Rechner für Feuchtigkeit im Öl: ppm, relative Sättigung und Bewertung nach IEC 60422
Rechnen Sie den Wassergehalt eines Öls bei beliebiger Temperatur zwischen mg/kg und relativer Sättigung um, ermitteln Sie, wann freies Wasser auftreten würde, und bewerten Sie das Öl nach IEC 60422.
Wasser im Mineralöl: ppm, relative Sättigung und Sättigungstemperatur
Rechnen Sie den Wassergehalt zwischen mg/kg (ppm) und relativer Sättigung bei Öltemperatur um, prüfen Sie, bei welcher Temperatur dasselbe Wasser das Öl sättigen würde, und bewerten Sie das Öl nach der Zustandstabelle der IEC 60422.
Ergebnis
Bewertung nach IEC 60422
| Prüfung | Wert | Gut | Mäßig | Schlecht | Zustand |
|---|
Grenzwerte der Zustandstabelle der IEC 60422:2013 (4. Ausgabe), wie CIGRE sie wiedergibt (Wang et al., 2015): Wasser bei Betriebstemperatur; Grenzflächenspannung für nicht inhibiertes Öl; Verlustfaktor und spezifischer Widerstand unterscheiden nur über und unter 170 kV. Die Grenzen jedes Bereichs zählen als mäßig. Ausgabe 5.0 (2024) hat die Eingriffswerte überarbeitet und Kategorie O in A aufgehen lassen: Für ein vertragliches Kriterium die geltende Ausgabe prüfen.
Wasserlöslichkeit in neuem Mineralöl (Oommen-Kurve): log₁₀(Ws) = 7,0895 − 1567/T, mit T in Kelvin und Ws in mg/kg. Mit dieser Kurve rechnet CIGRE gemessenes Wasser in relative Sättigung um. Gealtertes oder oxidiertes Öl löst mehr Wasser, die hier gezeigte Sättigung ist daher konservativ.
Die Schwellen der relativen Sättigung (5, 20 und 30 %) entsprechen der üblichen Instandhaltungspraxis, nicht einer Normvorgabe. Das normative Kriterium, in mg/kg und nach Spannungsklasse, ist die IEC-60422-Bewertung oben.
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Was dieser Rechner leistet
Er rechnet den Wassergehalt eines Mineralöls bei der angegebenen Temperatur zwischen Milligramm pro Kilogramm (dem Ergebnis einer Karl-Fischer-Titration) und relativer Sättigung in Prozent (dem Messwert einer kapazitiven Online-Sonde) um. Er berechnet zwei Größen, die fast nie im Prüfbericht stehen: die Löslichkeit des Öls bei dieser Temperatur und die Sättigungstemperatur, unterhalb derer dasselbe Wasser als freies Wasser aufzutreten beginnt. Außerdem bewertet er das Öl anhand der Zustandstabelle von IEC 60422 als gut, mäßig oder schlecht – für das Wasser und für die übrigen fünf Routineprüfungen, deren Werte eingegeben werden.
Warum ppm-Werte täuschen
Das im Öl gelöste Wasser ist nicht wegen seiner absoluten Menge von Bedeutung, sondern dadurch, wie nahe es das Öl an die Sättigung bringt. Und die Löslichkeit hängt äußerst stark von der Temperatur ab. Für neues Mineralöl gilt:
log₁₀(Ws) = 7,0895 − 1567 / T
mit T in Kelvin und Ws in mg/kg. Dies ist die Oommen-Kurve, die CIGRE verwendet, um gemessenes Wasser in relative Sättigung umzurechnen. Sie ergibt etwa 55 mg/kg bei 20 °C, 243 bei 60 °C und 449 bei 80 °C.
Die praktische Konsequenz: Eine Analyse mit 25 mg/kg, entnommen bei warmem Transformator, wirkt beruhigend – 10 % Sättigung bei 60 °C –, doch dasselbe Wasser liegt bei 45 % Sättigung, wenn die Maschine auf 20 °C abkühlt. Deshalb ist eine Probe ohne notierte Öltemperatur wenig aussagekräftig, und deshalb liefern Online-Sonden die relative Sättigung und nicht ppm.
Die Formel gilt für neues Mineralöl. Ein gealtertes oder oxidiertes Öl löst mehr Wasser, sodass die tatsächliche Sättigung etwas niedriger wäre als der hier errechnete Wert: Das Ergebnis liegt auf der sicheren Seite.
Die Sättigungstemperatur
Sie ist die nützlichste Zahl dieses Rechners und diejenige, die selten berechnet wird. Ausgehend vom gemessenen Wassergehalt gibt sie an, bei welcher Temperatur dieses Öl 100 % Sättigung erreichen würde. Unterhalb davon kann freies Wasser auftreten – das ist es, was die Durchschlagfestigkeit tatsächlich einbrechen lässt und Ausfälle beim Kaltstart oder nach einem längeren Stillstand im Winter verursacht.
Ein Transformator mit 40 mg/kg erreicht die Sättigung bei etwa 12 °C. Steht er in einem Raum, dessen Temperatur darunter fällt, ist das Risiko nicht theoretisch.
Bewertung nach IEC 60422
IEC 60422 ist der Leitfaden für die Überwachung und Wartung von Mineralölen in elektrischen Betriebsmitteln. Ihre Zustandstabelle verteilt in der Ausgabe 2013 sechs Routineprüfungen auf drei Zustände und drei Spannungsklassen:
| Prüfung | Spannung | Gut | Mäßig | Schlecht |
|---|---|---|---|---|
| Wasser (mg/kg bei Betriebstemperatur) | > 170 kV | < 15 | 15 – 20 | > 20 |
| 72,5 – 170 kV | < 20 | 20 – 30 | > 30 | |
| ≤ 72,5 kV | < 30 | 30 – 40 | > 40 | |
| Durchschlagspannung (kV, 2,5 mm) | > 170 kV | > 60 | 50 – 60 | < 50 |
| 72,5 – 170 kV | > 50 | 40 – 50 | < 40 | |
| ≤ 72,5 kV | > 40 | 30 – 40 | < 30 | |
| Säurezahl (mg KOH/g) | > 170 kV | < 0,1 | 0,1 – 0,15 | > 0,15 |
| 72,5 – 170 kV | < 0,1 | 0,1 – 0,2 | > 0,2 | |
| ≤ 72,5 kV | < 0,15 | 0,15 – 0,3 | > 0,3 | |
| Verlustfaktor (90 °C, 40–60 Hz) | > 170 kV | < 0,1 | 0,1 – 0,2 | > 0,2 |
| ≤ 170 kV | < 0,1 | 0,1 – 0,5 | > 0,5 | |
| Spezifischer Widerstand (GΩ·m, 90 °C) | > 170 kV | > 10 | 3 – 10 | < 3 |
| ≤ 170 kV | > 3 | 0,2 – 3 | < 0,2 | |
| Grenzflächenspannung (mN/m, nicht inhibiert) | alle | > 25 | 20 – 25 | < 20 |
Quelle: IEC 60422:2013, wiedergegeben bei Wang et al., „Ageing Assessment of Transformers through Oil Test Database Analyses and Alternative Diagnostic Techniques“, CIGRE SC A2 Colloquium 2015, Tabelle 1. Die Spannungsklassen entsprechen den Betriebsmittelkategorien der Norm: O, A und D über 170 kV; B und E zwischen 72,5 und 170 kV; C bis 72,5 kV.
Bedeutung der einzelnen Zustände: gut – Probenahme und Prüfungen im üblichen Intervall genügen; mäßig – die Verschlechterung ist bereits nachweisbar, und es empfiehlt sich, häufiger zu prüfen; schlecht – es liegt eine abnormale Verschlechterung vor, und eine Korrekturmaßnahme wie Trocknung, Aufbereitung oder Regenerierung des Öls ist in Betracht zu ziehen. Der Rechner bewertet nur die ausgefüllten Prüfungen und fasst das Ergebnis mit der ungünstigsten davon zusammen. Ein Wert genau an der Grenze eines Intervalls gilt als mäßig.
Zwei Vorbehalte. Der Grenzwert für Wasser gilt bei Betriebstemperatur: Eine kalt oder warm entnommene Probe lässt sich nicht direkt damit vergleichen, und genau hier hilft die relative Sättigung. Außerdem gibt es eine Ausgabe 5.0 von 2024, die die Eingriffsgrenzwerte aller Prüfungen überarbeitet und die Kategorie O mit A zusammengelegt hat; für ein vertragliches Kriterium sind die Werte in der gültigen Ausgabe zu prüfen.
Berechnungsbeispiel
Es handelt sich um den von CIGRE veröffentlichten Betriebsfall (Tabelle 3 desselben Artikels): Transformator mit 15 Jahren Betriebszeit, Probe mit 21,5 mg/kg, entnommen bei 57 °C Öltemperatur, Durchschlagspannung 57 kV. Diese Werte sind beim Öffnen des Rechners voreingestellt.
- Löslichkeit bei 57 °C: 220 mg/kg → Sättigung 9,8 %: mäßige Feuchtigkeit.
- Löslichkeit bei 20 °C: 55,5 mg/kg → Sättigung 38,8 %: Kühlt die Einheit ab, ist das Öl sehr feucht.
- Sättigungstemperatur: −1,0 °C.
CIGRE gibt 38,7 % und 9,7 % an; der Unterschied beruht lediglich auf Rundung. Die dortige Schlussfolgerung ist dieselbe, die das Werkzeug zeigt: Im Labor bei 20 °C gemessen, erscheint das Öl wesentlich feuchter, als es in der Maschine ist.
Mit der Bewertung nach IEC 60422: In einem Transformator über 170 kV sind die 21,5 mg/kg schlecht (die Grenze liegt bei 20) und die 57 kV mäßig; zwischen 72,5 und 170 kV wird das Wasser mäßig und die Durchschlagspannung gut; bis 72,5 kV sind beide gut. Dasselbe Öl wechselt seinen Zustand je nach der Maschine, in der es sich befindet.
Was dieser Rechner nicht leistet
Er sagt nicht, wie viel Wasser sich im Papier befindet – dort sitzt der größte Teil, und dieses Wasser gilt es zu trocknen. Das Gleichgewicht zwischen Papier und Öl stellt sich erst nach Tagen oder Wochen ein und hängt von der Temperatur und der Lastgeschichte ab; die Papierfeuchte aus einer einzigen Ölprobe abzuschätzen ist daher wenig verlässlich. Ebenso wenig korrigiert er die Durchschlagspannung nach der Temperatur: Der CIGRE-Artikel korrigiert sie ausgehend von der Sättigung von 57 auf 78 kV bei 57 °C, jedoch mit einer Beziehung zwischen Sättigung und Durchschlag, die der Artikel nicht näher erläutert. Er deckt weder Ester noch Silikonöle ab, deren Löslichkeit und Grenzwerte anders sind, noch die Kategorien für Stufenschalter und Leistungsschalter in IEC 60422, und er ersetzt nicht den Laborbericht.
Womit gemessen wird
Der Wassergehalt wird im Labor durch Karl-Fischer-Titration bestimmt, die relative Sättigung mit kapazitiven Sonden, die im Ölkreislauf installiert sind – so lässt sich der Verlauf verfolgen statt nur eine Momentaufnahme. Der Analysator für Isolieröl und die übrigen Messgeräte für Öl decken den Prüfteil ab, Trocknung und Entgasung den Behandlungsteil. Ist das Öl feucht, empfiehlt es sich, auch die Analyse gelöster Gase heranzuziehen: Der Abbau des Papiers hinterlässt Spuren im CO und CO2.
Häufige Fragen
- Warum sind zwei Öle mit gleichem Wassergehalt in ppm nicht gleich feucht?
- Weil nicht das Wasser in absoluten Zahlen die Isolierung schädigt, sondern die Nähe des Öls zu seiner Sättigung, und die Löslichkeit hängt sehr stark von der Temperatur ab: etwa 55 mg/kg bei 20 °C gegenüber etwa 243 bei 60 °C. Zwanzig mg/kg entsprechen in einem kalten Öl 36 % Sättigung und in einem Öl bei Betriebstemperatur kaum mehr als 8 %.
- Welche relative Sättigung ist akzeptabel?
- Die verbreitetste Instandhaltungspraxis betrachtet ein Öl unter 5 % als trocken, zwischen 5 % und 20 % als mäßig feucht, zwischen 20 % und 30 % als feucht und über 30 % als sehr feucht. Das normative Kriterium ist ein anderes: IEC 60422 legt Grenzwerte in mg/kg bei Betriebstemperatur je nach Spannungsklasse fest, und der Rechner wendet sie in seinem Bewertungsblock an.
- Welche Grenzwerte für Wasser nennt IEC 60422?
- In der Zustandstabelle der Ausgabe 2013 ist das Öl über 170 kV mit weniger als 15 mg/kg gut, zwischen 15 und 20 mäßig und über 20 schlecht; zwischen 72,5 und 170 kV liegen die Grenzen bei 20 und 30 mg/kg, bis 72,5 kV bei 30 und 40 mg/kg. Es handelt sich um Werte bei Betriebstemperatur des Betriebsmittels. Die Ausgabe 5.0 von 2024 hat die Eingriffsgrenzwerte überarbeitet; für ein vertragliches Kriterium ist daher die gültige Ausgabe heranzuziehen.
- Woher stammt das Wasser in einem Transformator?
- Aus drei Quellen: Wasser, das aus der Umgebung über Dichtungen, Entlüftungen oder bei einem Eingriff eindringt; Wasser, das das Isolierpapier bei der Alterung freisetzt, da beim Abbau der Zellulose Wasser entsteht; und Wasser, das seit der Herstellung oder der letzten Behandlung im Inneren verblieben ist. Der größte Teil des Wassers in einem Transformator befindet sich im Papier, nicht im Öl: Das Öl zeigt nur den Anteil, der mit ihm im Gleichgewicht steht.