Performance of dielectric liquids for land based and subsea environmental friendly transformers.

I store krafttransformatorer er det hovedsakelig dielektriske væsker som brukes for å isolere mot de høye spenningene. Ved feil brer det seg "lyn"-overslag fra spenning til jord, som ødelegger apparatet. "Lynene" kalles for streamere. Tradisjonelt har en i transformatorer brukt mineraloljer, men blant annet ut fra miljøhensyn kommer det nå nye væsker som syntetiske og vegetabilske estere, og andre syntetiske væsker. En ser at disse har svært ulike funksjonelle egenskaper fra mineraloljer. I dag mangler både den fundamentale fysikalske forståelse av selve overslagsprosessen og standardiserte metoder for å test funksjonelle egenskaper. Prosjektet har tatt mål av seg til å både å utrede de fundamentale overslagsmekanismene og de funksjonelle egenskapene for dielektriske væsker. Dersom en forstår både de grunnleggende mekanismene og materialegenskapene er det enklere å lage trygge dimensjoneringsregler og utvikle nye materialer uten å få overraskelser. Et overslag i en væske skjer ved at en streamer-kanal brer seg gjennom væsken. Drivmekanismen skjer i kanalspissen der væsken fordamper og etterlater seg en ledende kanal. Mye tyder på at det er elektroniske prosesser som styrer hva som skjer i spissen. Spissen vil ha et høyt elektrisk felt og molekyler kan ioniseres. En får sterk, energirik lysutsendelse som også kan ionisere. I det høye feltet vil elektronene utvikle seg til elektronskred. De energirike elektronene vil så når de støter mot væskemolekylene fordampe den og lage et ledende plasma. Selve streamerkanalen har et høyt trykk. Om spenningen er lav vil kanalen stoppe av seg selv. En slik streamerkanal beveger seg med ca. 2 mm/µs (eller 2 km/s i en annen skala) opp til en får gjennomslag. Økes spenningen over en viss grense (kalt akselerasjonsspenningen) så øker hastigheten med et par dekader til 100-200 mm/µs (100-200 km/s). For mineraloljer er akslerasjonsspenningen mye høyere enn for en ester. Ved høye hastigheter kan en få overslag ved korte overspenninger som kan opptre ved lynnedslag i nettet. Vi har studert oppførselen av væsker i desimeter lange gap. Ulike mineraloljer oppfører seg ulikt. Det virker som om oppførselen styres av tilstedeværelsen av elektronisk aktive stoffer som f.eks. aromatiske molekyler. Vi har også sett hvordan trykkendringer påvirker oppførsel, noe som har betydning bade for transformatorer plassert mer enn 1000 meter over havet, eller for undervanns plassering. En ser at vakuum reduserer stopp-lengden, mens trykk øker den. Hastigheten derimot er lite påvirket. Vi har laget et testoppsett for små gap egnet for raskt og billig å kartlegge egenskapene for en væske. Flere væsker ble testet og en fant ved statistisk analyse at akselerasjonsspenningen synes å være korrelert til elektronisk eksitasjon av molekyler. Det er i sluttfasen av prosjektet også etablert et oppsett for å påtrykke røntgenstråling synkronisert med spenningspåtrykk for å ionisere væsken og analysere skreddannelse. Videre arbeid med dette må eventuelt skje i nye prosjekt. SINTEF har gjennom en årrekke hatt et samarbeidet med NTNU om molekylær modellering av kvantekjemiske material-egenskaper som f.eks. ionisasjonspotensiale for isolervæsker. I dette prosjektet har de i en doktorgrad modellerte gjennomslagsmekanismer. Her knytter en sammen molekylære materialegenskaper med makroskopisk oppførsel for ulike isolervæsker. Modellen som er under utvikling tar utgangspunkt i molekylære egenskaper til en isolervæske med eller uten tilsatser, og simulerer hvordan en streamer-kanal kan bre seg i mediet og forgreine seg slik at en får en form som ligner på det en ser eksperimentelt. Modellen er godt egnet til å studere hvordan for eksempel ledningsevnen til kanalen, mobiliteten til elektroner i væskefasen, fotoionisasjon på grunn av lysutsendelse fra streamer hodet og andre makansismer spiller en rolle for gjennomslagsmekanismene i en isolervæske. SINTEF har gjennom dette og tidligere prosjekter etablert seg som et internasjonalt ledende miljø, og leder nå en internasjonal CIGRE arbeidsgruppe på dielektriske egenskaper for isolervæsker.

The results are communicated to a working group in CIGRE in Study Committees D1 and A2 that will produce a brochure (Report) on "dielectric performance of liquids". In this group manufacturers of transformers, producers of dielectric liquids, universities and Research institutes are present. The working group is lead my Lars Lundgaard. The Cigre study will be a basis for future revision of international IEC and IEEE standards

Driven by environmental concerns new vegetable based electrically insulating liquids enter a market dominated by mineral oils. The dielectric performance of liquids is the basis for design of liquid filled apparatus (e.g. transformers). Breakdown in a li quid occurs via a gas filled streamer propagating across the insulation: this propagation varies a lot depending on voltages and molecular properties of liquids (e.g. velocity may increase three orders of magnitude as voltage is increased). This gives liq uid dependent constraints for design. Today no validated and detailed physical model exists for the behavior of such liquids. Design is done based on benchmark models and return of experience on known materials Knowledge of liquid behavior under differen t conditions is essential for design, specification and testing of electric liquid filled apparatus. Good design criteria give possibilities for more compact and energy efficient designs. Especially an expected pressure dependence on breakdown voltages wi ll facilitate more compact and lighter designs for offshore and subsea transformers. The breakdown event in a liquid is governed by tip processes where a vaporization and formation of a plasma filled streamer channel is formed. The channels branch into a bush that limits the electric field at the channel tips. There is circumstantial evidence that the streamer formation is driven by electron avalanches in the high field region near the streamer tip. If this hypothesis can be verified it opens for establi shing scientifically based design criteria. The project will be split in three: -Small scale experiments focusing on quantum chemical streamer tip processes. -Large scale experiments focusing on channel propagation properties and branching. -Modeling bas ed on electron valance processes and energetic considerations