Calculation of CFD-thermal models of oil-cooled transformer equipment

Abstract

EN: The purpose of the study is to ensure designing of full-function and stable CFD-simulation procedure for integrated thermal models of the transformers and the reactors, as well as to receive the approval of method of quality and abilities using the calculation examples of full-scale models of the equipment, along with autonomous models of coil-type windings having various design versions of heat-transfer intensification. Research Methods. Computational Fluid Dynamics (CFD) method of mathematical simulation of nonlinear processes as concerns hydrodynamics and heat transfer in the transformer equipment using finite-element analysis is employed. The results obtained. The paper presents the main elements of technique for creation of mathematical models; it also contains the examples of CFD-calculations as referred to axisymmetrical integrated models of furnace transformer and gapped-core shunt reactor, as well as the models of windings having design approaches of heat exchange intensification owing to «labyrinth» (partitions) and «alternation» (of number and locations) of axial cooling ducts. Scientific novelty. Scientific value of applied methodological approach lies in the fact that the developed models are the integrated ones, i.e., they consider geometry, loss, thermal parameters not only of the windings, but also of the main structural elements and cooling system. This ensures the quality and the accuracy of simulation of heat-and-mass transfer processes in complex structure of oil ducts and coils in the windings, enables to avoid erroneous «zigzag» oil flow movement through the groups of coil regular structures (without labyrinth and «alternation» of number and locations of axial ducts under conditions of transformer oil natural cooling as was deduced in the certain studies. Practical significance. Integrated models ensure calculation of oil temperature distribution within active part, including winding fields, oil temperature field between the tank and the windings, temperatures at oil outlet from the tank (top) and oil inlet into the tank (bottom). Calculations allow estimation of mean temperature distribution over the cross-section of winding coils, mean winding temperatures by means of averaging of the temperatures within the coils, detection of location and maximum temperature on the surface of conductors relevant to the most heated coil. The latter is treated as winding hot spot temperature (HST) and used to evaluate the aging of the contacting insulation. Determination of winding hot spot locations and temperatures (HST) is used as support data for installation areas of fiber optic probes for measurement during type testing, as well as in operational monitoring systems of the equipment. The results presented above are practically applied for industrial designing and testing of transformers and reactors. UK: Мета роботи полягає в забезпеченні розрахункового проектування повнофункціональною і стійкою в обчислювальному процесі CFD-методикою моделювання комплексних теплових моделей трансформаторів і реакторів, а також в апробації її якості і можливостей на прикладах розрахунків натурних зразків устаткування, а також автономних моделей котушкових обмоток з різними конструктивними способами інтенсифікації теплообміну. Методи досліджень. Використаний CFD-метод (Computational Fluid Dynamics) математичного моделювання нелінійних процесів гідродинаміки і теплообміну в трансформаторному обладнанні з застосуванням систем скінчено-елементного аналізу. Отримані результати. Представлені основні елементи методики формування математичних моделей і приклади CFD-розрахунків осесиметричних комплексних моделей перетворювального трансформатора і шунтувального реактора з проміжками в стрижні магнітної системи, а також моделей обмоток з конструктивними способами інтенсифікації теплообміну за рахунок «лабіринту» (перегородок) та «почережності» (числа та місць) осьових охолодних каналів. Наукова новизна. Наукова цінність використаного методологічного підходу полягає в тому, що розроблені моделі є комплексними, тобто враховують геометрію, втрати, теплові параметри не тільки обмоток, а й основних елементів конструкції і системи охолодження. Науковою новизною роботи є досягнення авторами певним якісним налаштування обчислювального процесу сталого рішення засобами інваріантної системи чисельного моделювання нелінійних рівнянь Нав’є-Стокса. Це забезпечило якість і точність моделювання процесів тепломасопереносу в складній структурі масляних каналів і котушок в обмотках, дозволило уникнути отриманого в деяких дослідженнях помилкового «зиґзаґоподібного» руху масла по групах регулярних структур котушок (без лабіринту і без «почережності» числа та місць осьових каналів) за умов природного охолодження трансформаторним маслом. Практична значимість. Комплексні моделі забезпечують розрахунок розподілу температур масла в активній частини, включаючи області обмоток, поле температур масла між баком і обмотками, температури в місцях виходу масла з бака (верх) і входу в бак (низ). Розрахунки дозволяють визначити розподіл середніх температур по перетину котушок обмоток, середні температури обмоток шляхом усереднення температур в котушках, визначення місця і максимальну температуру на поверхні провідників найбільш нагрітої котушки. Останні, які тлумачаться як температури найбільш нагрітої точки (ННТ) обмоток, використовуються при оцінці старіння доторкної ізоляції. Визначення місць і температур ННТ обмоток використовуються для обґрунтування місця установки оптоволоконних датчиків для вимірів при типових випробуваннях і в експлуатаційних системах моніторингу обладнання. Представлені результати застосовані в практиці промислового проектування і випробування трансформаторів і реакторів.