Transformatory są jednym z najważniejszych i najdroższych elementów systemu elektroenergetycznego. Ich głównym zadaniem jest zmiana i regulacja parametrów elektrycznych. Z uwagi na kluczową rolę istotne jest prawidłowe zaprojektowanie i wykonanie transformatora od strony elektrycznej, mechanicznej oraz cieplnej. Dlatego projektanci powinni sięgać po narzędzia, które maksymalnie zoptymalizują proces powstawania tych urządzeń.

W zależności od częstotliwości, mocy oraz pełnionych funkcji można rozróżnić transformatory (Rys. 1): 

  • energetyczne
  • specjalistyczne: separacyjne, o zabezpieczeniu przeciwwybuchowym itd. 
  • oraz planarne 

Rys. 1. Rodzaje transformatorów: (a) energetyczne, (b) specjalistyczne, (c) planarne

W czym sprawdza się symulacja komputerowa

Metody numeryczne pozwalają konstruktorom uzyskać wiele informacji już na wczesnym etapie projektowym. Poszczególne tematy związane z analizą numeryczną coraz rzadziej można rozpatrywać niezależnie, konieczne staje się uwzględnienie interakcji pomiędzy omawianymi zagadnieniami. Nie bez znaczenia pozostaje też kwestia związana z analizą systemową sprawdzającą współdziałanie transformatora z pozostałymi urządzeniami wspomagającymi pracę oraz aparaturą zabezpieczającą. 

Rys. 2. Straty mocy w elementach konstrukcyjnych

Zmiana warunków pracy transformatora poprzez zwiększenie napięcia lub zmniejszanie częstotliwości będzie prowadzić do wzrostu prądu jałowego, nasycenia rdzenia i wzrostu strat mocy. Dodatkowo zmienne pole magnetyczne powoduje powstawanie prądów wirowych, które mogą  spowodować dodatkowe straty mocy w elementach konstrukcyjnych transformatora (Rys. 2). Wyznaczanie generowanych strat mocy jest ważne z punktu widzenia doboru izolacji oraz efektywnego chłodzenia urządzenia. Równocześnie w eksploatacji transformatorów kluczowe jest wyznaczenie rozkładu pola elektrycznego w pobliżu uzwojeń i przepustów, aby uniknąć przekroczenia wytrzymałości dielektrycznej izolatorów. Oszacowanie parametrów pracy transformatora oraz oszacowanie generowanych strat mocy jest możliwe dzięki analizie elektromagnetycznej.

Modelowanie zagadnień sprzężonych

Straty mocy wyznaczone w uzwojeniach, rdzeniu i elementach konstrukcyjnych mogą stanowić podstawę do analizy przepływowo-termicznej. Na jej podstawie możliwe jest wyznaczenie rozkładu pola temperatury wewnątrz transformatora (Rys. 3) i oszacowanie niebezpieczeństwa pojawienia się lokalnego przegrzania oleju i uszkodzenia izolacji. Wzrost temperatury może przyspieszyć proces starzenia się izolacji oraz prowadzić do pojawienia się naprężeń termicznych.

Rys. 3. Pole temperatury w (a) rdzeniu, (b) uzwojeniach oraz (c) elementach konstrukcyjnych

Rys. 4. Odkształcenie uzwojeń

Analiza mechaniczna uwzględniająca naprężenia termiczne i wpływ siły elektrodynamicznej na komponenty transformatora pozwala na wyznaczenie odkształcenia konstrukcji (Rys. 4). W przypadku normalnych warunków pracy dynamiczne zjawiska nie powinny mieć wpływu na wytrzymałość mechaniczną elementów konstrukcyjnych. Zjawiska te zyskują na znaczeniu w przypadku analiz związanych ze stanem zwarcia. Podczas zwarcia, natężenie prądu płynącego przez uzwojenie może być kilkukrotnie wyższe od wartości znamionowej w konsekwencji może dojść do uszkodzenia elementów mocujących uzwojenia. Podwyższona wartość natężenia prądu powoduje zwiększenie siły elektrodynamicznej działającej na komponenty oraz nagły wzrost temperatury. Szybkie uwolnienie dużej ilości energii może skutkować całkowitym zniszczeniem izolacji uzwojeń, jak również doprowadzić do skokowej zmiany objętości czynnika chłodzącego. W wyniku wzrostu ciśnienia wewnątrz obudowy może dojść do odkształcenia kadzi lub jej rozerwania. Jest to sytuacja niebezpieczna, powodująca zagrożenie życia osób znajdujących się w pobliżu urządzenia.

Symulacja numeryczna w procesie certyfikowania

Drgania powstające w transformatorze i powiązany z nimi hałas mogą być wynikiem działania: siły elektrodynamicznej, zjawiska magnetostrykcji lub pracy urządzeń wspomagających np. wentylatorów. Kilka lat temu hałas generowany przez duże transformatory energetyczne był mniej odczuwalny z uwagi na lokalizację stacji elektroenergetycznych na obrzeżach miast. Obecnie w wyniku rozwoju ośrodków miejskich wspomniane stacje znajdują się w sąsiedztwie zabudowy mieszkalnej, dlatego minimalizacja hałasu zyskuje na znaczeniu. Będąc przy tematyce drgań warto wspomnieć o międzynarodowych normach (ASME, IEEE 693, IEC61463) dotyczących projektowania transformatorów odpornych na efekty powstałe podczas trzęsień ziemi. Analiza sejsmiczna polega m.in. na oszacowaniu wpływu określonego obciążenia sejsmicznego na obiekt lub jego część. Przykładem takiej analizy może być analiza typu spektrum odpowiedzi, w ramach której, wartości sił bezwładności szacuje się na podstawie wartości częstotliwości i postaci drgań własnych układu. 

 

Symulacja komputerowa to sposób na usprawnienie prac projektowych oraz oszczędność czasu i kosztów związanych z tworzeniem prototypów. Ponadto numeryczna weryfikacja modelu pozwala uwzględnić rzeczywiste warunki pracy urządzenia, wyznaczanie strat mocy w uzwojeniach oraz elementach konstrukcyjnych. Daje możliwość określania siły elektromotorycznej czy weryfikacji pracy transformatora w stanach nieustalonych. Nie można również zapomnieć o dostosowywaniu urządzeń do zmieniających się norm, np. tych związanych z emisją hałasu. To pokazuje jak wiele w procesie projektowym daje modelowanie numeryczne  z wykorzystaniem narzędzi symulacyjnych Ansys.

 

W przypadku Państwa zainteresowania rozszerzeniem tematyki omawianej w artykule zachęcamy do kontaktu z biurem firmy Symkom.

Autor artykułu

dr inż. Mateusz Będkowski. Specjalizuje się w analizie sprzężonych zagadnień cieplno-przepływowych oraz elektromagnetycznych. Absolwent Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Tytuł doktora nauk technicznych otrzymał za pracę: Modelowanie matematyczne sprzężonych procesów cieplno-elektromagnetycznych w rozdzielnicach elektrycznych.

Od 2011 roku pracuje w firmie Symkom, gdzie angażuje się w wiele projektów i wdrożeń oprogramowania zarówno dla firm jak i uczelni. W 2019 r. otrzymał nagrodę Ansys za prezentację dotyczącą projektu repliki numerycznej wymiennika ciepła.