Stromnetz stärken: Wissenschaftler entwickeln erdbebensichere Transformator-Durchführungen

Power Electronics INSIDER

Jon Bender von W. E. Gundy and Associates (WEGAI) steht hier neben einem Beispiel eines Leistungstransformators, der auf diese Durchführungs-Forschung zutrifft.

Verwundbarkeit der Transformator-Durchführungen

Das Stromnetz, das wir als selbstverständlich nehmen, involviert große, teure Ausrüstung – allen voran Leistungstransformatoren. Fällt einer aus, kann der Ersatz mehr als ein Jahr dauern und massive Kosten verursachen. In stark besiedelten, seismisch aktiven Gebieten wie Kalifornien oder dem Pacific Northwest ist Zeit kein Luxus.

Bei einem Erdbeben ist der Ort, an dem ein großer Hochspannungs-Leistungstransformator am verwundbarsten ist, seine Durchführungen (Bushings) – hohle elektrische Isolatoren, die Strom sicher zwischen den internen Wicklungen eines Transformators und externen Stromleitungen führen. Sie bestehen meist aus Porzellan wegen seiner Fähigkeit, das leitende Material (meist Kupfer oder Aluminium) zu isolieren und Hochstrom vor Leckage oder Funkenbildung und Explosionen zu bewahren.

Durchführungen sind auf die Türme (Turrets) eines Transformators aufgeschraubt, die sich vom Haupttank nach oben erstrecken. Diese Verbindungen sind das, worauf sich ein Forscherteam am Idaho National Laboratory (INL) fokussiert hat. Das Teamziel: Entwicklung eines mechanisch einfachen, einstellbaren Isolators – bekannt als Decoupler – der an der Basis einer Durchführung montiert und getunt werden kann, um Resonanzfrequenzen in Durchführung und Turm davon abzuhalten, zu matchen (was zu verstärktem mechanischem Stress an der Porzellandurchführung führt).

„Resonanzfrequenzen sind der Angelpunkt“, sagt Bjorn Vaagensmith, Principal Investigator des Projekts und 2025 Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers Empfänger.

Alle Objekte haben eine Resonanzfrequenz, die auftritt, wenn Eingangsvibrationen in einem Objekt maximal amplifiziert werden. Wenn eine Schallwelle ein Weinglas oder einen Spiegel zerspringen lässt, ist das Resonanzfrequenz bei der Arbeit. In der Geschichte des Bauwesens ist vielleicht das bekannteste Beispiel der Einsturz der Tacoma Narrows Bridge 1940. Windgeschwindigkeit und -richtung kombiniert mit Brückendesign und -materialien erzeugten eine Resonanzfrequenz, die das Deck wild oszillieren ließ. Dies brachte der neu gebauten Brücke den Spitznamen „Galloping Gertie“ ein – bevor sie nach vier Monaten in Stücke brach und in den Puget Sound stürzte.

Bei einem Erdbeben verursachen seismische Wellen auf-und-ab oder hin-und-her oszillierende Bodenbewegungen, die in große Leistungstransformatoren übertragen werden. Aufgrund ihrer Flexibilität und Dichte können große Transformatorentanks aus Stahl, gefüllt mit Isolieröl, dynamisch mit der darauf montierten Ausrüstung in Resonanz geraten. Wenn Tank und montierte Durchführungen auf derselben Wellenlänge sind, besteht Gefahr, dass das durch das Erdbeben amplifizierte Schütteln die Durchführungen bis zum katastrophalen Versagen belastet.

Lösung: Resonanzfrequenz-Decoupler

Vaagensmith und Kollegen – Chandu Bolisetti vom INL und Jon Bender von WEGAI, einem Boise-basierten Engineering-Unternehmen – wollen dieses Problem durch Entwicklung eines Entkopplungsgeräts angehen, das die Resonanzfrequenz der Durchführung von der des Transformators weg verschiebt. Der von ihnen designte Decoupler kann einfach an der Basis der Durchführung installiert und für ältere Transformermodelle kostengünstig nachgerüstet werden. Das Team verfolgt ein Patent auf das Design.

Das Projekt wurde initial durch INLs Laboratory Directed Research and Development Program gefördert. Es wird jetzt kollaborativ unterstützt durch das U.S. Department of Energy's Office of Electricity's Transformer Resilience and Advanced Components (TRAC) Program und das Office of Cybersecurity, Energy Security and Emergency Response (CESER). Das TRAC-Programm existiert, um Grid-Modernisierung zu beschleunigen, indem es Herausforderungen in Grid-Hardware-Technologien adressiert – einschließlich großer Leistungstransformatoren. Das CESER-Office zielt darauf ab, US-Energieinfrastruktur gegen Bedrohungen und Gefahren zu sichern und zu stärken.

Großtest 2026 an UC San Diego Shake Table

Am Höhepunkt ihres Projekts hoffen Vaagensmith und Kollegen, ihren Resonanzfrequenz-Decoupler groß zu testen. Sie haben einen 500.000-Pfund-Transformator (ca. 227 Tonnen) gesichert, den sie 2026 zum Erdbebensimulator an der University of California San Diego bringen wollen. Der Shake Table der Universität ist der größte seiner Art in den USA und nur von einem in Japan in der Größe rivalisiert. Dies wird der erste Test dieser Größe sein und könnte Sicherheitsanforderungen für Transformatoren in seismischen Zonen signifikant beeinflussen.

In Kollaboration mit der University at Buffalo hat das Team reichlich Gelegenheit, Dinge falsch zu machen – das ist der Zweck von Experimentierung. „Wir können so scheitern, wie wir wollen“, sagt Vaagensmith. „Wir können unsere Lösung testen bis an die Limits. Wir wollen sicher sein, dass wir wissen, wie man den Decoupler designt, bevor wir nach San Diego gehen.“

„Leute sind begeistert von diesem Projekt“, sagt Vaagensmith. „Wir haben die Gelegenheit, einen langjährigen Streit über angemessene seismische Transformatorschutzmaßnahmen beizulegen und eine Lösung für Durchführungshersteller zu entwickeln, die sie nicht zum Re-tooling zwingt. Utilities werden zufrieden sein, und das Grid wird resilienter.“

Quelle: Idaho National Laboratory