Het netwerk versterken: Wetenschappers ontwikkelen aardbestendige transformator bushings

Power Electronics INSIDER

Jon Bender van W. E. Gundy and Associates (WEGAI) wordt hier afgebeeld staand naast een voorbeeld van een power transformator die van toepassing is op dit bushing onderzoek. (Afbeelding: INL)

Het elektriciteitsnet dat we vanzelfsprekend nemen omvat grote, dure apparatuur, meest notable power transformatoren. Als er een uitvalt, kan het meer dan een jaar duren om te vervangen en tegen massive kosten. In dichtbevolkte, seismisch actieve gebieden zoals Californië of de Pacific Northwest, is tijd geen luxe.

Tijdens een aardbeving is de plek waar een grote, hoogspannings power transformator meest kwetsbaar is zijn bushings — holle elektrische isolatoren die veilig stroom leiden tussen de interne wikkeling van een transformator en externe hoogspanningslijnen. Ze worden meest vaak gemaakt van porselein vanwege zijn vermogen om het geleidende materiaal, meestal koper of aluminium, te isoleren en hoogspanningsstroom te voorkomen van lekkage of vonkontsteking en explosies te veroorzaken.

Bushings zijn gebolt op een transformator's torens, die omhoog uitsteken vanaf de hoofdtank. Deze verbindingen zijn waar een team onderzoekers van het Idaho National Laboratory (INL) zich op heeft gericht. Het team's doel is om een mechanisch simpele, instelbare isolator te ontwikkelen, bekend als een decoupler, die aan de basis van een bushing gemonteerd kan worden en afgesteld om resonantie frequenties in de bushing en de toren te voorkomen van matchen (wat resulteert in versterkte mechanische stress op de porseleinen bushing).

"Resonante frequenties zijn de sleutel," aldus Bjorn Vaagensmith, de principal investigator op het project en 2025 Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers ontvanger.

Alle objecten hebben een resonante frequentie, wat optreedt wanneer input trillingen maximaal geamplificeerd worden in een object. Wanneer een geluidsgolf een wijnglas of een spiegel verbreekt, is dat resonante frequentie aan het werk. In de geschiedenis van de civiele engineering is misschien het bekendste voorbeeld de instorting van de Tacoma Narrows Bridge in 1940. Windsnelheid en richting gecombineerd met de brugs ontwerp en materialen, creëerde een resonante frequentie, wat ertoe leidde dat het dek wild oscilleerde. Dit leverde de net gebouwde brug de bijnaam "Galloping Gertie" op — voordat het in stukken brak en in Puget Sound viel na vier maanden.

Tijdens een aardbeving veroorzaken seismische golven de op-en-neer of heen-en-weer oscillatorische grondbeweging die overgebracht wordt in grote power transformatoren. Vanwege hun flexibiliteit en dichtheid, kunnen grote power transformator tanks van staal gevuld met isolerende olie dynamisch resoneren met de op hen gemonteerde apparatuur. Wanneer een tank en zijn gemonteerde bushings op dezelfde golflengte zitten, is er gevaar dat de geamplificeerde schokken van de aardbeving de bushings tot catastrofale falen stressen.

Vaagensmith en zijn collega's — Chandu Bolisetti van INL en Jon Bender van WEGAI, een Boise-gebaseerd ingenieursbureau — zoeken dit probleem aan te pakken door een decouplingsapparaat te ontwikkelen dat de resonante frequentie van de bushing verschuift van die van de transformator. De decoupler die ze ontwerpen kan gemakkelijk aan de basis van de bushing geïnstalleerd worden en geretrofit aan oudere transformatormodellen voor een lage kosten. Het team streft een octrooi aan op het ontwerp.

Hun project werd initieel gefinancierd via INL's Laboratory Directed Research and Development programma. Het wordt nu samenwerkend ondersteund door het U.S. Department of Energy's Office of Electricity's Transformer Resilience and Advanced Components (TRAC) programma en het department's Office of Cybersecurity, Energy Security and Emergency Response (CESER). Het TRAC programma bestaat om grid modernisering te versnellen door uitdagingen in grid hardware technologieën aan te pakken, inclusief grote power transformatoren. Het CESER kantoor heeft als doel de VS energie-infrastructuur te beveiligen en te versterken tegen dreigingen en gevaren.

Aan het einde van hun project hopen Vaagensmith en zijn collega's hun resonante frequentie decoupler op grote schaal te testen. Ze hebben een 500.000 pond transformator weten te beveiligen, die ze hopen in 2026 naar de aardbeving simulator aan de University of California San Diego te brengen. De universiteit's shake table is de grootste van zijn soort in de VS en wordt alleen in grootte geëvenaard door een andere in Japan. Dit zal de eerste test van deze grootte zijn en kan de veiligheidseisen voor transformatoren in seismische zones aanzienlijk beïnvloeden.

In samenwerking met de University at Buffalo, heeft het team genoeg kansen om dingen mis te laten gaan. Dat is het doel van experimenteren. "We kunnen falen hoe we willen falen," aldus Vaagensmith. "We kunnen onze oplossing testen tot de limieten. We willen zeker weten hoe we de decoupler ontwerpen voordat we naar San Diego gaan."

"Mensen zijn opgewonden over dit," aldus Vaagensmith. "We hebben een kans om een langdurige discussie over passende seismische transformator beschermingsmaatregelen op te lossen en een oplossing voor bushingfabrikanten te bedenken die hen niet vereist om te retoolen. Nutbedrijven zullen blij zijn, en het netwerk zal meer veerkrachtig zijn."

Bron