Umfassende Analyse von Großtransformatorfehlern durch Gaschromatographie

Die großen elektrischen Transformatoren gehören zu den wertvollsten und wichtigsten Anlagen in jedem Stromverteilungsnetz. Das Netz ist in so hohem Maße auf sie angewiesen, dass jeder Fehler oder jede Störung an diesen großen Leistungstransformatoren die Stabilität und Effizienz des Netzes ernsthaft beeinträchtigen kann.

Dieser Artikel bietet eine sehr umfassende Analyse der Fehlererkennung bei großen Leistungstransformatoren mithilfe der Gaschromatographie. Wir werden erläutern, welche Gase in großen elektrischen Transformatoren aufgrund verschiedener Fehlerarten entstehen und wie die Gaschromatographie dabei hilft, diese Gase nachzuweisen und so Fehler zu lokalisieren.

Was ist Gaschromatographie?

Die Gaschromatographie ist ein analytisches Laborverfahren, das zur Trennung und Identifizierung verschiedener einzelner Gase dient, die in jeder Art von Isolieröl gelöst sind, insbesondere in Transformator-Isolieröl. Mit diesem Verfahren lässt sich zudem sehr einfach die Menge der einzelnen Gase bestimmen, die im Isolieröl des Transformators nachgewiesen werden.

Warum elektrische Transformatoren einer gaschromatographischen Analyse bedürfen

Transformatoröl liefert wichtige Informationen über den Zustand des Transformators und über Störungen, die im Inneren des Transformatorbehälters auftreten. Die gaschromatographische Analyse des Transformatoröls hilft uns, den Zustand des Transformators zu beurteilen und die im Inneren des Transformators auftretenden Störungen zu verstehen.

Elektrische Transformatoren sind so konzipiert und konstruiert, dass zur Isolierung verschiedener Teile des Transformators unterschiedliche Isoliermaterialien verwendet werden. Jeder elektrische Transformator kann mit mineralischem Isolieröl, Zellulosepapier als Isoliermaterial und Dämmstoff aus Pressspan zur Isolierung der Transformatorwicklung und der Kernbaugruppe.

Diese Materialien können sich unter elektrischen oder thermischen Belastungen, die bei Spitzenbetriebsbedingungen des Transformatorbehälters auftreten, sehr leicht zersetzen. Dies hängt von der Art des Fehlers und der Temperatur ab, bei der dieser Fehler auftritt.

Bei der Gaschromatographie des Transformatoröls werden diese Gase aus der jeweiligen Probe des Transformatoröls extrahiert. Dabei wird die spezifische Konzentration einzelner oder aller in der Probe enthaltenen Gase gemessen, und es werden Ergebnisse mit hoher Genauigkeit geliefert. Die Ergebnisse werden in der Regel in Teilen pro Million (ppm) oder in Mikrolitern pro Liter (µL/L) angegeben. Diese Konzentration bildet die Grundlage für die Gasanalyse (DGA).

Warum die Gaschromatographie für große Transformatoren wichtig ist

Die Gaschromatographie hilft uns dabei, vorzeitige und plötzliche Ausfälle großer elektrischer Transformatoren zu verhindern, indem sie Aufschluss über den Zustand des Transformators und über Fehler im Inneren des Transformatorbehälters gibt.

Die großen Leistungstransformatoren, die in nationalen Stromnetzen und Verteilungsanlagen zum Einsatz kommen, kosten in der Regel mehrere hunderttausend Dollar. Die Herstellung dieser elektrischen Transformatoren dauert zudem mehrere Wochen, und für Transport und Installation sind mehrere Monate erforderlich.

Der Austausch eines Leistungstransformators kostet Sie also nicht nur viel Geld, sondern erfordert auch mehrere Monate Arbeit, nur um den Transformator auszutauschen. Dies ist einer der Hauptgründe, warum diese Art von Prüfung am Transformator durchgeführt wird, bevor er zum Einbau transportiert wird, sowie während seiner gesamten Nutzungsdauer.

Die Gaschromatographie bietet mehrere Vorteile, die im Folgenden aufgeführt sind:

• Die Gaschromatographie ermöglicht die frühzeitige Erkennung von Isolationsverschleiß im Inneren eines elektrischen Transformators.
• Die Analyse und Erkennung elektrischer Störungen, bevor diese zu katastrophalen Ausfällen führen.
• Die Tests helfen uns dabei, die Wartungskosten des elektrischen Transformators durch die frühzeitige Erkennung kleiner Fehler, die im Inneren des Transformatorbehälters auftreten.
• Die Tests tragen dazu bei, die Lebensdauer des Transformators indem vorzeitige Ausfälle verhindert werden.
• Gaschromatographie-Prüfungen tragen zudem dazu bei, ungeplante Betriebsausfälle des Transformators zu vermeiden, indem sie bereits im Frühstadium kleine Fehler erkennen, die zu unbeabsichtigten Ausfallzeiten des Transformators führen können.
• Der Test trägt zudem dazu bei, die Betriebssicherheit zu verbessern, indem im Rahmen der planmäßigen Wartung zusätzliche Schritte eingeführt werden, mit denen sich kleinere Störungen erkennen lassen.

Die Analyse der gelösten Gase wird bei großen Leistungstransformatoren in der Regel alle drei Monate, alle sechs Monate oder einmal jährlich durchgeführt; dies hängt ganz vom Alter des zu prüfenden Transformators und der Art der Anwendung ab.

Betriebsanleitung zur Analyse gelöster Gase

Bei elektrischen Transformatoren dient das Transformatoröl sowohl als Isoliermittel als auch als Kühlmittel. Wenn im Inneren des elektrischen Transformators aufgrund eines Fehlers in den elektrischen Anschlüssen des Transformators ein außergewöhnlicher Zustand auftritt, löst die Energie chemische Bindungen im Öl und in der festen Isolierung des Transformators auf. Bei der Zersetzung der Isolierung entstehen Gase wie beispielsweise

• Wasserstoff
• Methan
• Ethan
• Ethylen
• Acetylen
• Kohlenmonoxid
• Kohlendioxid

Um diese Gase zu untersuchen, werden folgende Schritte durchgeführt

• Entnahme der Ölprobe aus dem Transformator
• Durchführung einer gaschromatographischen Analyse der Ölprobe
• Es wird ein vollständiger Bericht erstellt, aus dem hervorgeht, welche Gase gelöst sind und wie hoch ihre Konzentration in ppm ist.
• Das Ingenieurteam wertet die Gasverteilungsmuster aus, um mögliche Fehler zu ermitteln

Mangelgase, die mittels Gaschromatographie nachgewiesen wurden

Bei der Gaschromatographie von Transformatoröl werden in der Regel die folgenden Gase nachgewiesen, die jeweils auf einen bestimmten Defekt zurückzuführen sind.

Zusammenhang zwischen Störungstemperatur und Gasentwicklung

Fehler im Transformator führen in der Regel zu zusätzlicher Abwärme im Inneren des Behälters. Bei unterschiedlichen Temperaturgrenzwerten können Isoliermaterialien und andere Faktoren verschiedene Gase erzeugen.

Es besteht ein einfacher Zusammenhang zwischen dem Temperaturanstieg und dem entstandenen Schaden: Je höher die Fehlertemperatur ist, desto schwerwiegender sind die inneren Schäden am Transformator.

Arten von Transformatorfehlern, die mittels Gaschromatographie identifiziert werden

Teilentladung

Die Teilentladung Bei einem elektrischen Transformator handelt es sich um eine lokal begrenzte elektrische Entladung, die die Isolierung nicht vollständig durchschlägt. Diese Art von Störung wird durch energiearme, langfristig auftretende Isolationsschäden und durch Feuchtigkeit bedingte Verschleißerscheinungen verursacht.

Zu den vier häufigsten Gründen oder Ursachen für Teilentladungen zählen Feuchtigkeit im Transformatoröl, Hohlräume im Isoliermaterial, gealtertes Isoliermaterial und gelegentlich auch Herstellungsfehler.

Koronaentladung

Dies ist hauptsächlich auf die hohe elektrische Feldstärke im Umfeld der Leiter des Transformators zurückzuführen. Bei dieser Entladung entstehen im Transformatoröl vor allem Wasserstoff und eine geringe Menge Methan. Dieser Fehler ist in der Regel weniger schädlich als andere Fehler wie Lichtbogenbildung, kann jedoch zu schwerwiegenderen Störungen führen, wenn er ignoriert wird.

Thermischer Fehler bei niedrigen Temperaturen

Wenn die elektrische Temperatur unter 300 Grad Celsius fällt, spricht man bei einem elektrischen Transformator von einem Niedertemperatur-Wärmeschaden. Dies führt zur Bildung von Methan- und Ethangasen im Transformatoröl. Mögliche Ursachen für diesen Niedertemperatur-Wärmeschaden sind lose elektrische Verbindungen, unzureichende Kühlung, die Entstehung lokaler Überhitzungsstellen im Transformator sowie die Überlastung des Transformators durch die angeschlossene Last.

Thermischer Fehler bei mittlerer Temperatur

Liegt die Temperatur des elektrischen Transformators innerhalb des Temperaturbereichs von 300 bis 700 Grad Celsius, gilt dies als thermischer Fehler mittlerer Temperatur. Dieser Fehler kann drei verschiedene Gase erzeugen, nämlich Ethylen, Methan und Ethan. Diese Art von Fehler ist in der Regel auf einen schlechten Kontakt zwischen den leitenden Teilen des Transformators, einen hohen Widerstand zwischen den elektrischen Anschlüssen des Transformators sowie auf eine Überhitzung des Transformatorenkerns zurückzuführen.

Thermischer Fehler bei hohen Temperaturen

Wenn die Temperatur des elektrischen Transformators 700 Grad Celsius überschreitet, spricht man von einem thermischen Hochtemperaturfehler. Dieser Fehler führt hauptsächlich zu einem hohen Ethylengehalt und einer erheblichen Menge an Acetylen im Transformatoröl. Diese Art von Fehler wird hauptsächlich durch eine starke Überhitzung des elektrischen Transformators sowie durch Defekte oder Fehler im Transformatorkern verursacht, die auf die Erwärmung der wichtigsten leitenden Teile des Transformators zurückzuführen sind.

Lichtbogenbildung

Lichtbogenbildung ist eine der häufigsten und zugleich gefährlichsten Störungen, die in elektrischen Transformatoren auftreten können. Bei Lichtbogenbildung im Transformator können erhebliche Mengen an Acetylen sowie geringe Mengen an Wasserstoff und Ethylen entstehen. Die Ursachen für diese Lichtbogenbildung im elektrischen Transformator sind ein Ausfall der Wicklungsisolierung, Probleme mit dem Stufenschalter, interne Überschläge und lose Leiter im elektrischen Transformator.

Zersetzung von Zellulosedämmung

In elektrischen Transformatoren kommen verschiedene Arten von Isoliermaterialien zum Einsatz, und die Papierisolierung zersetzt sich anders als Mineralöl. Bei der Zersetzung der Papierisolierung entstehen im Transformatoröl Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Hohe Kohlenmonoxidwerte deuten in der Regel auf einen fortschreitenden Isolationsverfall im Transformator hin.

Faktoren, die die Genauigkeit der DGA beeinflussen

• Eine unsachgemäße Probenahme des Öls, an dem die Analyse der gelösten Gase durchgeführt werden soll, kann zu fehlerhaften Ergebnissen führen. In den meisten Fällen ist es die Verunreinigung durch Luft, die bei der Ölprobenahme auftritt, die zu fehlerhaften Ergebnissen führt.
• Das oxidierte Transformatoröl kann das Gasbildungsverhalten beeinflussen und somit die Ergebnisse der Analyse der gelösten Gase verändern.
• Die hohe Belastung des Transformators kann die Gasbildung im Transformatoröl verstärken, was sich zunächst in den DGA-Ergebnissen niederschlägt.
• Wenn der elektrische Transformator weiterhin bei einer hohen Betriebstemperatur betrieben wird, kann dies die Zersetzung des Transformatoröls und des Isoliermaterials beschleunigen, was sich zunächst auf die Ergebnisse der Gelöstgasanalyse auswirkt.
• Um die Ergebnisse der Analyse gelöster Gase optimal nutzen zu können, muss die Untersuchung in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden; zu lange oder zu kurze Abstände können die Zuverlässigkeit des Ergebnisses beeinträchtigen.

Vorteile der Gaschromatographie

• Die Gaschromatographie ist eine vollständig zerstörungsfreie Prüfmethode, was bedeutet, dass das Produkt vor und nach der Prüfung unverändert bleibt.
• Die Gaschromatographie bietet eine sehr hohe Messgenauigkeit hinsichtlich der Endkonzentration von Gasen im Transformatoröl.
• Die Gaschromatographie ermöglicht eine sehr frühzeitige Fehlererkennung in elektrischen Transformatoren, wodurch lange Ausfallzeiten vermieden werden.
• Mit der Gaschromatographie lassen sich mithilfe desselben Verfahrens verschiedene Fehlerarten nachweisen.
• Dieser Prozess trägt dazu bei, den Aufwand für die vorausschauende Wartung zu verringern und unerwartete Transformatorausfälle zu vermeiden.
• Die Gaschromatographie trägt dazu bei, die Lebensdauer von elektrischen Transformatoren zu verlängern und die Wartungskosten zu minimieren.
• Alle oben genannten Punkte lassen sich unter einem Aspekt zusammenfassen: Die Gaschromatographie trägt zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit bei.

Einschränkungen der Gaschromatographie

Obwohl die Gaschromatographie ein wirksames Verfahren zur Ermittlung von Fehlern in einem Transformator ist, hat sie doch ihre Grenzen.

• Für diesen Prozess sind spezielle Geräte und ein Labor erforderlich, um die Arbeiten durchzuführen.
• Nach Abschluss des Prozesses ist eine erfahrene und hochqualifizierte Person erforderlich, um die Analyse zu verstehen und die endgültige Entscheidung zu treffen.
• Wenn mehrere Verwerfungen gleichzeitig auftreten, können sich die Gasverteilungsmuster überschneiden.
• Stichprobenfehler können das Ergebnis leicht verfälschen.

Häufig gestellte Fragen

Fazit

Die Gaschromatographie wird durchgeführt, um die Analyse der gelösten Gase in großen Transformatoren zu erhalten. Bei diesem Verfahren wird eine Transformatorölprobe aus dem Transformator entnommen und analysiert, um umfassende Informationen über die verschiedenen darin gelösten Gase sowie die genaue Menge jedes Gases zu erhalten. Daelim Transformers führt diese Analyse bei jedem einzelnen Transformator durch, um sicherzustellen, dass diese den internationalen Normen wie IEEE, ANSI, CSA, IEC und anderen entsprechen. Wenn Sie Fragen zu Großtransformatoren haben, Kontaktieren Sie uns.