Hydrogenerator Stator Winding Insulation Assessment

Vannkraftgeneratorer produserer nesten all elektrisitet i Norge. Generatoren omdanner sammen med turbinen energien i vannet til elektrisk energi. En kritisk del i disse generatorene er den elektriske isolasjonen rundt kobberviklingene i generatoren, hvor den elektriske strømmen blir generert. Dersom isolasjonen svikter, blir det en intern kortslutning i generatoren, og det må stoppes for reparasjon som kan gi lang driftsstans og være kostbart. Når generatorene blir eldre, gjennomgår isolasjonen en aldringsprosess. Dette innebærer nedbrytning og endring i noen av de egenskaper som er viktige for isolasjonsevnen til materialet. En stor andel av generatorene er over 40 år og nye kjøremønstre gjør det fornuftig å ha gode metoder til å anslå tilstanden og forutsi fremtidig levetid til isolasjon og hvordan denne påvirkes av kjøremønstret. Dette gjør det mulig å gjennomføre en planlagt reparasjon eller utskifting av viklingen til rett tid. Prosjektet startet i august 2016. Gjennom prosjektpartnerne har vi fått viklinger som har vært i drift i mange år fra ulike generatorer. I 2018-19 har en arbeidet med å karakterisere noen av disse ved ulike diagnostiske metoder. En har sammenlignet viklinger som har vært i drift med reserveviklinger. I 2018-20 er har en også studert hvordan kjent, påførte feil kan karakteriseres. Viktig i dette arbeidet er sammenhengen mellom størrelsen på defekter i den elektriske isolasjonen, og variasjon i temperatur og frekvensen til spenningen som brukes under tilstandskontrollmålinger. Av stor verdi for prosjektet er at Norsk Hydro har gitt tilgang til en generator i Suldal kraftverk som er skiftet ut. SINTEF har utarbeidet og gjennomført et stort måleprogram høsten 2017 mens maskinen var i drift. Etter utskiftingen er de gamle viklingene (160 staver) fraktet til SINTEF sitt laboratorium i Trondheim. I 2020 har en undersøkt tilstanden ved ulike diagnostiske metoder og sammenlignet de be gamle og nye viklinger som ikke har vært i drift. Viklingene har også vært testet på ulike temperaturer og ved termisk-sykling. Isolasjon på de gamle viklingene var i god stand. I 2021 ble det bli gjennomført destruktive tester for å finne ut faktisk holdfasthet når alle tilstandsmålingene er avsluttet. Resultatene vist at viklingen hadde god holdfasthet etter over 50 års drift og at svært krevende termisk sykling ikke reduserte holdfastheten i noen særlig grad. Når temperaturen stiller eller faller hurtig, ble det observert økt partiell utladningsaktivitet i isolasjonen. Vi mener dette skyldes ulik termisk utvidelse mellom kobber og isolasjon. Diagnostisering ved lave frekvenser er funnet å gi god indikasjon på tilstanden til isolasjonen når temperaturen i isolasjonen er tilstrekkelig lav. Prosjekt er blitt koordinert og samkjørt med FME senteret HydroCen (se https://www.ntnu.no/hydrocen) som ble startet i 2017.

- Faktisk tilstand til isolasjonstypen benyttet i de største generatorene fra midten av 1960-tallet (VPI) er god, selv etter 50 års drift. Dette resultatet kombinert med akselerert aldring av prøveobjekter i laboratoriet viser at viklingen vil tåle mer intermitterende drift enn i dag, men tålegrensen/omfanget er ikke mulig å tallfeste. Det er sannsynlig at en tilstandsdegradering vil finne sted i spolehodet og dette bør overvåkes. Virkningen av disse funnene er at norsk vannkraftgeneratorer kan driftes mer dynamisk enn fryktet og vil kunne bidra til innfasing av mer ikke-regulerbar fornybar energi. - En mer praktisk tilstandskontrollmetode og måling av elektriske delutladninger (PD) ved lavere påtrykt frekvens og temperatur enn i drift har vært testet ut. Sammen med modellering i et PhD-arbeid viser resultatene at PD-måling gir kan gjennomføres ved lavere frekvens og temperatur enn ved normal drift. Metoden og kunnskapen bak vil redusere kostnaden og forenkle disse tilstandskontrollmålinger av både vannkraftgeneratorer og andre elektriske maskiner, og virkningen vil være enda høyere driftssikkerhet og lavere vedlikeholdskostnad for kraftselskaper. - Det er utviklet laboratorieoppsett for videre tester og kunnskapsutvikling om tilstanden til elektrisk isolasjon i roterende maskiner. Dette gjelder både for vannkraftgeneratorer og andre maskiner (motor/generator) i industri og maritim bruk, og vil kunne bidra til utvikling av bedre og billigere elektriske maskiner som er en viktig del av elektrifisering og mindre CO2-utslipp. - Prosjektet har gitt bedre, grunnleggende forskningsbasert forståelse av tilstand og tilstandsovervåkning til isolasjon i elektriske maskiner. Denne kunnskapen kan overføres til nye domener hvor tilstandsprediksjon og pålitelighet er kritisk, blant annet lavutslipps-luftfart hvor utvikling av nye elektriske maskiner er en vesentlig oppgave.

Stator winding insulation is the part of the hydrogenerator experiencing the highest number and the most damaging failures followed by long down times, costly repairs and large economic losses due to interrupted power production. In addition, changing operation patterns from base load to intermittent operation for the Norwegian ageing hydrogenerator population, have created a need for knowledge of the actual condition of the insulation. This calls for research on new condition monitoring methods. This project will accommodate and evaluate promising variable frequency methods currently adopted by other high voltage apparatuses such as transformers and cables. These methods are likely to provide more valuable diagnostic information of the stator winding insulation condition compared to other methods in use today. Hydrogenerator stator bars from storage or service as well as model bars will be included in the project. The measurements will be related to actual failure mechanisms and classified in terms of condition states. The condition state of stator winding insulation is essential in making correct maintenance and renewal decisions. In this work, financial support from the Norwegian Research Council is essential to establish fruitful co-operation between Norwegian and foreign hydroelectric power companies, NTNU, SINTEF Energy Research, Vattenfall, Institut de Recherche d'Hydro-Québec (IREQ), EDF, KTH and the University of Uppsala.