Til hovedinnhold
Gjennomslagsmekanismer i oljeisolasjon
Relaterte tema

Publisert 2. februar 2009

Elektrisk gjennomslag i transformatorolje er vanskelig å forstå ettersom en slik olje inneholder så mange komponenter. I et strategisk instituttprogram (SIP) har forskere ved SINTEF Energiforskning gått løs på en problemstilling de har tro på skal gi bedre innsikt i gjennomslagsmekanismene i oljeisolasjon og derved bedre og sikrere dimesjoneringsgrunnlag for aktuelle konstruksjoner.

Tekst: seniorforsker Lars Lundgaard, SINTEF Energiforskning 

I 2005 fikk SINTEF Energiforskning, etter åpen konkurranse med alle FoU-institutter i Norge, tildelt et SIP-prosjekt på 14,4 MNOK over 5 år. Temaet var rimelig fundamentalt: Elektroniske prosesser i væsker og frosne væsker. Dette var et av de siste rene forskerstyrte prosjekt med 100 prosent støtte fra Norges forskningsråd.

Bakgrunnen var studier av gjennomslag i transformatorolje. En slik olje inneholder så mange ulike komponenter at det er vanskelig å avdekke hva som egentlig er av betydning for gjennomslagsmekanismene, og å identifisere hvilke spesifikke molekyler som har betydning for dette.

Fremtidsverdi
Vi har gledet oss over å kunne gå løs på noe vi hadde tro på skulle ha fremtidig verdi ved å bidra til den fundamentale forståelsen av elektrokjemiske forhold i elektrisk gjennomslag, slik at internasjonale testmetoder og designunderlag blir basert på grunnleggende modeller og ikke som i dag, hovedsakelig basert på empiriske undersøkelser. Innføringen av nye vegetabilske isolervæsker, med egenskaper som avviker fra mineralolje aktualiserer disse studiene.

Vi har tro på at om vi skal kunne etablere en modell for overslag, må den baseres på elektrokjemiske egenskaper for væskemolekylene, og hvordan elektrostatisk energi i isolasjonen via elektroner generer ledende kanaler og overslag.

Med det samme vi var i gang ønsket vi også å vurdere teoriene for gjennomslag i faste materialer. Tanken var at et elektron ikke vil se forskjell på et molekyl i en væske og i fast stoff og at de energetiske prosessene derfor kan være like.

Kompetanse fra NTNU
SINTEF Energiforskning hadde lav kompetanse på elektrokjemi. Derfor allierte vi oss med professor Per-Olof Åstrand ved Faggruppen for fysikalsk kjemi ved NT-fakultetet på NTNU. Vi har hele tiden vært klar over at prosjektet hadde en betydelig risiko, og at vi kunne risikere å grave oss ned i ”akademiske” problemer der håpet om fremtidig industrimedvirking var usikker. Derfor har vi hele tiden holdt kontakt med industrien, som rådgivere.

Hele tre doktorgradsarbeider
I prosjektet ble det startet tre doktorgrader. Øystein Hestad studerer om frosne væsker kan brukes som modellsystem for termoplaster, Hans Sverre Smalø arbeider med matematisk modellering av molekylers elektroniske egenskaper og Stian Ingebrigtsen på studier av tilsatsmidler i en enkel modellvæske for overslagsinitiering, som nå er vår første leveranse gjennom hans doktorgradsarbeid.

Eksperimentelle undersøkelser
I tillegg har vi på SINTEF Energiforskning gjennomført flere eksperimentelle undersøkelser vedrørende innvirkingen av trykk på overslagsprosesser, arbeidet med raske transienter relevante for veksleretterpåkjenning, og også arbeidet med overslag i lange gap.

Positiv streamer ved 150 kV støt i ca. 6 cm gap. Det er 3 mikrosekunder mellom start av hver frame, og eksponeringstid av hver frame er 2 mikrosekunder. Strekopptaket har en varighet på ca. 20 mikrosekunder.

Internasjonale bidrag
Vi har videreutviklet samarbeidet med G2Elab i Grenoble, som er det internasjonalt ledende forskningsmiljøet på isolervæsker. Det er også startet et nytt samarbeid med professor Steven Boggs ved University of Connecticut, USA, som er ledende på overslagprosesser i faste isolermaterialer.

Nå nærmer en seg slutten på prosjektperioden og vi sitter snart igjen med tre doktorer, samtidig er det utviklet eksperimentelle utrustninger som vi vil ha langsiktig nytte av:

  • Utstyr for å teste væsker under trykk opp til 100 bar
  • En spenningskilde som kan simulere repetitive eller enkeltstående vekselretterpåkjenninger/polaritetsreverseringer opp til ±50 kV
  • Et oppsett for å studere overslag med superhurtig avbildning av bilder (med 8 bilder i løpet av under 0,5 µsek) i lange isolergap.
  • Utstyr for å teste væsker i området  minus 80 til 200 °C.

Industrien på banen
Det ser nå ut som industrien fatter interesse for kompetansen som er utviklet både i forbindelse med fremkomsten av nye vegetabilske isolervæsker og i forbindelse med kraftelektronikkpåkjenning for subsea-anlegg. Det er også interesse for igjen å se på verktøy for dimensjonering og vurdere om vi kan utvikle mer fysikalsk baserte modeller.

Et samarbeid med MIT (Massahusetts Institute of Technology i USA) er også under oppseiling. Arbeidet har dermed resultert i interesse fra et tungt og anerkjent forskermiljø som vil tilføre oss betydelig kompetanse på numerisk modellering.

Det ser derfor ut som om historien får en lykkelig slutt og en fortsettelse.

Kraftig løft
Prosjektgruppen er svært glade for å ha fått denne sjansen. Et så stort prosjekt over så lang tid har gitt et kraftig løft. Vi føler oss nå i stand til å angripe slike tema både med en bedre fundamental kompetanse og med bedre laboratorieressurser.

En kan spørre seg om liknede prosjekter vil bli startet nå som disse Forskningsråds-midlene er overført til instituttenes grunnbevilgning. Er forskningsinstituttene villige til å ta den samme risiko som Norges forskningsråd var?

Her står fagmiljøet oppstilt foran det eksperimentelle oppsettet for å studere overslag i væsker. Overslagene skje i glasscellen som sees til venstre. Vårt spesielle kamera er gjemt på høyre side bak professor Åstrand. Fra venstre: professor Hans Kristian Høidalen (NTNU), sivilingeniør Øystein Hestad (Energiforskning), stipendiat Minh Tuan Do (NTNU), seniorforsker Lars Lundgaard (Energiforskning), forsker Gunnar Berg (Energiforskning), Ph D Stian Ingebrigtsen (Energiforskning), forsker Dag Linhjell (Energiforskning) og professor Per-Olof Åstrand (NTNU). Foto: Harald Danielsen

 

Kontakt:
Lars Lundgaard

Fakta:

Prosjekttittel:
Electronic Processes for breakdown and ageing in high voltage electric insulating liquids above and below freezing point

Prosjekttype:
SIP (Strategisk Institutt Program)

Prosjektperiode:
2005-2009

Økonomi:
14,4 millioner kroner
Helfinansiert av Norges forskningsråd


Se også artikkel om:
Doktorgrad til Stian Ingebrigtsen
"The Influence of Chemical Composition on Streamer Initiation and Propagation in Dielectric Liquids"