Utilização e/ou desenvolvimento de modelos numéricos destinados ao estudo do comportamento dinâmico de estruturas mecânicas de Transformadores de Potência quando sujeitos a curto-circuito

Abstract

Os transformadores de potência são dos equipamentos mais importantes e críticos na cadeia de produção e transporte de energia elétrica. Torna-se assim necessário, durante o projeto do transformador prevenir a ocorrência de falhas que possam danificar e até mesmo destruir este equipamento. O curto-circuito é uma das falhas mais comum no funcionamento do transformador, e ao mesmo tempo pode ser uma das mais caras que ocorre nos transformadores de potência. A força gerada pelo curto-circuito atua fundamentalmente na direção perpendicular às galetes fazendo com que sejam pressionadas contra a parede paralela do grande reforço e o circuito magnético. O grande reforço é uma estrutura desenvolvida pela Efacec para os transformadores de potência do tipo shell, em que a sua função é proteger a parte ativa, suportando as forças de origem eletromagnética mantendo a integridade da parte ativa e em condições de funcionamento. O principal objetivo desta Dissertação de Mestrado consiste no estudo do comportamento dinâmico do grande reforço quando este é sujeito a forças eletromagnéticas produzidas pela ocorrência do curto-circuito. Assim, com base numa nova geometria do grande reforço para o transformador de potência do tipo shell, foram analisadas quatro novas ligas de aço, duas de aço estrutural e duas de aço de alta resistência (AHSS), e as suas características mecânicas foram, igualmente, objeto de análise em laboratório através da realização de ensaios de tração. Foram ainda realizados alguns ensaios experimentais de validação do software de elementos finitos SolidWorks Simulation. Inicialmente foi estudado o modelo elasto-plástico de uma viga simplesmente apoiada sujeita à flexão, e comparados os valores com os métodos analítico e numérico. Na segunda parte deste trabalho foi validado o modelo geométrico da estrutura do grande reforço em que se compararam os valores dos ensaios experimentais, realizados a pedido da Efacec no Laboratório de Ensaio de Materiais do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho, com os valores calculados no software. No final foram estudados os comportamentos dinâmicos do grande reforço para as quatro ligas de aço já referidas e comparados os três modelos usados no dimensionamento, elástico e plástico para cargas estáticas e plástico para cargas dinâmicas.

Power transformers are the most important and critical equipments in the electric energy production chain and transportation. Therefore, it is necessary, during transformer's design, to avoid failures that can damage or even destroy this equipments. The short-circuit is one of the most common failure on operating transformer, and at the same time it is the most expensive that occurs on power transformers. Efforts resulting from short-circuit act perpendicularly to the pancake coils make them be pressed to the main frame parallel wall and core. The main frame is an engineering structure designed by Efacec for shell-type power transformers, that its function is to protect the active part, by supporting the electromagnetic forces, keeping the integrity of active part and operating conditions. The main objective of this Master's Thesis was the study of the dynamic behavior of the main frame when it is subject to electromagnetic forces produced by short-circuit occurrence. Thus, based on a new geometry of the main frame for shell type power transformer, four new alloy steels were studied, two mild steels and another two advanced high strength steels (AHSS), and their mechanical properties were object of laboratory analysis using tensile tests. Some experimental validation tests were realized using the finite elements software SolidWorks Simulation. Initially, the elastic-plastic model was studied using a simply supported beam subjected to bending, whose values were analyzed and compared with analytical and numerical methods. Secondly, the geometrical model of main frame structure was validated using the results of experimental tests made by Efacec's request in Laboratory of Materials Test in Department of Mechanical Engineering from University of Minho, and then compared with the calculated values using finite elements software. Finally, the dynamic behavior of main frame for the four alloy steels cited were studied, and the three models used on design were compared, elastic and plastic to static loads, and plastic to dynamic loads.