Nye isolasjonsvæsker for transformatorer – Til nytte eller besvær?

De siste tiårene har det kommet flere alternative isolasjonsvæsker for transformatorer på markedet. Selv om noen av disse væskene har fordelaktige egenskaper er transformatoreiere tilbakeholdne med å ta dem i bruk ved høyere spenningsnivå.

Grunnen til skepsisen deres er hovedsakelig at transformatoren er en del av en kritisk infrastruktur og konsekvensene av feil er store. I KSP-prosjektet «NewLifT – New liquids for transformer, thermal performance» er målet å gi ytterligere kunnskap om de termiske egenskapene til disse nye væskene slik at det blir lettere for transformatoreiere å avgjøre når det kan være hensiktsmessig å ta dem i bruk. Prosjektet har også som mål å gjøre det lettere å vurdere fordeler og ulemper ved å bruke de nye isolasjonsvæskene.

Transformatoren som nøkkelkomponent i kraftsystemet

Transformatoren er en essensiell del av det elektriske energisystemet, og spiller en nøkkelrolle ved overføring og produksjon av elektrisk energi. Dersom en ser bort fra de mindre transformatorene, som er plassert i distribusjonsnettet finnes det mer enn 3000 transformatorer i Norge. De største transformatorene kan koste flere titalls millioner kroner – tansformatorhavari er altså en kostbar affære. Et transformatorhavari kan også, i verste fall, medføre katastrofale ulykker som for eksempel store branner. Det er med andre ord gode grunner til å unngå transformatorhavari. Nye teknologier bør derfor være velutprøvde før de tas i bruk.

Én komponent, mange hensyn

Det er mange hensyn som må tas i designet av en transformator. Den må tåle høye spenninger og høye strømmer uten å kortslutte eller bli for varm. For å unngå overoppheting og elektriske feil er de fleste store transformatorer fylt med isolasjonsvæske. Isolasjonsvæsken fungerer både som elektrisk isolasjon og kjølemedium. En velfungerende isolasjonsvæske er nødvendig for å unngå feil og akselerert aldring av transformatoren.

De fleste væskefylte transformatorer er fylt med mineralolje. Dette er et velutprøvd og teknisk sett funksjonelt produkt. Hovedutfordringene med mineralolje er at den er veldig brennbar, ikke biologisk nedbrytbar og er ikke en fornybar ressurs. Det finnes også væsker som har lavere viskositet enn mineralolje, noe som kan tenkes å forbedre kjøling og redusere aldring. På mange områder ville det muligens vært hensiktsmessig å bruke alternative isolasjonsvæsker som for eksempel er mindre brennbare. Dette gjelder eksempelvis transformatorer som brukes offshore i forbindelse med havvind, i tuneller (i forbindelse med vannkraft) og i tettbefolkede områder. Likevel, de funksjonelle kravene til isolasjonsvæsker er mange, og det er lettere sagt enn gjort å bytte isolasjonsvæske, spesielt på høyere spenningsnivå.

Første NewLifT-møte

Prosjektet NewLifT skal hjelpe bransjen med overgang til andre isolasjonsvæsker.  Sammen med partnere fra hele verdikjeden, fra væskeprodusent til sluttbruker, startet vi opp tidlig i 2023, og i juni hadde vi vårt første fysiske prosjektmøte på SINTEF Energy Lab i Trondheim.

Under prosjektmøtet holdt alle partnerne innlegg og presenterte sin bakgrunn for å være med i prosjektet, samt hvilke forventninger og håp de hadde for prosjektet. Foreløpig status og eksperimentelle rigger ble presentert, og vi la kort- og langsiktige planer for prosjektet.

Målet til NewLifT skal nås gjennom delaktiviteter innen ulike tema:

1. Viskositet og kjøleegenskaper: De ulike væskene har forskjellig viskositet, som igjen vil påvirke kjøleegenskapene til væskene. Forskjellene er spesielt store ved lave temperaturer. I prosjektet vil vi undersøke, både numerisk og eksperimentelt, hvordan viskositet påvirker kjøleegenskapene til ulike væsker.
2. Rask dynamisk last og fukttransport: Isolasjonsvæsken er skilt fra kobberlederne i transformatoren med papir. Papiret fungerer både som isolasjon og mekanisk støtte. Høye temperaturer over tid gjør at papiret aldres og blir sprøere. Til syvende og sist vil papiret bli så sprøtt at det går på bekostning av transformatorens mekaniske tilstand og den må skrotes. Aldringshastigheten bestemmes blant annet av vanninnholdet i papiret. Ulike væsker har ulik evne til å ta opp og holde på vann, og vil dermed påvirke vanninnholdet i papiret både i og utenfor likevekt. I prosjektet vil vi undersøke eksperimentelt hvordan vannløselighet og dynamikk påvirker vanninnhold i transformatorpapir.
3. Bobledannelse og overflatespenning: Dersom temperaturen i transformatoren øker raskt, vil dette kunne presse vann ut av papirisolasjonen og danne dampbobler. Disse boblene har lav elektrisk holdfasthet og kan gi opphav til gjennomslag og katastrofale feil i transformatoren. I prosjektet skal vi undersøke eksperimentelt hva betingelsene for bobledannelse er og hvordan dette påvirkes av ulike væskeegenskaper, slik som overflatespenning.
4. Gjennomslag ved lave temperaturer: Ved lave temperaturer kan væskenes natur endre seg, eksempelvis utkrystallisering eller «geléfisering». Det er lite kjent hvordan dette påvirker holdfastheten til ulike væsker. I prosjektet vil vi gjennom eksperimenter undersøke holdfastheten til ulike væsker ved lave temperaturer.

Les mer om prosjektet på NewLifTs nettside