abstract: The lifetime of a transformer is essentially determined by the life of its insulation system which is a time function of the temperature defined by its thermal class. A large quantity of studies and international standards have been published indicating the possibility of increasing the thermal class of cellulose based materials when immersed in natural esters which are superior to traditional mineral oils. Thus, a transformer having thermally upgraded Kraft paper and natural ester dielectric fluid can be classified as a high temperature insulation system. Such a transformer can also operate at temperatures 20C higher than its mineral oil equivalent, holding additional loading capability without losing life expectancy. This thesis focuses on evaluating the use of this feature as an additional capability for enhancing the loadability and/or extending the life of the distribution transformers for the Phoenix based utility - SRP using FR3 brand natural ester dielectric fluid. Initially, different transformer design options to use this additional loadability are compared allowing utilities to select an optimal FR3 filled transformer design for their application. Yearlong load profiles for SRP distribution transformers, sized conventionally on peak load demands, are analyzed for their oil temperatures, winding temperatures and loss of insulation life. It is observed that these load profiles can be classified into two types: 1) Type-1 profiles with high peak and high average loads, and 2) Type-2 profiles with comparatively low peak and low average load. For the Type 1 load profiles, use of FR3 natural ester fluid with the same nominal rating showed 7.4 times longer life expectation. For the Type 2 load profiles, a new way of sizing ester filled transformers based on both average and peak load, instead of only peak load, called “Sustainable Peak Loading” showed smaller size transformers can handle the same yearly peak loads while maintaining superior insulation lifespan. It is additionally possible to have reduction in the total energy dissipation over the year. A net present value cost savings up to US$1200 per transformer quantifying benefits of the life extension and the total ownership cost savings up to 30% for sustainable peak loading showed SRP distribution transformers can gain substantial economic savings when the distribution transformer fleet is replaced with FR3 ester filled units. / Dissertation/Thesis / Envirotemp FR3 Fluid Brochure / Envirotempe FR3 Fluid Data Sheet / Masters Thesis Electrical Engineering 2018

Είναι ευρέως γνωστό, πως ο εξοπλισμός Υψηλής Τάσης προϋποθέτει την αναγκαία ύπαρξη μόνωσης για την εύρυθμη λειτουργία του. Η μόνωση, εκτός από τον προφανή ρόλο της διατήρησης της διαφοράς δυναμικού μεταξύ των υπό υψηλή τάση αγώγιμων μερών, έχει και επιπρόσθετους σκοπούς ύπαρξης, όπως την μηχανική στήριξη του εξοπλισμού, την απαγωγή της θερμότητας, κ.α. Απόλυτα καθιερωμένη έχει γίνει η χρήση ορυκτών ελαίων ως μονωτικό υλικό στον εξοπλισμό Υψηλής Τάσης με πιο ενδεικτικό παράδειγμα, τη μόνωση των τυλιγμάτων των μετασχηματιστών ισχύος. Για πιο αποδοτικά μονωτικά αποτελέσματα στον μετασχηματιστή γίνεται συνδυαστική χρήση του λαδιού με λεπτά συνθετικά φύλλα στερεής φύσεως που καλύπτουν τα τυλίγματα. Όμως, από τις αρχές της δεκαετίας του 1970 ξεκίνησε μια προσπάθεια αντικατάστασης των συμβατικών ορυκτέλαιων, με λάδια φυτικής προέλευσης και αυτή η προσπάθεια δικαιολογείται από μία σειρά ιδιοτήτων και πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν οι φυσικοί εστέρες. Τα πιο σημαντικά από αυτά είναι η μεγαλύτερη ασφάλεια έναντι πυρός, η βελτίωση της απόδοσης του μετασχηματιστή και κυρίως η φιλικότητα τόσο προς το περιβάλλον όσο και προς τον άνθρωπο. Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς ενός συγκεκριμένου είδους φυτικό έλαιο που καταπονείται εντός διακένου, υπό γραμμικά αυξανόμενη AC τάση. Αναζητούμε, λοιπόν, την επίδραση του μονωτικού ελαίου στην τάση διάσπασης καθώς μεταβάλουμε τους διάφορους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται (παραδείγματος χάριν το μέγεθος διακένου, το ρυθμό της γραμμικής αύξησης της τάσης {kVrms/sec}, τη θερμοκρασία, το χρόνο χαλάρωσης του υγρού μεταξύ δύο διαδοχικές μετρήσεις, την επίδραση των φυσαλίδων στη μονωτική συμπεριφορά του ελαίου, κ.α. ). Για το σκοπό αυτό, προμηθευτήκαμε τον φυσικό εστέρα Envirotemp® FR3™ από την εταιρεία COOPER Power Systems, που εκτός της τάχιστης και ανέξοδης αποστολής του υγρού, μας παραχώρησε κάθε διαθέσιμη πληροφορία και την απαραίτητη τεχνογνωσία. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, η διπλωματική αυτή εργασία αποτελεί συνεισφορά στη διεθνή ερευνητική προσπάθεια που γίνεται πάνω στο αντικείμενο της συλλογής πληροφοριών και εξαγωγής συμπερασμάτων για την συμπεριφορά και τις ιδιότητες των ελαίων φυτικής προέλευσης. Για την διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας χρησιμοποιήθηκε η συσκευή BAUR Oil Tester DTA 822-129-1, μέρος του ηλεκτρομηχανικού εξοπλισμού του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων. Η παραγωγή γραμμικά αυξανόμενης (με μεταβλητό ρυθμό) AC τάσης, η μέτρηση της τάσης διάσπασης καθώς και η επιλογή της κατάλληλης προδιαγραφής έγιναν από τη συσκευή αυτή, λαμβάνοντας κάθε φόρα τα αναγκαία μέτρα προστασίας τόσο για τον παρατηρητή, όσο και την συνολική εγκατάσταση του εργαστηρίου. Επίσης, χρειάστηκε η κατασκευή από μηχανουργείο ειδικών ανοξείδωτων λάμων διαφορετικού πάχους με στόχο τη ρύθμιση του μεγέθους του επιθυμητού διακένου μεταξύ των ηλεκτροδίων, ανοξείδωτο δοχείο για τη θέρμανση του λαδιού, ιατρικές σύριγγες για την άντλησή του, αποστειρωμένα δοχεία για την ασφαλή αποθήκευση του, υπό δοκιμή, ελαίου και τέλος μεγάλες ποσότητες γαντιών μιας χρήσεως (τύπου ΛΑΤΕΞ) και χαρτιού για την καθαριότητα τόσο του μηχανήματος όσο και του εργαστηρίου. Η εργασία αυτή χωρίζεται σε 2 μέρη: το απαιτούμενο θεωρητικό υπόβαθρο και την παρουσίαση και επεξεργασία των μετρήσεων. Έτσι, αρχικά, παρατίθεται μια θεωρητική ανάλυση, βασισμένη στη διεθνή βιβλιογραφία, ώστε να αποσαφηνιστούν οι βασικοί μηχανισμοί που επηρεάζουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες των ρευστών διηλεκτρικών. Σκοπός τούτου, η αποσαφήνιση των παραγόντων που χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής, ώστε να εξασφαλιστούν τα πλέον αξιόπιστα πειραματικά αποτελέσματα, καθώς και η δημιουργία μιας πλατφόρμας θεωρητικών δεδομένων που θα βοηθήσουν στην εξαγωγή, εν τέλει, των απαραίτητων συμπερασμάτων. Το δεύτερο μέρος, αποτελείται από την παρουσίαση των πινάκων με τις μετρήσεις, τα απαραίτητα διαγράμματα και τέλος την αναλυτική διατύπωση των εξαγόμενων συμπερασμάτων. / It is widely known that the equipment of High Voltage presupposes the necessary existence of insulation for its proper operation. Apart from the obvious role of maintaining the potential difference between the under high voltage conductible parts, the insulation also has additional aims of existence, such as the mechanic support of equipment, the induction of heat, etc. The use of mining oil as insulating material in the equipment of High Voltage has been established, with more indicative example the insulation of windings in Power Transformers. For more efficient insulating results in the transformer, a combination of oil with thin solid and synthetic leaves that cover the windings is used. However, since the beginning of the seventies an attempt begun in order to replace the conventional mineral oils with oils of plant origin and the reason for this attempt is the amount of properties and advantages of natural esters. The most important of them are fireproofness, the improvement of transformer‟s efficiency and mostly the fact that they are environment as well as human friendly. This diploma thesis aims to the examination of the “behavior” of specific plant oil that is worn out within interspace under linearly increased AC voltage. So we search out the effect of the insulating oil on the voltage decomposition, as we alter the numerous factors on which it depends (the size of interspace, the rate of the voltage‟s linear increase {kVrms/sec}, the temperature, the liquid‟s relaxation time between two successional counts, the effect of bubbles on the oil‟s insulating behavior etc). In order to accomplice this purpose, we got the natural ester Envirotemp® FR3™ from the company COOPER Power Systems, which, apart from sending the liquid very fast and with no expenses, also provided us all the information available as well as the essential knowhow. As a result, it is perfectly clear that this diploma thesis is a contribution to the global searching effort on the subject of collecting information and reaching conclusions about the behavior and properties of oils of plant origin. In order to conduct this experimental process, we used the device BAUR Oil Tester DTA 822-129-1, which is part of the electromechanical equipment of the High Voltage laboratory. The production of linearly increasing (with variable rate) AC voltage, the count of the voltage decomposition as well as the selection of the proper specification were determined by this device, while taking every time the necessary precautions regarding the observer as well as the whole laboratory installation. Furthermore, several measures needed to be taken, such as the construction of specific rustproof razors of variable width, in order to adjust the size of the interspace wanted, as well as the supply of a rustproof container for the oil heating, medical syringes for its pump, antiseptic containers for safe storage of the oil under test and, finally, large quantity of disposable gloves (LATEX type) and paper for the cleaning of the device as well as the laboratory. This thesis consists of two parts: the necessary theoretical setting and the presentation and elaboration of counts. Initially, a theoretical analysis is presented, based on international bibliography, in order to clarify the basic processes that affect the electronic properties of the liquid dielectrics. The above aim at the clarification of the factors that require special attention in order to ensure the most reliable experiment results possible, as well as the creation of a platform of theoretical data that will finally help on the reach of the necessary conclusions. The second part consists of the presentation of the count tables, the necessary charts and finally the detailed enouncement of the conclusions reached.

Είναι γνωστό ότι ο πιο σημαντικός παράγοντας για την προστασία και τη σωστή λειτουργία ενός εξοπλισμού υψηλής τάσης είναι η μόνωση του. Η πιο διαδεδομένη μορφή μόνωσης είναι η χρήση υγρών διηλεκτρικών, και συγκεκριμένα ελαίων. Αρχικά, χρησιμοποιούσαν μόνο ορυκτά έλαια ως μονωτικό υλικό διοτί ήταν εύκολη η διάθεση τους. Τα τελευταία όμως χρόνια, ήθισται να προτιμούνται φυτικά έλαια έναντι των ορυκτών, χάρη των ιδιοτήτων και πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν. Τα βασικά πλεονεκτήματα είναι η φιλικότητα τόσο προς το περιβάλλον όσο και στον άνθρωπο, η μη τοξικότητα τους, το υψηλό σημείο ανάφλεξης, η βιοδιάσπαση τους, καθώς και η βελτίωση της απόδοσης του μετασχηματιστή. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς του φυτικού ελαίου FR3 κατά τη διάρκεια καταπόνησης του με εναλλασσόμενη τάση (AC) και η σύγκριση του με το ορυκτό έλαιο. Ακόμη, στόχος μας είναι να παρατηρήσουμε τη συμπεριφορά του FR3 σε συνδυασμό με μονωτικό χαρτί, αφού γνωρίζουμε ότι τα τυλίγματα μετασχηματιστών υψηλής τάσης μονώνονται και από τα 2 υλικά. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκε η συσκευη BAUR oil tester DTA 100C που αποτελεί κομμάτι του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού του εργαστηρίου των υψηλών τάσεων. Η παραγωγή γραμμικά αυξανόμενης εναλλασσόμενης (AC) τάσης με σταθερό ρυθμό 2kVrms/s και οι μετρήσεις της τάσης διάσπασης έγιναν από τη συσκευή αυτή. Τα διάκενα στα οποία καταπονήθηκε το φυτικό έλαιο είναι: rogowski 2mm, ακίδα-πλάκα 2mm, rogowski-πλάκα 2.5mm.Στη συνέχεια, πραγματοποιήσαμε μετρήσεις με διάταξη rogowski 2.5mm σε φυτικό λάδι χωρίς ανάδευση και σε καταπονημένο σε κρουστική τάση. Οι επόμενες μετρήσεις αφορούσαν το σύνθετο διάκενο χαρτί –λάδι και χρησιμοποιήσαμε 2 τύπους χαρτιού: DPP PAPER και KRAFT PAPER σε διάταξη rogowski 2.5mm. Τέλος, χρησιμοποιήσαμε ορυκτό έλαιο σε διάκενα rogowski 2.5mm και Ακίδα πλάκα 2,5 mm Επίσης, για να είμαστε άρτιοι στη σύγκριση των δύο τύπων ελαίων, πραγματοποιήσαμε αναλυτική στατιστική έρευνα ώστε να διαπιστώσουμε αν η κατανομή των πειραματικών αποτελεσμάτων προσεγγίζει την κανονική. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήσαμε το διάγραμμα διασποράς για την εκτίμηση της κατανομής. Έπειτα, με τη χρήση της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας παρατηρήσαμε εποπτικά αν τα πειραματικά αποτελέσματα ακολουθούν κανονική κατανομή και υπολογίσαμε την ασσυμμετρία και την κυρτωση αυτών. Tέλος, χρησιμοποιήθηκαν τρία κριτήρια κανονικότητας, το Shapiro-Wilk, το Kolmogrov-Smirnov, και το Anderson-Darling καθώς και το διάγραμμα Normal Plot. Κρίνοντας από τα αποτελέσματα, προκύπτει ότι η τάσης διάπασης για το φυτικό έλαιο είναι μεγαλύτερη σε σχέση με το ορυκτό. Επίσης, είναι φανερό ότι η ύπαρξη σύνθετου διακένου (έλαιο – χαρτί) μειώνει την τάση διάσπασης του FR3. Τέλος, φαίνεται ότι σχεδόν για όλες τις διατάξεις, τα πειραματικά αποτελέσματα ακολουθούν την κανονική κατανομή. / It is known that the most important factor for the protection and proper operation of high voltage equipment is the insulation achievements. The most widespread form of insulation is the use of liquid dielectrics, manely dielectric oils. Initially, only mineral oil were used as an insulating material because it was easily available. However, the last decades vegetable oils are preferred to fossil thanks to the properties and advantages they present. The main advantages are the friendliness of both the environment and humans, non- toxicity, high flash point, biodegradation, as well as improving the efficiency of the transformer. The purpose of this thesis is to investigate the behavior of natural oil FR3 during stress with alternating current (AC) and compared with the mineral oil. Furthermore, our aim is to observe the behavior of this oil in combination with insulating paper, since we know that the high voltage transformer windings are insulated from the two materials. For this reason, using the device BAUR oil tester DTA 100C which is part of the electrical equipment of High Voltage laboratory. The production increased linearly alternating (ac) voltage steadily 2kVrms/s, and measurements of the breakdown voltage were made of this device.The gaps that we were measured are: rogowski 2mm, point-plane 2mm, rogowski-plane 2mm. Then, we measured the breakdown voltage for rogowski 2,5mm without stirring and for an overworked oil. Next measurments concered the combination of paper-oil, where we used two types of insulating paper:DPP and KRAFT PAPER (rogowski 2.5mm).finally we measured mineral oil in gaps: rogowski 2.5 mm and point-plane 2.5 mm Also, being correct to compare the two types of oils, we conducted a detailed survey about whether the experimental results follow the normal distribution. Specifically, we used the scatter plot to estimate the distribution of our experimental results. Then, using the probability density function we observed if the experimental results follow a normal distribution and calculated the coefficients of skewness and kurtosis. Finally, we used two hypothesis tests, the Shapiro – Wilk test,the Kolomogrov-Smirnov test and the Anderson-Darling, as well as the Normal Probability Plot. Αccording to the results, we observe that the breakdown voltage of natural ester oil is greater than mineral’s oil. Also, it is obvious that the existence of a complex gap (oil-paper) reduces the breakdown voltage. Finally, it seems that for almost all the provisions, the experimental results follow the normal distribution.

Ester liquids including both natural ester and synthetic ester are being considered as potential alternatives to mineral oil, due to their better environmental performance and for some liquids their higher fire point. Although these liquids have been widely used in distribution and traction transformers, it is still a significant step to adopt ester liquids in high-voltage power transformers because the high cost and severe consequence of a factory test failure and the high level of safety and reliability required in service for these units, tend to lead to a cautious approach to any step change in technology. Lightning impulse strength as basic insulation level is of importance for insulation design of power transformers and lightning impulse test is commonly required in the factory routine tests for high-voltage power transformers, so this thesis is aimed to investigate the electrical performances including pre-breakdown and breakdown of natural ester and synthetic ester under impulse voltage. Two types of field geometry were considered in the study, one is sphere-sphere configuration which represents the quasi-uniform fields inside a transformer and another is strongly non-uniform point-plane configuration which represents the situation of a defect or a source of discharge. In quasi-uniform field study, standard breakdown tests were carried out under negative lightning and switching impulse voltages. Influence of various testing methods on the measured lightning breakdown voltage was studied and the 1% lightning withstand voltage was obtained based on Weibull distribution fitting on the cumulative probability plot built up using the approximately 1000 impulse shots. As for strongly non-uniform field study, streamer propagation and breakdown event in ester liquids either with or without pressboard interface were investigated at various gap distances under both positive and negative lightning impulse voltages. A relationship between the results under lightning impulse and previously published results under step voltage was built up to predict the lightning breakdown voltage of ester liquids at very large gaps. The results indicated that impulse strengths of ester liquids for both breakdown and withstand in a quasi-uniform field, are comparable to those of mineral oil. In a strongly non-uniform field, streamers in ester liquids propagate faster and further, than in mineral oil at the same voltage level. Thus breakdown voltages of ester liquids are generally lower than those of mineral oil, which could be as low as 40% at a large gap distance of approximately 1000 mm. Introduction of parallel pressboard interface has no influence on the streamer propagation and thus does not weaken the breakdown voltage, but it tends to reduce the acceleration voltage particularly for mineral oil under positive polarity. Last but not least, a unique phenomenon of secondary reverse streamer (SRS) was observed in ester liquids, which occurs subsequently and well after the extinction of the primary streamer (PS) propagation within a single shot of impulse voltage and has the reverse polarity to the PS. The formation mechanism of SRS is explained mainly due to the reverse electric field induced by the residual space charges left by the PS.