De flesta tänker inte en sekund på USA:s elnät – vi trycker på en strömbrytare och lamporna tänds. Bakom kulisserna finns tusentals kraftverk och elbolag som är sammankopplade med miljontals mil av överföringsledningar. För att rå el ska bli användbar omvandlar transformatorer högspänning till lägre spänning som miljontals hushåll kan ansluta sig till.
Transformatorerna blir allt äldre och närmar sig en genomsnittlig ålder på 30 till 40 år. Dessutom utsätts de för större påfrestningar än någonsin tidigare på grund av faktorer som förnybar energi och extrema väderhändelser som orkaner, värmeböljor och vinterstormar. Som exempel kan nämnas händelsen i Texas 2021 som gjorde miljontals människor strömlösa.
Det var då forskare vid University of Texas i Austin (UT Austin) bestämde sig för att titta in i transformatorerna för att se om de kunde göra dem bättre. Transformatorerna är fyllda med kopparlindningar, andra metallkomponenter och cellulosabaserad elektrisk isolering som kraftpapper. Cellulosaisoleringen är en utmärkt elektrisk isolator som är viktig för att ”trappa ner” spänningen, men den fångar också upp värme, vilket kan leda till överhettning.
”Vi har undersökt en ny klass av nanomaterial där vi tar konventionellt cellulosabaserat papper och dopar det med nanometer- och mikrometerstora partiklar med hög värmeledningsförmåga”, säger Vaibhav Bahadur, biträdande professor vid Cockrell School of Engineering vid UT Austin.
Bahadur är motsvarande författare till en studie som modellerade effekterna av papper med hög värmeledningsförmåga på prestanda och livslängd hos nättransformatorer som publicerades i Heliyon. Detta är den första studien som förutspår i vilken utsträckning en inställning av papperets värmeledningsförmåga kan förbättra transformatorns livslängd.
Simuleringar på superdatorn Stampede2 vid Texas Advanced Computing Center (TACC) hjälpte Bahadur och hans medarbetare att ta fram lösningar på överhettade transformatorer – en kritisk komponent i elnätet.
Medarbetare vid University of Maryland och USDA Forest Products Laboratory tillverkade papper med hög värmeledningsförmåga med hjälp av nanopartiklar av bornitrid. Bahadurs laboratorium byggde en 3D-modell av transformatorn för att efterlikna en verklig transformator som tagits isär och studerats av studiens medförfattare Robert Hebner, även han vid Cockrell School of Engineering.
”Den experimentella delen av studien var avgörande för att testa om vi skulle investera i att förbättra transformatorinstallationen”, säger Hebner. ”Vi hade en transformator som donerats till The Center for Electromechanics, som drevs av UT Austins mikrogrid på en megawatt. Vi kunde ansluta den och köra temperaturerna upp och ner, och vi kunde mäta hur transformatorn betedde sig. Modellen och mätningarna stämde mycket väl överens”, säger Hebner.
”Våra resultat visar att om värmeledningsförmågan ökas några gånger med hjälp av det konstruerade papperet, kan hotspot-temperaturen inuti en transformator minskas med mellan 5 och 10 °C”, tillade han. ”Under de flesta förhållanden bör det vara tillräckligt för att fördubbla eller tredubbla transformatorns livslängd.”
Bahadur Research Group tilldelades anslag på TACC:s superdator Stampede2, en arbetshäst inom National Science Foundation för UT Austin-forskare och tusentals andra forskare i USA:s öppna vetenskapssamhälle.
”Den här modellen simulerades med hjälp av TACC:s resurser för att förutsäga den termiska prestandan”, säger Bahadur. ”Vi modellerade värmeledningsförmågan som en varierande parameter, och vi räknade ut hur mycket värmeledningsförmågan behövde förbättras för att få en meningsfull temperatursänkning.”
Den största beräkningsmässiga utmaningen var att modellera detaljerna inuti en verklig transformator.
”För att kunna uppskatta temperaturerna exakt använde vi ett finmaskigt nät baserat på finita elementmetoder och modellerade ledningen genom ekvationen för diffusionsvärmeöverföring – beräkningskostnaderna är höga för att göra detta”, säger Bahadur. ”Den främsta anledningen till att vi använde Stampede2 var att vi ville få simuleringarna gjorda på några minuter/timmar och inte behöva vänta i flera dagar på att få våra resultat.”
Därefter kommer forskarna att testa en småskalig transformatorprototyp och lägga till det värmeledande papperet för att studera hur den beter sig i en driftmiljö med fluktuerande belastningar.
Forskningen kan komma att tillämpas i den verkliga världen, där nya transformatorer kan tillverkas med förbättrat värmeisolerande papper med nano- och mikropartikelförstärkning. Gamla transformatorer skulle kunna utrustas med det nya papperet i samband med rutinmässig renovering.
”Vi började inte som ett transformatorprojekt utan som ett halvledarprojekt. Den här forskningen syftar till att ta många av de elektroniska enheter som vi har och få dem att fungera bättre genom att arbeta svalare och mer effektivt”, tillade Hebner.
Ytterligare information: S. Bilyaz et al, Modeling the impact of high thermal conductivity paper on the performance and life of power transformers, Heliyon (2024). DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e27783
