DIMENSIONAMIENTO DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA SUMERGIDOS EN ACEITE Autor: Castellanos Guijarro, Francisco de Borja. Director: Iturbe Uriarte, Ramón. Entidad Colaboradora: Empresarios Agrupados.

RESUMEN DEL PROYECTO Este proyecto constituye una aplicación práctica de dos normas. La IEC 60076-7 primera edición de Diciembre de 2005 llamada: “Transformadores de potencia - Parte 7: Guía de carga para transformadores de potencia sumergidos en aceite” y la UNE 20 110 de Noviembre de 1995 (equivalente a la Norma Internacional IEC 354 de 1991 + Corrigen dum 1992) titulada: “Guía de carga para transformadores de potencia sumergidos en aceites”. El objetivo de este proyecto es dimensionar transformadores de potencia (es decir, de potencia nominal mayor de 100 MVA según la norma UNE 20 110: 1995) sumergidos en aceite, mediante el cálculo de la temperatura de la parte superior del aceite, la temperatura del punto más caliente del arrollamiento y el envejecimiento del aislamiento. Se ha de escoger la potencia nominal del transformador, de manera que no se superen los valores de régimen de carga normal, establecidos por la norma IEC 60067-7. Para lograr este objetivo se diseña a través de la herramienta informática Microsoft Excel ® (que emplea a su vez Microsoft Visual Basic ® para realizar las macros) un programa que denominaremos POTRA ( POtencia del TRAnsformador ) que permite determinar el valor de los parámetros esenciales que describen la marcha de un transformador de potencia, en función de su situación de carga (ya sea variable o no) y de la temperatura ambiente, para así poder elegir la potencia nominal adecuada que no haga sobrepasar los valores límites de tales parámetros. En este programa se estudian tres casos: a) El régimen permanente. b) El régimen transitorio. c) El régimen con una temperatura del punto más caliente de 110 º C.

En los tres casos se emplearán las ecuaciones para el cálculo de las temperaturas del apartado 8.2 de la norma IEC 60067-7. Dichas ecuaciones contienen tres funciones del tiempo f1, f1 y f3 cuyos valores para el régimen permanente

serán 1, 1 y 0

respectivamente. En el régimen permanente, se hace un estudio del transformador considerando en el cálculo de las temperaturas y el envejecimiento, que el tiempo tiende a infinito. Es decir, que el transformador estaría funcionando siempre. El usuario ha de introducir una serie de datos de entrada (como son el método de refrigeración ONAN, ONAF, OF, OD y la potencia nominal del transformador) y ejecutar la macro, para que esta realice los cálculos pertinentes. El período de tiempo de estudio del transformador de potencia se considera un año. De acuerdo con la norma IEC 354, para calcular la temperatura ambiente en cada período de carga constante en que se ha subdividido cada hora del año, se utiliza una función suma de dos senoides que trata de tener en cuenta tanto la variación de la temperatura a lo largo del año (1ª senoide),así como la variación durante un día (2ª senoide). El factor de carga se calculará con la potencia producida por el turbogenerador. Para calcular esta potencia generada en toda la gama de temperaturas, el dispositivo utiliza una interpolación lineal con dos segmentos: entre el primer y segundo punto de la tabla de potencias introducida por el usuario, y entre el segundo y el tercero. El cálculo de las condiciones de funcionamiento del transformador a lo largo del año, se concreta en el estudio de [365 x 24 x 1/(tiempo de integración)] escalones con carga y temperatura ambiente constantes. Estos escalones tienen una duración de “tiempo de integración” horas cada uno. Se toma como “tiempo de integración” inicial 0,01. Conocida la temperatura ambiente y la carga del transformador en cada escalón, el dispositivo calcula la temperatura de la capa superior del aceite y del punto más caliente de los devanados que aparecen al final del escalón, utilizando para ello las diferentes fórmulas de cálculo que establece la norma IEC 60067-7. Para el cálculo del envejecimiento relativo en cada período, se integra la formula (2) del apartado 6.2 de la norma IEC 60067-7 considerando un período de integración (dato “tiempo de integración” horas) suficientemente pequeño, frente al intervalo de tiempo en el que se quiere evaluar el envejecimiento (un mes o un año). El envejecimiento relativo equivalente a lo largo de un mes y de un año, se calcula a partir del obtenido en cada período de integración aplicando la fórmula (4) del apartado 6.3 de la norma IEC 60067-7 dividida por el número total de intervalos N.

En el régimen transitorio, se tendrá en cuenta el tiempo en el cálculo de las temperaturas y el envejecimiento. Primero se realizará un estudio de escalones, donde el período de tiempo de estudio del transformador de potencia será introducido por el usuario, que introducirá el número de intervalos a estudiar, así como el comienzo y fin de dichos intervalos en minutos. También ha de introducir el factor de carga y la temperatura ambiente en cada intervalo de tiempo. Finalmente el usuario introduce una serie de datos y ejecuta la macro para que esta proceda a realizar los cálculos pertinentes que darán como resultado los valores de la temperatura de la parte superior del aceite, la temperatura del punto más caliente del arrollamiento y el envejecimiento del aislamiento en cada intervalo. A continuación se realizará un estudio continuo, donde el período de tiempo de estudio del transformador será definido, o bien por el usuario si se quiere estudiar un corto período de tiempo con un diferencial de tiempo, o bien será de un año si se quiere estudiar un régimen senoidal. La temperatura ambiente será introducida por el usuario en cada diferencial de tiempo o variará, de forma senoidal si se estudia un régimen senoidal, como en el régimen permanente. El factor de carga será introducido por el usuario en cada diferencial de tiempo, o se calculará con la potencia generada por el turbogenerador si se estudia un régimen senoidal. En el régimen senoidal se tomará como tiempo de integración inicial el mismo que en el régimen permanente, que es 0,01. Por último, en el caso de temperatura del punto más caliente de 110 º C, se verá como afecta esto al cálculo del envejecimiento del transformador. A este apartado se hace referencia en el anexo del proyecto, en el que se habla del papel térmicamente mejorado. Todos los programas POTRA se validan con ejemplos tomados de las dos normas, y también con casos prácticos propuestos. Finalmente, se realizan una serie de ejemplos que nos permiten comparar los parámetros obtenidos, dando lugar a resultados y conclusiones de este proyecto.

SIZING OIL-IMMERSED POWER TRANSFORMERS This project is considered a practical application of two standards. The IEC 60076-7 first edition from December 2005 called: “Power Transformers - Part 7: Loading guide for oil-immersed power transformers” and the UNE 20 110 standard from November 1995 (equal to the International Standard IEC 354 of 1991 + Corrigen dum 1992) called: “Loading guide for oil-immersed power transformers”. The objective of this project is the sizing of power transformers (which means that their nominal power is higher than 100 MVA as it has been established in the UNE 20 110: 1995 standard) oil-immersed, calculating the oil temperature at the top, the hot spot temperature of the winding and the loss of life of the isolation. The power transformer nominal power must be chosen in order to do not surpass the normal cyclic loading values, established by the IEC 60067-7 standard. To achieve this objective, we design using the computing tool Microsoft Excel ® (that uses as the same time Microsoft Visual Basic ® to create the macros) a program that will be named POTRA ( POwer of TRAnsformer ) that enable us to calculate the value of the essential parameters which describe the way it works a power transformer, taking into account its load situation (variable or not) and the ambient temperature, in order to choose the correct nominal power that does not exceed the limit values of these parameters. In this program three cases are studied: a) The permanent regime. b) The transitory regime. c) The regime with a hot spot temperature of 110 º C. In this three cases the equations of the 8.2 section of the IEC 60067-7 standard will be used. Those equations will contain three functions with time as a variable f1, f2 and f3 that will have respectively the values of 1,1 and 0 in the permanent regime. In the permanent regime, a study of the transformer it has been made considering in the calculations of the temperatures and the loss of life, that time tends to infinite. That means, that the transformer would be working always. The user must introduce some input data (like they are ONAN, ONAF, OF, OD cooling system and the transformer nominal power) and execute the macro, to obtain the final calculated data. The study period of time of the power transformer it is considered a year. According to the IEC 354 standard, to calculate the ambient temperature in each

period of constant load charge, in which we have subdivided each year hour, we use the function that is the sum of two senoids that considers the temperature variation all over the year (first senoid) and all over the day (second senoid). The load factor will be calculated with the power produced by the turbogenerator. To calculate this power generated in all the temperature range, the program uses a linear interpolation with two segments: between the first and the second point of the power table introduced by the user, and between the second and the third. The calculation of the work conditions of the transformer all over the year, it is concreted in the study of [365 x 24 x 1/(tiempo de integración)] steps with constant load and ambient temperature. These steps have a length time of “tiempo de integración” hours each one. The initial “tiempo de integración” is 0,01. When ambient temperature and load factor of the transformer are known in each step, the program calculates the oil temperature at the top and the hot spot temperature of the windings, that appear at the end of the step, using for that purpose the different equations provided by the IEC 60067-7 standard. For calculating the relative loss of life in each period, the formula (2) of the section 6.2 of the IEC 60067-7 standard is integer, considering a integer period (the input data “tiempo de integración” hours) smaller enough, compared with the interval of time in which we want to evaluate the loss of life ( a month or a year). The equivalent relative loss of life during a month and during a year, it is calculated with the loss of life obtained in each integer period, applying the formula (4) of the section 6.3 of the IEC 60067-7 standard divided by N (total number of intervals). In the transitory regime, the time will be taken into account for the calculations of temperature and loss of life. First a step study will be carried out, where the period of time of study of the power transformer will be introduce by the user, that will introduce the number of intervals taking into account for study, as well as the beginning and the end of those intervals using minutes as unit. He also has to introduce the load factor and the ambient temperature in each time interval. Finally, the user introduces some data and execute the macro to make the pertinent calculations that will give as a result the oil temperature at the top, the hot spot temperature of the winding and the loss of life of the isolation values in each interval.

Next, a continuous study will be made, where the period of time of study of the transformer will be defined by the user if it is a study of a short period of time with a differential of time, or a year if it is a study of a senoidal regime. The ambient temperature will be introduced by the user in each differential of time or it will variate, as it variates in the permanent regime in a senoidal way if it is a study of a senoidal regime. The load factor will be introduced by the user in each interval of time, or it will be calculated with the power generated by the turbogenerator if a senoidal regime is studied. In the senoidal regime the initial “tiempo de integración” will be the same as the one in permanent regime equal to 0,01. At last, in the equal to 110 º C temperature hot spot case, in this case we will see how this affects to the calculations of the loss of life. In the annex of the project, that speaks about thermically upgraded paper, we refer to this section. All the POTRA programs are validated with examples taken of the two standards, and also with practical cases proposed. Finally, some examples will be done in order to compare the parameters obtained, obtaining with them conclusions and results of this project.