Ein Transformator hat kein einzelnes wichtigstes Bauteil: Er ist ein Verbund von Teilsystemen, und ein Ausfall in einem davon nimmt ihn vom Netz. Dieses Video fasst 42 technische Webinare zu Temperatur, Gasen, Feuchtigkeit, Durchführungen, Stufenschaltern und Durchgangskurzschlüssen zusammen: was jede Messung aussagt und was es kostet, sie zu ignorieren.
Das Wichtigste
- Der Heißpunkt der Wicklung wird berechnet, nicht gemessen, und nach dem IEC-Belastungsleitfaden verdoppelt jede Erhöhung um 6 °C über 98 °C die Alterungsrate des Papiers.
- Jede Fehlertemperatur erzeugt ihr eigenes Gas; Wasserstoff, das am schlechtesten lösliche Gas, tritt als erstes auf.
- Fast das gesamte Wasser befindet sich im Papier, nicht im Öl, und was im Öl sichtbar wird, hängt von der Temperatur ab.
- Ein Durchführungsausfall tritt plötzlich auf und endet in etwa der Hälfte der Fälle mit einem Brand; die Online-Überwachung beruht darauf, dass sich drei intakte Ströme gegenseitig aufheben.
- Der Stufenschalter ist das einzige bewegliche Teil: Die Energie, die sein Motor bei jedem Stufenwechsel aufnimmt, bildet den Mechanismus ab.
Nur so gut wie sein schwächstes Teilsystem
Ein Transformator besteht aus vielen Teilsystemen, nicht aus einer einzigen Maschine, und ein Ausfall in jedem von ihnen kann die Einheit vom Netz nehmen. Sein Zustand ist nur so gut wie sein schwächstes Teilsystem, daher bleibt ein Überwachungsgerät, das eine Sache gut beobachtet, dennoch blind. Je mehr Fehlerarten abgedeckt sind, desto größer ist das Vertrauen in das Urteil.
Der Heißpunkt bestimmt die Lebenserwartung
Die Messgröße, die die Lebensdauer der Einheit bestimmt, ist der Heißpunkt (Hotspot) der Wicklung, und kein Fühler im Öl erreicht ihn. Er wird aus drei Größen ermittelt: der im Öl gemessenen Öltemperatur oben, dem über die Stromwandler gemessenen Laststrom und dem Wicklungsgradienten aus der Erwärmungsprüfung. Die Sitzungen zeigen deutlich, wie falsch die alten Thermometer liegen können: In einem Fall zeigte bei einer Einheit, die drei Monate in Betrieb war, das Wicklungsthermometer 50 °C, während das Ölthermometer 65 °C anzeigte.
Die Kosten einer Fehleinschätzung sind nicht linear. Nach dem IEC-Belastungsleitfaden altert der Transformator bei konstant 98 °C um ein Jahr pro Jahr; bei 110 °C mit der vierfachen Rate; bei 128 °C mit der zweiunddreißigfachen, sodass aus zwei Stunden zweieinhalb Tage werden. Selbst unter 50 °C gibt es eine Mindestalterungsrate von etwa einem Tag pro Jahr. Direkt messende faseroptische Fühler sind heute gängige Praxis.
Gelöste Gase: jedes Gas steht für eine Temperatur
Das Gas ist die zweite Säule, und die Sitzungen behandeln es wie ein Thermometer: Das auftretende Gas zeigt, wie heiß der Fehler ist.
| Fehlertemperatur | Charakteristisches Gas |
|---|---|
| Über 150 °C | Wasserstoff und Methan |
| Über 250 °C | Ethan |
| Über 350 °C | Ethylen |
| Über 500 °C | Acetylen: Lichtbögen |
| CO und CO₂ | das Papier, nicht das Öl |
| Ein sinkendes CO₂/CO-Verhältnis | die Zellulose baut sich ab |
Wasserstoff tritt bei jedem thermischen Zustand auf, und genau das macht einen Ein-Gas-Monitor zu einem nützlichen Rauchmelder, auch wenn er den Fehler nicht benennen kann.
Warum zuerst Wasserstoff
Wasserstoff ist das am schlechtesten lösliche der diagnostischen Gase, daher verlässt er das Öl und sammelt sich im Gasraum, im Normalbetrieb im Verhältnis von etwa 20 zu 1 gegenüber der gelösten Konzentration. Seine Verteilung im Öl ist ungleichmäßig und hängt von der Umwälzung ab, weshalb eine Einzelprobe täuschen kann, ein Trend dagegen nicht. Den Alarm nach der Änderungsrate beurteilen, nicht nach dem absoluten Wert: Hoher Wasserstoff in kurzer Zeit bedeutet in der Regel aktive Lichtbögen.
Feuchtigkeit: das Wasser steckt im Papier, das Öl meldet es nur
Das ist das Thema, auf das die Sitzungen am häufigsten zurückkommen. In einem 50-MVA-Transformator mit 1,5 % Wasser im Papier befindet sich fast das gesamte Wasser im Papier, und wie viel davon im Öl erscheint, hängt ausschließlich von der Temperatur ab:
| Öltemperatur | Wasser im Öl | Wasser im Papier | Messwert im Öl |
|---|---|---|---|
| 20 °C | 0,10 kg | 15,84 kg | 10 ppm |
| 40 °C | 0,21 kg | 15,73 kg | 20 ppm |
| 60 °C | 0,52 kg | 15,43 kg | 49 ppm |
| 80 °C | 1,45 kg | 14,49 kg | 137 ppm |
Derselbe Transformator, dasselbe Wasser: zehn ppm oder hundertsiebenunddreißig, je nachdem, wann die Probe genommen wurde. Und die Feuchte im Papier bestimmt drei praktische Grenzen: die Blasenbildungstemperatur (die eigentliche Grenze dafür, wie weit man überlasten kann), die Durchschlagfestigkeit der Barrieren am unteren Ende der Wicklung und die Alterungsrate der Wicklungsisolierung selbst. Die relative Sättigung online verfolgt sie kontinuierlich und korrigiert die Temperatur; ein ppm-Wert aus dem Labor allein lässt sich in einem Verteilungsmodell nicht verwenden.
Durchführungen: plötzlich, und sie reißen den Transformator mit
Durchführungen nehmen sechs der 42 Sitzungen ein, wegen der Schwere der Folgen. Etwa die Hälfte der Durchführungsausfälle verursacht einen Brand, der den Transformator zerstört; rund 80 % treten nach zehn bis zwölf Betriebsjahren auf; die empfohlene Offline-Prüfung erfolgt alle vier bis fünf Jahre, und die Ereignisse geschehen zwischen diesen Prüfungen.
Die Online-Messung funktioniert dank der Bauweise der Durchführung selbst. Kapazitive Beläge teilen die Spannung gleichmäßig auf; C1 ist die Kapazität vom Mittelleiter zum Messanschluss, diejenige, die altert, und C2 reicht vom Messanschluss gegen Erde und ist erst dann im Stromkreis, wenn der Messanschluss überwacht wird. Der Messanschluss war immer vorhanden, normalerweise einfach mit Erde verschraubt. Der tan delta steigt mit Feuchtigkeit und mit Temperatur.
Das Überwachungsgerät achtet auf das Gleichgewicht. Drei intakte Phasen erzeugen drei Ströme, die sich aufheben; ein Defekt verändert Betrag und Winkel einer Phase, und die Summe ist nicht mehr null. Aus dem Ungleichgewicht ergeben sich Verlustfaktor und Kapazität. Trockene, intakte Isolierung weist nahezu keine Temperaturabhängigkeit auf; verunreinigte Isolierung dagegen schon, und zwar stark. Der Haken: Zersetzungsprodukte sind leitfähig und lagern sich an der Innenseite des unteren Porzellans ab, wo eine Offline-Prüfung mit 10 kV womöglich nicht genug Spannung liefert, um Verunreinigungen zu erkennen, die bei Bemessungsspannung deutlich sichtbar sind.
Der Laststufenschalter: das einzige Teil, das sich bewegt
Die Ausfallstatistik eines großen Netzbetreibers verdeutlicht das. Überschläge im Stufenschalter waren die größte einzelne Kategorie, und in 14 dieser 28 Fälle wurde anschließend eine Wicklung zerstört. Mechanisches Versagen des Stufenschalters führte zu weiteren Wicklungsausfällen, ebenso Überhitzung von Verbindungen, Verunreinigungen und Heißpunkte an Verbindungen – all das entwickelt sich in einem Raum, den niemand öffnet.
Es gibt vier Zugänge, ohne Abschaltung: die Motorenergie (Joule pro Stufenwechsel), die Temperaturdifferenz zwischen dem Schalterraum und dem Hauptkessel, Stufenzähler je Stellung statt nur einer Gesamtzahl und die DGA im Schalterraum, mit Verhältnissen, die den Fehler benennen. Am raffiniertesten ist die Motorenergie: Die meisten mechanischen Probleme im Antrieb verändern die Leistung, die der Motor aufnimmt, sodass die Joule pro Stufenwechsel zu einem Abbild des Gestänges, der Getriebe und der Schmierung werden.
Schäden, die sich von außen aufsummieren
Zwei weitere Beanspruchungen kommen von außerhalb des Transformators. Lange Durchgangskurzschlüsse steigern die thermische Degradation exponentiell; gealterte Isolierung verliert an Volumen, und die Wicklung verliert an Pressung; weniger Pressung bedeutet mehr Verschiebung und beim nächsten Mal weniger Festigkeit. Und geomagnetische Störungen sättigen den Kern teilweise und erzeugen Oberschwingungen, deren verräterisches Merkmal geradzahlige Oberschwingungen sind, die über die ungeradzahligen ansteigen.
Worauf die 42 Sitzungen immer wieder zurückkommen
- Der Heißpunkt bestimmt die Lebensdauer, und er wird berechnet, nicht gemessen.
- Das Gas benennt die Temperatur eines Fehlers; die Änderungsrate benennt die Dringlichkeit.
- Das Wasser steckt im Papier; ein ppm-Wert im Öl ohne die zugehörige Temperatur ist keine Messung.
- Durchführungen und Stufenschalter fallen plötzlich aus, und beide lassen sich im Betrieb überwachen.
- Identische Einheiten im Parallelbetrieb verhalten sich unterschiedlich. Jede als Einzelfall behandeln.
Passende Geräte
Dynamic Ratings deckt diese Teilsysteme mit dem Transformatormonitor E3, dem elektronischen Temperaturmonitor B100 und dem Durchführungsmonitor C50 ab; der GRIDSCAN5000 misst gelösten Wasserstoff kontinuierlich. Das übrige Sortiment finden Sie unter Prüfung und Überwachung von Transformatoren. Wenn Sie Ihre Flotte besprechen möchten, kontaktieren Sie unsere Ingenieure.