Characterizing coil windings noise due to compressive fault currents : A study to determine if there is a characteristic noise from transformer windings due to fault currents

Transformers are essential for modern power distribution system. They are efficient and enable the voltages to be transformed up for transportation of electricity and back down for consumer use. The reliability of the transformer is affected by faults and fatigue of the copper. The bigger faults a transformer is subjected to, the shorter life time it will have due to damage to the winding and other parts of the transformer. This thesis investigates if it is possible to characterise the noise made from the windings during a short circuit fault or lightning strike, to see if it can be replicated and if transformers can be diagnosed with the help from the noise. Faults creates forces on the windings, these forces can be so great that the windings collide with each other and in worst case breaks. The sound sources that are interesting are the thermal expansion due to the current, the radial forces and the axial forces acting on the coil. Simulations were made in Comsol multiphysics to see how the currents and forces behaved in a winding. A simplified microphone circuit was built and tested to see if it could detect the noise made from the collisions in the coil. Two microphone types and amplifier circuits were tested to see which ones was most suited for the experiments. The microphone circuit was used to record the sound made from the coils when being compressed. An experiment with a capacitor bank sending a large current pulse through different coils and the noise made from the coil was recorded with a microphone circuit connected to an oscilloscope. The currents are recorded by a computer using the program Picoscope. The capacitor bank was charged to different voltages to get different current amplitudes. A microphone circuit was built and tested so it could detect the sound from the collision. Sound occured with a current pulse with an amplitude of 2 kA, and permanent deformation occured when the amplitude of the current pulse was 4.5 kA. The frequency content of the impact was within the audible spectrum. Possibly even higher frequencies than 20 kHz was present during the fault. The microphone had a bandwidth between 20-20000 Hz, which limits the frequencies that is picked up by the microphone.Transformatorer är viktiga för det morderna elsystemet. Transformatorer är effektiva och tillåter spänningen att transformeras upp för transport vilket minimerar förlusterna i lendningarna och sedan ned igen för kunder. Tillförlitligheten av transformatorer blir påverkad av fel, felen kan orsaka utslitning av kopparen i lindningarna. Ju större fel som transformatorn blir utsatt för, ju kortare livstid får transformatorn på grund av skada på lindningarna eller andra delar av transformatorn. Denna avhandling undersöker om det är möjligt att karaterisera ljudet från transformator lindningar under ett kortslutningsfel eller blixtnedslag. Felströmmarna skapar krafter på lindningarna, dessa krafter kan vara så stora att lindningarna kolliderar med varandra och i värsta fall går lindningarna sönder. Några intressanta ljudkällor är termisk expansion av kopparen från strömmarna, den radiella kraften på spolen och den axiella kraften på spolen. Simuleringar gjordes i Comsol Multiphysics för att se hur strömmar och krafterna beter sig i transformator lindningarna. En mikrofonkrets byggdes och testades för att se om den kunde detektera ljudet från kollisionerna i spolen. Två olika mikrofontyper och två olika förstärkartyper testades för att se vilka som passade bäst för experimenten. Mikrofonkretsen användes för att spela in ljudet från spolarna. Experimenten gjordes med med hjälp av en kondensatorbank som genererar en strömpuls genom de olika lindningarna/spolarna och ljudet från spolarnas kompression var inspelade av mikrofonkretsen som var inkopplad till ett oscilloskop. Strömpulsen var sparad på datorn med programmet Picoscope. Kondensatorbanken var uppladdad med olika spänningar för att få strömpulser med olika amplituder. Experimenten gjordes på fyra olika spolar, en två varvs spole, en 19 varvs spole, en 40 varvs tätlindad spole och en deformerad 19 varvs spole, för att se om det var skillnad mellan kollisionerna. Ljud uppstod vid en strömpuls med amplituden 2 kA och permanent deformation uppstod vid 4.5 kA. Frekvensinnehållet från kollisionen befann sig inom det hörbara spektrumet. Det fanns möjligen frekvenser över 20 kHz, men mikrofonen hade en bandbredd mellan 20-20000 Hz vilket begränsar de upptagna frekvenserna