se quieren cambiar los aceites de origen mineral por la nueva generación de aceites vegetales, al aumentar las dimensiones del sistema se pueden igualar e incluso superar las prestaciones, contando además con las cualidades que tienen los aceites biodegradables frente a los minerales.

The aim of this work is to study the cooling of a power transformer immersed in oil, using CFD (Computational Fluid Dynamics) techniques. Specifically, we will design the winding part, which is where the system fluid meets the transformer coils. To do this, a scale model of this part of the cooling system will be made. The first section consists of obtaining the best possible model for the simulation. Two grids will be created, the difference between them is the size of the elements that make up the model. In the end we see that the model with more elements and therefore the more accurate one is the best for this task. The main doubt was whether the higher quality of the simulation, and therefore the use of resources, justified the difference in results. In this study, different oils used in the cooling of transformers, both of mineral and biodegradable origin, will be evaluated. Four oils will be used for this purpose: one oil of mineral origin, another made from soya, the third from rapeseed and finally a synthetic oil. Biodegradable oils of vegetable origin are opening a niche in the market and are beginning to be implemented in the cooling systems of power transformers. Through this study we will see how they differ from those that have been used historically, which are those of mineral origin. The purpose of this work is a theoretical study of the impact of modifying the geometry of the transformer cooling channels for the use of natural esters. In this test, we have not considered the qualities of each type of oil regarding safety, maintenance, ease of obtaining, etc. These qualities are considered when choosing the fluid for a cooling system. We will see the major differences between the two types of oil. Among all of them, the one that has been able to cool the winding of our transformer the best is mineral oil. Among the biodegradable oils, the one with the best results is vegetable oil 1 or soya oil. Although in many aspects it obtains similar results to vegetable oil 3 (synthetic), in general it is the one that obtains the most reliable values. Vegetable oil 2, which comes from rapeseed, is the one with the worst winding cooling and the worst results, far behind the other two. The last part of the test is to see if an increase in the size of our part at certain points influences the cooling and if this allows us to equalize the performance between mineral oils and biodegradable oils. The data obtained show that, logically, as the size of the ducts increases, the results improve. This is very important because we have been able to verify that, if we want to change the oils of mineral origin for the new generation of vegetable oils, by increasing the dimensions of the system, the performance can be equalized and even surpassed, also considering the qualities that biodegradable oils have over mineral oils.