Mechanical and experimental characterization of electromechanical substructures models applied to the manufacture of high power transformers

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica
Durante o projeto de um transformador de potência é importante que se faça a prevenção da ocorrência de falhas que podem colocar o equipamento fora de serviço, e assim, gerar elevados prejuízos económicos, entre outros. De acordo com os vários registos na área das falhas dos transformadores de potência, aquela que apresenta uma maior taxa de ocorrência e que, por sinal, é a que coloca mais transformadores fora de serviço, é a falha por curto-circuito. O trabalho aqui desenvolvido relaciona-se com continuo desenvolvimento do projeto dos transformadores de potência tendo em vista a sua otimização, de forma a que o transformador mais recente resista mais e melhor do que o seu imediato antecessor. A Efacec Energia S.A. é um fabricante deste tipo de equipamentos tendo proporcionado e encorajado o estudo aqui desenvolvido. O conjunto de chapa magnética da culaça aliado às respetivas travessas são os elementos do circuito magnético dos transformadores de potência que terão de suportar os esforços de curto-circuito para garantir a integridade física do circuito magnético. O trabalho aqui desenvolvido encontra-se relacionado com a determinação dos esforços e dos deslocamentos que as chapas magnéticas da culaça e a travessa do circuito magnético têm de resistir. O conhecimento e a determinação destes valores em situação de curto-circuito permitirá influenciar o projeto estrutural dos transformadores de potência. No âmbito do trabalho desta Dissertação de Mestrado, foram executados vários ensaios experimentais a um protótipo do circuito magnético de um transformador de tipo Core. As chapas magnéticas, neste tipo de transformador, encontram-se sujeitas a uma força de aperto, que se converte em pressão, derivada do binário aplicado aos pernos da travessa. Assim, quando em situação de curtocircuito, devido ao aperto dos pernos a movimentação da culaça do circuito magnético e da travessa é limitada, mas não impossível. A travessa, para além de garantir um aperto teoricamente uniforme nas chapas magnéticas da culaça também serve para fazer o levantamento do circuito magnético durante o processo de montagem do transformador. Foram igualmente realizados testes aos binários de aperto dos pernos, por forma a validar os cálculos teóricos das forças de compressão teóricas. Os resultados obtidos permitiram ganhar conhecimentos numa área desconhecida para a Efacec, o que pode no futuro influenciar positivamente o projeto e o desenvolvimento dos novos transformadores.
During the design of a power transformer it is important to make the prevention of failures that can put the equipment out of service, and thus generate high economic losses, among others. According to several records registered in the area of the faults in power transformers, the one that has a higher occurrence rate is the failure by short-circuit and, in consequence, is the one that puts more transformers out of service. The work developed here relates to the continuous development of the design of power transformers with a view to their optimization, so that the latest transformer resist more and better than its immediate predecessor. The company Efacec Energia SA is a manufacturer of this type of equipment that has provided and encouraged the study developed here. The magnetic sheets of the yoke combined with the transformer frame are the elements of the magnetic circuit of the power transformers that will bear the short-circuit efforts to ensure the physical integrity of the magnetic circuit. The work developed here is related to determining the efforts and displacements that the magnetic sheets of the yoke and the frame of the magnetic circuit must resist. The knowledge and determination of these values in a short-circuit situation will influence the structural design of power transformers. In the work of this Thesis, were executed several experimental tests on a prototype of the magnetic circuit of a Core type transformer. In this type of power transformer, the magnetic sheets are subjected to a clamping force, which becomes pressure, derived from the torque applied to the pins of the transformer frame. Thus, when in a short-circuit situation, due to tightening of the bolts, the displacement of the magnetic circuit and of the frame is limited, but not impossible. The frame, as well as ensure a theoretically uniform tightening of magnetic sheets of the yoke, also serves to lift the magnetic circuit during the assembly process transformer They were also executed tests about the torque applied to the bolts in a way to validate the theoretical calculations of the compressive forces. The results achieved, allowed Efacec to gain knowledge in an unknown area, which can positively influence the future design and development of new transformers.