Versterking van het elektriciteitsnet:wetenschappers ontwikkelen aardbevingsbestendige transformatorbussen

Vermogenselektronica INSIDER

Jon Bender van W.E. Gundy and Associates (WEGAI) staat hier afgebeeld naast een voorbeeld van een stroomtransformator die van toepassing is op dit bushing-onderzoek. (Afbeelding:INL)

Het elektriciteitsnet dat wij als vanzelfsprekend beschouwen, omvat grote, dure apparatuur, met name stroomtransformatoren. Als er één kapot gaat, kan het meer dan een jaar duren om deze te vervangen, en dat gaat gepaard met enorme kosten. In dichtbevolkte, seismisch actieve gebieden zoals Californië of de Pacific Northwest is tijd geen luxe.

Tijdens een aardbeving is de plaats waar een grote hoogspanningstransformator het meest kwetsbaar is, de bussen:holle elektrische isolatoren die de stroom veilig geleiden tussen de interne wikkelingen van een transformator en externe stroomleidingen. Ze zijn meestal gemaakt van porselein vanwege het vermogen om het geleidende materiaal, meestal koper of aluminium, te isoleren en te voorkomen dat hoogspanningsstroom lekt of vonkt en explosies veroorzaakt.

Bussen worden vastgeschroefd op de torentjes van een transformator, die zich uitstrekken vanaf de hoofdtank. Op deze verbindingen heeft een team van onderzoekers van het Idaho National Laboratory (INL) zich geconcentreerd. Het doel van het team is om een mechanisch eenvoudige, verstelbare isolator te ontwikkelen, bekend als een ontkoppelaar, die aan de basis van een bus kan worden gemonteerd en kan worden afgestemd om te voorkomen dat resonantiefrequenties in de bus en de toren met elkaar overeenkomen (wat resulteert in versterkte mechanische spanning op de porseleinen bus).

“Resonante frequenties vormen de spil”, zegt Bjorn Vaagensmith, hoofdonderzoeker van het project en winnaar van de Presidential Early Career Award 2025 voor wetenschappers en ingenieurs.

Alle objecten hebben een resonantiefrequentie, die optreedt wanneer ingangstrillingen in een object maximaal worden versterkt. Wanneer een geluidsgolf een wijnglas of een spiegel verbrijzelt, is dat de resonantiefrequentie die aan het werk is. In de geschiedenis van de civiele techniek is misschien wel het bekendste voorbeeld de ineenstorting van de Tacoma Narrows Bridge in 1940. Windsnelheid en -richting in combinatie met het ontwerp en de materialen van de brug, die een resonantiefrequentie creëerden, zorgden ervoor dat het dek wild oscilleerde. Dit leverde de nieuw gebouwde brug de bijnaam “Galloping Gertie” op, voordat deze in stukken brak en na vier maanden in Puget Sound viel.

Bij een aardbeving veroorzaken seismische golven de op en neer of heen en weer oscillerende grondbeweging die wordt overgebracht naar grote stroomtransformatoren. Vanwege hun flexibiliteit en dichtheid kunnen grote stroomtransformatortanks gemaakt van staal en gevuld met isolerende olie dynamisch resoneren met de apparatuur die erop is gemonteerd. Wanneer een tank en de gemonteerde bussen zich op dezelfde golflengte bevinden, bestaat het gevaar dat het versterkte schudden als gevolg van de aardbeving de bussen tot catastrofaal falen zal belasten.

Vaagensmith en zijn collega's – Chandu Bolisetti van INL en Jon Bender van WEGAI, een in Boise gevestigd ingenieursbureau – proberen dit probleem aan te pakken door een ontkoppelingsapparaat te ontwikkelen dat de resonantiefrequentie van de bus verschuift van die van de transformator. De ontkoppelaar die ze ontwerpen, kan eenvoudig aan de basis van de bus worden geïnstalleerd en tegen lage kosten achteraf worden gemonteerd op oudere transformatormodellen. Het team streeft naar een patent op het ontwerp.

Hun project werd aanvankelijk gefinancierd via het Laboratory Directed Research and Development-programma van INL. Het wordt nu gezamenlijk ondersteund door het Transformer Resilience and Advanced Components (TRAC)-programma van het Amerikaanse ministerie van Energie en het Office of Cybersecurity, Energy Security and Emergency Response (CESER) van het ministerie van Energie. Het TRAC-programma bestaat om de modernisering van het elektriciteitsnet te versnellen door uitdagingen op het gebied van netwerkhardwaretechnologieën, waaronder grote stroomtransformatoren, aan te pakken. Het CESER-kantoor heeft tot doel de Amerikaanse energie-infrastructuur te beveiligen en te versterken tegen bedreigingen en gevaren.

Aan het einde van hun project hopen Vaagensmith en zijn collega's hun resonantiefrequentie-ontkoppelaar op grote schaal te testen. Ze zijn erin geslaagd een transformator van 500.000 pond veilig te stellen, die ze hopen mee te nemen naar de aardbevingssimulator van de Universiteit van Californië in San Diego in 2026. De schudtafel van de universiteit is de grootste in zijn soort in de VS en kan alleen qua omvang wedijveren met een andere in Japan. Dit zal de eerste test van deze omvang zijn en kan een aanzienlijke impact hebben op de veiligheidseisen voor transformatoren in seismische zones.

In samenwerking met de Universiteit van Buffalo heeft het team volop mogelijkheden om dingen fout te doen. Dat is het doel van experimenteren. “We kunnen falen, hoe we ook willen falen”, zei Vaagensmith. "We kunnen onze oplossing uitproberen en tot het uiterste testen. We willen er zeker van zijn dat we weten hoe we de ontkoppelaar moeten ontwerpen voordat we naar San Diego gaan."

“Mensen zijn hier enthousiast over”, zegt Vaagensmith. "We hebben de kans om een al lang bestaand debat over geschikte maatregelen ter bescherming van seismische transformatoren op te lossen en een oplossing te bedenken voor fabrikanten van bussen, waarbij ze niet hoeven te veranderen. Nutsbedrijven zullen blij zijn en het elektriciteitsnet zal veerkrachtiger zijn."

Bron