Investigation of the Optimal Dimension and Location of Horizontal Shunts in Transformers with Parametrical Finite Element Analyses

Öz

Magnetic shunting is an efficient way to reduce stray losses in transformer tank walls. Due to the vertical placement of these shunts inside the tank walls are greatly reduce these losses, this method are widely used by transformer manufacturers. In this study, authors are focused on horizontal shunting method and optimal dimensions and locations of these shunts are investigated. A 1250kVA high efficient distribution transformer is studied. First, stray losses on tank walls were calculated by simulations and obtained results were verified by measurements. Then, a number of analyses were conducted parametrically to obtain the optimal position and dimensions of the horizontal shunts. Analysis results show that, considering the other important issues such as cooling efficiency of tank walls, stray losses on tank walls are reduced by 80%.

Anahtar Kelimeler

• Transformer,stray loss,horizontal magnetic shunt,finite element analysis

Transformatörlerde Kazan Kayıplarının Azaltılmasında En Uygun Yatay Şönt Eleman Boyutu ve Konumunun Parametrik Sonlu Elemanlar Analizleri ile İncelenmesi

Öz

Manyetik şönt kullanımı transformatörlerde meydana gelen kazan kayıplarının azaltılmasında etkin bir yöntemdir. Bu şönt elemanların kazan duvarlarının iç yüzeyine dikey olarak yerleştirilmesi, kazan kayıplarını önemli oranda azaltması sebebiyle transformatör üreticileri tarafından yaygın şekilde kullanılmaktadır. Bu çalışmada, şönt elemanların yatay biçimde kullanılması durumu değerlendirilmekte ve en uygun şönt eleman boyutu ve konumunun belirlenmesi hedeflenmektedir. Bu amaçla 1250kVA gücünde düşük kayıplı bir dağıtım transformatörü incelenmiştir. Öncelikle, transformatörde meydana gelen kazan kayıpları benzetim çalışmaları ile belirlenmiş ve deneysel ölçümler ile doğrulanmıştır. Ardından kazan kayıplarını etkin biçimde azaltmak için yatay şönt elemanların en uygun boyut ve konumunun belirlenmesi amacıyla parametrik analizler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, göz önünde tutulan diğer kriterlere de bağlı olarak kazan kayıplarının yaklaşık %80 oranında azaltılabildiğini göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• transformatör,kazan kaybı,yatay manyetik şönt,sonlu elemanlar analizi

Kaynakça

1. Valkovic Z., “Some Aspects of Stray Losses in Large Power Transformers”, Applied Electromagnetics, 36, (25), 238-243, (2002)
2. Mokkapaty S.P.K., Weiss J., Schramm A., Magdaleno-Adame S., Schwarz H., Olivares-Galvan J.C., “3D Finite Element Analysis of Magnetic Shunts and Aluminum Shields in Clamping Frames of Distribution Transformers”, IEEE International Autumn Meeting on Power, Electronics and Computing, Ixtapa-Mexico, 1-6, (2015)
3. Olivares Galvan J., Campero Littlewood E., Hernandez J., Escarela Perez R., Adame S., “Evaluation of Stray Losses in Throats of Distribution Transformers Using Finite Element Simulation”, Andean Region International Conference, Ecuador, 7-10, (2012)
4. Çınar M.A., Alboyacı B., Çürükova S., Sönmez O., Yapıcı R., “Reduction of eddy current losses around bushing holes on the top-plate of a high efficient transformer”, Sakarya University Journal of Science, 21(4): 691-697, (2017)
5. Kulkarni S, Olivares J, Escarela Perez R, Lakhiani V, Turowski J, “Evaluation of eddy current losses in the cover plates of distribution transformers”, IEE Proc – Science, Measurement and Technology, 151(1): 313-318, (2004)
6. Kirar M., “Study of Stray Losses Reduction through Finite Element Method”, IEEE India Conference (INDICON), India, 1-4, (2013)
7. Olivares J.C., Canedo J., Moreno P., Driesen J., Escarela R., Palanivasagam S., “Experimental study to reduce the distribution transformers stray losses using electromagnetic shields”, Electric Power Systems Research, 63(1), 1-7, (2002)
8. Milagre AM, Ferreira da Luz MV, Cangane GM, Komar A, Avelino PA, “3D calculation and modelling of eddy current losses in a large power transformer, International Conference on Electrical Machines, Japan, 2282-2286, (2012)

9. Çınar M.A., Alboyacı B., Çürükova S., Sönmez O., Yapıcı R, “Calculation of optimum dimensions of magnetic shunt elements to reduce stray losses on transformer tank walls”, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 32(4): 1337-1346, (2017)
10. Djurovic N, Monson JE, “3-Dimensional computation of the effect of the horizontal magnetic shunt on transformer leakage fields”, IEEE Trans on Magnetics, 13(5): 1137-1139, (1977)
11. Djurovic N, Monson JE, “Stray losses in the step of a transformer yoke with a horizontal magnetic shunt”, IEEE Trans on Power Apparatus and Systems, 101(8): 2995-3000, (1982)
12. Li L, Fu WN, Ho SL, Niu S, Li Y, “Numerical Analysis and Optimization of Lobe-Type Magnetic Shielding in a 334 MVA Single-Phase Auto-Transformer”, IEEE Transactions on Magnetics, 50(11): 1-4, (2014)
13. Moghaddami M, Sarwat AI, deLeon F, “Reduction of stray loss in power transformers using horizontal magnetic wall shunts”, IEEE Trans on Magnetics, 53(2): 1-7, (2017)
14. TRAN-COR H Grain Oriented Electrical Steels, AK Steel, (2013)