HFFB Test and Wind-Induced Vibration Analysis on 1 000 kV Transformer Frame

Prueba HFFB y análisis de vibraciones eólicas en una estructura de transformadores de 1 000 kV

Con el fin de proponer un método de diseño completo y resistente al viento para bastidores de transformadores de ultra alta tensión (UHV), se estudiaron las características de vibración inducidas por el viento de un bastidor de transformador de 1 000 kV (TF1000) mediante una prueba de equilibrio de fuerzas de alta frecuencia (HFFB). Se diseñaron y construyeron cinco modelos de sección y un modelo completo del TF1000 mediante impresión 3D, y se evaluaron en un túnel de viento mediante ensayos HFFB para múltiples escenarios de carga. Se utilizó el método de los elementos finitos (FEM) en los datos de las pruebas para analizar la vibración inducida por el viento en el TF1000. Los resultados demuestran que el factor de forma del TF1000 se ve afectado significativamente por el tipo de campo de flujo y la relación de solidez; el valor mínimo se produce cuando la dirección del viento está entre 30 y 45°. Además, todos los valores del factor de forma obtenidos mediante la prueba son mayores que los establecidos por el código chino. El análisis de la vibración inducida por el viento indica que la dirección del viento más desfavorable para el TF1000 es aproximadamente 60°, con un coeficiente de vibración inducida por el viento entre 1,7 y 3,9.

INTRODUCCIÓN

La red eléctrica de ultra alta tensión (UHV) de 1.000 kV tiene una gran capacidad de transmisión y eficiencia con pequeñas pérdidas, lo que concuerda con los objetivos de la industria energética de promover el desarrollo sostenible y satisfacer sus necesidades estratégicas.  Sin embargo, el impacto de las catástrofes naturales en la red eléctrica UHV puede ser muy grave. Por ejemplo, los bastidores de los transformadores, que tienen características comunes con las estructuras de gran altura (Music y Soto, 2021) y de grandes luces, son susceptibles a las cargas de hielo y sísmicas (Gong et al., 2020a, 2020b, 2021, 2022), así como a las cargas de viento, y son propensos a sufrir daños por fatiga de vibración y a colapsarse en condiciones extremas.

Los métodos de investigación en ingeniería eólica incluyen el análisis teórico (Shiotani e Iwatani, 1980; Solari, 1983; Davenport, 1967; Balendra et al., 1989), mediciones de campo y ensayos en túnel de viento. Los ensayos en túnel de viento, ampliamente utilizados en estructuras espaciales de grandes luces y estructuras de gran altura, incluyen el ensayo de presión sincrónica multipunto del modelo (Zou, 2013), el ensayo de modelo aeroelástico (Wang, 2011) y el ensayo de equilibrio de fuerzas de alta frecuencia (HFFB) (Bernardini et al., 2013).  El ensayo HFFB permite calcular la respuesta inducida por el viento de una estructura midiendo el momento y la fuerza de flexión en el modelo bajo una carga de viento mediante el uso de una balanza de alta sensibilidad instalada en la parte inferior.