Paper bulging: measurements and analysis to improve the winding design in power transformers

Recent developments in new technologies and the increasingly present demand for environmental sustainability of products have influenced the construction of power transformers. The need for less space leads to a reduction in the size of the transformer, pushing its performance to its limits to satisfy European regulations regarding efficiency. Following this reduction in space, a new problem began to emerge on conductors for power transformers application, not yet considered in the literature: paper bulging. In the electrical design, the aim is to reduce the dimensions of the oil channels that flow inside the windings to be able to reduce the height of the transformer. The scope of this document is to analyze the phenomena concerning the bulging of the paper that wraps the conductors to evaluate a value, as realistic as possible, to predict the loss in space factor at the expense of the width of the oil ducts. The oil not only has the function of electrical insulation but also of cooling, so a lack of circulation can lead to the formation of generalized hot spots throughout the winding. Accurately predicting the size of the paper of the transposed cables can result in an improvement in the winding design process, also managing to obtain less space and effective cooling processes. To achieve this, we have collected several samples of continuously transposed cable from all Hitachi Energy transformer factories. Measurements were carried out on the paper insulation of the transposed cables subjected to pressure, emulating the normal production process of a transformer. By exploiting these data, it was possible to obtain a new formulation that reduces the uncertainty in estimating the paper bulging value.

Sviluppi recenti in nuove tecnologie e la crescente domanda di sostenibilità ambientale dei prodotti hanno influenzato la costruzione di trasformatori di potenza. La necessità di ridurre l'ingombro porta a una riduzione delle dimensioni del trasformatore, che deve soddisfare le normative europee in materia di efficienza. A seguito di questa riduzione, si è manifestato un nuovo problema nei conduttori per applicazioni di trasformatori di potenza, non ancora considerato in letteratura: il rigonfiamento della carta. Nella progettazione elettrica, l'obiettivo è ridurre le dimensioni dei canali dell'olio che scorrono all'interno degli avvolgimenti per ridurre l'altezza del trasformatore. Il presente documento ha lo scopo di analizzare i fenomeni relativi al rigonfiamento della carta che avvolge i conduttori per valutare un valore, il più realistico possibile, per prevedere la perdita di spazio a scapito della larghezza dei canali dell'olio. L'olio non ha solo la funzione di isolamento elettrico, ma anche di raffreddamento. Una mancanza di circolazione dell'olio può portare alla formazione di punti caldi generalizzati in tutto l'avvolgimento. La previsione accurata delle dimensioni della carta dei cavi trasposti può comportare un miglioramento del processo di progettazione degli avvolgimenti, consentendo di ottenere meno spazio e processi di raffreddamento efficaci. Per ottenere ciò, sono stati raccolti diversi campioni di cavo trasposto continuo da tutte le fabbriche di trasformatori Hitachi Energy. Sono state effettuate misure sull'isolamento in carta dei cavi trasposti sottoposti a pressione, emulando il normale processo di produzione di un trasformatore. Sfruttando questi dati, è stata ottenuta una nuova formulazione che riduce l'incertezza nella stima del valore di rigonfiamento della carta.