Kurzfassung:
Analyse gelöster Gase, Prognose, Aufbereitung und Austausch Energiesysteme und Transformatoren sind wesentliche Betriebsmittel; ihre Verlässlichkeit und ihr sicherer Betrieb sind daher maßgeblich für die Beurteilung ihres Betriebszustands, und die Branche setzt in der Konstruktion ölgefüllter Transformatoren Qualitätsprüfungen ein. Der Einsatz von Prüfgeräten für die Durchschlagfestigkeit beziehungsweise Funkenstreckenprüfgeräten ist deshalb unverzichtbar. Der Einfluss der Alterung auf die Eigenschaften von Transformatorenöl (physikalisch, chemisch und elektrisch) wurde mit den internationalen Analyseverfahren zur Beurteilung der Transformatorenölqualität untersucht. Die Untersuchung erfolgte an sechs im Feld betriebenen Transformatoren mit Beobachtungszeiträumen von mehr als zwanzig Jahren. Die stark zeitabhängigen Eigenschaften wurden benannt und jene bestimmt, die den größten Einfluss auf Ölsäurezahl, Durchschlagspannung und Analyse gelöster Gase haben. Mehrere Prüfungen am Transformatorenöl wurden untersucht, um den Zeitpunkt für Aufbereitung oder Austausch zu ermitteln und darüber hinaus die Eigenschaften unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu prognostizieren.
I. Einleitung
Leistungstransformatoren sind sehr wichtige, kostenintensive Betriebsmittel in der Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Ihr optimales Verhalten ist für die elektrischen Betriebssysteme wichtig, denn der Verlust einer kritischen Einheit kann Sicherheit, Verlässlichkeit und Kosten der Stromversorgung erheblich beeinträchtigen. Leistungstransformatoren dienen dazu, die Spannung hoch- oder herunterzusetzen, und sind eine Schlüsselkomponente jedes wirtschaftlichen Verteilnetzes. Ein typischer Transformator besteht aus Spulen aus leitendem Draht, die um einen Kern gewickelt und mit einer Isolierpapierstütze umschlossen sind. Ein wesentlicher Teil der Funktion dieser Betriebsmittel sind die Transformatorenöle, die zwei Aufgaben erfüllen: die elektrische Isolierung und die Wärmeabfuhr.
Leider gibt es Fälle, in denen Transformatoren ausfallen, was für den Energieversorger hohe Kosten bedeutet und im Extremfall zu Explosionen führen kann – mit der Gefahr schwerer Verletzungen für die Beschäftigten und mit erheblichen Umweltauswirkungen. Leistungstransformatoren gehören zu den wertvollsten und wichtigsten Elementen elektrischer Energiesysteme. Die Alterung des Isolationssystems verringert sowohl die mechanische Festigkeit als auch die Durchschlagfestigkeit des Transformators. Ein gealterter Transformator ist Fehlern ausgesetzt, die hohe radiale und Druckkräfte hervorrufen.
Bei einem Fehler an einem gealterten Transformator verschlechtert sich die Leiterisolierung in der Regel bis zu dem Punkt, an dem sie die durch den Fehler verursachten mechanischen Beanspruchungen nicht mehr aufnehmen kann. Lebensdauer und Alter des Transformators werden gewöhnlich mit dem Abbau der Isolierung in Verbindung gebracht, der vor allem durch die thermische Beanspruchung der Papierisolierung und deren elektrochemische Zersetzung verursacht wird. Die bekannte Lebensdauer eines Transformators beruht auf einem Parameter, der für normalen Betrieb und normale Klimabedingungen ausgelegt ist. Die Alterung hängt nicht nur von der Belastung ab, sondern auch von der Papiersorte, der Zusammensetzung des Zellstoffs, dem Feuchte- und Sauerstoffgehalt sowie vom Säuregrad der Isolierflüssigkeit.
Die Isolierung ist die Hauptkomponente und spielt für die zu erwartende Lebensdauer des Transformators eine wichtige Rolle. Das Öl unterliegt einer fortlaufenden Verschlechterung und einem fortlaufenden Abbau durch die dauerhafte Einwirkung der thermischen Beanspruchungen des elektrischen Betriebs, den thermischen Lastzyklus und die Klimabedingungen. Das kann für das elektrische Betriebsmittel und die Anlage gefährlich werden. Die fortlaufende Überwachung der Isoliereigenschaften des Öls ist zu einer wichtigen Aufgabe geworden, um zu verhindern, dass sich das Öl unter Betriebsbedingungen verschlechtert. In den letzten Jahren wurden mehrere Anstrengungen unternommen, die elektrischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften von Isolierölen zu untersuchen. Die tägliche vorbeugende Instandhaltung eines Öltransformators besteht darin, Ölstände und Temperaturen zu erfassen, den Jahresmittelwert der Ölproben zu führen und Proben zu entnehmen, um die physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften zu prüfen. Die Ölanalysen umfassen Dichte, kinematische Viskosität, Flammpunkt, Gesamtsäurezahl, Feuchte, Durchschlagspannung und gelöste Gase. Das ist die Zustandsüberwachung des Transformatorenöls.
Zu diesen Anstrengungen gehört eine Charakterisierung frischer und gealterter natürlicher Öle. Dieses Feld steht der Untersuchung des Einflusses der Betriebsdauer auf die Eigenschaften von Transformatorenöl weiterhin offen. Die verschiedenen Ölprüfungen an den untersuchten Transformatoren erlauben es zu erkennen, wann aufzubereiten und wann auszutauschen ist, und die Alterung unter den unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu prognostizieren.
II. Versuchsdurchführung
Das verlässliche Verhalten von isolierendem Mineralöl in einem Isolationssystem hängt von bestimmten Eigenschaften des Grundöls ab, die das Gesamtverhalten des elektrischen Betriebsmittels beeinflussen können. Um seine vielfältigen Aufgaben als Dielektrikum, als Wärmeträger und bei der Lichtbogenlöschung zu erfüllen, muss das Öl die erforderlichen Grundeigenschaften besitzen. Öl im Betrieb weist sehr unterschiedliche Grade des Abbaus und der Verunreinigung auf. Mineralöl im Betrieb unterliegt Veränderungen durch die Einsatzbedingungen. In vielen Anwendungen steht das Isolieröl in Kontakt mit Luft und unterliegt damit Oxidationsreaktionen, die durch hohe Temperaturen und die Anwesenheit von Metallen, Metallverbindungen, metallorganischen Verbindungen oder beidem als Oxidationsmittel beschleunigt werden.
Es gibt eine große Zahl von Prüfungen, die auf das mit dem Betriebsmittel gelieferte Öl oder auf das Öl von Geräten im Betrieb angewendet werden können; die folgenden Prüfungen gelten jedoch als ausreichend, um zu bestimmen, ob der Zustand des Öls einen weiteren Betrieb zulässt, und um die erforderliche Art der Abhilfe vorzuschlagen. Im Allgemeinen gibt es keine einzelne Untersuchung, die allein als Kriterium für den Zustand der Ölprobe dienen kann.
Die Zustandsbeurteilung sollte vorzugsweise auf der Bestimmung der maßgeblichen charakteristischen Verbindungen in geeignet ausgerüsteten Laboratorien beruhen. Die Versuche werden an Transformatorenölen durchgeführt, um deren elektrische, physikalische und chemische Eigenschaften experimentell zu bestimmen. Die beschriebenen Prüfungen wurden bei Central Laboratories, Egyptian Electricity Holding Company, Ministry of Electricity and Energy durchgeführt. Zur Untersuchung der Eigenschaften über die Nutzungsdauer des Öls wurden sechs Transformatoren mit Ölprüfmustern verwendet. Die Ölproben wurden den verschiedenen Transformatoren entnommen, die im Kraftwerk Cairo South in Betrieb waren. Die Proben stammten aus Transformatoren, die seit mehreren Jahren mit unterschiedlichen Belastungen und Betriebsbedingungen arbeiteten.
Die am Transformatorenöl durchgeführten Prüfungen umfassten: Durchschlagspannung, Gesamtsäurezahl, Flammpunkt, Dichte und kinematische Viskosität. Die in den Prüfungen verwendeten Fälle von Transformatorenöl waren:
- Das Öl der Transformatoren (1 und 5) ist neu (frisch).
- Das Öl der Transformatoren (3 und 6) ist aufbereitet.
- Das Öl der Transformatoren (2 und 4) ist ausgetauscht
Die Bemessungsdaten dieser Transformatoren sind in Tabelle (1) angegeben. Die Auswirkungen auf die physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften des Transformatorenöls wurden mit den internationalen Analyseverfahren zur Beurteilung der Transformatorenölqualität untersucht.
Die Durchschlagspannung jeder Transformatorenölprobe wurde nach dem Prüfverfahren IEC 156 bestimmt. Die Gesamtsäurezahl einer Ölprobe, angegeben in (mg KOH / g Öl), wurde nach dem in IP 139/64 festgelegten Verfahren bestimmt. Der Flammpunkt der Transformatorenölprobe wurde nach der Norm ASTM D92 bestimmt. Das Analyseverfahren zur Bestimmung der Viskosität des Transformatorenöls (mm ² / s) ist in der Referenz ASTM D445 angegeben.
Die Dichte wurde nach der Norm ASTM 1298 bestimmt. Es gibt mehrere Verfahren zur Auswertung der Analyse gelöster Gase (DGA) an Transformatoren im Betrieb, die in der Norm IEC 60599, [IEEE Guide C57.104], enthalten sind.
III. Versuchsergebnisse und Diskussion
Transformatorenöl altert bei hohen Temperaturen schnell, und Feuchte wirkt als Katalysator dieser Alterung. Im Transformator sind weitere Katalysatoren vorhanden, die für den Abbau des Öls verantwortlich sind: dazu gehören Kupfer, Farbe, Lack und Sauerstoff. Der wichtigste Alterungsmechanismus von Transformatorenöl ist die Oxidation, die zu Säuren und zur Bildung weiterer polarer Verbindungen führt. Diese Oxidationsprodukte wirken sich nachteilig auf die Untersuchung der Abbauvorgänge aus. Wird Transformatorenöl in oxidierender Atmosphäre thermisch und elektrisch beansprucht, verliert es allmählich seine Stabilität und zersetzt sich, oxidiert, wird saurer und beginnt schließlich, Schlamm zu bilden. Das ist der Abbaumechanismus des Öls. Tatsächlich sind die Alterungsmechanismen des Öls komplex.
Im Allgemeinen reagiert Sauerstoff mit bestimmten Kohlenwasserstoffen über einen Radikalprozess, bei dem Hydroperoxide entstehen. Hydroperoxide sind nicht stabil und zerfallen zu Ketonen und Wasser. Die Anwesenheit von Hydroxylgruppen führt zur Bildung von Alkoholen und Phenolen. Die meisten Oxidationsprodukte wirken sich negativ auf die elektrischen Eigenschaften des Öls aus. Die entstehenden Carbonsäuren lösen sich im Öl oder verdampfen. Gelöste Säuren können das Papier und die Kupferwicklungen schädigen, während verdampfte Säuren den oberen Teil der Einheit korrodieren. Damit liegen die für den Abbau des Öls erforderlichen Bedingungen vor. Ein wesentlicher Teil des Ölabbaus geht mehr auf die Luft zurück, die im Gerät mit dem heißen Öl in Kontakt steht, als auf die Ergebnisse der Oxidation beim Abbau des Öls. Heiße Zellulose ist ebenfalls eine Sauerstoffquelle.
Die Versuche werden am Transformatorenöl durchgeführt, um seine elektrischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften experimentell zu klären. Die am Transformatorenöl durchgeführten Prüfungen umfassten: Durchschlagspannung, Gesamtsäurezahl, Flammpunkt, Dichte und kinematische Viskosität.
Die Durchschlagspannung stieg im ersten Zeitraum an und sank dann über lange Zeiträume ab. Unter normalen Betriebsbedingungen wird die Durchschlagspannung wegen Oxidation und Verunreinigung ihren kleinsten Wert erreichen. Verunreinigungen finden sich häufig in Transformatorenölen, die Wasser und Partikel enthalten; diese Verunreinigungen mindern die Isoliereigenschaften des Transformatorenöls.
Die Abnahme der Durchschlagspannung durch lange Betriebszeiten erhöht den Anteil einiger unreiner Partikel; dadurch steigt die Feuchte und das Öl wird inhomogen. In der Folge sinkt die Festigkeit des Transformatorenöls, was den Höchstwert seiner Durchschlagspannung verringert. Stille Entladungen und konzentrierte Stromflüsse führen zur Bildung von Wasser, Säuren und Wasserstoff. Lichtbogenentladungen und die Flüssigkeiten begünstigen die Bildung von Kohlenstoffpartikeln, Wachs und Gasen wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Acetylen und Säuren – durch Oxidation und Entladungen sowie durch Eisen und Kupfer in der Flüssigkeit –, was zur Verringerung der elektrischen Festigkeit führt.
Weitere Informationen im Bereich Prüfgeräte für Transformatoren / Prüfgerät für Durchschlagfestigkeit - Funkenstreckenprüfgerät Portatest