Untersuchung des Erwärmungsverhaltens ölgekühlter Leistungstransformatoren mittels Laborexperimenten und darauf aufbauenden numerischen Simulationen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die zuverlässige und genaue Berechnung der Temperaturverteilung in den Wicklungen von Leistungstransformatoren, insbesondere die Vorhersage von Lage und Temperatur des Heißpunktes, sind unerlässlich für eine betriebssichere und wirtschaftlich optimale Auslegung des Transformators. Eine Verdoppelung der Alterungsrate des in Transformatoren verwendeten Kraft-Papiers tritt bereits bei einer Erhöhung der Betriebstemperatur um 6-8 K ein. Dies ergibt einen Eindruck von den relevanten Größenordnungen in Bezug auf Fehler in der Berechnung. Leider gibt es in weiten Teilen der Transformatorenindustrie bis heute lediglich stark empirische Verfahren zur Berechnung der Wicklungstemperaturen, deren Ansatz stark vereinfacht und deren Parametrierung auf z.T. unsicheren Messwerten beruht. Aufgrund der seit langem stetig günstiger werdenden Rechnerressourcen erscheint heutzutage die Anwendung von CFD (Computational Fluid Dynamics) - Codes, welche die der Strömung und Wärmeübertragung zugrundeliegenden Navier-Stokes- und Energie-Gleichungen direkt anhand einer diskretisierten Geometrie lösen, für viele Fälle recht attraktiv. Es bot sich daher an, mit Hilfe von kommerzieller CFD-Software die aus dem Großtransformatorenbau bekannten Problemstellungen zu untersuchen. Um gleichzeitig die numerisch erzielten Ergebnisse zu verifizieren, wurden hydraulische und thermohydraulische Messungen an Modellen von Wicklungen durchgeführt, die den zu vergleichenden numerischen Modellen in ihren Abmessungen entsprechen. Dadurch konnten die numerisch berechneten Druckabfälle über eine vollständige Wicklungspassage bestätigt werden. Allerdings erwies sich der Ansatz der Validierung eines Modells über Druckmessungen am Rand der Vertikalkanäle innerhalb eines Wicklungspaketes als in der Praxis nur bedingt geeignet. Insbesondere im Bereich hoher Reynolds-Zahlen, in dem auch die Ansätze von Netzwerkmodellen zu versagen beginnen, treten auch bei den Messungen der Drücke an den Zwischenpunkten erhebliche Unsicherheiten auf Der Bereich der möglichen geometrischen Lage der Messpunkte im Modell macht die Messwerte für einen Vergleich mit den Simulationsergebnissen oft unbrauchbar. Die simulierten Ergebnisse der eigentlich interessierenden Temperaturverteilung irmerhalb der Wicklung konnten neben den o.g. Werten des Druckabfalls durch thermohydraulische Messungen an einem beheizten Wicklungsmodell ebenfalls bestätigt werden. Die Ergebnisse der CFD-Simulationen besagen, dass sich im Bereich hoher Re-Zahlen, wie sie im Fall von pumpengetriebenem Ölumlauf (OD-Kühlung) zu erwarten sind, die Ansätze von vereinfachten Netzwerkmodellen zunehmend als unzureichend erweisen. Zudem wird die Verteilung der Strömung auf die einzelnen horizontalen Ölkanäle zwischen den Wicklungsscheiben zunehmend ungleichmäßig und entsprechend auch die Temperaturverteilung in der Wicklung. Weiterhin beeinflussen die praktisch immer in nennenswertem Umfang vorhandenen Leckagen in den Ölbarrieren die Strömungs- und Temperaturverteilung in negativer Weise. Ein Problem steht nach wie vor die Identifizierung der realen Leckagen dar, da sich entsprechend deren starkem Einfluss Fehler in der Abschätzung stark auswirken. Die thermohydraulischen Untersuchungen an einem real gebauten 700 MVA Transformator zeigten einerseits eine gute Anwendbarkeit von CFD auch bei Betrachtung des Gesamtsystems und komplizierter Wicklungsgeometrie, andererseits aber auch die unzulänglichen Möglichkeiten der Validierung der Ergebnisse durch Messdaten aus dem Prüffeld. Insbesondere zeigte sich durch die vergleichsweise große Zahl an baugleichen Transformatoren in diesem Fall die große Streubreite der Temperaturwerte, durch die das numerische Ergebnis weder als richtig noch als falsch zu identifizieren war.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Modellierung der Ölströmung und Temperaturverteilung in Leistungstransformatoren. Transformer Life Management Tagung, Hannover 2008
S. Tenbohlen, A. Weinläder
- Thermohydraulische Untersuchung von Transformatorwicklungen durch Messung und Simulation. ETG-Fachtagung: Grenzflächen in elektrischen Isoliersystemen, Würzburg 2008
A. Weinläder, S. Tenbohlen
- Thermal-hydraulic investigation of transformer windings by CFD-Modelling and measurements. 16th International Symposium on High Voltage Engineering, Cape Town, South Africa, August 24th-28th, 2009, Proceedings of the ISH, paper No. D-22, page 958-963
A. Weinläder, S. Tenbohlen
- Beurteilung der Überlastbarkeit von ON-gekühlten Leistungstransformatoren, Elektrizitätswirtschaft, 2010, Heft 25, S.70-74
S. Tenbohlen, N. Schmidt,
- Investigation of the Thermal Behaviour of Transformers by CFD and Validation by Measurements. 3rd International Advanced Research Workshop on Transformers, Santiago de Compostela, Spain, October 4-6, 2010, Proceedings of ARWtr 2010, Paper No. 46, page 382-387
A. Weinläder, S. Tenbohlen
- Prediction of the Oil Flow and Temperature Distribution in Power Transformers by CFD. CIGRE Session, Paris, France, August 22-27, 2010, SC A2, PS3: Transformer Modelling, Paper No. A2-301
A. Weinläder, S. Tenbohlen, R. Wittmaack
