ANALYSIS OF APPROXIMATE LIFE EXPECTATIONS OF TRANSFORMERS

Abstract

Three-phase distribution transformers are designed for use in electrical distribution systems, generally at nominal frequency and linear load. Harmonics occur in the electrical power system due to non-linear loads. The harmonic component in an AC power system is defined as the sinusoidal component of a periodic waveform with a frequency equal to an integer multiple of the fundamental frequency of the system. These harmonics cause transformers designed for nominal operating conditions to exhibit a different operating performance. Transformer life loss estimation is based on the rate of deterioration obtained with insulating materials. About 50% of a transformer's life loss is caused by thermal stresses generated by the non-linear load current. Harmonic loads that occur with the increasing use of non-linear loads cause the transformer to overheat and lower power quality. Due to harmonic distortion, unnecessary winding loss and temperature increase also occur. In this study, analysis and evaluation of the losses of the distribution transformer under nonlinear load using the ANSYS @ Maxwell program based on the Finite Element Method (FEM) are presented. It should be noted here that the nominal power and current values per unit are selected as the nominal load loss of the transformer under sinusoidal excitation and the nominal current of the primary side of the transformer, respectively. Load losses are also calculated taking into account the effects of actual loads and harmonics. The total eddy current loss and other stray losses are also determined using the harmonic loss factor for eddy current loss and the harmonic factor for other stray losses. Also, additional losses caused by harmonics and the life of the transformer are approximately determined. In this study, the effects of losses caused by harmonic distortions on the productive life of transformers operating under load have been examined and the useful working life of transformers has been determined approximately. When the results obtained from the simulation are analyzed, it is seen that the more the loads caused by the current harmonics produced by the electrical devices, the lower the transformer life will be. It shows that the increase in harmonic distortion will increase the losses of the transformer and shorten its life. The method used verified the results of the transformer designed and analyzed. This shows that this method can be used in design and analysis.

Keywords

• Transformer
• harmonic load
• loss of life
• magnetic flux

TRANSFORMATÖRLERİN YAKLAŞIK ÖMÜR BEKLENTİLERİNİN ANALİZİ

Abstract

Üç fazlı dağıtım transformatörleri elektrik dağıtım sistemlerinde, genel olarak nominal frekansta ve doğrusal yükte kullanılmak üzere tasarlanırlar. Doğrusal olmayan yüklerden dolayı elektrik güç sisteminde harmonikler meydana gelmektedir. Bir AC güç sistemindeki harmonik bileşen, sistemin temel frekansının tam sayı katına eşit bir frekansa sahip periyodik bir dalga formunun sinüzoidal bileşeni olarak tanımlanır. Bu harmonikler, nominal çalışma şartları için tasarlanan transformatörlerin farklı bir çalışma performansı sergilemesine neden olurlar. Transformatör ömrü kaybı tahmini, yalıtım malzemeleri ile elde edilen bozulma oranına dayanmaktadır. Bir transformatörün ömür kaybının yaklaşık %50'si doğrusal olmayan yük akımının ürettiği termal gerilmelerden kaynaklanır. Doğrusal olmayan yüklerin kullanımlarının artması ile birlikte ortaya çıkan harmonik yükler, transformatörün daha fazla ısınmasına ve düşük güç kalitesine yol açar. Harmonik bozulma sebebiyle gereksiz sargı kaybı ve sıcaklık artışı da meydana gelmektedir. Bu çalışmada, Sonlu Elemanlar Yöntemine (SEY) dayanan ANSYS@Maxwell programı ile gerçek değerler kullanılarak doğrusal olmayan yük altındaki dağıtım transformatörünün kayıplarının analizi ve değerlendirilmesi sunulmaktadır. Burada, birim başına, naminal güç ve akım değerlerinin, sırasıyla sinüzoidal uyarım altında transformatörün nominal yük kaybı ve transformatörün primer tarafının nominal akımı olarak seçildiğine dikkat edilmelidir. Yük kayıpları ayrıca gerçek yük ve harmoniğin etkileri dikkate alınarak hesaplanır. Toplam girdap akımı kaybı ve diğer kaçak kayıplar da girdap akımı kaybı için harmonik kayıp faktörü ve diğer kaçak kayıplar için harmonik faktör kullanılarak belirlenir. Ayn Ayrıca, harmoniklerin neden olduğu ek kayıplar ve transformatörün ömrü yaklaşık olarak belirlenmiştir. Bu çalışmada yük altında çalışan transformatörlerin harmonik bozulmaların neden olduğu kayıpların verimli ömürleri üzerindeki etkileri incelenmiş ve transformatörlerin faydalı çalışma ömürleri yaklaşık olarak belirlenmiştir. Simülasyondan elde edilen sonuçlar analiz edildiğinde, elektrikli cihazların ürettiği akım harmoniklerinin neden olduğu yükler ne kadar fazla olursa transformatör ömrünün o kadar düşük olacağını görülmüştür. Harmonik bozulmadaki artışın, transformatörün kayıplarını artıracağını ve ömrünü kısaltacağını göstermektedir. Kullanılan yöntem tasarlanan ve analiz edilen transformatörün sonuçlarını doğrulamıştır. Bu durum bu yöntemin tasarım ve analiz konusunda kullanılabileceğini göstermektedir.

Keywords

• Transformatör
• harmonik yük
• ömür kaybı
• manyetik akım

References

1. 1. De La Rosa, F. (2006). Harmonics and power systems, Boca Raton: CRC press. 184 p.
2. 2. Emanuel, A.E. ve Wang, X. (1985). “Estimation of Loss of Life of Power Transformers Supplying Nonlinear Loads, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. March .628 – 636.
3. 3. IEEE (1995). Recommended Practice for Establishing L Type Power and Distribution Transformer Capab Nonsinusoidal Load Currents, IEEE Std C57.110-2.
4. 4. IEEE (1995). Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Std C 57-91.
5. 5. IEEE 519 (1992). IEEE Recommended Practices and Requirements f in Electrical Power Systems,
6. 6. Lee, M., Abdullah, H. A., Jofriet, J. C. ve Patel, D. (2010). Thermal modeling of disc-type winding for ventilated dry-type transformers, Electric Power Systems Research, 80(1): 121–129.
7. 7. Malaysian Standard (2009). Electromagnetic Compati Limitation of Emission of Harmonic Currents in Supply Systems for Equipment with Rated Curren Department of Standards Malaysia.
8. 8. Marzband, M. ve Shaikholeslami, A. (2006). A Pro Modeling of Distribution Network Transformers a Loss in the Transformers and the Amount of Life, International Conference on Power Ele Energy Systems, PEDES '06. 12-15 Dec.

9. 9. Muthanna K.T., Sarkar, A., Das, K. ve Waldner K. (2006). Transformer Insulation Life Assessment, IEEE Trans. Power Deliv. 21(1): 150 – 156.
10. 10. Özüpak, Y. ve Mamiş, S. (2019). Realization of electromagnetic flux and thermal analyses of transformers by finite element method. IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, 14(10): 1478-1484. Doi: 10.1002/tee.22966.
11. 11. Pierrat, L., Resende, R.J. ve Santana, J. (1996). Power transformers life expectancy under distorting power electronic loads, Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics. ISIE '96. 17- 20 June. Warsaw: IEEE, 578 – 583.
12. 12. Radmehr, M., Farhangi, S. ve Nasiri, A, (2006). Effect of Power Quality Distortion on Electrical Drives and Transformer Life in Paper Industries: Simulation and Real Time Measurements, Pulp and Paper Industry Technical Conference, 18-23 June, Iran: IEEE, 1 - 9.
13. 13. Said, D.M., Nor, K.M. Majid, M.S. (2010). Analysis of Distribution Transformer Losses and Life Expectancy using Measured Harmonic Data, Conference Paper · DOI: 10.1109/ICHQP.2010.5625404, October 2010.
14. 14. Sadati, S.B., Tahani, A., Jafari, M. ve Dargahi, M. (2008). “Derating of Transformers under Non-sinusoidal Loads”, in: 11th International Conferenec on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, OPTIM, pp.263-268.
15. 15. Samesima, M.I., Wilson Resende, J. ve Araujo, S.C.N (1995). Analysis of transformer loss of life driving nonlinear industrial loads by the finite elements approach, IEEE Industry Applications Conference, Thirtieth IAS Annual Meeting, IAS '95. 8-12 Oct. 1995. Orlando, FL: IEEE, 2175 – 2179.
16. 16. Soh T.L.G, Said D.M., Ahmad, N., Nor, K.M ve Salim, F. (2013). Experimental study on the impact of harmonics on transformer, IEEE 7th International Power Engineering and Optimization Conference (PEOCO), pp.686-690.
17. 17. Teke, I., Özüpak, Y., Mamiş, M., ve Plant, P. (2019). Electromagnetic Field and Total Loss Analysis of Transformers by Finite Element Method. International Journal of Engineering and Computer Science, 8(01), 24451-24460.