Electrical insulation with low-GWP gases

Bryteranlegg brukes for å koble til og fra deler av kraftnettet ved f.eks vedlikehold og reparasjon. Bryteranlegg er kritiske for påliteligheten til kraftnettet og utgjør derfor et nøkkelelement i infrastrukturen til vårt moderne samfunn Kompakte bryteranlegg inneholder spenningsatte ledere og brytere på høyt potensiale. Elektrisk isolasjon mellom disse delene oppnås stort sett med svovelhexafluorid (SF6) gass. SF6 er en utmerket elektrisk isolator, men dessverre en sterk drivhusgass. Selv om bryteranlegg er hermetisk forseglet og SF6 behandles i en lukket syklus, er det ønskelig å redusere bruken av SF6. Pr dags dato har man ikke funnet noen gass som har tilsvarende isolasjonsevne som SF6 med lavere drivhus potensiale. I dette prosjektet søker vi å utvikle kunnskap og teknologi som kreves for å erstatte SF6 som elektrisk isolator i kompakte, gassisolerte bryternalegg med mer miljøvennlige alternativer. For å klare dette må vi forstå bedre de grunnleggende mekanismene til elektriske overslag i gasser. Dette adresseres gjennom eksperimentelle og teoretiske studier i et samarbeid mellom ABB AS, ABB Sveits, NTNU og SINTEF. Siden starten i 2015 har SINTEF utviklet et forsøksoppsett for å studere holdfastheten til trippelpunkter og ferdigstilt en numerisk modell for beregning av elektrostatiske felt og elektronskred i komplekse geometrier. SINTEF har i samarbeid med ABB Norge bygget et testoppsett for eksperimenter i kontrollert atmosfære, og den første serien av lysimpulsforsøk i ulike luft og "AirPlus" er ferdig. Det eksperimentelle arbeidet har blitt utført i samarbeid med masterstudenter ved NTNU og ETH, og modelleringsarbeidet i samarbeid med forskere ved ABB Sveits. SINTEF har i tillegg utviklet numeriske modeller for simulering av overslagsprosesser i komplekse geometrier. Dette arbeidet har blitt skalert opp til flere tusen regnekjerner på nasjonale og internasjonale superdatamaskiner. Arbeidet har tilrettelagt, for første gang, stor-skala 3D simulering av overslagsprosesser i industri-relevante geometrier. SINTEFs numeriske modeller har blitt grundig verifisert, og modellene har allerede blitt brukt til å validere ingeniørverktøyene som brukes i dag. Ved NTNU har PhD student Hans Kristian Hygen Meyer levert inn sin phd-avhanding for vurdering (januar 2019). I løpet av doktorarbeidet har han utført flere eksperimenter og simuleringer av effekten av overflateladninger på dielektriske medier ved lynimpulspåkjenninger. Tre arbeider er presentert på vitenskapelige konferanser, og ett journalpaper ble akseptert i IEEE Transactions on Dielectrics og Electrical Insulation Journal (ett til er sendt til vurdering). Hans doktorgradsresultater ble presentert ved Energiforskningskonferansen i Oslo, 30. mai 2018. Meyer tilbrakte også fem måneder hos ABB Sveits i løpet av doktorgradsarbeidet. ABB Sveits har lansert- og utvidet en plattform for simulering og modellering av utladninger i ulike gass. Plattformen åpner for å teste ulike fysiske modeller i en virtuell testlab og er en viktig byggeblokk for det videre samarbeidsprosjektet. Flere konferansebidrag som beskriver konseptet har blitt godt mottatt i vitenskapelig miljøer. For å overføre kunnskapen og resultatene fra den virtuelle testlaben til ABB Norge reiste en ingeniør fra ABBs skandinaviske teknologisenter i Skien for fire ukers opphold til Sveits for opplæring. ABB Norge utvikler komplette løsninger med ren luft- og andre SF6-frie isolasjonsmedier. En artikkel har blitt sendt til CIRED 2015 om dette arbeidet. Det første mellomspenningsbryteranlegget for sekundærdistribusjon isolert med SF6-alternativet "AirPlus" ble avdekket på 2016 Hannover messen i April og lansert i utvalgte markeder i Juli 2016. En ny modul for SafeRing AirPlus ble ferdigstilt i Q1 2017 og ytterligere produkter og porteføljeutvidelser er på gang. I November 2015 startet Liander og ABB et langsiktig felt-erfarings program og fire SafeRing AirPlus ringkabelanlegg ble installert i Lianders nettverk i Flevoland, Nederland. Resultatet av målinger og observasjoner av isolasjonsgasskvaliteten fra det første året (2015 -2016) ble presentert på CIRED 2017. En oppdatert rapport fra de tre første driftsår vil bli lagt fram under CIRED 2019. Flere workshops og møter mellom partene har blitt avholdt i rapporteringsperioden. I februar 2018 presenterte alle partnerne resultatene og fremdriften i prosjektet under et todagers workshop i Skien.

-

The ABB medium voltage (MV) plant in Skien (ABB Power Products division, ABB PP) manufactures compact, state-of-the art 12 kV to 40.5 kV gas insulated switchgear (GIS), where more than 90% of their final products are exported abroad. The insulation gas used in these switchgears is sulphur hexafluoride (SF6), a remarkably good insulator but also a potent greenhouse gas. The global warming potential (GWP) of SF6 is roughly 23,900 and a replacement is therefore being sought by the industry. Air represents one alternative to SF6. ABB PP has successfully introduced an air-insulated 12 kV switchgear unit by careful optimisation of an SF6-based design. However, this development process has also shown that replacing SF6 with air as insulation gas in switchgear compartments for higher voltages, e.g. 24 and 40.5 kV, is not feasible with current technology. In parallel, a rapid progress in the synthesisation of low-GWP, electrically insulating gases has been made. Promising candidates are types of fluoronitriles and perfluorinated ketones. The use of these gases in MV equipment has only very recently been disclosed to the public. In order to pave the way for a new generation of environmentally friendly MV GIS, we propose a combined theoretical and experimental study of the insulation properties and breakdown dynamics of air and other low-GWP gases in switchgear. This project is a collaboration between ABB PP, SINTEF, NTNU and ABB Corporate Research in Switzerland. The anticipated conclusion of this project is that ABB PP will possess the technology and knowledge required for the design, prototype production, testing, and eventually mass production of market competitive SF6-free metal enclosed MV switchgears for the voltage range 12 to 40.5 kV.