Ansys@maxwell kullanılarak transformatörlerin ani akımlar durumunda meydana gelen elektrik alan analizlerinin gerçekleştirilmesi

Abstract

Transformatörlerin sargılarında beklenmedik bir anda oluşan aşırı gerilim ve akımlara karşı transformatörün mekanik açıdan dayanıklılığının tahmin edilebilmesi, transformatör üreticileri için tasarım sürecinde kullanıcılar için de üretimden sonraki süreçte çok önemlidir. Bu yüksek gerilim ve akımlara neden olan etkenler yıldırım-darbesi ve kısa devre arıza akımlarıdır. Yüksek gerilime neden olan yıldırım darbesi elektrik güç sistemleri için çok önemli bir olgudur. Bu nedenle yıldırım darbe analizinin doğru gerçekleştirilmesi güç sistemlerinde son derecede önemlidir. Ani olarak meydana gelen yıldırım darbeleri durumunda transformatörlerin mekanik dayanımının sağlanabilmesi için tasarım sürecinde aşırı gerilimlere maruz kalan kısımların belirlenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, Maxwell ortamında modelllenen transformatörün, yıldırım darbesi durumundaki elektrik alan dağılımı, transformatörün sargılarında meydana gelen aşırı akımlar, transformatörün yalıtım malzemesinde meydana gelen zorlanmalar ve sargılardaki elektrik alan-gerilim dağılımı ilişkisi analiz edilmiştir. Bunun için Sonlu Elemanlar Yöntemi'ne (SEY) dayanarak çözüm gerçekleştiren ANSYS@Maxwell yazılım programı ile transformatörün 2D modeli kullanılarak elektrik alan analizleri gerçekleştirilmiştir. Burada trafonun hem normal çalışma koşularında hemde yıldırım darbesi durumundaki analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu sayede, sargılardaki elektrik alan-gerilimi dağılımı, mekanik dayanımın az olduğu bölgeler tespit edilmiştir. Primer ve sekonder sargılar arasındaki yalıtım malzemelerinde bozulmaya neden olabilecek kritik bölgeler belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar deneysel ve teorik sonuçlarla karşılaştırılmıştır.

The ability to predict the mechanical strength of the transformer against overvoltages and currents that occur unexpectedly in the windings of transformers is very important for transformer manufacturers in the design process and for users after production. The factors that cause these high voltages and currents are lightning-strikes and short-circuit fault currents. Lightning strike causing high voltage is a very important phenomenon for electrical power systems. For this reason, the correct performance of lightning impulse analysis is extremely important in difficult systems. In order to ensure the mechanical strength of the transformers in case of sudden lightning strikes, the parts exposed to excessive voltages must be determined during the design process. In this study, the electric field distribution of the transformer modeled in the Maxwell environment in the case of lightning strikes, the overcurrents in the transformer windings, the stresses in the transformer insulation material and the electric field-voltage distribution relationship in the windings are analyzed. For this, electric field analysis was performed by using 2D model of the transformer with ANSYS @ Maxwell software program, which realized a solution based on Finite Element Method (FEM). Here, analyzes of the transformer in both normal operating conditions and lightning strikes have been performed. In this way, the electric field-voltage distribution in the windings and the regions with low mechanical strength were determined. Critical areas that may cause deterioration in the insulation materials between primary and secondary windings have been determined. The results obtained were compared with the experimental and theoretical results.