Tehomuuntajan teräsosien lämpötilojen simulointi suurvirtajohtimien läheisyydessä

Abstract

Muuntajavalmistajat pyrkivät tekemään muuntajista entistä energia- ja materiaalitehokkaam-pia, mikä johtaa niiden koon pienenemiseen. Tämän seurauksena säiliö- ja tukirakenteisiin koh-distuu aiempaa voimakkaampia magneettivoita, jotka syntyvät käämien hajavuon ja suurvirta-kiskostojen vaikutuksesta. Teräsrakenteisiin kohdistuva magneettivuo aiheuttaa häviöitä ja kor-keita lämpötiloja rakenteissa. Liian korkeiden lämpötilojen välttämiseksi tarvitaan tarkka ja luo-tettava menetelmä, jolla voidaan laskea paikalliset lämpötilat ennen muuntajan valmistusta. Suurvirtakiskoston monimutkaisesta geometriasta johtuen kolmiulotteinen simulointi on ainut riittävän tarkka menetelmä lämpötilojen laskemiseen. Simulointitulokset riippuvat kuitenkin paljon sekä mallinnustavasta että laskenta-asetuksista, joten niiden sopivuuden tarkistaminen on välttämätöntä. Vertaamalla simulointi- ja mittaustuloksia keskenään voidaan selvittää simu-lointitulosten luotettavuus. Diplomityö on tehty Hitachi Energy Finland oy:n Transformers-yksikölle. Työn tarkoituksena on tutkia, kuinka luotettavasti käytössä ollut simulointimenetelmä laskee suurvirtaisten kiskojen aiheuttamat korkeat lämpötilat teräsrakenteissa. Tämän selvittämiseksi tässä työssä mallinnet-tiin ja simuloitiin aiemmin tehdyt lämpenemäkokeet, joissa oli tarkasteltu erikseen sähkövirran suuruuden, taajuuden ja kiskojen etäisyyden vaikutusta testikappaleiden lämpötiloihin. Testien suoritustapa eli vain yhden muuttujan kerrallaan muuttaminen tarjosi erinomaisen aineiston si-mulointitulosten luotettavuuden arvioimiseen. Lämpenemäkokeissa tutkittiin tapauksia, joissa virtakiskot olivat testikappaleiden pinnan suuntaisesti sekä tapauksia, joissa kiskot menivät tes-tikappaleissa olevista aukoista läpi. Testikappaleina olivat suojaamattomat ja alumiinilla tai ku-parilla suojatut magneettiset sekä epämagneettiset teräslevyt. Työn tuloksena saatiin 35 lämpenemäkokeen simulointitulokset. Jokaisesta lämpenemäko-keesta tehtiin kuva, jossa yhdistettiin simulointi- ja mittaustulokset. Niiden perusteella simuloin-timenetelmä osoittautui hyvin tarkaksi useissa testeissä. Suurimmat poikkeamat syntyivät mag-neettista teräslevyä suojaavassa alumiinilevyssä sekä virtakiskojen mennessä magneettisen te-räslevyn aukoista läpi. Lämpötilaerot johtuivat säteilyn vaikutuksen pois jättämisestä ja lineaa-risesta permeabiliteetin määrittelystä. Näiden havaintojen perusteella voidaankin suositella sä-teilyn huomiointia ilmajäähdytteisissä osissa sekä magneettisen teräksen permeabiliteetin mää-rittelyä epälineaarisesti.

Power transformer manufacturers strive to make their transformers more energy efficient and decrease material use, which leads to a reduction in transformer size. Therefore, the tank and support structures are subjected to higher magnetic stray fluxes generated by the windings and high current leads. These increased magnetic fluxes in turn generate higher losses and temper-atures. To avoid critical temperatures, an accurate and reliable routine is required to calculate localized losses and temperatures before the transformer design is released for production. The geometry of high-current leads is complex, which is why a 3D FEM simulation is the only suffi-ciently accurate method for temperature rise calculation. The simulation results, however, are rather dependent on the simulation approach and calculation settings. Therefore, a calculation routine that produces reliable results must be established and validated by comparing measured and calculated results. This thesis was done for the Transformers factory of Hitachi Energy Finland oy. The goal of this work was to study how reliable the current simulation routine is for calculating temperature rises in steel structures due to losses generated by stray flux from high-current leads. The study was conducted by modeling and simulating earlier temperature rise tests that were performed to measure the effects of varying magnitudes of current, frequency and distances on tempera-ture rises in test objects. Only one variable was changed at a time in the temperature rise tests, which resulted in an excellent collection of test results that could be used to validate the simu-lation results. Temperature rise tests were performed in cases where the leads were parallel to the surface of the test object and cases where the leads penetrated the test object perpendicu-larly. The test objects were magnetic and nonmagnetic steel plates that were shielded with alu-minum, copper, or nothing at all. As the results of this work, 35 temperature rise tests were simulated. For each temperature rise test a figure was drawn where simulation and measurement results were compared with each other. The simulation routine proved to be very accurate in many of the tests. The biggest dis-crepancies were found in the case with aluminum plate shielding the magnetic steel plate and in cases where the leads penetrated the magnetic steel plate. It was concluded that the devia-tions in temperature were caused by thermal radiation and the nonlinear material permeabili-ties. Based on these findings it is recommended that in modelling and simulation thermal radia-tion should be considered for air cooled parts as well as the nonlinear nature of the permeability of magnetic steel.