Hvordan påvirker nytt strømforbruk transformatorer?

Elektrifiseringen av samfunnet i forbindelse med det grønne skiftet utsetter strømnettet for stadig større variasjoner, også kalt dynamiske lastpåkjenninger. Vi trenger mer kunnskap om hvordan disse endringene påvirker transformatorene i strømnettet vårt.

I forskningsprosjektet DynaLoad skal vi finne ut mer om hvordan isolasjonsmaterialene i transformatorer påvirkes av større påkjenninger over tid. Til prosjektet har nettselskapet Elvia fått laget en egen transformator – en av de aller første i verden som har fiberoptiske trykksensorer på toppen.

Endret strømforbruk

Noen av hovedårsakene til de økte variasjonene i strømnettet er

• Elektriske kjøretøy og skip
• Vindkraft
• Start og stopp i vannkraftproduksjon

Hurtiglading av kjøretøy og skip trekker store mengder strøm over kort tid. Vindkraftproduksjon følger vinden, som med dagens kunnskap ikke kan styres. For å balansere dette må vannkraftproduksjonen heves eller senkes. Denne dynamikken skaper et lastmønster av en helt annen karakter enn tidligere, da belastningen på strømnettet og trafoer var jevn, og kun med små topper ved koking av morgenkaffen og tilberedning av middagen. Det vi i dag vet om levetiden til komponenter i strømnettet er basert på mange års erfaring med slik jevn belastning. Internasjonale standarder for tilstandskontroll er også basert på denne kunnskapen. Men vi vet ikke hvordan de nye dynamiske lastmønstrene påvirker disse komponentenes levetid.

Transformatorens rolle

En av nøkkelkomponentene i strømnettet er transformatorer. Hovedoppgaven til en transformator er å heve eller senke spenningen til ønsket nivå. For eksempel heves spenningen opp til 420 kV for transmisjon over store avstander, og senkes ned til 230 V for bruk i vanlige hus.

En transformator består av viklinger av kobberledere montert rundt en jernkjerne. Viklingene er surret inn i papir som fungerer som elektrisk isolasjon. I tillegg er det plassert avstandsstykker av pressboard – en slags papp med høy tetthet – mellom viklingene som fungerer som ytterligere elektrisk isolasjon og temperaturkontroll. Alt dette er nedsenket i en oljefylt ståltank. Oljen fungerer også som elektrisk isolasjon og temperaturkontroll ved at den strømmer gjennom transformatoren, tar med seg varmeenergi ut til en radiator som kjøler ned oljen før den blir ført inn i transformatoren igjen. Avstandsstykkene sørger for at det er kanaler mellom viklingene hvor oljen kan strømme gjennom og kjøle ned.

Når det går strøm gjennom transformatoren, oppstår det magnetiske krefter. Transformatorer er designet for å tåle slike krefter. Men dersom det oppstår en kortslutning i nærheten, for eksempel ved at et tre faller ned på linjene, vil det gå en veldig høy strøm tilbake til transformatoren. Dette skaper krefter som er opptil 100 ganger større enn normalt, noe som kan deformere delene inni transformatoren. I verste fall kan transformatoren rives fra hverandre.

Et transformatorhavari medfører som regel strømbrudd og kan også gi stor skade på omgivelsene. For å sikre seg mot dette er isolasjonsmaterialene som brukes i transformatorer laget av cellulosebaserte materialer som skal sørge for at strømmen går der den skal og at temperaturen ikke blir for høy. For å sikre seg mot transformatorhavari er viklingene presset hardt sammen for å motvirke de elektriske kreftene. Dette kalles viklingsforspenning.

En transformator for framtida

Når det går strøm gjennom viklingene, øker temperaturen. Temperaturøkningen fører til at materialene i transformatoren utvider seg. Selv om alle materialene vil utvide seg, er det begrenset plass. Siden isolasjonsmaterialene er mekanisk svakere enn metallene, vil isolasjonsmaterialene komprimeres. Dette fører gradvis til irreversibel krymping – en plastisk deformasjon. Over tid gir dette redusert viklingsforspenning og svekket evne til å tåle kortslutningsstrømmer med økt risiko for havari. Dette er kjent, og det skjer. Det som ikke er kjent er hvordan dynamiske lastmønstre påvirker den plastiske deformasjonen. Vil viklingsforspenningen reduseres raskere?

DynaLoad, som er et KSP-prosjekt, studerer hvordan raske dynamiske påkjenninger, som kommer av et større og endret strømforbruk, påvirker de mekaniske egenskapene til isolasjonsmaterialene i transformatorer over tid. Dette gjør vi gjennom:

• Laboratoriemålinger på de forskjellige materialene
• Numerisk modellering
• Kontinuerlig online-måling av viklingsforspenning i en transformator i drift.

I forbindelse med DynaLoad har nettselskapet Elvia installert fiberoptiske trykksensorer som måler viklingsforspenningen i en ny transformator som er satt i drift. Trykksensorene er utviklet av Weidmann, en internasjonalt ledende produsent av transformatorkomponenter. Transformatoren er produsert av Kolektor Etra i Slovenia. Transformatoren er blant de aller første i verden som har slike sensorer installert, og det er den første som har nyeste utgave av sensoren. Trykkmålingene sammen med lastdata og temperaturmålinger i tillegg til numerisk modellering og materialeksperimenter gir ny innsikt i hvordan dynamiske påkjenninger påvirker viklingsforspenningen (trykket).

I tillegg til SINTEF Energi, består prosjektkonsortiet av Statnett, Statkraft, Elvia, EDF (Électricité de France), SPEN (Scottish Power Energy Networks), Weidmann, Kolektor Etra og Siemens Energy. I tillegg er universitetene NTNU og KTH med.

Norges forskningsråd finansierer prosjektet.