Transformatorn har en viktig uppgift för att elsystemet ska fungera optimalt och det är därav väldigt viktigt att den inte går sönder genom att exempelvis överhettas. Från att transformatorn har varit placerad utomhus har det nu blivit allt vanligare att placera den i en omslutande byggnad, vilket påverkar effektiviteten för kylningen av transformatorn. Detta eftersom hastigheten på det passerande luftflödet kring transformatorn blir lägre vilket leder till att temperaturen i luften runtomkring ökar. I detta examensarbete undersöktes lufttemperaturen i en transformatorstation i Västernorrland, i syfte att se hur transformatorn klarar av de belastningar och utomhustemperaturer som den utsätts för. Detta för att kunna säkerställa att temperaturgränser och riktlinjer för interna och externa temperaturer för en transformator uppfylls. Transformatorn som användes i undersökningen har en maximal skenbar effekt på 16 MVA och använder sig av kylsystemet ONAN. Byggnaden runtomkring transformatorn har två ventilationsluckor på nedre långsidan, samt två ventilationsluckor på övre kortsidan. Målet med undersökningen var att genomföra en teoretisk analys av hur kylningen i den valda transformatorstationen dimensioneras, där simuleringar även skulle göras i syfte att validera den teoretiska analysen. De belastningar som undersökts har utgått ifrån tillhandahållna data ifrån den högsta lasten under en vanlig sommar- och vinterdag. Ett framtida fall har även undersökts där lasten antas gå på märkeffekt under en längre tidsperiod samt under en väldigt varm sommardag, för att se hur hårt transformatorn kan belastas i extrema förhållanden utan att gränser och riktlinjer överskrids. Det framtida fallet har delats upp i två scenarier, extremfall 20 samt extremfall 30, där skillnaden är vilken temperatur in i transformatorstationen de har. Alternativa lösningar för ventilationsluckorna har även studerats, gällande placering på väggar, storlekar samt gallers modell. Matematiska beräkningsmodeller för bland annat luftflödet, stationstemperaturen samt lindningsoch oljetemperaturer utvecklades fram under arbetet gång, vilka samlades i en Excel beräkningsmall. Simuleringar av byggnaden och transformatorn gjordes i COMSOL Multiphysics, där både 2D och 3D modeller undersöktes i syfte att dels analysera värmespridningen i oljan, dels den naturliga ventilationen. Utifrån de matematiska beräkningsmodellerna framgick det att vinterfallet körde på ca 49% belastning, medan sommarfallet körde på ca 10% belastning. Dessa båda fallen klarade alla gränser och riktlinjer kring externa och interna temperaturer för alla areastorlekar, placeringar och gallersmodeller som testades. I extremfallen uppfylldes de interna temperaturökningsgränserna, men extremfall 30 klarade inte den externa temperaturgränsen i något simuleringstest. Skulle ett extremfall 30 i framtiden inträffa, bör fläktar vid radiatorerna eller ventilationsluckorna övervägas, alternativt en större lucköppning där det enligt framräknade resultat behövs en förstoring av öppningarna på 57%. Ytterligare ett alternativ skulle kunna vara att placera ventilationsluckorna i taket, då detta visade sig ge bästa möjliga kylning av transformatorn i simuleringarna. Detta examensarbete skulle kunna användas som en grund inför framtida undersökningar och den framarbetade Excel beräkningsmallen kan användas som riktlinje vid dimensionering av inomhustransformatorstationer. / The transformer plays a crucial role for the electrical system to function optimally, making its reliability vital to prevent issues such as overheating. Traditionally, the transformer has been positioned outdoors. Nowadays it has become increasingly common to house transformers in enclosed buildings, which affects the cooling efficiency of the transformer. This enclosure reduces the speed of airflow around the transformer, subsequently raising the ambient air temperature. In this thesis, the air temperature in a transformer station in Västernorrland was investigated, to assess how the transformer withstands the loads and external temperatures it encounters. This to ensure that requirements and guidelines for internal and external temperatures for the transformer are met. The transformer used in the study has a maximum apparent power of 16 MVA and uses the ONAN cooling system. The enclosing building is equipped with two ventilation hatches on the longer lower side and two on the shorter upper side. The aim of the investigation was to conduct a theoretical analysis of the cooling system’s dimensions at the selected substation, complemented by simulations to validate the theoretical findings. The loads investigated have been based on the data provided from the highest load during a normal summer and winter day. Additionally, a future scenario was explored where the transformer operates at rated power for extended periods during a very hot summer day to determine the maximum load the transformer can handle under extreme conditions without breaching the set requirements and guidelines. The future case has been divided into two scenarios, extreme case 20 and extreme case 30, where the difference is what temperature into the substation they have. Alternative design solutions for the ventilation hatches have also been studied, regarding placement on walls, sizes, and fire damper model. Mathematical calculation models for, among other things, the air flow, station temperature, winding- and oil temperatures were developed during the project and compiled into an Excel calculation template. Simulations of the building and the transformer were made in COMSOL Multiphysics, analysing both 2D and 3D models with the aim of studying the heat spread in the oil and the natural ventilation. The mathematical models showed that the winter scenario operated at approximately 49% load, while the summer scenario operated at about 10% load. These two cases passed all requirements and guidelines regarding external and internal temperatures for all tested hatch sizes and locations. In the extreme cases, the internal temperature rise requirement was met. However, extreme 30 failed to meet the external temperature requirement in any simulation test. Should an extreme case 30 occur in the future, fans at the cooling fins or ventilation hatches may be necessary, or potentially enlarging the hatch openings by 57% as suggested by the calculations. Another alternative could be placing the ventilation hatches on the roof, as this arrangement provided optimal cooling in the simulations. This thesis could be used as a basis for future investigations and the developed Excel calculation template can be used as a guideline when dimensioning indoor transformer stations.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:umu-225804 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Backeström, Evelina, Backeström, Saga |
| Publisher | Umeå universitet, Institutionen för tillämpad fysik och elektronik, Umeå universitet, Umeå universitet |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.003 seconds