Güç transformatörlerinde farklı tasarımların kısa devre davranışına etkisi

Abstract

Bu tez çalışmasında, güç transformatörlerinde farklı sargı geometrileri ve kademe bağlantılarının kısa devre davranışı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Çalışmada 50 MVA, 34,5/6,3 kV gerilim seviyesine sahip bir güç transformatörü referans alınmış; nüve yapısı, soğutma tipi ve temel anma değerleri sabit tutularak farklı tasarım durumları karşılaştırılmıştır. Tasarımlar kısa devre empedansı, simetrik ve tepe kısa devre akımı, sargı akım yoğunluğu, yükte kayıplar, kısa devre sonu sıcaklıkları ve elektromanyetik kuvvetler açısından değerlendirilmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi ile elde edilen kısa devre empedansı ve kayıp sonuçları, analitik kısa devre ve mekanik zorlanma hesaplarıyla birlikte yorumlanmıştır. Elde edilen sonuçlar, sargılar arası mesafe, ayar sargısının konumu, sarım sayısı, soğutma kanallarının varlığı ve aksiyel yerleşim gibi geometrik parametrelerin kısa devre performansını doğrudan etkilediğini göstermiştir. Özellikle kısa devre empedansının azalması durumunda kısa devre akımı ve buna bağlı mekanik zorlanmalar artarken, aksiyel yerleşim değişikliklerinin toplam empedansı değiştirmese dahi uç itme kuvvetleri üzerinde kritik etkiler oluşturabildiği belirlenmiştir. Çalışma sonucunda, güç transformatörü tasarımında kısa devre davranışının yalnızca kısa devre empedansı değeri üzerinden değerlendirilmemesi gerektiği; kısa devre akımı, tepe akımı, termik zorlanma, çevresel gerilme, radyal eğilme, toplam aksiyel kuvvet ve uç itme kuvvetlerinin birlikte ele alınması gerektiği ortaya konulmuştur.

In this thesis, the effects of different winding geometries and tap winding connections on the short-circuit behavior of power transformers have been investigated. A 50 MVA, 34,5/6,3 kV power transformer has been selected as the reference design. The core structure, cooling type and main rated parameters have been kept constant, while different design cases have been compared. The design cases have been evaluated in terms of short-circuit impedance, symmetrical and peak short-circuit currents, winding current density, load loss, final winding temperatures after short circuit and electromagnetic forces. The short-circuit impedance and loss results obtained by the finite element method have been interpreted together with analytical shortcircuit and mechanical stress calculations. The results have shown that geometrical parameters such as the distance between windings, the position of the tap winding, the number of turns, the presence of cooling ducts and the axial alignment of windings directly affect the short-circuit performance. It has also been observed that axial displacement may create critical end thrust forces even when the total short-circuit impedance remains almost unchanged. As a result, the short-circuit behavior of power transformers should not be evaluated only by the short-circuit impedance value. Short-circuit current, peak current, thermal stress, hoop stress, radial bending stress, total axial force and end thrust force should be assessed together for a reliable transformer design.