Steady-State Thermal-Fluid Modeling of Station-Class Porcelain and Polymeric-Housed Surg Arresters with Internal Air Gap

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de modelos numéricos termo-fluidodinâmicos para para-raios com invólucro de porcelana de 228 kV e com invólucro polimérico de 240 kV, sob condições de operação em regime permanente. A abordagem eletrotérmica acoplada proposta permite uma representação detalhada do comportamento térmico do equipamento, ao considerar a distribuição não uniforme das perdas elétricas e a convecção natural nos domínios de ar interno e externo. Diferentemente de estudos anteriores que se baseiam em tratamentos simplificados da convecção natural, utilizando coeficientes médios de transferência de calor ou correlações empíricas, o presente trabalho adota uma formulação termo-fluidodinâmica completa, na qual as equações de conservação de massa, momento e energia são resolvidas pelo Método dos Volumes Finitos. Além disso, a geração de calor nos blocos de varistor de óxido de zinco (ZnO) é obtida a partir de um modelo elétrico, resultando em uma distribuição espacial fisicamente consistente de fontes volumétricas de calor. O modelo desenvolvido permite a predição de campos térmicos internos não acessíveis por técnicas experimentais e fornece uma ferramenta complementar à termografia infravermelha para o monitoramento de condição e avaliação de desempenho de para-raios. Adicionalmente, os coeficientes equivalentes de transferência de calor por convecção obtidos por meio das simulações podem auxiliar no aprimoramento de modelos térmicos simplificados. Por fim, a metodologia pode ser estendida para cenários operacionais mais complexos, incluindo a presença de defeitos internos e efeitos de instalação em transformadores.