Bornas y simulación numérica

Alrededor del mundo se ha registrado un aumento en los valores de intensidad en los nuevos sistemas HVDC. Para satisfacer esta demanda y reducir los costes es indispensable contar con simulaciones numéricas más avanzadas, especialmente para componentes que trabajan con intensidades críticas, como las bornas

Por: Remigiusz Nowak, Bogus?aw Samul, Adam Sitko, Christos Athanasopoulos y Jonas Birgerson / Imágenes: cortesía de ABB

lo largo de los últimos años, la capacidad de transporte de las líneas de corriente continua de alta tensión (HVDC) ha aumentado hasta 10 a 12 GW. Este incremento ha venido acompañado de otro proporcional de la tensión y la intensidad: mientras que la corriente de prueba típica de los primeros sistemas de 800 kV era del orden de 4000 A, la de los sistemas de HVDC más recientes de 1110 kV llega a ser de 7500 A. Para manejar estas nuevas demandas y minimizar los costes de desarrollo hay que utilizar simulaciones más avanzadas de fluidodinámica computacional (CFD).

Métodos numéricos
Un componente crítico de HVDC que aparece en todas las redes eléctricas son las bornas. Éstas son conductores aislados que conducen corriente a alta tensión a través de una barrera puesta a tierra (una pared o un transformador) hasta la línea de transporte.

Dado que la borna carece de redundancia operativa, su especificación debe ser muy exigente para asegurar una larga vida útil (hasta 40 años) y sin problemas en condiciones variadas y extremas.

Un conocimiento sólido de la simulación térmica, eléctrica y mecánica de las bornas, así como la aptitud para la construcción de modelos numéricos precisos validados mediante pruebas experimentales, posibilita la ejecución de estudios rápidos y de bajo coste del comportamiento térmico de estos componentes de alta tensión (AT).

La popularidad de los métodos numéricos ha aumentado mucho en los últimos 10 años, principalmente por el aumento de la potencia de cálculo y la posibilidad de resolver problemas físicos cada vez más complejos en un tiempo razonable. Su gran ventaja es la capacidad de efectuar estudios en profundidad del comportamiento del producto bajo diversas condiciones y con un coste razonable. El análisis numérico permite además optimizar el diseño y mejorar las prestaciones antes del ensayo en conformidad con las normas técnicas requeridas.

Hasta hace poco, la mayoría de las simulaciones térmicas consideraban todos los componentes de la borna, incluso el aceite y el aire, como sólidos; muy raramente se aplicaba la dinámica de fluidos. Pero con la aparición de bornas para muy altas tensiones surgió la necesidad de modelos térmicos nuevos y capaces con tiempos de desarrollo breves.

Efectos térmicos
Una simulación térmica proporciona la distribución de temperaturas en una borna para distintas intensidades y temperaturas ambientales. Un estudio de este tipo es esencial, porque ciertos componentes presentan límites de temperaturas muy estrictos y hay que excluir la degradación térmica y la consiguiente avería eléctrica.

Las bornas de condensador constan de tres componentes principales: un aislamiento externo para minimizar las corrientes de fuga y evitar descargas externas, un “condensador” interno con aislamiento capacitivo para distribuir y estabilizar el campo eléctrico y un sistema conductor para transportar la corriente.

El núcleo condensador tiene una temperatura crítica a la que las pérdidas en el dielétrico empiezan a aumentar y disparan una reacción térmica: el aumento de temperatura incrementa las pérdidas del dieléctrico, que a su vez aumenta la temperatura y así sucesivamente, con una realimentación positiva que continúa hasta el fallo térmico.

Construcción de un modelo térmico para borna de AT
La simulación térmica de bornas de AT es un ejercicio complejo con muchos parámetros que influyen en el resultado final: pérdidas de calor, tratamiento de los procesos de conducción, convección y radiación térmica, parámetros del material y modelización de la turbulencia en el caso de las bornas rellenas de SFe. En general, la simulación térmica se descompone en cuatro etapas:

  • Preparación del modelo geométrico
  • Generación de la malla de cálculo
  • Fijación de los parámetros del modelo numérico
  • Análisis numérico y procesamiento posterior de los resultados

Preparación del modelo geométrico
La preparación de la borna suele ser la parte más sencilla del proceso, ya que, en principio, sólo requiere importar y simplificar el modelo CAD del dispositivo. Se retiran del modelo la mayoría de los pequeños elementos tales como tornillos, curvas, etcétera, para que éstos no ejerzan una influencia observable en los resultados de la simulación (figura 1).

Figura 1. Ejemplo de simplificaciones del modelo realizadas para preparar un modelo de CAD para simulaciones CFD

Generación de la malla de cálculo
Cuando el modelo geométrico esté listo para la simulación, se crea una malla numérica que represente los dominios computacionales. La calidad es un parámetro importante, pues influye mucho en la velocidad de convergencia del modelo numérico y en la confiabilidad de los resultados.

Figura 2. Ejemplo de malla de cálculo para una borna GGF 60

Una malla de poca calidad, con muy pocos elementos, puede ocasionar divergencia en un modelo bien preparado; demasiados elementos aumentarán de forma desproporcionada el tiempo de cálculo. Así, la modelización del flujo de SFe en bornas de GGF exige que las zonas de las paredes próximas estén bien malladas, para que el flujo de gas en el interior de la borna se produzca únicamente por fuerzas de flotación (flujo de convección natural), que surgen principalmente cerca del conductor caliente y las superficies frías de la carcasa (figura 2).

Fijación de los parámetros del modelo numérico
Cuando se ha preparado la malla para el cálculo y su calidad es aceptable, se puede pasar al software CDF, que ofrece la posibilidad de plantear el problema y resolverlo. La configuración del modelo numérico es la parte más compleja de la simulación. Además de algunas funciones comunes de configuración que permiten ecuaciones energéticas, aplicación de fuerzas de gravedad, entre otras. Este proceso implica otras tareas importantes: definición de pérdidas de calor y materiales; especificación de las condiciones iniciales, de contorno y operativas; modelos de turbulencia y radiación térmica, y selección de valores de resolución.

Análisis numérico y procesamiento de resultados
En el estudio numérico, los valores requeridos de temperaturas, velocidades, presiones, etcétera, se calculan en cada celda de la malla de cálculo. El proceso es iterativo: a partir de unas condiciones iniciales aleatorias, la solución del problema investigado se va actualizando paso a paso.

La corrección de los resultados se comprueba por medio de los llamados residuos, que describen los desequilibrios en las ecuaciones de masa, momento y energía del modelo. Un problema numérico se considera resuelto cuando se minimizan los valores de los residuos, o sea, cuando los campos de temperatura, velocidad o presión del modelo no varían en los pasos de cálculo siguientes. Además, se utilizan herramientas de supervisión definidas por el usuario para seguir valores concretos relacionados con la simulación, como velocidad, temperatura y presión; en una solución estable, sus valores deben llegar a ser constantes.

Finalmente, el resultado obtenido debe evaluarse desde los puntos de vista físico y numérico. En esta etapa es posible confirmar la veracidad del mallado aplicado y las ecuaciones. Esta evaluación exige también afirmar que la simulación cumple el principio básico de conservación de la masa y la energía.

Versatilidad y precisión
Todos los procesos de transferencia de calor en el interior de la borna y sus límites exteriores deben capturarse adecuadamente para construir una representación numérica fiable.

Figura 3. Ejemplos de los resultados de simulaciones numéricas.
04a: Distribución de temperaturas
04b: Líneas de velocidad
04c: Isosuperficies de temperatura

Paquetes comerciales modernos de simulación FEM (elementos finitos) y FVM (volúmenes finitos), como Ansys Fluent o COMSOL Multiphysics, utilizan algoritmos sofisticados; igualmente, todos los modelos generados durante el trabajo descrito en estas páginas han demostrado ser precisos (figura 3).

Debe tenerse cuidado con las simulaciones térmicas, ya que son muy sensibles a las condiciones de contorno. Por lo tanto, debe especificarse con cuidado la tasa de transferencia de calor en las superficies exteriores del modelo, ya que es difícil predecir la eliminación de calor del sistema. Por ejemplo, en el caso de convección en el contorno, la migración de calor dependerá de las propiedades del aire o el aceite, su velocidad, temperatura y la forma de la superficie desde la que se disipa el calor.

En la figura 4, se ilustra un ejemplo de distribución de temperaturas del conductor de una borna medidas durante una prueba de aumento de la temperatura y calculadas numéricamente. La comparación de las curvas muestra que la precisión media del modelo numérico elaborado es de alrededor de dos por ciento, con una discrepancia máxima de 1.3 K.

Figura 4. Distribución de temperaturas a lo largo del conductor. Comparación entre el modelo numérico 3D y los resultados de la prueba de circulación de calor

En general, el nuevo modelo térmico proporcionó resultados que confirman el importante papel de la simulación en ordenador como herramienta adicional en la producción de bornas de AT. Durante el desarrollo de las nuevas bornas para proyectos HVDC de 10 GW y 12 GW, se emplearon simulaciones numéricas para diseñar bornas con unos valores de intensidades sin precedentes.

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Remigiusz Nowak, Bogus?aw Samul y Adam Sitko. – ABB Corporate Research Center Cracovia, Polonia.

Christos Athanasopoulos y Jonas Birgerson. – ABB Components Ludvika, Suecia.

* Artículo retomado de ABB Review 02/2018. La excelencia en el diseño.