Modelado y simulación de transformadores acorazados ante perturbaciones de alta frecuencia

Abstract

El aislamiento de los transformadores debe soportar las solicitaciones de tensión establecidas en las normas de coordinación de aislamiento. De todas ellas la más exigente es la onda de tensión de onda tipo rayo. El diseño del aislamiento de los transformadores se realiza con la ayuda de programas de simulación que intentan reproducir las tensiones en los arrollamientos en caso de la aplicación de una onda de tensión tipo rayo. Los programas de simulación construyen modelos muy detallados de las inductancias y capacidades de los arrollamientos a partir de la configuración física de éstos. Un fabricante nacional, dispone de un código de simulación de tensiones en arrollamientos de transformadores acorazados ante onda tipo rayo. Se trata de código que data de los años 60 del siglo pasado. El método de simulación de dicho código (basado en la truncación de la exponencial de la matriz) exhibe limitaciones propias de estado del arte de los métodos numéricos y de las capacidades de los ordenadores de dicha época. El objetivo del proyecto ha sido la mejora del modelo de cálculo de la respuesta de transformadores acorazados en alta frecuencia del citado fabricante nacional. La mejora del código se ha centrado en el método matemático de simulación. Se ha programado y validado un nuevo modelo de cálculo de cálculo de la respuesta de transformadores acorazados en lenguaje MATLAB con mejoras en el método matemático de simulación. Se han implantado dos métodos: simulación de sistemas de ecuaciones diferenciales no lineales por el método de Runge-Kutta y simulación de sistemas de ecuaciones diferenciales lineales utilizando los autovalores y autovectores de la matriz de estados. Los dos métodos de simulación implantados ofrecen idénticos resultados y, además, mejoras (mayor precisión) con relación al método basado en la truncación de la exponencial de la matriz estados. También se ha obtenido la respuesta en frecuencia del transformador abriendo la puerta a futuros desarrollos.

Transformers isolation must withstand the stresses of tension established in the insulation coordination rules. The most demanding of these ones is the lightning voltage wave type. The design of the transformer insolation is done with the help of simulation programs that attempt to reproduce the voltages in the coils in case of applying a lightning impulse voltage waveform. Simulation programs built highly detailed models of the inductances and capacities of the windings from the physical configuration of these ones. A national manufacturer has a simulation of stresses in shells transformers coils code to wave beam type. This is a code that dates from the 60s of last century. The simulation method of the code (based on the truncation of the exponential of the matrix) exhibits limitations inherent to that time state of the art of numerical methods and computer capabilities. The aim of the project has been the improvement of the response of high frequency shells transformers calculation model of that national manufacturer. The improved of the code has been focused on the mathematical simulation method. A new model of computation for calculating of the response of shells transformers in MATLAB language with improvements in the mathematical simulation method has been programmed and validated. We have implemented two methods: nonlinear differential equations systems simulation by the Runge-Kutta method and linear differential equations systems simulation using the eigenvalues and eigenvectors of the states matrix. Both simulation methods implanted provide identical results and, furthermore, improvements (better accuracy) relative to the method based on the truncation of the exponential of the states matrix. We have also obtained the transformer frequency response, opening the door to future developments.