Cold startup behavior of natural ester based transformer dielectric liquids

Abstract

The use of a dielectric insulating liquid in an environment where it would solidify, may pose a problem in transformers equipped with conservators as the solidified liquid could block the piping to the conservator, resulting in the internal pressure to increase (or decrease) to unacceptable levels in some cases when there is a change in the load. As most natural ester insulating liquids have a relatively high pour point, compared to mineral- or synthetic-based insulating liquids, they are often considered inappropriate and mineral- or synthetic-based insulating liquids are preferred due to their better low temperature properties. As the demand for the use of natural esters grow, so does the demand for finding a solution to how transformers should be designed in order to ensure a safe operation. In this thesis, several different transformer designs have been tested and compared in order to find the best possible solution to ensure a safe operation using natural esters as insulating liquid in transformers situated in cold climates. The final result is a working design which enables the natural ester filled transformers to be energized, even below the pour point of the ester without causing the hotspot temperature to exceed recommendations. The tests simulate several different natural conditions with temperatures down to -25 °C. The tests were performed at ABB Transformers factory situated in Vaasa, Finland from early 2012 to late 2013.

Användandet av dielektriska isolerande vätskor i omgivningar där de stelnar, kan utgöra ett problem i transformatorer utrustade med expansionskärl, eftersom den stelnade vätskan kan blockera rörgatan till expansionskärlet, vilket kan resultera i att det interna trycker stiger (eller sjunker) till oacceptabla nivåer i vissa fall när belastningen ändrar. Eftersom de flesta naturliga esterisolerande vätskor har en relativt hög flytpunkt, jämfört med mineral- eller syntetiskt-baserade isolerande vätskor, anses de ofta vara olämpliga och mineral- eller syntetiskt-baserade isolerande vätskor föredras tack vare deras bättre köldegenskaper. Eftersom efterfrågan för användningen av naturliga estrar ökar, likaså ökar efterfrågan för att hitta en lösning till hur transformatorer borde vara designade för att försäkra en säker drift. I detta examensarbete har flera olika transformatordesigner blivit testade och jämförda för att hitta den bästa möjliga lösningen, för att säkerställa en säker drift av transformatorer, fyllda med naturliga estrar som isolerande vätskor, belägna i kalla klimat. Slutresultatet är en fungerande design som möjliggör transformatorer fyllda med naturliga esters att spänningssättas, även i temperaturer under esterns flytpunkt utan att hotspot-temperaturer överstiger rekommendationerna. Testerna simulerar flera olika naturliga väderförhållanden med temperaturer ner till -25 °C och gjordes vid ABB Transformers fabrik i Vasa, Finland, från tidigt 2012 till slutet av 2013.

Dielektristen eristysnesteiden käyttö sellaisessa ympäristössä, missä ne voivat jähmettyä, voi olla ongelma paisuntasäilöillä varustetuissa muuntajissa, koska jähmettynyt neste voi tukkia paisuntasäiliön putkia. Tämä taas voi johtaa siihen, että muuntajan sisäinen paine nousee (tai laskee) liikaa joissakin tapauksissa, joissa on kuormituksen muutoksia. Koska useimmilla luonnollisilla esteripohjaisilla eristysnesteillä on suhteellisen korkea jähmettymispiste, verrattuna mineraali- tai synteettispohjaisiin eristysnesteisiin, niitä pidetään usein epätarkoituksenmukaisina. Mineraali- tai synteettispohjaiset eristysnesteet ovat täten suositumpia johtuen niiden paremmista kylmäominaisuuksista. Koska luonnollisten estereiden kysyntä kasvaa, kasvaa myös tarve löytää ratkaisut, kuinka muuntajien pitää olla suunniteltuja turvallista käyttöä varten. Tässä opinnäytetyössä on useita muuntajatyyppejä testattu ja verrattu, jotta löydettäisiin paras mahdollinen ratkaisu turvallisen toiminnan varmistamiseksi kylmissä olosuhteissa oleville luonnollisia estereitä käyttäville muuntajille. Lopputuloksena on saatu toimiva ratkaisu, joka mahdollistaa tehojen kytkennän luonnollisilla estereillä täytettyyn muuntajaan, vaikka ympäristön lämpötila on alle estereiden jähmettymispisteen, ilman että muuntajan hotspot-lämpötilat ylittävät suositukset. Testit simuloivat erilaisia luonnollisia sääolosuhteita kylmimmillään -25 °C lämpötiloissa ja ne tehtiin ABB Oy, Transformers-yksikössä Vaasassa, Suomessa vuosina 2012 ja 2013.