Beschreibung

Motivation

Viele Leistungstransformatoren sind seit mehr als 30 Jahren in Betrieb und können inzwischen kritische Alterungszustände erreicht haben, wie mehrere Störfälle junger Vergangenheit gezeigt haben. Thermische Belastung und Feuchtigkeit in der Feststoffisolation beeinflussen die Alterungsgeschwindigkeit durch chemische Zersetzung der Zellulose. Aus diesem Grund wird ein Analyseverfahren benötigt um den Zustand des Isolationssystems eines Transformators zu bestimmen.

Modelbildung und Simulation

Bisherige Diagnoseverfahren wie PDC (Polarization and Depolarization Currents) und FDS (Frequency Domain Specktroscopy) haben gezeigt, dass diese Verfahren bei Feuchtigkeitsbestimmungen gute Messergebnisse erzielen. Dennoch konnte mit den bisherigen Messverfahren keine genauen Rückschlüsse auf die Alterung des Transformators gezogen werden. Als Grundlagen für exakte Analyseverfahren der Feuchtigkeits- und Alterungsbestimmung sind fundamentale Kenntnisse des Isolieröls und der Papierisolierung notwendig. Die Forschungsarbeit befasst sich mit der Weiterentwicklung eines vorhandenen mathematischen Modells des Isolationssystems, um den Zustand der Alterung und die Feuchtigkeit eines Transformators zu bestimmen. Durch Entnahme von Papierproben von zu verschrottenden Transformatoren soll der Alterungsmechanismus untersucht werden bzw. das mathematische Modell verifiziert werden.

Im Frequenzbereich hat das Öl- und Papierisolationssystem ein typisches Debye- und Cole-Cole-Verhalten der Dielektrizitätszahl über die Frequenzf von 1mHz bis 40kHz aufgezeigt. Mit dieser Dielektrizitätsfunktion e(f) kann die Kapazitätsänderung in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit nachgebildet werden. Die Leitfähigkeit spielt zunächst eine untergeordnete Rolle, da der Einfluss erst bei niedrigen Frequenzen (<1mHz) zum Tragen kommt.
 

Bisherige Untersuchungen an künstlich gealtertem Öl (Shell Diala D) zeigen eine Messbarkeit der Alterungung im Frequenzbereich auf. Momentan werden weitere Untersuchungen durchgeführt, um die bisherige Ergebnisse zu verdeutlichen.
 

Optimierung der Mess- und Diagnosetechnik

Ein weiterer Aspekt dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung des xFDS Messverfahrens. Zur Diagnose des Isolationssystems von Leistungstransformatoren wird immer häufiger die FDS eingesetzt. Dabei wird eine komplexe Impedanzmessung im Frequenzbereich zwischen 1 kHz und 100 µHz als Frequency-Sweep durchgeführt. Wegen den sehr tiefen Frequenzen dauert eine Messung mindestens 8 h. Daher wird derzeit an dem neuen xFDS Messverfahren am IEH entwickelt, das wesentlich kürzere Messzeiten verspricht.

Alterungsuntersuchung

Anhand des sog. Depolymerisationsgrads (DP) der Zellulose wurde bisher die Restlebensdauer eines Transformators berechnet. Ein neuartiges Verfahren verspricht hier bessere Aussichten. Aussagen über die Faserfestigkeit eines Papiers liefert der Zero Span Zugversuch. Bei einer Einspannlänge, die gegen Null geht, wird ein Probestreifen auf Zug beansprucht. Hierbei werden vor allem Zellulose fasern beansprucht und weniger das Gesamt-Papiergefüge. Der Zusammenhang zwischen DP und Zero-Span ist Schwerpunkt dieses Forschungsvorhaben. Daraus gewonnenen Kenntnissen können für die Berechnung der mechanischen Festigkeit von elektrischen Wicklungen bzw. Wicklungssystemen weiterverwendet werden. Die Untersuchung der Degradation von Zellulose-Bestandteilen wird im Rahmen von Verschrottungen von Transformatoren durchgeführt. Hier soll an einer größeren Anzahl von zu verschrottenden Transformatoren durch Entnahme von Proben der Papierisolation der Alterungsmechanismus untersucht werden.