Converter stress on transformer insulation materials
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3059639Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for elkraftteknikk [2414]
Sammendrag
En økende andel teknologier som er koblet til strømnettet anvender kraftelektroniske omformere, både på forbruks- og produksjonssiden. Dette påvirker hvordan isolasjonsmaterialene til det elektriske utstyret i strømnettet belastes. Kraftomformere får stadig høyere vekslingsfrekvenser og kortere stigetider for å minimere effekttapene i energikonverteringer. Disse spenningene er i motsetning til tradisjonell 50 Hz sinusspenning, som det meste av elektrisk utstyr er dimensjonert for.
Denne studien sikter på å sammenligne hvordan disse to spenningsbelastningene fører til partielle utladninger (PD) i to ulike typer isolasjonsvæsker som benyttes i transformatorer. En grundig undersøkelse av karakteristikken til overflateutladninger (kalt streamere) i væske/presspan-isolerte systemer som blir utsatt for et svært divergent elektrisk felt ble utført. Isolasjonsmaterialet som ble brukt i laboratorietestene er basert på den mest vanlige typen transformatorisolasjon, nemlig dielektrisk væske i kombinasjon med væske-impregnert presspan. Med dette isolasjonssystemet, ble PD undersøkt ved å påføre spenning til en spisskantet elektrode.
Mineraloljen Nytro 10XN og den syntetiske esteren Midel 7131 ble brukt og sammenlignet i de eksperimentelle testene. For å teste isolasjonsmaterialene ble spenning i form av et gitt antall bipolare firkantpulser med varierende stigetider påført for hvert spenningsnivå, med spenningsverdier mellom 8 kV og 25 kV. I tillegg ble det utført tester med sinusspenning mellom 18 kV og 35 kV. For å innhente eksperimentelle data ble i hovedsak tre ulike målingsinstrumenter benyttet; fotomultiplikator (PMT), oscilloskop og intensivert CDD kamera. For å kvantifisere og sammenligne målinger som ble utført, ble PD-data fra oscilloskopet prosessert i MATLAB.
Utladningssannsynlighet og maksimal PD-amplitude ble funnet til å være høyere for kortere stigetider, for hvert gitte spenningsnivå i begge isolasjonssystemene. Videre var utladningssannsynligheten for positiv polaritet generelt høyere sammenlignet med negativ polaritet for begge isolasjonssystemene, bortsett fra sinusmålingene utført i Nytro, der utladningssannsynligheten for negativ polaritet var betydelig større. Maksimal PD-amplitude i Nytro var høyere sammenlignet med Midel for alle målinger basert på firkantspenning, men i sinusmålingene var det ingen tydelige forskjeller før 25 kV ble nådd. Fra og med 25 kV var maksimal PD-amplitude konsekvent høyere i Midel enn i Nytro for sinusmålingen. I Nytro ble en viskøs gelé dannet rundt elektrodespissen i løpet av hver måling, der mengden gelé korrelerte med størrelsen og mengden av utladninger. Denne geléen virket som et beskyttende skjold mot utladninger. Dette, sammen med romladningseffekten er antatt å være hovedårsaken til hvorfor sinusmålingene i Nytro skilte seg så mye fra de andre målingene. Resultatene indikerer også at høyere maksimale PD-amplituder i gjennomsnitt oppstår tidligere i forhold til påført firkantspenning i Nytro.
Til slutt ble en mer detaljert analyse av utladninger i Nytro (16 kV) og Midel (23 kV) utført. Resultatene viste at hver første utladning (bortsett fra én i Midel) på en ny lokasjon på elektroden i begge dielektrikum ble initiert i positiv halv-periode av påført spenning. Når en negativ utladning oppsto, var det i 58.8% (Midel) og 65.4% (Nytro) av tilfellene etter en positiv utladning hadde oppstått i foregående halvperiode av spenningen. Det var generelt færre halvperioder mellom hver utladning på en spesifikk lokasjon i Midel sammenlignet med Nytro. Dette bekrefter at Nytro er mer utsatt for romladningseffekt. An increasing amount of technologies connected to the power grid utilize power electronic converters, both on the consuming and generating side. This affects how the insulation materials of the electric equipment in the grid are stressed. The converters are approaching ever higher switching frequencies and shorter rise times to minimize the power losses in energy conversions. These stresses are contrary to the traditional 50 Hz sinusoidal voltages, which most electric equipments are dimensioned for. This study aims to compare how these two kinds of voltage stresses lead to partial discharges (PDs) in two different transformer insulation liquids. A thorough investigation of the characteristics of surface discharges (called streamers) in liquid/pressboard arrangements exposed to a highly divergent electric field was performed. The insulation material used in the laboratory tests is based on the most typical type of transformer insulation, namely dielectric liquid in combination with liquid-impregnated pressboard. With this insulation system, the PDs were investigated by applying voltage to a sharp-edged electrode.
The mineral oil Nytro 10XN and the synthetic ester Midel 7131 were used and compared in the experimental tests. To test the insulation materials, a predefined number of 30 Hz bipolar square voltage pulses with varying rise times was applied for each voltage level, with voltage values ranging from 8 kV to 25 kV. In addition, it was performed tests with 30 Hz sinusoidal voltages ranging from 18 kV to 35 kV. To obtain experimental data, three different measuring devices were utilized; photomultiplier tubes (PMTs), an oscilloscope, and an intensified CCD camera. To quantify and compare the measurements, the PDs were studied by post-processing data from the oscilloscope in MATLAB.
The discharge probability and maximum PD amplitude were higher for lower rise times, for every given voltage level in both dielectrics. Further, the positive polarity discharge probability was generally higher compared to the negative polarity discharges in both dielectrics, except for the sinusoidal measurements performed in Nytro, where the negative polarity discharge probability was significantly higher. The maximum PD amplitude in Nytro was higher than Midel for all the square voltage measurements, but in the sinusoidal measurement, there were no clear differences until 25 kV was reached. From 25 kV the maximum PD amplitude in Midel was consistently higher than in Nytro for the sinusoidal measurement. In Nytro, a viscous gel would form during every measurement, where the amount of gel correlated with the size and the number of discharges. The gel functioned as a protective shield against discharges. This, together with the space charge effect, was assumed to be the main reason why the sinusoidal measurements in Nytro deviated from the other measurements. The results also indicated that higher maximum PD amplitudes in Nytro occur earlier in relation to the applied square voltage.
Finally, a more in-depth analysis of discharges occurring in Nytro (16 kV) and Midel (23 kV) was performed. The results showed that every first discharge (except one in Midel) on a new location on the electrode in both dielectrics was initiated on the positive half-cycle of the voltage. When a negative polarity discharge appeared, it was in 58.8% (Midel) and 65.4% (Nytro) of the cases after a positive polarity discharge had occurred in the preceding half-period of the voltage. There were generally fewer half periods between each following discharge on a specific location in Midel compared to Nytro. This confirms that Nytro is more prone to the space charge effect.