Thermal modelling of transformers

Effektransformatorer er en viktig del av det elektriske nettet. Transformatorer i dagens nett har blitt installert over en tidsperiode som går helt tilbake til 1950-tallet, og utskiftingen har vært moderat. Derfor øker gjennomsnittsalderen for transformatorer i nettet kontinuerlig. Faktisk, for mange av de eldre transformatorene, overskrider servicetiden deres designet levetid. Selv om flere av transformatorene er gamle, er det viktig å påpeke at tilstanden til transformatorparken generelt er god. Den lange levetiden kan tilskrives at transformatorene i mange tilfeller har blitt utsatt for en moderat belastning, og at designmarginene var konservative på grunn av unøyaktige designmetoder. I dette prosjektet har målet vært å oppnå nøyaktige temperaturspådommer basert på belastning, belastningshistorie og omgivende forhold til transformatoren. For å oppfylle målene i dette prosjektet er det fokusert på å modellere temperaturstigning og kjøling i en transformator. Varmekildene i transformatoren er de elektriske tapene som følge av strømmen i kobberviklingene, de elektromagnetiske tapene i transformatorjernkjernen og i strukturelle deler som transformatorhuset. I prosjektet har vi utviklet modeller for tap under normale driftsforhold og disse er sammenlignet med måleresultater. Disse modellene er nå utvidet til å inkludere f.eks. midlertidige overbelastningssituasjoner. Utfordringen har vært å oppnå nøyaktige resultater innenfor akseptable beregningstider, dette mener vi at vi nå har fått kontroll på. PHD arbeidet i prosjektet har satt søkelys på tapene i jernkjernen. Her er det utviklet et testoppsett som måler tap som oppstår ved høye belastninger. Stipendiaten vil disputere i 2021 med en tidsskriftsamling. Tre artikler er akseptert i tidsskrifter og 2 artikler er ute for revidering. Det er utviklet et testoppsett som måler oljestrømmen mellom viklinger. Oppsettet bestå av 70 termiske elementer som er satt sammen som en transformatorvikling i en oljefylt tank. Oljen skal fylles med nanopartikler for å kunne måle bevegelsen ved hjelp av Laser Doppler Velocimetry (LDV). Produksjonen av dette oppsettet har tatt mer ressurser an antatt. Det er blitt foretatt grunnleggende tester for å undersøke funksjonaliteten, men grundige tester er ikke blitt utført i prosjektet. Termisk modellering kan utføres med forskjellige metoder med et avtagende detaljnivå. Den mest detaljerte og beregningsmessige utfordrende metoden er Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD er godt egnet for å måle oljestrømmen rundt - og dens kjøling av - kobberviklingene. For å redusere beregningstiden på problemet, er det i prosjektet utviklet en ny metode som reduserer antall elementer som er modellert. I denne metoden vil oljekanalene mellom viklingene bli modellert som et porøst materiale. Dette gir nøyaktigere resultater med grov elementinndeling. En artikkel som beskriver metoden, er publisert i fagtidsskrift. Termisk nettverksmodellering brukes til å beskrive en full transformator. Det er jobbet mye med å få til tilfredsstillende konvergens når man regner på en realistisk vikling. Vi har hatt utfordringer med å få til å lage modell som klarer å regne på hele viklinger i en transformator. En kraftig termisk overbelastning kan føre til at fuktighet, som skyves ut av papirisolasjonen, danner bobler i transformeroljen. I verste fall kan slik bobleformasjon føre til nedbryting av isolasjonen og en følgelig større svikt. Et eksperimentelt apparat for å studere fenomenene er bygd, og de første eksperimentene har startet. Det er observert vannbobler på elektrodene ved høye temperaturer. Det har tatt mer ressurser enn planlagt å lage dette utstyret og vi har kun gjort enkle målinger som bekrefter virkemåten til utstyret. Det er skrevet en konferanseartikkel som beskriver måleutstyret. Artikkelen vil bli presentert på konferansen IEEE Electrical Insulation Conference 2021)

Dette prosjektet har gitt SINTEF og NTNU større kunnskap om termiske forhold i krafttransformatorer. Prosjektet har utviklet ny metode for å modellere oljestrømmer rundt viklinger. Dette vil gi fagmiljøet større fleksibilitet for termisk modellering i fremtiden. Prosjektet har utviklet to testrigger som vil være bærebjelker i fremtidige prosjekt på denne problematikken. En testrigg for målinger av oljestrøm rundt viklinger. Dette prosjektet har gitt miljøet i Trondheim nå mulighet til teste hvordan oljen flyter under kaldstart av transformatorene, slik at man i fremtiden kan unngå risikoen for lokale overoppheting. Den andre testriggen vil tilføre forskningen mulighet til å se nøyere på hvordan fuktighet kan skilles ut av papirisolasjonen ved en kraftig termisk overbelastning. Dette har ikke blir testet før av andre.

Good thermal models for transformers is a requirement for life assessment of insulation, emergency overloading, risk assessment in connection with low frequency loading during solar storms (GIC), and several other aspects of transformer operation and management. There is also a need to improve of knowledge of thermal performance elder transformers. Although thermal models such as IEC loading guides exist, there is a need to improve several aspects relating to e.g. oil viscosity changes with temperature, particularly important for arctic climate, calculation of losses and ensuring applicability to older transformers. The project will focus on models for operation over a wide ambient temperature range, transient behavior and managing heat source distribution during abnormal operation, e.g. core saturation during GIC. The modelling approach will be based on existing thermal-hydraulic network models complemented by computational fluid dynamics studies of subsystems and finite element modelling of stray magnetic fields. Experimental work on scale models and field work on instrumented transformers will support and verify the models developed. Improved knowledge of thermal issues of transformers will increase benefits from previous research into e.g. aging through lifetime extensions, provide immediate improvements to load thresholds during emergency overloading without increased risk and also form a foundation for future understanding, e.g. of the effects of intermittent operation. Improvement of models for operation of power equipment is in line with the issues raised in the European Technology Platform's Smartgrids SRA 2035 asking for advanced monitoring and models for prediction of life time.