Hydraulisk testing av materialer for transformatorer

Abstract

Kraftnettet utsettes i dag for flere og hyppigere lastvariasjoner enn tidligere. Dette kommer blant annet som følge av den pågående elektrifiseringen av transportsektoren og økende andel uregulerbar kraft i energimarkedet. En konsekvens av hyppigere lastvariasjoner er at transformatorene i kraftnettet opplever flere temperaturvariasjoner. Forspenningstrykket over transformatorviklingene økes og senkes i takt med temperaturen, og over tid fører dette til plastisk deformasjon av celluloseisolasjonsmaterialene i viklingene. Deformasjon av isolasjonsmaterialene kan svekke kortslutningssikkerheten til transformatoren

Denne rapporten redegjør for hvilke mekaniske langtidsutfordringer cellulosebaserte isolasjonsmaterialer som brukes i krafttransformatorer har. Videre undersøkes det hvorvidt det er mulig å designe et hydraulisk testoppsett for å undersøke utfordringene. Testoppsettet må kunne utøve mekanisk press på prøveobjekter, samtidig som de utsettes for temperaturer opptil 140° C.

Etter å ha studert faglitteratur og konsultert fagpersoner, fra forskjellige bedrifter og institusjoner, har det blitt designet et hydraulisk testoppsett. Hovedutfordringene ved utviklingen av testoppsettet er knyttet til temperaturbegrensninger på standard hydraulikksylindere, og krav om nøyaktig kontroll av trykk ved liten oljeflyt. Temperaturproblemet løses ved å oppgradere sylindertetningene til FKM høytemperaturtetninger. Produsent av hydrauliske komponenter, Enerpac, har bekreftet at deres sylinder vil tåle temperaturer over 140° C ved en slik oppgradering. I tillegg er det valgt et driftstrykk på sylinderen som er betydelig lavere enn hva den maksimalt tåler. Dette senker risikoen for å ødelegge tetningene. For å kontrollere trykket nøyaktig på sylinderen ved liten oljeflyt, er det valgt å bruke en trykkreduksjonsventil fra Parker, som er designet for formålet.

For å realisere testoppsettet ble det hentet inn tilbud fra flere bedrifter, som leverer hydraulikkomponenter. Det ble brukt priser fra nettbutikker for å estimere kostnader for øvrige deler, som er enklere å anskaffe. Estimert totalpris for delene til testoppsettet er cirka 80 000 kroner.

Det er utviklet et PLS-styreprogram til testoppsettet. Programmet er laget for å utsette prøveobjekter for kraftsykluser, med valg om å presse objektet i en justerbar tid fra 1 minutt til 24 timer. I tillegg kan prøveobjekter presses med konstant kraft, i ubegrenset tid. PLS-en logger data for trykk og deformasjon. Et operatørdashbord er laget for å styre testoppsettet, endre testparametre og følge med på testresultater i sanntid.

Det prosjekterte testoppsettet svarer til krav om kvalitet og kostnad gitt av oppdragsgiver. Dersom det blir realisert kan dette bidra til å undersøke langtidsutfordringene til cellulosebaserte isolasjonsmaterialer.

Today's electrical grid undergoes more rapid load variations than what it traditionally has. The cause of this, among other things, is electrification of the transport sector and a more dynamic electricity market. A consequence of more load variations are rapid temperature variations in power transformers. Over time the variations lead to strain on the cellulose insulation used in the transformers’ clamping system. Severe plastic deformation of the cellulose insulation will reduce transformers' short circuit performance.

This thesis explains what mechanical long term challenges cellulose insulation used in power transformers face. Furthermore, it investigates if it is possible to design a hydraulic test rig to study these challenges. The test rig must use a hydraulic cylinder to exert a mechanical force on a test object, while being exposed to temperatures up to 140° C.

Various professionals in hydraulics have been consulted to develop the test rig. The main challenges of the design relates to temperature limitations of standard hydraulic cylinders, and precision control of the given cylinder with close to zero flow. To solve the temperature problem, it was decided to upgrade the hydraulic cylinder with FKM high temperature seals. Enerpac, a producer of high-pressure hydraulic components, confirmed that using FKM seals in one of their cylinders meant that it could be used in temperatures up to 140° C. Another measure to ensure that the seals stay intact, was using an oversized cylinder and operate it at a considerably lower pressure, than what it is limited to. For obtaining precision control with close to zero flow, the group found a proportional pressure reducing valve made by Parker. The valve, opposed to similar valves from other suppliers, can maintain precise pressure control on its outlet with zero flow.

Several hydraulic component suppliers were contacted to acquire the main parts needed to build the rig. The cost of other parts, that were easier to obtain, was estimated based on prices of various online stores. The total projected cost of the test rig came close to 80 000 NOK.

A PLC-program was developed to control the hydraulic rig. The program contains two modes of operation. The first mode is a load cycling programme, where force is cycled on a test object between a low and high value. The second mode is a constant load programme, where the rig maintains a given force for an unlimited time. The PLC-program also logs the pressure set on the hydraulic cylinder and the deformation of the test object. An operation dashboard has been created to operate the test rig, change test parameters on the PLC, and monitor test results in real time.

The designed test rig fulfils the specification set for quality and costs. If the rig is built it can contribute to testing of transformer cellulose insulation.