Numerische Untersuchungen des Einflusses von Betriebsparametern auf den Heißpunktfaktor einer Scheibenwicklung mittels CFD

Abstract:
Transformatoren zählen zu den kostenintensivsten Betriebsmitteln im Stromnetz. Da die Temperaturbeanspruchung der Isolation einer der wichtigsten Faktoren für deren Alterung ist und somit einen entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer von Transformatoren hat, ist eine detaillierte Betrachtung des thermischen Verhaltens notwendig. Hierbei wird besonders der Einfluss der höchsten Temperatur der Wicklung (engl.: Hot-Spot Temperature_HST) untersucht. Die Position des Heißpunktes ist von unterschiedlichen Faktoren abhängig. Dazu zählen die ungleichmäßige Verteilung der Wärmeverluste und des Massenstroms des Öls sowie die inhomogene Ölverteilungen in den horizontalen Kühlkanälen. Um diese Einflüsse zu berücksichtigen, wird der Heißpunktfaktor (H) verwendet. In diesem wissenschaftlichen Beitrag wird H aus der Summe von zwei verschiedenen Parametern hergeleitet. Ein Parameter bezieht sich dabei auf die Konvektion der Flüssigkeit und der andere Parameter bezieht sich auf die Wärmeleitung im festen Isolierstoff. Die Auswirkungen der Betriebsparameter, wie beispielweise die ungleichmäßige Verteilung der Wärmeverluste und die ungleichmäßige Verteilung des Massenstroms des Öls, auf die beiden Parameter des Heißpunktfaktors (H) werden durch numerische Berechnungen untersucht. Die Simulationen basieren auf numerischer Strömungsmechanik (engl.: Computational Fluid Dynamics_CFD). In den durchgeführten Simulationen wird das thermische Verhalten der Wicklung ermittelt. Das gesamte Wicklungsmodell besteht aus drei Passagen, welche aus jeweils sechs Scheiben und acht Leitern aufgebaut sind. Zudem werden der Heißpunktfaktor (H) und die Heißpunkttemperatur bei den unterschiedlichen Betriebszuständen brechnet. Daraus resultiert eine Prognose des thermischen Verhaltens mit anschließender Evaluierung.