Dynamic Current Rating of Power Transformers

Abstract

På grunn av forventet økning i kraftbehov og bruk av fornybare energikilder i fremtiden, er det et press for å undersøke metoder til å øke effektiviteten til eksisterende nettinfrastruktur. Smart grid konsepter slik som dynamisk termisk vurdering av belastningsevne representer en mulighet for å utnytte den virkelige kapasiteten til transmisjonsnettet. Tradisjonelle statiske belastningsevner er basert på de verste værforholdene til kraftutstyr. Dynamiske vurderinger bruker målt belastning og miljøparametere for å bestemme den faktiske belastningsevnen i sanntid.

I denne oppgaven undersøkes dynamisk strømbelastning av krafttransformatorer. De kritiske parameterne for å bestemme den dynamiske vurderingen er viklingens hot-spot temperatur og papirisolasjonens slitasje. En simuleringsmetodikk er utviklet i Matlab Simulink for å utføre dynamiske termiske beregninger. Metoden simulerer forventet forbigående temperaturer og termisk aldring i transformatoren. En 300 MVA krafttransformator blir undersøkt i diverse casestudier med forskjellige overbelastningsstrømmer og værforhold.

Resultatene viser at den undersøkte transformatoren kan overbelastes kontinuerlig med opptil 110% økt strøm, avhengig av omgivelsestemperaturen. Transformatoren kan betjenes trygt under 140°C. Høyere temperaturer kan føre til dannelse av gassbobler i transformatoroljen. Overbelastning med 50% og mer økt strøm overstiger anbefalingene for strømbelastning av store krafttransformatorer etter dagens industrielle standarder. Ettersom dynamiske vurderingssystemer for transformatorer blir mer utbredt i fremtiden, foreslås det at gjeldende belastningsanbefalinger bør revideres.

Studier av termisk aldring antyder at overbelastning med 50% økt strøm ved 0°C omgivelsestemperatur og mer reduserer levetiden til transformatoren. Derfor må det innføres en tidsbegrensning hvis transformatorkapasiteten skal bevares. Optimalisering av papirisolasjonens levetid er den viktigste ufordringen i implementering av dynamiske transformatorvurderinger. Det er stort potensiale for å øke kapasitetsbruken av transformatorer i regioner med kaldt vær som Norge.

Due to expected increase in power demand and use of renewable energy sources in the future, there is a pressure to investigate methods to increase the efficiency of existing grid infrastructure. Smart grid concepts such as dynamic thermal ratings represent an opportunity to utilize the true capacity of the transmission network. Traditional static ratings are based on the worst weather conditions of the power equipment. Dynamic ratings use measured load and environmental parameters to determine the actual loading capability in real-time.

In this thesis, dynamic current rating of power transformers is investigated. The critical parameters to assess the dynamic rating is the winding hot-spot temperature, and the paper insulation loss-of-life. A simulation methodology is developed in Matlab Simulink to conduct dynamic thermal rating calculations. The methodology simulates expected transient temperatures and thermal ageing in the transformer. A 300 MVA power transformer is examined in various case studies with different overload currents and ambient weather conditions.

Results show that the examined transformer can be overloaded continuously with up to 110% increased current, depending on the ambient temperature. The transformer can be operated safely under 140°C. Higher temperatures can lead to gas bubble formation in the transformer oil. Overloading with 50% and more increased current exceeds recommendations for current loading of large power transformers by present day industrial standards. As dynamic rating systems of transformers become more prevalent in the future, it is proposed that the current loading recommendations should be revised.

Thermal ageing studies suggest overloading with 50% increased current at 0°C ambient temperature and above reduces the life expectancy of the transformer. Therefore, a time limit must be introduced if the transformer capacity is to be preserved. Optimizing the paper insulation life is the main challenge in implementing dynamic transformer ratings. There is great potential for increasing capacity usage of transformers in cold weather regions like Norway.