Numerical Investigation of Natural Convection of Oil Flow in Transformer

Abstract

Effekttapet, samt gjentatte kaldstart av en elektrisk transformator kan føre til at tem- peraturen i transformatoren blir så høy at levetiden reduseres. For å minke denne tem- peraturøkningen brukes tranformatorolje som kjøler ned transformatoren ved hjelp av varmeadveksjon. Oljens viskositet er svært temperaturavhengig og kan bli svært viskøs når den blir kald. Dette kan skape problomer dersom man kaldstarter en transformator i kalde omgivelser. En kaldstart er når transformatoren blir startet opp etter at oljen har nådd temperaturen til omgivelsene.

I denne master oppgaven er CFD tatt i bruk for å simulere et slikt kaldstartscenario. Dette er gjort ved å betrakte en del av transformatoren som består av 4 pass lagt oppå hverandre. Det øverste passet er løst fullt ut, porøst materiale approksimasjon er brukt på de 3 nederste passene for å redusere kjøretiden. Dette CFD problemet er simulert ved bruk av OpenFOAM, hvor et grid av celler er laget til å tilpasse passene i transformatoren. Både implementasjonen og grid er verifisert og vist at de løser ligningene som beskriver prob- lemet, nøyaktig. Simuleringen viser at den maksimale HST under en kaldstart ved lave omgivelsestemperaturer er 17.2 K høyere enn ved milde omgivelsestemperaturer. Dette indikerer at kaldstarting av transformatorer ved lave omgivelsestemperaturer kan føre til at levetiden til transformatorene reduseres.

The power loss and subsequent cold start of an electrical transformer may cause ex- tensive temperatures that results in premature aging. Oil is therefore used to advect the heat from the transformer. However, the viscosity of oil is highly temperature-dependent such that, as temperatures get decreases, oils may become very viscous. This can be a problem in cold environments during a cold start of the transformer. A cold start is when the transformer is powered up after the oil has reached the ambient temperatures.

In this thesis, a CFD model is used to simulate the cold-start problem in a section of a transformer that consists of 4 passes stacked on top of each other. The top pass is fully resolved, while a porous-medium approximation is employed on the 3 bottom passes to significantly decrease the computation time. The CFD model is solved using OpenFOAM, where a mesh is constructed to adapt to the stacked transformer passes. Both the implementation and the mesh are verified and shown to accurately solve the governing equations. The simulations reveal that the maximum HST during a cold start in a cold environment is found to be 17.2 K higher than one conducted in milder climate. This indicates that cold starting a transformer in cold environments may cause premature aging.