Dynamic loading of transformer insulation

Transformatorer er nøkkelkomponenter i strømnettet. Et transformatorhavari kan gi stor skade på omgivelser, og det medfører som regel strømbrudd. En årsak til havari er kortslutningsstrømmer som forårsaker store elektromagnetiske krefter som kan deformere delene inni transformatoren, og i verste fall ødelegge den. For å sikre seg mot dette er isolasjonsmaterialene ? cellulosebaserte materialer som skal sørge for at strømmen går der den skal og at temperaturen ikke blir for høy - presset hardt sammen for å motvirke de elektriske kreftene. Dette kalles viklingsforspenning. Dagens strømnett blir utsatt for stadig større variasjoner (dynamiske lastpåkjenninger). Hovedårsakene er: 1) økende bruk av elektriske kjøretøy og skip som lades med høy effekt over kort tid, 2) innføring av vindkraft som varierer med vinden, og 3) et dynamisk marked som gir hyppigere stop og start av vannkraftproduksjon. I en transformator vil de dynamiske lastpåkjenningene føre til hyppige temperatursvingninger. Materialene i transformatoren utvider seg forskjellig når temperaturen stiger. Dette gjør at isolasjonsmaterialene utsettes for et høyt trykk som vil gradvis føre til irreversibel krymping. Over tid vil dette gi redusert viklingsforspenning og svekket evne til å tåle kortslutningsstrømmer med økt risiko for havari. DynaLoad har som mål å studere langtidseffekten av raske dynamiske påkjenninger på de mekaniske egenskapene til isolasjonsmaterialene i transformatorer. Dette skal gjøres ved: 1) Laboratoriemålinger på de forskjellige materialene, 2) Numerisk modellering og 3) Kontinuerlig online måling av vinklingsforspenning i en transformator i drift. Dette er verdens første transformator med optisk trykksensor, og den er installert spesifikt for dette prosjektet.

Power transformers are key components in the electric energy system. For power utilities, transformer failures are costly incidents that require expensive replacement work and may result in fires, explosions and significant collateral damage. Such failures are also costly for society causing potentially harmful outages and reduced security of energy supply. Mechanical deformation of transformer windings due to large electromagnetic forces during short circuit events is already a major cause for destructive transformer failures. This trend is likely to become more severe in upcoming years due to increased intermittent supply from renewable energy sources and heavy load cycling from e.g. high-powered charging facilities, which inevitably lead to new transformer operation schedules characterized by more frequent starts and stops, rapid power ramping, and an increased number of short-time overload periods. In DynaLoad, we address three specific challenges to combat this development: 1) Fundamental material research on improved mechanical endurance of winding insulation, 2) Modelling of the thermo-mechanical impact of rapid dynamic loading on transformer windings, and 3) Sensor-based condition monitoring of transformers in service. DynaLoad will through experiments and modelling contribute essential knowledge regarding the performance of transformer winding insulation materials and the design of transformers operating under new dynamic load patterns in the future flexible power grid. Combined with real-life sensor data, these results will pave the way for increased sensor-based condition monitoring of transformers, to prevent costly failures and allow more precise estimates of transformer life expectancy for cost-efficient reinvestment plans in the existing transformer fleet.