ارائه یک مدار معادل حرارتی برای تحلیل گرمایی ترانسفورماتورهای قدرت با بارهای هارمونیکی
الموضوعات :مرتضی میخک بیرانوند 1 , بهروز رضایی علم 2 , مهرداد جعفربلند 3 , ولی‌اله ابراهیمیان 4 , محسن عسگری 5
1 - دانشگاه لرستان
2 - دانشگاه لرستان
3 - دانشگاه صنعتی مالک اشتر
4 - شرکت برق منطقه‌ای باختر
5 - شرکت برق منطقه‌ای باختر
الکلمات المفتاحية: المان محدودترانسفورماتور قدرت روغنیجریان‌های غیر سینوسیکاهش بارگیریمدار معادل حرارتی,
ملخص المقالة :
بیشترین خرابی‌های ترانسفورماتورهای قدرت ناشی از مشکلات حرارتی می‌باشد که این مشکلات در شرایط کاری غیر نامی مثل تغذیه بارهای هارمونیکی بیشتر بروز پیدا می‌کند. تحلیل گرمایی ترانسفورماتور و گرمای اضافی تحمیل‌شده به ترانسفورماتور به علت وجود هارمونیک‌ها موضوع مورد بررسی این مقاله است. در این مقاله یک مدار معادل حرارتی جدید ارائه می‌شود به نحوی که دمای اجزای مختلف ترانسفورماتورهای قدرت روغنی را به صورت تفکیک‌شده در شرایط تغذیه بارهای هارمونیکی مشخص می‌کند. تلفات اجزای مختلف ترانسفورماتور به عنوان منبع تولید حرارت بایستی محاسبه شوند و به این منظور در این مقاله یک روش مدل‌سازی المان محدود 3بعدی مناسب پیشنهاد شده است که قادر به محاسبه تلفات اجزای مختلف ترانسفورماتور قدرت با ساختار هندسی پیچیده است. مقایسه نتایج به دست آمده از مدار معادل حرارتی پیشنهادشده با دماهای نقاط داغ سیم‌پیچی و میانگین روغن به دست آمده از 57.91IEEE Std C نشان می‌دهد مدار معادل حرارتی پیشنهادی از دقت کافی برای تخمین توزیع دمای ترانسفورماتور تغذیه‌کننده بارهای هارمونیکی برخوردار است. به منظور جلوگیری از افزایش دمای ترانسفورماتور با تغذیه بارهای هارمونیکی، کاهش بارگیری ترانسفورماتور مورد بررسی قرار می‌گیرد.
[1] M. Sharifian and J. Faiz, "Derating of a distribution transformer for non‐linear loads," European Trans. on Electrical Power, vol. 16, no. 2, pp. 189-203, Nov. 2006.
[2] ANSI/IEEE Std C57.110, IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability When Supplying Non-sinusoidal Load Currents, 1986.
[3] P. Staats, et al., "A procedure for derating a substation transformer in the presence of widespread electric vehicle battery charging," IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 12, no. 4, pp. 1562-1568, Oct. 1997.
[4] S. Taheri, et al., "Modeling and simulation of transformer loading capability and hot spot temperature under harmonic conditions," Electric Power Systems Research, vol. 86, no. 1, pp. 68-75, May 2012.
[5] B. Das and Z. R. Radakovic, "Is transformer kVA derating always required under harmonics? A manufacturer's perspective," IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 33, no. 6, pp. 2693-2699, Mar. 2018.
[6] I IEEE Std C57.110-2008, IEEE Recommended Practice for Establishing Liquid-Filled and Dry-Type Power and Distribution Transformer Capability When Supplying Nonsinusoidal Load Currents, pp. 1-52, 2008.
[7] M. Ghazizadeh, J. Faiz, and H. Oraee, "Derating of distribution transformers under non-linear loads using a combined analytical-finite elements approach," IET Electric Power Applications, vol. 10, no. 8, pp. 779-787, Sept. 2016.
[8] G. Swift, T. S. Molinski, and W. Lehn, "A fundamental approach to transformer thermal modeling: I- Theory and equivalent circuit," IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 16, no. 2, pp. 171-175, Apr. 2001.
[9] D. Susa, M. Lehtonen, and H. Nordman, "Dynamic thermal modelling of power transformers," IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 20, no. 1, pp. 197-204, Feb. 2005.
[10] D. Susa and M. Lehtonen, "Dynamic thermal modeling of power transformers: further development-part i," IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 21, no. 4, pp. 1961-1970, Oct. 2006.
[11] D. Susa and H. Nordman, "A simple model for calculating transformer hot-spot temperature," IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 24, no. 3, pp. 1257-1265, Jun. 2009.
[12] L. Zhu, et al., "An improved dynamic thermal circuit model for transformers and its application to evaluate capacity increase," Electric Power Components and Systems, vol. 45, no. 13, pp. 1440-1449, Aug. 2017.
[13] I. Iskender and A. Mamizadeh, "An improved nonlinear thermal model for MV/LV prefabricated oil-immersed power transformer substations," Electrical Engineering, vol. 93, no. 1, pp. 9-22, Mar. 2011.
[14] A. Najafi and I. Iskender, "An improved thermal model for distribution transformer under unbalanced voltage conditions," International J. of Thermal Sciences, vol. 104, no. 1, pp. 373-385, Jun. 2016.
[15] B. Szabados, et al., "A new approach to determine eddy current losses in the tank walls of a power transformer," IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 2, no. 3, pp. 810-816, Jul. 1987.
[16] Z. Valkovic, "Calculation of the losses in three-phase transformer tanks," IEE Proc. C: Generation, Transmission and Distribution), vol. 1, pp. 20-25, Jan. 1980.
[17] N. Takahashi, T. Sakura, and Z. Cheng, "Nonlinear analysis of eddy current and hysteresis losses of 3-D stray field loss model (problem 21)," IEEE Trans. on Magnetics, vol. 37, no. 5, pp. 3672-3675, Sept. 2001.
[18] H. V. Sande, et al., "An effective reluctivity model for nonlinear and anisotropic materials in time-harmonic finite element computations," IEEE Trans. on Magnetics, vol. 41, no. 5, pp. 1508-1511, May 2005.
[19] I. R. Ciric and F. I. Hantila, "An efficient harmonic method for solving nonlinear time-periodic eddy-current problems," IEEE Trans. on Magnetics, vol. 43, no. 4, pp. 1185-1188, Mar. 2007.
[20] G. Paoli, O. Biro, and G. Buchgraber, "Complex representation in nonlinear time harmonic eddy current problems," IEEE Trans. on Magnetics, vol. 34, no. 5, pp. 2625-2628, Sept. 1998.
[21] J. Faiz, B. M. Ebrahimi, and M. Ghofrani, "Mixed derating of distribution transformers under unbalanced supply voltage and nonlinear load conditions using TSFEM," IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 25, no. 2, pp. 780-789, Jan. 2010.
[22] J. Olivares, et al., "2D finite-element determination of tank wall losses in pad-mounted transformers," Electric Power Systems Research, vol. 71, no. 2, pp. 179-185, Jan. 2004.
[23] X. Liu, Y. Yang, and F. Yang, "Numerical research on the losses characteristic and hot-spot temperature of laminated core joints in transformer," Applied Thermal Engineering, vol. 110, no. 5, pp. 49-61, Jan?. 2017.
[24] P. Picher, et al., "Optimization of transformer overload using advanced thermal modelling," in Proc. CIGRE Conf., Article A2-305, Paris, France, 29-30 Jan. 2010.
[25] D. Susa and M. Lehtonen, "Dynamic thermal modeling of power transformers: further development-part ii," IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 21, no. 4, pp. 1971-1980, Oct. 2006.
[26] L. Wang, et al., "Improved dynamic thermal model with pre-physical modelling for transformers in ONAN cooling mode," IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 34, no. 4, pp. 1442-1450, March. 2019.
[27] L. Zhou, et al., "Oil exponent thermal modelling for traction transformer under multiple overloads," IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 12, no. 22, pp. 5982-5989, Oct. 2018.
[28] IEEE Std. C57.91-2011, IEEE Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformers and Step-Voltage Regulators, (Revision of pp. 1-123, 2012.
[29] J. Zhang and X. Li, "Oil cooling for disk-type transformer windings-part 1: theory and model development," IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 21, no. 3, pp. 1318-1325, Jun. 2006.
