New liquids for transformers - Thermal performance

NewLift har som mål å etablere kunnskap og forbedre beslutningsgrunnlag for transformatorprodusenter og -brukere som ønsker å introdusere nye isolervæsker i sine komponententer. Prosjektet fokuserer på væskenes termiske egenskaper. Transformatoren spiller en essensiell rolle i produksjon og transmisjon av elektisk energi. Tradisjonelt har mange transformatorer vært fylt med mineralolje, noe som gir opphav til utfordringer knyttet til miljø og brannfare. Isolervæsken har som oppgave å kjøle transfomatorviklingene, samt isolere dem elektrisk. NewLifT skal undersøke de termiske egenskapene til ulike og relevante isolervæsker, slik som syntetiske estere, og sammenligne dem med mineralolje. De termiske egenskapene undersøkes fra flere vinkler: * Viskositeten er avgjørende for dens kjøleegenskaper, dette er spesielt ved lave temperature hvor viskositeten er høyest. I prosjektet har det blitt bygget en rigg som er designet basert på en ekte transformatorvikling, denne er blitt laget for å kunne kjøre forskjellige kjølemoduser - med og uten pumper. Der sistnevnte kjlølemodus - såkalt naturlig kjøling der all veskestrøm styres av temperaturforskjeller - er den mest brukte i norske transformatorer. Riggen er funksjonstestet ved romtemperatur og det skal nå kjøres forsøk på vesenlig lavere temperaturer. En matematisk modell av riggen er også blitt utviklet, og skal nå valideres ved hjelp av faktiske målinger. * Bobledannelse er noe som kan forekomme i transformatorer dersom temperaturen blir veldig høy. Dette er en "katastrofal" hendelse, og er med på å sette en øvre grense for temperaturer i transformatoren. Prosjektet har bygget en rigg som kan brukes til å avgjøre ved hvilke temperaturer bobler oppstår. Boblene detekteres både optisk og elektrisk. Hovedmålet er å sammenligne ulike isolervæsker, og undersøke hvor stor innflytelse deres kjemiske og fysikalske egenskaper har på bobledannelsestemperaturen. * Aldringsmodeller for papir utsatt for dynamisk temperatur i ulike væsker vil bli utviklet og verifisert ved hjelp av en laboratoriemodell. Dette vil være en forbedring av eksisterende aldringsmodeller som er utviklet for stasjonære forhold. For å oppnå dette er prosjektet i sluttfasen av å etable et laboratorieoppsett for å få til dette. * En temperaturkontrollert rigg vil bli bygget for å undersøke hvordan temperatur påvirker initiering av overslag mellom to elektroder plassert i ulike væsker. Ved hjelp av denne riggen vil vi generere datasett som viser sammenhengen mellom holdfasthet og temperatur i ulike væsker.

Use of ecofiendly materials is a prerequisite for the green shift in electric power system. Knowledge of their functionality and properties is required for getting them accepted. Liquid-insulated power transformers are key components in power systems. Their insulation system is made of liquids and liquid impregnated cellulose. These materials play the crucial role of insulating high-voltage parts avoiding short circuit. Additionally the solids provide mechanical support, and the transformer insulating liquids (TIL) act as a coolant. Mineral oils (MO) have been the dominating TIL for more than a century. Current design and practices are based on MOs properties and functional behaviour. Now new TILs with environmental, HSE-related, and technical advantages have arrived on the market. The new TILs require improved modelling and adjusted transformer designs to cope with differences of the various liquids. In the future the transformers also have to handle more demanding dynamic thermal stresses from load variations from renewables and transport charging. There is now a lag between current requirements for transformers and available information on performance and standards of the non-mineral TILs, resulting in a barrier for industry to take the new materials into use. NewLifT will establish new knowledge on thermal behaviour of the TILs and the insulation systems. -Based on experimental studies, fluid-dynamic thermal models of cooling of transformer windings under load transients at artic temperatures will be developed. The models will be validated for liquids with various thermodynamic properties. -The of moisture dynamics between oil and cellulose will be studied and the impact of temperature and humidity variations on cellulose ageing models used to derive improved ageing models. -Temperature limits for safe operation at high temperature (water vapour bubbling) and low temperatures (impact on liquids voltage withstand) will be derived based on experimental studies.