Insulation stressed with fast rise time repetitive voltages from high voltage power electronics

Det elektriske energisystemet står overfor store endringer i fremtiden som følge av nye forbruksmønstre og en storskala innføring av fornybare energikilder. Dette fører til at kraftsystemet må tåle nye driftsmønstre med hyppigere oppstarter, utfall og vekslinger. Høyspennings kraftelektronikk-omformere er sentrale komponenter som sørger for effektiv og sømløs styring av kraften mellom leverandører og forbrukere i kraftnettet. FastTrans skal undersøke hvordan raske spenningstransienter fra kraftelektronikk påkjenner elektrisk isolasjon i elkraftkomponenter og anlegg. Prosjektet identifiserer tre sentrale FoU-utfordringer: 1) Målemetoder for å detektere skadelige elektriske utladninger, 2) impulsutbredelse i nettverk fra konvertere via kabler til motorer og transformatorer og 3) undersøke hvordan ulike spenningsformer (fra sinus til raske transienter) starter utladninger i isolasjonen i ulike komponenter. Prosjektet favner ulike høyspennings isolasjonssystemer; fra indre isolasjon i kraftelektronikkmoduler, til isolasjon i høyspenningskabler, roterende maskiner og transformatorer. De raske spenningsvekslingene fra kraftelektronikken påkjenner apparater i kraftnettet radikalt annerledes enn spenningsformer fra tradisjonelle kilder, som typisk varierer sakte med en frekvens på 50 Hz. Gjentakende, skarpe spenningspulser fra kraftelektronikk kan føre til redusert levetid for kraftkomponenter ved å starte elektriske delutladninger (små gnister) som bryter ned den elektriske isolasjonen i apparatene. Til tross for den forventede endringen i driftsmønstre, blir nye høyspenningskomponenter fortsatt fabrikktestet med konvensjonelle, "snille" 50 Hz spenningsformer. Industrien mangler pålitelige teststandarder for påkjenninger med spenningsimpulser fra kraftelektronikk. FastTrans skal bidra til å løse disse problemene ved å samle kunnskap, utvikle utstyr, modeller og teknikker for testing av høyspenningskomponenter påkjent fra kraftelektronikk. Prosjektet er relevant for kraftelektronikk, samt for høyspennings likestrømsanlegg (HVDC), styring av reaktiv effekt i transmisjonssystemer, solkraft og onshore/offshore vindkraft, motorer for industri, transformatorer for oljeplattformer og subsea-stasjoner, samt elektriske fremdriftssystemer for biler, jernbane og skip. Det er nå etablert laboratorieinfrastruktur for å studere utladninger i ulike isolasjonssystemer. Dette omfatter: 1) et oppsett for sinuspåkjenning vha. et resonant testoppsett som kan brukes opp til 50 kVpeak, 2) to oppsett for å påtrykke spenninger med rask stigetid med unipolare eller bipolare spenninger opp til 40 kV, 3) oppsett for å måle feltavhengig ledningsevne i isolasjon, og 4) elektrisk, optisk og akustisk utstyr for å kunne måle delutladninger under ulike spenningsformer. Det er arbeidet med utbredelse av spenningspulser i små nettverk relevant for vindgeneratorer og motordrifter, og transmisjonsegenskaper i kabler har blitt undersøkt. Videre er det er utviklet algoritmer for å modellere transformatorer og motorer slik at spenningsoppbygging ut utbredelse kan simuleres nøyaktig for induktive komponenter. Det er målt elektriske delutladninger i isolasjonen for kraftelektronikk under hhv. sinus og pulsede spenninger, og metoder for defektidentifikasjon basert på utladningssignaturer er utviklet. Romladningsinjeksjon har betydning for tenning av utladninger på kretskort for kraftelektronikk, og dette har blitt undersøkt. Objekter for å undersøke delutladninger i transformatorisolasjon er utviklet, og forsøk for å sammenlikne utladningsoppførsel under ulike spenningsformer er i gang. Her vil en også undersøke hvordan dette varierer med ulike isolervæsker. Et oppsett for å studere elektriske delutladninger i høyspent motorisolasjon er bygget. Et PhD arbeid på aldring av lavspennings motorisolasjon er nesten ferdig. Prosjektet engasjerer flere MSc studenter innenfor de ulike aktivitetene. Det er startet et PhD arbeid på hvordan transienter som treffer motorterminaler forplanter seg inn i statoren og påkjenner isolasjonen.

High voltage power electronic converters are central elements in the physical infrastructure of any flexible energy system because they enable effective switching and seamless control of the power flow between the different suppliers and consumers in the electric power grid. However, the rapid switching of power electronic converters cause voltage surges with fast rise times that can inflict more severe stress on the insulation of electrical apparatus than traditional stress caused by pure sinusoidal voltages. Today, the industry's factory acceptance stress tests for high voltage electrical equipment used in converter-fed networks are still largely based on conventional, slow 50 Hz sinusoidal voltages because there is a lack of reliable international test standards for insulation coordination under power electronic stresses. FastTrans aims to address these issues by developing knowledge, equipment, models and techniques for testing and insulation coordination of high voltage electric power apparatus in networks stressed with fast rise time repetitive voltage pulses from power electronics. The project focuses on three specific R&D challenges that are particularly important for the development of generic test standards: 1) Partial discharge occurrence and detection, 2) pulse propagation in networks into components, and 3) ageing diagnostics. The project accommodates the full diversity of high voltage insulation systems, which range from the µm-sized and sharp-edged internal insulation in an integrated gate bipolar transistor (IGBT), to more uniform geometries in polymer cables, epoxy-insulated machines, and oil/cellulose-insulated transformers. The research documentation emanating from the project is expected to be sufficiently comprehensive to approach international organisations such as IEC and CIGRE for the development of generic and reliable test standards for high voltage equipment under the influence of fast transient stresses from power electronics.