ANSYS simulation of the impregnation process of cellulosic solids used in power transformers

RESUMEN: El diseño del aislamiento es uno de los aspectos más importantes del diseño del transformador, y de él depende en gran medida su calidad y fiabilidad. El aislamiento usado a lo largo de la historia está formado por materiales celulósicos, principalmente papel y cartón, y líquidos dieléctricos, especialmente aceite mineral, que rellenan las cavidades de estos materiales, proporcionando una mayor rigidez dieléctrica. Además, el líquido dieléctrico cumple las funciones de aislar las partes activas del transformador, transferir el calor de los conductores y diagnosticar el estado del equipo. Por estas razones, varios miles de millones de litros de aceite son utilizados en los transformadores de todo el mundo. Sin embargo, debido a la poca biodegradabilidad de los aceites minerales y el agotamiento de las reservas petrolíferas, se ha impulsado desde hace años una búsqueda de un nuevo líquido dieléctrico capaz de sustituir al aceite mineral y cumplir con las exigencias medioambientales. Los fluidos basados en ésteres, naturales y sintéticos, ofrecen varias ventajas comparados con los aceites minerales, como son su mayor biodegradabilidad y punto de inflamación, pero, sin embargo, su mayor viscosidad influye negativamente en los procesos de impregnación y de evacuación del calor. Por eso, es necesario el estudio del proceso de impregnación con líquidos dieléctricos basados en ésteres. El presente Trabajo de Fin de Grado consiste en una simulación computacional del proceso de impregnación de sólidos celulósicos usados en transformadores de potencia con líquidos dieléctricos. La fiabilidad del aislamiento depende en gran medida del proceso de impregnación, que garantiza que no queden cavidades en la celulosa y así evitar descargas parciales. Un paso importante previo a la realización de la simulación es la caracterización de los materiales a utilizar, sólidos celulósicos y aceites dieléctricos. Usando el software de dinámica de fluidos ANSYS Fluent en medios porosos, se pretende realizar una simulación del proceso de impregnación en varios materiales celulósicos (madera fenólica, cartón y pressboard) y con varios aceites dieléctricos (aceite mineral y éster natural) para obtener una primera aproximación del resultado del proceso sin tener que recurrir a métodos experimentales.ABSTRACT: The insulation design is one of the most important aspects of transformer design, and its quality and reliability depend to a large extent on it. The insulation used throughout history consists of cellulosic materials, mainly paper and cardboard, and dielectric liquids, especially mineral oil, which fill the cavities of these materials, providing greater dielectric strength. In addition, the dielectric liquid performs the functions of insulating the active parts of the transformer, transferring heat from the conductors and diagnosing the condition of the equipment. For these reasons, several billion liters of oil are used in transformers around the world. However, due to the poor biodegradability of mineral oils and the depletion of oil reserves, a search for a new dielectric fluid capable of replacing mineral oil and meeting environmental requirements has been underway for years. Ester-based fluids, both natural and synthetic, offer several advantages over mineral oils, such as higher biodegradability and flash point, but their higher viscosity, however, has a negative influence on the impregnation and heat dissipation processes. Therefore, it is necessary to study the impregnation process with ester-based dielectric liquids. This project consists of a computational simulation of the impregnation process of cellulosic solids used in power transformers with dielectric liquids. The reliability of the insulation depends to a large extent on the impregnation process, which ensures that no cavities are left in the cellulose and thus avoids partial discharges. An important step prior to the simulation is the characterization of the materials to be used, cellulosic solids and dielectric oils. Using the ANSYS Fluent fluid dynamics software in porous media, it is intended to perform a simulation of the impregnation process in various cellulosic materials (phenolic wood, cardboard and pressboard) and with various dielectric oils (mineral oil and natural ester) to obtain a first approximation of the result of the process without having to carry out experimental methods.Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriale