Farklı IP sınıflarına ait kuru tip trafo kabinlerinde porozite değerlerinin hesaplanması ve akış analizleri

Abstract

Kabinli kuru tip transformatörlerde kayıplarının neden olduğu ısı, transformatörde yaşlanmaya neden olduğundan oluşan bu ısının etkin bir şekilde kabin içinden uzaklaştırılması gerekmektedir. Dolayısıyla, kabin havalandırma sistemlerinin tasarımı ve verimi transformatör ömrünün uzatılması için büyük önem arz etmektedir. Tasarlanan transformatörlerin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) programlarıyla gerçekleştirilen ısı transferi analizlerinde, oldukça uzun süren hesaplama sürecinin kısaltılması için havalandırma menfezlerinin porozite değerlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Çalışmamızda, kuru tip transformatör kabini havalandırma menfezlerinde kullanılan farklı tip IP (Ingress Protection) koruma sınıflarının akış üzerindeki etkisi deneysel ve sayısal olarak incelenmiş ve bu menfezlere ait porozite değerleri (1/α, viskoz iç direnç faktörü ve C2, atalet direnci faktörü) hesaplanmıştır. Bunun için, kuru tip transformatör kabinlerinin IP21, IP31, IPX3 ve IP54 koruma sınıfı menfezlerinden geçen hava akış hızının ölçülebildiği bir deney seti tasarlanmış ve üretilmiştir. Sayısal sonuçlar için ise deney setinin sayısal modeli oluşturularak Ansys Fluent yazılımı ile HAD (CFD) analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerde k-ω SST türbülans modeli ve Pressure-Velocity Coupling Simple çözüm algoritması kullanılarak hava çıkış hızları ve basınç düşüşleri bulunmuştur. Elde edilen çıkış hızları, deneysel ölçümler ile mukayese edilerek sayısal modellerin doğrulaması yapılmıştır. Sayısal sonuçlara göre fanın tam kapasite ile çalışması durumunda en fazla basınç düşüşünün IP21, en az basınç düşüşünün IPX3’te oluştuğu; çıkış hızlarında en yüksek değerin IPX3’e, en düşük değerin de IP31’e ait olduğu görülmüştür. Basınç düşüşü değerleri kullanarak ise menfezlerin porozite değerleri IP21 için C2=1753,88, 1 ∕ α=1,03x107; IP31 için C2=2958,94, 1/α=1,03x107 ve IPX3 için C2 =12602,45, 1 ∕ α=9,00x105 olarak hesaplanmıştır. Çalışma sonunda elde dilen porozite değerlerinin, gelecek transformatör ısı transferi analizlerinde kullanılması umulmaktadır.

Since the heat caused by the losses in dry-type transformers with enclosures causes aging in the transformer, this heat must be effectively removed from the enclosure. Therefore, the design and efficiency of the cabin ventilation systems are crucial for extending the life of the transformer. In the heat transfer analyses of the designed transformers carried out with computational fluid dynamics (CFD) programs, porosity values of the ventilation grilles are needed to shorten the calculation process, which is quite long. In our study, the effect of different types of IP (Ingress Protection) protection classes used in dry-type transformer cabinet ventilation grilles on the flow was investigated experimentally and numerically and porosity values (1/α, viscous internal resistance factor and C2, inertial resistance factor) of these grilles were calculated. For this purpose, an experimental set was designed and manufactured to measure the air flow velocity passing through IP21, IP31, IPX3 and IP54 protection class grilles of dry-type transformer cabinets. For numerical results, a numerical model of the experimental set was created and CFD analyses were performed with Ansys Fluent software. In these analyses, k-ω SST turbulence model and Pressure-Velocity Coupling Simple solution algorithm were used to find the air outlet velocities and pressure drops. The obtained outlet velocities were compared with the experimental measurements and the numerical models were verified. According to the numerical results, it is seen that the highest pressure drop occurs in IP21 and the lowest pressure drop occurs in IPX3 when the fan operates at full capacity; the highest value in outlet velocities belongs to IPX3 and the lowest value belongs to IP31. Using the pressure drop values, the porosity values of the culverts were calculated as C2=1753,88, 1∕α=1,03x107 for IP21; C2=2958,94, 1/α=1,03x107for IP31 and C2=12602,45, 1∕α=9,00x105for IPX3. It is hoped that the porosity values obtained at the end of the study will be used in future transformer heat transfer analyses.