Thermal Analysis of Power Transformer by Combined Electromechanical Finite Element Method

Öz

Before starting the transformer design, knowing the temperature distribution and the thermal limits are of great importance for a correct design. The temperature above the permissible thermal limits may cause serious damage to the transformer components. In this study, a model for thermal field analysis is presented. In this way, temperature distribution and thermal field analysis of a three-phase transformer were performed by ANSYS@Maxwell and ANSYS@Mechanical combination simulation software based on the combined electromechanical Finite Element Method (FEM) technique based on all conditions ranging from the heat occurring in the active parts of the transformer to the temperature of the environment. To verify the proposed model, a transformer with a nominal value of 15 MVA of 33/11 kV was selected. The values ​​obtained from the simulation were compared with the experimental values ​​and the models and results were confirmed. Thanks to the designed model, the temperature distribution in the core and the windings of the transformer and the temperature of the specific points in the undetectable areas of the transformer temperature were determined.

Birleştirilmiş Elektromekanik Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Güç Transformatörünün Termal Alan Analizi

Öz

Transformatör tasarımına başlamadan önce, sıcaklık dağılımının ve termal sınırların bilinmesi doğru bir tasarım için büyük önem teşkil etmektedir. İzin verilen termal sınırların üzerindeki sıcaklık, transformatör bileşenlerinde ciddi hasara neden olabilmektedir. Bu çalışmada, termal alan analizi için bir model sunulmuştur. Bu sayede, transformatörün aktif kısımlarında meydana gelen ısıdan ortamın sıcaklığına kadar tüm koşullar esas alınarak birleştirilmiş elektromekanik Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) tekniğine dayanan ANSYS@Maxwell ve ANSYS@Mechanical birleşimi simülasyon yazılımı ile üç fazlı bir transformatörün sıcaklık dağılımı ve termal alan analizi gerçekleştirilmiştir. Önerilen modeli doğrulamak için nominal değeri 15 MVA 33/11 kV olan bir transformatör seçilmiştir. Simülasyondan elde edilen değerler deneysel değerlerle karşılaştırılarak model ve sonuçlar doğrulanmıştır. Tasarlanan model sayesinde, transformatörün nüvesinde ve sargılarında meydana gelen sıcaklık dağılımı ve transformatörün sıcaklığı ölçülemeyen bölgelerindeki spesifik noktaların sıcaklığı belirlenmiştir. 

Anahtar Kelimeler

• Termal Analiz,Transformatör,SEY

Kaynakça

1. Hjalmars, M. 2012. Optmiization, Study on Oil Flow and Temperature Distribution in Power Transformer Windings, MS.c. Thesis, Stockholm, sweden.
2. Yugendrao K. N. 2016. Structural Modeling of a Three Phase Core type Transformer using ANSYS Maxwell 3D, Internatıonal Journal Of Innovatıve Research In Electrıcal, Electronıcs, Instrumentatıon And Control Engıneerıng Vol. 4, Issue 4, April, pp. 17-20.
3. Kardag, R. 2012. Temperature Distribution in Power Trasformers, MS.c. Thesis, Electrical and Electronics Engineering in Middle East Technical University September.
4. OROSZ, T. KLEIZER, G. IVÁNCSY, T. Z. TAMUS, Á. 2016. Comparison of methodsforcalculation of core-form power transformer’score temperature rise, Periodica Poly technica Electrical Engineering and Computer Science, 60(2), pp. 88-95.
5. Myint, M. L. OO, Y. A. 2014. Analysis of distribution transformer design using FEA, International Journal of Scientific Research Engineering &Technology (IJSRET), Volume 3, Issue 4, July (773-775)
6. Chen, Y. Pillay, P. 2002. An Improved Formula for Lamination Core Loss Calculation in Machine Operating with High Frequency and High Flux Density Excitation, IEEE.
7. Madžarević, V. Kapetanović, I. Tešanović, Kasumović, M. M. 2011. Different Approach to Thermal Modeling of Transformers - a comparison of methods, INTERNATIONAL JOURNAL of ENERGY and ENVIRONMENT, Issue 5, Volume 5, p-610-617.