Till innehåll på sidan

Diagnostiken som kan förhindra strömavbrott

En miniatyrmodell av en elkraftstransformator.
En miniatyrmodell av en elkraftstransformator. ”Utan transformatorn skulle även min förstärkare till gitarren explodera”, säger Martin Norgren, universitetslektor lektor i teoretisk elektroteknik.
Publicerad 2011-02-15

Utan transformatorer skulle våra mikrovågsugnar, tv-apparater, kylar och frysar explodera som värsta nyårsraketerna. Transformatorerna är mycket komplexa elektrotekniska komponenter som används för att överföra elkraft till våra hem och industrier. Att bryta driften för att undersöka dem, koppla in reservtransformatorer eller leda om strömmen kan bli mycket dyrt. Två forskare ska undersöka om det går att diagnostisera transformatorernas hälsotillstånd med hjälp av mikrovågor, utan att ha den blekaste aning om vad det kommer leda till.

För två år sen kom Martin Norgren, lektor i teoretisk elektroteknik, och Hans Edin, lektor i elkraftsystem, på en vild idé: att diagnostisera transformatorns hälsotillstånd med hjälp av mikrovågor. Vad de vet har ingen någonsin provat att använda mikrovågor eftersom elkrafttransformatorer arbetar vid låga frekvenser, 50-60 Hz, medan mikrovågorna har betydligt högre frekvenser, typ 1 GHz eller högre.

– Den kommer därför att bete sig helt annorlunda. Men vill man hålla koll på transformatorns åldringsprocess behöver man kunna se finstrukturerna och då måste man använda vågor som har en kort våglängd. Med den informationen kan vi förhoppningsvis förstå hur vi ska undvika kostsamma strömavbrott i framtiden och veta när en transformator behöver bytas ut, säger Martin och ler.

Martin tar fram en projektplan med en miniatyrbild på en principskiss av en transformator som han precis har gått igenom i en intervju med en potentiell doktorand. Det är tack vare ett bidrag från Energimyndigheten som de två forskarna nu kan anställa en doktorand på heltid i projektet. Prototypen är sketchig men Martin förklarar desto bildligare. Transformatorer kan vara tiotals kubikmeter stora, men den kan även rymmas i en dator. De som används för överföring av elenergi, eller elkraft, består av en tank innehållande transformatorolja och en kärna av järn med starka magnetiska egenskaper. Runtom kärnan sitter lindningar av koppartråd. För att försörja våra hus och industrier med el måste den höga spänningen i kraftledningarna transformeras ner, vilket görs i flera steg.

Varför går det inte bara att ha hög spänning i nätet?

– Den höga spänningen skulle få till exempel våra tv-apparater och vitvaror att explodera. Att i stället anpassa vitvarorna skulle förmodligen resultera i mycket klumpiga sådana som inte skulle vara vidare användarvänliga, och dessutom farliga. Skulle man i stället ha väldigt låg spänning i kraftledningarna måste man kompensera det med mycket hög ström, med större värmeförluster som följd. För att få ner förlusterna skulle det då behövas avsevärt tyngre och bredare ledningar.

Det forskarna vill ta reda på är till exempel om isolationsegenskaperna har försämrats, om det har hänt något med lindningstrådarna: Har de flyttat på sig eller ligger de för nära varandra? För då är det större risk att det blir överslag.

Målar bilder utifrån och in

För att tränga in i transformatorns innandöme sätter forskarna in en massa små antenner och skickar in mikrovågor med vilkas hjälp de hoppas kunna måla upp en detaljerad bild av hur ledningstrådarna är placerade. Denna metod för att avbilda strukturer liknar principen vid ultraljudsdiagnostik, där piezoelektriska kristaller sänder ut en akustisk puls som träffar till exempel ett hjärtas olika gränsytor. Pulsen reflekteras sedan tillbaka och omvandlas där till en elektrisk impuls som skapar en bild av hjärtats kamrar, förmak och klaffar. Med hjälp av ultraljudsbilden kan man sen ställa diagnoser som hjärtinfarkt och klaffel.

– Vi skickar in en signal mot föremålet, i det här fallet med antenner som sänder ut elektromagnetiska vågor. Sen tar vi emot de signaler som föremålet reflekterar med samma uppsättning antenner. På så sätt kan vi ta reda på föremålets material- och isolationsegenskaper och ledningsförmåga, förklarar Martin.

Denna typ av metod, där man mäter utifrån och in i ett föremål för att försöka ta reda på dess egenskaper, brukar kallas för inversa problem. Resultatet är högst osäkert. Så är det också i detta fall. Men det är just osäkerheten som är tjusningen med att forska om inversa problem, tycker Martin.

– Vi vet inte vad projektet kommer att resultera i eftersom vi inte vet något om det komplexa föremålet. Vi räknar ut problemet baklänges och så växer det fram en bild. Direkta problem går i princip alltid att lösa i verkligheten, men med inversa problem är det mycket osäkert om man kan lösa det, eftersom det i verkligheten förekommer mätstörningar, brus och annat som gör problemet mycket mer svårlöst än i en verklig modell, säger Martin och ler i ena mungipan.

Kan det inte vara lite surt när man jobbat tre år på ett problem och det inte går att lösa?

– Det är klart att det inte är lika roligt som när man lyckas men då har man ändå lärt sig något, säger Martin, och tar upp ett tidigare projekt där han var med och mätte egenskaper hos snö. Den undersökningen gav inte fullt ut de resultat de hade hoppats vad gäller att kunna förutse vattentillgång i magasin och risk för laviner.

– Det visade sig att snö vara jättesvårt att mäta på. Men vi lärde oss att mätningarna och metoderna vi utvecklade funkade bättre för andra material, som till exempel jord. Det är också en viktig kunskap att ha med till nästa projekt.

Kartlägga hela livslängden kräver sin forskare

Just nu jobbar han med en simulering på en mycket förenklad modell över en transformatorlindning. När teorierna är framtagna och resultaten tagna i drift kan de användas för att studera och lagra data över tiotals år. Med datahistoriken kan transformatorns hälsotillstånd kartläggas över hela dess livslängd.

Han funderar ständigt på hur han kan knäcka problemen och få ner dem till ekvationer. Allt som kommer i hans väg försöker han också använda i undervisningen, berättar hans kollega Lars Jonsson: ”’Det kan jag göra en tentafråga på’, utbrister han ofta när han hör något nytt inom området.”.

– Min behållning av att undervisa är inte i första hand att möta människor, utan att ämnet är så häftigt och roligt att jag vill dela med mig av det jag vet, säger Martin, som undervisar i teoretisk elektroteknik för fysikstudenter, för studenterna på civilingenjör- och lärarprogrammet ochi masterprogrammet i elektrofysik.

Inte ens den långväga veckopendlingen kan sänka hans entusiasm. För fem år sen köpte Martin och hans fru en häst till dottern. I samma veva kände de att de ville ha mer lugn och ro i tillvaron, genom att bo på landet. I drygt fyra år har han nu veckopendlat från Rengsjö i Hälsingland. Mellan måndag och torsdag jobbar han långt in på kvällarna. Den frågan som många av hans kollegor ställer sig är: ”hur i hela friden orkar han pendla?” Svaret är att han älskar sitt jobb.

– Det fanns inte på kartan att jag skulle byta jobb. Jag har hört att man brukar orka med att veckopendla i fyra år. Men jag har inga planer på att sluta ännu, säger han.

För mer information, kontakta Martin Norgren, martin.norgren@ee.kth.se, 08-790 74 10.

Marie Androv