Gas monitoring of transformer oil

In Norway, 98% of the electric power are coming from renewable sources, mainly hydropower. Before the electrical power can be used, the power needs to be transported from the power plant and out to the consumer. The power transformer is an important component in this transport. It transforms the voltage between different levels, enabling power transfer over long distance, and finally distribution to the end user. Realtime condition monitoring of transformers during optimised load without risking malfunctions or breakdown of a power transformer is critical to the owner (power plant or industry) and the society. Interrupts in the power supply, and can cause large costs, environmental impacts and even loss of life. Most of the largest power transformers are filled with oil. The oil has two main purposes, it cools the transformer and it improves the isolation between the coils. Online monitoring of gases dissolved in the transformer oil makes it possible to identify possible faults on an early stage. Analysis of the composition, concentrations and increase over time of 7-9 different gas types can be used to identify faults like heating, sparking and problems with the insolation. Many of the power transformers in Norway are old and they are expensive to replace. Our target was therefore to develop an online analyzer for monitoring of transformer oil, to enable identification of possible faults on an early stage where repair still is possible, to avoid fires and accidents, and to limit downtime. The project will develop a compact, robust and maintenance-free gas analyzer with high sensitivity and long lifetime. Our technology is well suited to measure many gases simultaneously, with high accuracy. Advanced micro and nano-technology permits mass production at a lower price than present technology. During the project, microchips have been manufactured and SINTEF has tested a membrane that separates gas from oil. Tunable has assembled the gas analyzer system that consists of membrane, microchips, optics and electronics, and has developed software for system control and gas concentration calculations. Multiple demonstrators have been installed during the project on different transformers. The demonstrators now measure all the relevant gasses in field application environment The system is continuous streaming data to the cloud via a 4G modem. In this project we have achieved many goals. Of the major ones we will highlight: 1. We have shown our micro and nano technology is capable of measuring gas compositions diluted in oil. 2. We have shown a compact DGA analyser can be made and will work on live transformers. 3. We have significantly simplified how continuous DGA measurements can be done 4. We have developed a barrier to the oil. The barrier allows only gas to flow through. 5. We have developed a functional, controllable moving optical filter. 6. The control system has proven reliable. 7. The optical microphone shows higher sensitivity than commercially available options. 8. The field test has been promising to the degree our transformer owner partners have decided to support the continuation of the development.

Vi har vist at det er mulig å måle gass i olje med vår fotoakustiske analysator. Vi har vist at det er mulig å lage en kompakt multigass-analysator basert på diffusjon, slik at en unngår bruk av pumper og andre mekaniske komponenter som er utsatt for slitasje. Vi har utviklet fungerende membran som slipper gassen inn til sensoren, men holder oljen ute. Vi har utviklet et fungerende elektronisk styrbart optisk filter. Vi har utviklet nye modulasjonsmetoder som er helt unike, og som vi ser vil gi god langtidsstabilitet og høy levetid for instrumentet. Vi har utviklet en optisk mikrofon med høyre følsomhet enn kommersielt tilgjengelige mikrofoner. Vi har gjennomført tre felttester på høyeffekts transformatorer, og resultatene fra siste test er så lovende at transformatoreierne i prosjektet ønsker å videreføre utviklingen.

I Norge får vi 98% av vår elektriske kraft fra fornybare kilder, og i hovedsak fra vannkraft. Før den elektriske kraften kan benyttes, må kraften transporteres fra kraftverket til forbrukerne. Transformatoren er en sentral komponent i denne transporten. Den omformer spenningen mellom ulike nivåer for kraftoverføring over lange avstander og påfølgende distribusjon til sluttbruker. Havari eller feil på en transformator kan gi svært høye kostnader for eieren (everk, industri), avbrudd i kraftforsyningen, store miljøkonsekvenser og tap av liv. De fleste store transformatorer er oljefylte. Oljen har i hovedsak to formål, den både kjøler transformatoren og virker som elektrisk isolator for viklingene. Online overvåkning av hvilke gasser som er oppløst i transformatoroljen gjør det mulig å identifisere feil på et tidlig stadium. Analyse av sammensetning, konsentrasjon og tidsutviklingen for 7-9 forskjellige gasstyper avdekker feil som varmgang, gnisting og feil med papir isolasjonen. Store deler av transformatorparken i Norge er gammel og dyr å erstatte. Vi ønsker derfor å utvikle en online analysator for transformatorovervåkning som identifiserer feil på et stadium der reparasjon er mulig, slik at branner og ulykker unngås, og nedetiden blir begrenset. Dersom en slik analysator kan forlenge levetiden til en transformator med 10-20 % vil det gi en innsparing tilsvarende 3 MNOK per transformator. Da vi i Norge har ca. 4 000 transformatorer som kan dra nytte av denne typen tilstandsovervåkning, ser vi et samlet innsparingspotensialet i størrelsesorden 12 milliarder NOK. Viktige FoU-utfordringer er utvikling av en kompakt, robust, og vedlikeholdsfri analysator med høy følsomhet, basert på en gasspermeabel membran og et diffusjonsbasert samplingssystem som gir økt levetid. Vår teknologi er spesielt godt egnet til å måle mange gasser samtidig, med høy nøyaktighet. Mikroteknologi gjør masseproduksjon mulig til en langt lavere pris enn dagens teknologi.