~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~tt~t~~~~~~~~~~~~~ ~~ ~~ ~~ ~ ~ ~~~~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ : ~ : ~Energietechnik • Transformatoren
Neben seinen hervorragenden Eigenschaften als Dielektrikum und Kühlmedium ermöglicht Mineralöl bei entsprechender, regelmässig durchgeführter Kontrolle seinesphysikalischen und chemischen Zustandes Einblicke in das «Innenleben» des Transformators. Speziell die im Öl gelösten Abbau- oder Zersetzungsprodukte geben wichtigeHinweise auf mögliche Schwachstellen im Inneren des aktiven Teils, lange bevorgrössere Folgeschäden eintreten. Neben den klassischen, auf die Ölqualität bezogenen dielektrisch-chemischen Prüfungen spielen die gas- und flüssigchromatographischen Untersuchungen dabei eine herausragende Rolle.
Die Betriebsüberwachungvon TransformatorenUntersuchungen des Isolieröls als unentbehrliches Hilfsmittel in der Diagnostik
Adresse des AutorsHans-Josef Knab, Dip!. Phys, Dr. rer. nat.Leiter des Labors für ör. undGasanalysenABB Unifer AG. 540I BadenDer Autorist Mitglied mehrerer Arbeitsgruppen derCigre WG 15-0l sowie Delegierter des SEVin verschiedenen Task-forces des TC 10der lEe.
Bulletin SEVIYSE 21/96
• Hans-Josef Knab
Die Verwendung mineralischer Öle alsIsoliermedium ist so alt wie die Hochspannungstechnik selbst. Ging es früher darum,durch Imprägnierung der festen Isoliersysteme und Auffüllen aller leeren Räumefür eine Homogenisierung des elektrischenFeldes zu sorgen,so wurde mitder steigenden Leistungsdichte moderner Apparatedie zuverlässige Abführung der Verlustwärme aus dem Inneren des Aktivteilsimmer wichtiger. Die wichtigsten Kriterien für eine moderne Isolierflüssigkeitsind heute also:
- gute dielektrische Eigenschaften (d. h.hohe Durchschlagsfestigkeit, niedrigerVerlustfaktor)
- hohe thermische und Oxidationsstabilität
- auch bei Wintertemperaturen ausreichend niedrige Viskosität zur schnellenAbführung der unvermeidbaren Verlustwärme
- hoher Flammpunkt (zur Herabsetzungder Brandgefahr)
- möglichst geringe Schädlichkeit für denMenschen und seine Umwelt
- leichte, umweltverträgliche Entsorgbarkeit oder - noch besser - Wiederverwendbarkeit
- niedriger Einstandspreis
Mineralöl als Isoliermedium
Isolierflüssigkeiten auf Mineralölbasisvermögen alle diese Kriterien weitgehend,wie praktisch keine andere, zu erfüllen.Die heutigen mineralischen Isolieröle sindhoch raffinierte Petroleumdestillate unterschiedlicher Zusammensetzung mit einemSiedebereich von ungefähr 200 bis 400 °C.Zur Verbesserung ihrer Alterungsstabilitätkönnen ihnen noch bis zu 0,3 MassenProzent eines Oxidationsinhibitors zugesetzt werden. Dazu hat sich das 2,6-Ditertiär-butyl-para-cresol (DBPC) bisher alsam besten geeignet erwiesen.
Anforderungen an ungebrauchteIsolieröle
Die an ein ungebrauchtes Isolieröl zustellenden Mindestanforderungen sind international als lEC-Spezifikation Nr. 296festgelegt, wobei es den Mitgliedsländernfreigestellt ist, noch zusätzliche Forderungen zu stellen, In Tabelle I sind dielEC-Anforderungen den Anforderungengemäss der deutschen DIN-57370 undVDE·0370 gegenübergestellt.
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::::::::::::::~ : ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~{{{fffft~~~~~~~~~~tm~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~U~Betriebsüberwachung
nach DIN-57370 und nach IEC-296VDE-0370,Teil 1
Einheit Klasse A Klasse B Klasse I Klasse 11 Klasse 111
Eigenschaftklar, frei von FeststoffenReinheit (Aussehen) - klar, frei von Feststoffen
KinematischeViskosität bei40 -c - - $16,5 $11 ,0 s 3,520 -c rnrne/s $ 25 $6 - - --15 -c - - $ 800 - --30 -c - - - $ 1800 --40 -c - - - - $150
Flammpunkt oe 2:130 > 100 2: 140 2: 130 2:95
Pourpoint .. oe - - $-30 $-45 $-60(Temperatur, bei der das 01 gerade noch fliesst)
Neutralisationszahl mg KOH/g $ 0,03 $ 0,03
KorrosiverSchwefel - ni c h t anwesend ni c h t anwesend
Durchschlagsspannungbei Lieferung kV - 2:30nach Vorbehandlung 2:50 2:50
DielektrischerVerlustfaktor tg 0bei 90 "C (nach Vorbehandlung) - $ 0 ,005 $ 0,005
OxidationsstabilitätNeutralisationszahl mg KOH/g s 0,30 $ 0,40Schlamm % (Masse) s 0,06 s 0,10
Tabelle I Anforderungenan ungebrauchte,nichtinhibierte Isolieröle
Tabelle 11 Empfohlene Grenzwerte für Isolieröle in Betrieb (Auszug aus lEe 422)
Durchschlagsspannung [kV] min. 50 min. 40 min. 40Dielektrischer Verlustfaktortg 0 bei 90 -c max. 0,2 max. 1,0 max. 0,3Neutral isationszahl [mgKOH/g] max. 0,5 max. 0,5 max. 0,5Grenzfl ächenspannung [mN/mI min. 15 min. 15 min. 15Wassergehalt [mg/kg] max. 20 max.40 max.30
IAufbau: CH3 CH3"- /
H CH3 H H H H-C HI I I I I I I Verzweigt-
H-C-C-C - C - C - (CH2)n - C - C - H kettigesI I I I I I I i-ParaffinH H H H-C-H H H H
ICH3
Zersetzungsprodukte:
H H H H H 11
I I I -, /
H-C-H H-C-C-H C=C H-C=C-H H=HI I I / -,
iliH H H H H
Methan Äthan Äthylen Acetylen Wasserstoff- - .
Transformatorenund Wandlerüber 170-420 kV
Tra nsformatoren Wandl er. von 72,5 bis 170 kV bis 170 kV
vermindern und somit zu thermischerZerstörung der Festisolation führen können.Die Neutralisationszahl (NZ) wird angegeben in mg KOR/g. Dies ist die MengeKaliumhydroxid, die zur Neutralisationeines Gramms des Probeöls benötigt wird.Sie ist ein Mass für den Fortschritt derÖlalterung und somit eine wichtige Kenngrösse.
Bild 1 Aufbau und Zersetzungsprodukte des Isolieröls
menwirken mit anderen Verunreinigungenim Öl zu höheren dielektrischen Verlustenführen. Im weiteren Verlauf der Alterungtreten sie dann zu harzartigen Grossmolekülen zusammen und fallen schliesslichals Schlämme aus. In freien Ölspaltenschwimmend, vermindern sie die Durchschlagsfestigkeit des Öles beträchtlich,während sie nach Ablagerung auf denWicklungsoberflächen die Wärmeabfuhr
Die Überwachung der Isolieröleim Betrieb
Durch Oxidation, thermische Belastungund den Kontakt mit den übrigen Baustoffen des Transformators verändern sich dieEigenschaften des Öles - es altert. Für dieBetriebsüberwachung des Transformatorsist es nun wichtig, die Öleigenschaften, diesich auf die Betriebssicherheit des Transformators negativ auswirken können, zuerfassen. Das sind:
• die Durchschlagsfestigkeit (bestimmtgemäss IEC-Recommendation No. 156)und
• der dielektrische Verlustfaktor tg I) (bestimmt entsprechend IEC-Recommendation No. 247).
Die Bestimmung dieser beiden Grössengibt aber nur den momentanen ZustanddesÖles zum Zeitpunkt der Probenahme wieder. Eine Prognose über die Betriebstüchtigkeit des Transformators während weiterer vier oder fünf Jahre ist aus denErgebnissen dieser beiden Eigenschaftennicht möglich. Dazu müssen Öleigenschaften herangezogen werden, von denenman weiss, wie sich eine weitere Entwicklung dieser Grössen auf die dielektrischenEigenschaften des Öles und mit ihm desgesamten Isolationssystems auswirkenkönnen. Die in diesem Zusammenhangwichtigsten Eigenschaften sollen hier kurzbesprochen werden:
• Die Neutralisationszahl: Das zunächstnur aus Kohlenwasserstoffen (Verbindungen, die nur Kohlenstoff und Wasserstoffenthalten) bestehende Mineralöl wird beiZutritt von Sauerstoff - durch das imTransformator reichlich vorhandene Kupfer beschleunigt - oxidiert, wobei zunächstsaure Produkte entstehen, die im Zusarn-
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~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ttttttI~ff~II~ ~~ ~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ : ~ : ~: : ~: ~ : : : : : : : :: :: :Transformatoren
DieBestimmung im Öl gelösterZersetzungsgase
Die bisher beschriebenen Untersuchungen dienen der analytischen Verfolgungder natürlichen, in einem «gesunden»Transformator bei normalem Betrieb ablaufenden Alterungsprozesse. Korrekturoder Revisionsmassnahmen, deren Notwendigkeiten sich aus der Auswertung dererhaltenen Ergebnisse ableiten lassen, können langfristig geplant und in die Wegegeleitet werden. Örtliche thermische Überbelastungen des Isolationssystems oderdas Vorhandensein von Teilentladungeninnerhalb der Festisolation, die Startpunktzu weiterer Zerstörung sein und schliesslieh zum Ausfall des Transformators führen können, werden auf diese Weise nichterkannt. Mit der routinemässig durchgeführten Untersuchung der imIsolieröl gelösten Gase (Bild I) wurde ein völlig neues
• Die Grenzflachenspannung: Die Grenzflächenspannung ist dagegen ein eher qualitatives, dafür aber sehr sensitives Mass,eine beginnende Ölalterung zu erkennen.Das Messprinzip beruhtdarauf, die infolgeOxidation gebildeten Tenside «<oberfIäehenspannungsaktive Substanzen») qualitativ nachzuweisen. Allerdings rechtfertigteine niedrige Grenzflächenspannung alleinnoch keine übereiligen Sofortmassnahmen,doch hat die Praxis gezeigt, dass sich ineinem solchen Fall die dielektrisch-chemischen Parameter ebenfalls rasch verschlechtern. Insofernreiht sich die Bestimmung der Grenzflächenspannung als einwertvolles Hilfsmittel, das zu erwartendeAlterungsverhalten eines Isolieröls in Betrieb zu charakterisieren, abrundend in dasÜberwachungsspektrum ein.• Der Wassergehalt: Feuchte Fasern odersonstige Partikel führen zu einer dramatischen Absenkung der Durchschlagsfestigkeit. Die Kenntnis des Wassergehaltes imÖl ist daher für die Beurteilung der weiteren Betriebssicherheit des Transformatorsvon grosser Bedeutung. Seine Bestimmung ist jedoch äusserst problematisch,wenn man bedenkt, dass die aus Zellulosebestehende Papier- oder Pressspanisolation im Feuchtigkeitsgleichgewicht mitdem Öl stehend um Grössenordnungenmehr Wasser enthält, als das Öl beigleicher Temperatur in Lösung haltenkann. Eine Wasserbestimmung im Öl istdaher auch dann nur ein beschränktesMass für den Zustand des Isolationssystems, wenn die Probenahme im betriebswarmen Zustand erfolgt , ein Entweichen von Wasserdampf verhindert und dasbeim Erkalten der Probe ausfallende freieWasser bei der Bestimmung des Wassergehaltes mitberücksichtigt wird.• Der lnhibitorgehalt: Bei inhibiertenÖlen ist auch die Bestimmung des Inhibitorgehaltes sinnvoll, wenn man das Ölhinsichtlich seines Oxidationsverhaltensbei Anwesenheit des Inhibitors genaukennt. Die Oxidation eines auf den Inhibitor gut abgestimmten Öls beginnt erst,wenn der Inhibitor bis auf einen kleinenRestgehalt verbraucht worden ist. Beiperiodisch durchgeführten Inhibitorbestimmungen lässt sich dieser Zeitpunkthinreichend genau abschätzen, um rechtzeitig eine Nachinhibierung oder einenOlaustausch in die Wege zu leiten, bevordie feste Isolation durch Ölalterungsprodukte verunreinigt wird.
Grenzwerte, die für Transformatorenunterschiedlicher Grössenklassen nichtüber- oder unterschritten werden sollen,wurden als IEC-Recommendation No.422publiziert und sind in Tabelle II wiedergegeben.
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Bild 2 Buchholz-Schutznur als letzte Instanz
Period ische, vorsorgliche«Gas-in-Ol-Analysen»verringern signifikantdie Risiken des Ansprechens des BuchholzSchutzes.
Bild 3 Isolieröl-ProbenentnahmeEine fachgerechte IsolierölProbenentnahme istdie unbedingte Voraussetzung für eine aussagekräftige Analyse.
Kapitel zur Früherkennung örtlicher Unregelmässigkeiten im Isolationssystem aufgeschlagen und eine wichtige Lücke imÜberwachungsprogramm für Transformatoren geschlossen.
Vorausgegangen war das von Buchholz(1875-1956) entwickelte und nach ihmbenannte Schutzrelais, einer kleinen, amhöchsten Ort des Transformatorenkesselsangebrachten undmit Öl gefüllten Kammermit einem Schwimmer, der Alarm auslöst,wenn aufsteigende Gasblasen das Öl ausder Kammer verdrängen (Bild 2). Über einProbenahmeventil können Gasproben entnommen und einer Analyse zugeführt werden. Anfangs genügte eine Prüfung aufBrennbarkeit. Brennbarkeit war ein Zeichen für Ölzersetzung bei Temperaturen,die weit oberhalb der Auslegungstemperatur liegen. DieseBuchholz-Relais versehenauch heute noch ihren Dienst. Aber selbstwenn die «Buchholzgase» mit den heute
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:: ::::::::::: :: ~ : ~: ~: ~: ~: ~ : ~ : ~: ~:~: ~:~:~: ~:~: ~: ~ :ttt~:~:~:~:~:~:~:~:~:~:~:~:~:~:~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~Betriebsüberwachung
Konzentr ationenin ppm (V/V)
Tabelle IV Grenzwerte für ZersetzungsgaseObere Grenzwerte der Konzentrationen vonZersetzungsgasen in fehlerfreien Transformatoren inAbhängig keit von der Betriebszeit [1].
Typ Fehlerart typische Gase Ursache
I stromschwache Teil- hauptsächlich Hl ; wenig schlechte Imprägnierung derentladungen niedriger gesättigte, keineunge- Festisolation. LufteinschlüsseEnergiedichte sättigten Kohlenwasser-
stoffe
2 stromschwache Teil- wieTyp I schlechte Kontakte,entladungen mit zum Teil jedoch mit Acetylen+Äthylen Ernladungen zwischenhoher Energiedichte unterschiedlichen Potentialen
3 thermische Zersetzung bei gesättigte Kohlenwasser- Überlastung; hoheTemperaturen < ca. 800°C stoffe, mit steigender Übergangswiderstände.
Temperatur wachsende EisenbrandMengen Äthylen
4 stromstarke Entladunzen wie 3 mit steigenden Mengen Funkenentladungen,, hoher Energiedichte - Acetylen undÄthylen und Durchschlag
mehr Wasserstoff
Tabelle111 Grund-Fehlera rten, typischeGase und Beispielefür Fehleru rsachen [1]
Betriebszeit 3 Jahre
Wasserstoff Hl 200Methan CH4 100Äthan ClHI> 100Äthylen ClH4 150Acetylen ClHl 15Kohlenmonoxid CO 500Kohlendioxid COl 6000
> 7 Jahre
25020020030035
100011000
Tabelle V Normale Gasproduktion in Leistungstransformatoren
auf die nachstehend wiedergegebenenEmpfehlungen (Tabelle IV). Diese Wertesind jedoch nur für offene Leistungstransformatoren mit gasdicht vom Transformatorentank abgetrenntem Stufenschaltersystem anwendbar. Andere Konstruktionenverlangen individuelle Betrachtung, waseine zuverlässige DiagnosesteIlung nichtgerade vereinfacht
Da die Gaskonzentration in einem kleinen Transformator zehnmal schneller an-
steigt als in einem zehnmal grösserenTransformator, der den gleichen Fehleraufweist, ist es sinnvoller, nicht die Gaskonzentrationen, sondern die Gasbildungsraten zu normieren. Das wird heute vielfach bereits angewendet Aus den in vielenJahren bei ABB gesammelten Messdatenhaben sich für die normale Gasproduktionin fehlerfreien Transformatoren die in
.Tabelle V aufgeführten Werte ergeben.Für Messtransformatoren (Wandler)
gelten wegen der gegenüber Transformatoren unterschiedlichen Rahmenbedingungen (Verhältnis Öl: Papier, geringere Kupferverluste usw.) andere Werte.Aus den von der Arbeitsgruppe CigreWG 15-01 TF 01 gesammelten Daten ausWandlern in aller Welt haben sich für«gesunde» Apparate mit einer statistischenSicherheit von 90% die Erfahrungswertegemäss TabelleVI herauskristallisiert Diefür die verschiedenen Abschlusssystemeunterschiedlichen Wasserstoffgehalte resultieren daraus, dass das sehr kleine
Die flüssigchromatographischeUntersuchung des Isolieröls
300"20"3025
42
330900
Menge[ppm=~ILlLl
Methan CH4
Äthan Cl H6
Äthylen Cl H4
Acetylen ClHlKohlenmonoxid COKohlendioxid COl
Wasserstoff Hl
Gas
Tabelle VI Typische «Ncrmalqasqehalte» in Wandlern
nach Cigre WG 15·01 TF 01, 90-%-Vertrauensbereichea Wandler mitMetallabschlussb Wandler mit Gummiabsch luss
In den Tabellen IV-VI sind stets auchdie Gehalte an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthalten, obwohl dieseGase fürdie Feststellung der Fehlerart (Teilentladungen , heisse Stellen usw.) nicht gebraucht werden. Da für die Bildung sogrosser Mengen Kohlenoxide durch eineÖloxidation im Transformator der Sauerstoff fehlt, liegt es nahe, aus den Konzentrationen dieser beiden Gase Rückschlüsseauf eine Zersetzung der festen, aus Zellulo-
Wasserstoffmolekiil durch die Gummimembran diffundieren und somit leichtentweichen kann, was bei metallischenAbschlüssen normalerweise nicht möglichist Dies verdeutlicht einmal mehr, wiewichtig die Berücksichtigung solcher konstruktiver Details für die Beurteilung dererhaltenen Analysenresultate ist
Weitere derartige Betrachtungen wie. auch Empfehlungen für besondere Transformatorentypen, Durchführungen und ölgefüllte Kabel sind in der überarbeitetenFassung des bereits erwähnten lEC-Dokumentes 599, an dem der Autor mitarbeitet,vorgesehen.
Rate[cmYrag]
< 5< 2< 2< 2< 0,5< 50< 200
Wasserstoff H,Methan CH4
Äthan ClHr,Äthylen ClH4
Acetylen ClHlKohlenmonoxid COKohlendioxid COl
Gas
zur Verfügung stehenden Analysenmethoden genauer bestimmt und aus den Ergebnissen wesentlich weiterreichende Schlüsse gezogen werden können, hat das Verfahren einen wesentlichen Schwachpunkt: DerBuchholzschutz tritt erst in Aktion, wenndas Öl mit Gas gesättigt ist Bis es soweitist, vergeht viel Zeit, undeine zum Beispielin der Festisolation eingeschlossene, anfänglich harmlose Gasblase kann sich zueiner gefährlichen örtlichen Zerstörung desIsolationssystems ausgeweitet haben,
Anhand der Ergebnisse eigener Untersuchungen zeigte E. Dömenburg, dasses vierGrundfehlerarten gibt, die sich mittels derbei ihrem Auftreten entstehenden Gaszusammensetzungen klar unterscheiden lassen (Tabelle III). Dieses System wurde ininternationaler Zusammenarbeit weiterentwickelt und zusammen mit den Richtlinienfür die fach- undsachgerechte Probenahmeund -aufbereitung in den lEC-RichtlinienNm. 567 und 599 niedergelegt (Bild3).Da diese Interpretationsmodelle nur Rahmenmodelle sind und ohne Berücksichtigung weiterer Faktoren zu kostspieligenFehlentscheidungen führen können, wirdklar, dass die Interpretation der Ergebnisseder Gasanalysen grosser Erfahrung undumfangreicher Kenntnisse der Zusammenhänge und der konstruktiven Besonderheiten des zu beurteilenden Objektes bedarf.Darauf wies schon Dörnenburg hin, indemer darlegte, dass auch fehletfrei arbeitendeTransformatoren Gase entwickeln, derenGehalte einem Gleichgewichtswert zwischen Gasbildung und Abgabe nach aussenzustreben. Wie sich bei Diskussionen ininternationalen Gremien der Cigre oderlEC zeigte, ist die Festlegung von allgemein giiltigen Standardwerten für normalarbeitende Transformatoren oder Wandlernicht möglich,da dieaus eigenen Erfahrungen entwickelten Vorstellungen der einzelnen Ländervertreter in diesen Gremiennichtselten um Grössenordnungen voneinander abweichen [4]. Der Autor selbstverlässt sich seit vielen Jahren erfolgreich
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;;;;;;;;;;;;;;;;;;;~;;;;;;~;~~~~;~;~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~t~ttttttt~ ~ ~ ~~ ~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ :Transformatoren
Bild 5 Instrumentierung für chromatographische IsolierölanalysenDas Bild zeigt eine zweckmässige Instrumentierung, bestehend aus drei Gaschromatographen und einemHPLC-Gerät.
H H'- /c-c
11 11c-c
r >. / -,H 0 CHO
Strategisch wichtige Objekte werdenhäufiger kontrolliert werden müssen. Sohat es sich bestens bewährt, die Maschinentransformatoren der Kernkraftwerke imVorfeld der jährlichen Kraftwerksrevisionen zumindest einer Gas-in-Öl-Untersuchung zu unterziehen, um bei Verdacht auf
die Kontrollintervalle immer ein Kompromiss zwischen technischer Wünschbarkeitund betriebswirtschaftliehen Überlegungensein müssen. In den vielen Jahren derÜberwachung ölisolierter elektrischer Geräte hat sich folgende Kontrollpraxis gutbewährt:
Transformatoren: Kontrollen sind beiLeistungstransformatoren angezeigt
• nach Abschluss der Montagearbeiten,vor der Inbetriebnahme:
- dielektrische Kurzanalyse, das heisstDurchschlagsfestigkeit, tg 8 bei 90 °C,eventuell Wassergehalt (in der Regeldurch den Hersteller)
• drei bis sechs Monate nach Inbetriebnahme:
- Basismessungfür alle Transformatoren;Prüfprogramm gemäss Tabelle II sowie,falls das Öl inhibiert ist, Bestimmungdes Inhibitorgehaltes.
- bei Transformatoren> 100kV, zusätzlich Gas-in-Öl-Analyse zur Feststellungdes Ausgangszustandes (Fingerprint)
• ein Jahr nach der Basismessung:- Wiederholung der vorstehenden Unter
suchungen• weitere Kontrollintervalle:- Wiederholung der vorstehenden Unter
suchungen bei Transformatoren mit einer Betriebsspannung von< 100kV alle8 Jahre, von 100 bis 200 kV alle 5-6Jahre und von> 200 kV alle 4 Jahre.
Bild 4 Aufbau undZersetzungsproduktevon CelluloseInsbesondere Furan undseine Derivate erweisensich als geeignete Substanzen, den Nachweiseines Celluloseabbausanzuzeigen.
Neben rein technischen Belangen sindes vor allem auch wirtschaftliche Beweggründe, die die Kontrollhäufigkeiten beeinflussen: die vorstehend beschriebenenÖlkontrollen kosten Geld. Daher werden
Verdachtbesteht, dass es im TransformatorHeissstellen gibt, in denen die Zelluloseisolation involviert sein könnte. Ineinem solchen Fall ist es immer wichtig,die zu ergreifenden Massnahmen zwischenBetreiber und Hersteller des Transformators sowie dem mit der Überwachungbetrauten analytischen Labor zu besprechen.
Kontrollperioden
Furfurol
H H'- /C-C
11 11C-Cr >. / -,
CHO 0 CH20H
5-(Hydroxymethyl)-furan2-carbaldehyd
Aufbau:
Zersetz ungsprodukte:
se bestehenden Isolation zu ziehen. Versuche in dieser Richtung sind auch mitwechselndem Erfolg unternommen worden, klare Aussagen wurden jedoch dabeinie erzielt. Will man also eine Auskunftüber den Zustand der Feststoffisolationgewinnen, müssen andere Indikatoren herangezogen werden.
Insbesondere Furan und seine Derivateerweisen sich dabei als geeignete Substanzen, den Nachweis eines Celluloseabbausanzuzeigen (Bild4), denn diese Verbindungen können durch eine reine Oxidationdes Öles praktisch nicht gebildet werden.Langjährige Studien der Cigre WG 15-01,zusammen mit dem TC 10 der IEC, führten zum IEC-Standard 1198, welcher dieanalytischen Aspekte dieses Problemkreises regelt. Zum technischen Ablauf einerderartigen Analyse sei hier nur sovielerwähnt, dass eine kleine Ölmenge (etwa2-10 g) ausreicht, um die darin gelöstenFurane (= Papierabbauprodukte) zu extrahieren und mittels der HPLC(Highperformance liquid chromatography)Messtechnik nachzuweisen (Bild 5). ImIsolieröl vorhandene Verbindungen wieFurfurol und 5(Hydroxymethyl)-furan-2carbaldehyd und ähnlichenstehen in einemdirekten Zusammenhang mit der mechanischen und damit indirektauch der dielektrischen Festigkeit der Celluloseisolation.Eine ausführlichere Behandlung diesesProblemkreises ist in [2] zu finden,
Die HPLC-Analyse ist keine routinemässig anzuwendende Untersuchungsmethode wie die dielektrisch-chemische oderdie gasanalytische Untersuchung desTransformatorenöls. Sie sollte aber angewendet werden, wenn wegen extrem hoherKohlenoxidgehalte und/oder eines CO2/
CO-Verhältnisses von < 3 oder > 12 der
Bulletin SEV/vSE 21/96 45
. ~ : ~ : ~ : ~ : ~ : ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~ ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~m~~~~~~~~~~~~~~~~mm~~~~~~~~~~~~~~~~~:w@mmmmmoommmmllm_.-: -: -: -: -:........................................................................................•.•......•.......••••~OOB8Betriebsüberwachung
Zitierte NormenInsulating liquids - Determination of the breakdown voltage at powerfreq uency- Test method
Measurement of relative permitivity, dielectric dissipation factor andd.c. resisti vity of insulating oils
Specification for unused mineral insulating oils for transformers andswitchgear
Supervision and muintenance guide for mineral insulating oilsin electrical equipment
Guide for the sampling of gasesand of oil from oil-tilled electricalequipment and for the analysis of free and dissolved gases
Interpretation of the analysis of gases in transformers and otheroil-filled electrical equipment in service
Mineral insulating oils - Methods for the determination of 2-furfuraland related compounds
Bestimmung polychlorierter Biphenyle (PCB)
Isolieröle - Neue lsolieröle für Transformatoren, Wandler undSchaltgeräte
Zum Problemthema PCB
triebnahrne, nach einem Jahr und anschliessend in Intervallen von etwa sechsJahren durchgeführt werden.
des Transformatorenkessels und Entzündung des Öles zu einer Brandkatastropheführen könnte, durch die viele MenscheninGefahr gebracht würden. So waren es danndie grossen Geschäftshäuser, Spitäler,Theater usw., bei denen mit PCB (Handelsnamen: Aroclor, Pyralene, Clophen, Askarel usw.) gefüllte Transformatoren zufinden sind.
Nachdemerkannt wurde, dass polychlorierte Biphenyle beim Erhitzen unterSauerstoffzutritt neben anderen Stoffengesundheitsschädliche bis sehr giftigechlorierte Dioxine und Dibenzufurane (inder Öffentlichkeit bekannt als «SevesoGift») bildet, muss man fests tellen, dassPCB-gefüllte Transformatoren ein Janusgesicht haben. Einerseits verringern sieBrandgefahr im Falle eines elektrischenDurchschlags, weil PCBs selbst nicht brennen. Andererseits stellen sie im Falle einesanderweitig entstandenen Brandes eine Gefahr dar, weil sie unter den Bedingungeneines normalen Brandes in unmittelbarerUmgebung giftige Dämpfe entwickelnkönnen, was bei den Lichtbogentemperaturen eineselektrischen Durchschlags nichtder Fall ist. Letzteres wurde bei der EPRI(Electrical Power Research Institution)beim misslungenen Versuch nachgewiesen, mittels elektrischer Entladungen inPCBs Standard-Dioxinlösungen herzustellen, welche in Ringversuchen zur Ermittlung des Dioxingehaltes in PCBs verwendet werden sollten.
Wie auch immer - nachdem Ersatzlösungen für PCBs gefunden worden sind,dürfen diese Flüssigkeiten nicht mehr verwendet werden und mit der Inkraftsetzungder «Verordnung über umweltgefährdendeStoffe» vom 9. Juni I986 nicht einmalmehr als Verunreinigung in Transformatorenölen enthalten sein. Nach dieser Verordnung gelten Geräte, deren Isolierflüssigkeiten mehrals 50 ppm (= mg/kg) halogenierte aromatische Stoffe wie PCB und andereenthalten, als «schadstoffhaltig» und müssen entsprechend gekennzeichnet werden.Ausserdem haben die Inhaber dafür zusorgen, dasssolche Geräte bis zum 31 . August 1998 ausser Betrieb genommen werden. Die Ausführungskontrolle wurde denKantonen übertragen. Für den Kanton Aargau gelten zumBeispiel die Bestimmungengemäss Tabelle VII. ..
Als Nachweisverfahren für PCB in Oiensind zwei grundsätzlich verschiedene Methoden bekannt:
• Der Schnelltest, eine einfache undkostengünstige Methode, die eine Ja/NeinAntwort liefert. Dieser Test ist zwar ohnegrossen Aufwand durchzuführen, hat aberden Nachteil, dass auch das Chlor erfasstwird, welches nicht vom PCB stammt. DaChlor praktisch allgegenwärtig ist, ist die
Massnahme
Entsorgung innert I Jahrab KontrolleReinigung oder Entsorgunginnerhalb 2 Jahren abKontrollefachgerechter Ölwechsel mitEntsorgung bis 31.8.1998keine (= «PCß-frei»)
20- 100
100-3000
l' eB-Gehalt[ppm]
< 20
> 3000
Ab den dreissiger Jahren wurden nebenden Mineralölen auch polychlorierte Biphenyle (PCB) in der Elektrotechnik eingesetzt, die wegen ihrer hohen chemischenStabilität und Feuerresistenz in grossenMengen hergestellt und als Weichmacherin Anstrichmitteln, als Hydraulikflüssigkeiten in Bergwerken sowie als Wärmeübertragungsflüssigkeiten grossen Absatzfanden. War es einerseits ihrehoherelativeDielektrizitätszahl, die sie für den Einsatzin Kondensatoren prädestinierte, so war esandererseits ihre Feuerresistenz, die dieseFlüssigkeiten als Isoliermedium in Transforrnatoren interessant machte. Letzteresgilt insbesondere für Transformatoren , diedort aufgestellt werden sollten, wo einelektrischer Durchschlag durch Aufreissen
Tabelle VII Entsorgungsfrist für Transformatorenund übrige ölgefüllte Elektrogeräte sowieReserveöleAus Sestimmung «Entsorgung von PCS-haltigenund PCS-verdächtigen Geräten»des kantonalenLaboratoriums Aargau.
lEC-567 (1992)
IEC-156 (1995 )
IEC-599 (1978)
IEC-247 (1978)
IEC-422 (1989)
lEC-11 98 (1993 )
IEC-296 (1982)
DIN-51527 Teil 1 (1987)
DIN-57370NDE-0370Teil I (1978)
einen «schleichenden» Fehler Abhilfemassnahmen planen zu können. Eine erstesolche Massnahme wäre in jedem Fallebenfalls eine Verkürzung der Kontrollintervalle, um bei einer Eskalation derGasproduktion eingreifen zu können, bevor der Transformator mit schweremSchaden während des Betriebes ausfällt.
Wand/er: In Anbetracht der im Vergleich zu den Transformatoren deutlichgrösseren Anzahl der sich in Betriebbefindlichen Wandler wäre eine derarthohe Kontrollfrequenz weder aus technischen noch aus wirtschaftlichen Gründenangemessen. Während bei den unter Spannung stehenden Leistungstransfonnatoreneine fachgerechte Entnahme von Olprobenohne weiteres möglich ist, müssen Wandlerfür den gleichen Zweck abgeschaltet sein,wodurch der Betrieb empfindlich gestörtwird. Ausserdem ist wegen des wesentlichkleineren Ölvolumens die entnommeneÖlmenge durch neues Öl zu ersetzen, wasbei unsachgemässer Handhabung (Eindringen von Luftblasen) den Wandler eher inGefahr bringt. Da Wandler andererseits inrelativ grossen Serien hergestellt und auchvon den Betreibern entsprechend eingesetzt werden, genügt es, pro Produktionsserie drei bis sechs Geräte auszuwählenund diese dann quasi als Prototyp für diegesamte Serie einem Überwachungszykluszu unterwerfen [3]. Das Kontrollprogrammsollte dann zweckmässigerweise folgendeUntersuchungen umfassen:• dielektrisch-chemische Kurzanalyse ge
mäss Tabelle 11• Zersetzungsgasanalyse• HPLC-Analyse zum Nachweis von
Furanen.Nach IEC-Recommendation No. 422
sollten diese Untersuchungen vor der Inbe-
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~~~~II@mm@mmmmmmmmmmmmmmttttttjrrrrrrrr))Transformatoren
La surveillance destransformateurs en serviceAnalyses de I'huile isolante en tantque moyen indispensable pour lediagnostic
L'huile rninerale, outre ses remarquables proprietes dielectriques et refrigerantespermetdescruter la «vie interieure»dutransformateur, en la soumettant ä des contrö lesadaptes et periodiquesde son etat physiqueet chimique. Specialement les produits dedecornposition et de degradation dissous dans l'huile, tant ceux issus de l'huile ellememe que de l'isolant solide donnent d'importantes informations relatives a lapresence de possibles points faibles ä l'interieur de la partie active, bien longtempsavant que se manifestent de gros dommages indirects qui peuvent conduire ä ladestruction totale du transformateur, Outre les contröles chimico-dielectriques
. classiques de la qualite de I'huile, ceux utilisant la chromatographie gazeuse et liquidejouent dans ce contexte un röle determinant, L' article donne une vue detaillee desmethodes utilisees aujourd'hui et des experiences faites dans le diagnostic dutransformateur sur la base des analyses de I'huile.
tretern über die anzuwendende Bestimmungsmethode einigt.
FazitSowohl die periodischen dielektrisch
chemischen Prüfungen als auch die chromatographischen Untersuchungen (Gas-inÖl und HPLC) von Isolieröl stellen eineunentbehrliche Massnahme dar, die Überwachung sowie einen weitgehend störungsfreien Betrieb von Transformatoren,Wandlern und anderen ölisolierten elektrischen Geräten zu gewährleisten und sollten daher von keinem Betreiber solcherAnlagen ausser acht gelassen werden.
VerdankungDer Autorrichtet seinen Dank anJohan
nes Schober, der wesentlich zum Gelingendieses Artikels beigetragen hat.
Gefahr gross, schnell einmal über den fürschadstofffreie Stoffe geltenden Grenzwertzu kommen.
• Die quantitative gaschromatographisehe Bestimmung, bei der 0,5 bis 2 g desProbeöles f1üssigchromatographisch vonstörenden Begleitstoffen befreit und anschliessend gaschromatographisch auf denPCB-Gehalt untersucht wird. Bei der weitverbreiteten DIN-Methode (DIN-51527,Teil I) werden sechs bekannte, identifizier-
te Spezies von insgesamt 209 verschiedenen PCB-Varianten als Leitsubstanzbestimmt und durch Multiplikation miteinem Umrechnungsfaktor der Gesamtgehalt berechnet. Eine neue, wesentlichgenauere aber auch aufwendigere Methodeist zurzeit in einer speziellen IEC-Arbeitsgruppe in Arbeit. Wichtig ist jedenfalls,dass man sich vor der Durchführung einerderartigen Untersuchung mit dem Auftraggeber oder den zuständigen Behördenver-
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wachung durch Untersuchungen des Isolieröls. etz-a98(1977)3, S. 211-215.
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