Transformer Liquid Dielectric Withstand Performance

Væskefylte krafttransformatorer – en viktig del av sikker og effektiv strømforsyning Norge har ca 3000 store transformatorer, hver fylt med 5–80 tonn elektrisk isolerende væske. Disse er avgjørende for å få strøm fra produsent til forbruker. Væsken i transformatoren må tåle høy spenning for å unngå elektrisk kortslutning som igjen kan føre til eksplosjoner, brann, og skader. Mineralolje den mest brukte isolerende væsken. Den er pålitelig og godt testet, men kommer fra ikke-fornybare kilder. Fordelen med nye væsker, som estere og isoparafiner, er at de er mer bærekraftige og brannsikre, og kan være bedre på kjøling. Mineraloljer viser seg imidlertid å tåle kortvarige lynoverspenninger bedre enn de nye væskene. Den viktigste egenskapen til en isolervæske er å kunne motstå høy spenning, noe som er lite utprøvd hos de nye væskene. LiPe-prosjektet skal utvikle forståelse for hvor mye elektrisk påkjenning væskene tåler, og bedre standardiserte testmetoder for å karakterisere de funksjonelle egenskapene til isolervæsker. Væskenes molekylære egenskaper, som hvor mye energi det kreves for å rive løs et elektron, påvirker hvordan elektrisk kortslutning skjer. Slike egenskaper kan finnes gjennom kvantekjemiske beregninger og brukes til å modellere elektrisk ledningsevne ved høye elektriske felt. Nye målinger viser en klar forskjell mellom ledningsevnen for mineraloljer og de nye væskene ved høye elektriske felt. Høy ledningsevne vil svekke det elektriske feltet. Dette kan forklare forskjeller i oppførsel for ulike væsker. Ved å beregne molekylære egenskaper, måle høyfelts ledningsevne, modellere ledningsevne og utføre overslageksperimenter vil LiPe øke forståelsen av underliggende mekanismer for elektrisk overslag og legge basis for bedre internasjonale teststandarder. Dette vil gjøre det enklere å designe sikrere transformatorer, og brukerne blir trygget i valg av nye, mer bærekraftige, væsker.

Considerable investments and reinvestments are needed in the power grid the coming years, all of which must be environmentally sound and highly reliable. Liquid-insulated transformers are keystones of the electrical power system. Ensuring safe transformer operation is essential for electrification, access, and security of supply of energy. There is now a large influx of new insulating liquids offered to the transformer market that have advantageous properties relating to biodegradability, reduced fire risk, and cooling properties compared to the conventional mineral oils. However, there are challenges in assessing the most crucial property of a dielectric liquid – its function as an electrical insulant, to resist an electrical breakdown and destruction of the transformer. The lack of proper test methods and standards for docu¬men¬ting their electric withstand voltage leaves industry with problems in adjusting their designs and end users with uncertainty in using new liquids. LiPe (pron. leap) will enhance the safety and reliability of power transformers by developing physical models and test methods for evaluating the dielectric performance of insulating liquids. The properties of commercial and neat liquids and additives will be investigated through atomistic modelling, high-field conductivity measurements and modelling. The effect of x-ray irradiation on breakdown inception will test the importance of free electrons to form avalanches. An experimental set-up will be developed as a tool to test a liquids dielectric performance in a short gap in combination with multivariate analysis. Large scale breakdown experiments will be performed to support results from modelling and small scale, on a transformer-relevant scale. The measurements, modelling, and experimental results will facilitate basic understanding and new and better test standards that can mitigate risks and uncertainties to promote the safe use of insulating liquids in new and old power transformers.