DE10135915A1

DE10135915A1 - Diagnose der dielektrischen Alterung von Mehrstoffdielektrika, z.B. Öl/Papier/Pressspan, Öl/Papier oder Masse/Papier mittels Verlustfaktormessungen vor Ort mit Frequenzen kleiner als die Frequenz der öffentlichen, elektrischen Versorgungsnetze

Info

Publication number: DE10135915A1
Application number: DE2001135915
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-24
Filing date: 2001-07-24
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: DE10135915B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose der dielektrischen Alterung von Mehrstoffdielektrika, z. B. Öl/Papier/Pressspan, Öl/Papier oder Masse/Papier mittels Verlustfaktormessungen vor Ort mit Frequenzen kleiner als die Frequenzen der öffentlichen, elektrischen Versorgungsnetze, z. B. für Transformatoren, Induktivitäten, Kapazitäten und Kabeln. DOLLAR A Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass aus den Verlustfaktorwerten, die Alterung von Mehrstoffdielektrika, z. B. Öl/Papier/Pressspan von Transformatoren durch thermische Effekte, Teilentladungen, Feuchtigkeitseinflüssen, Oxidationsvorgängen sowie Verunreinigungen und dadurch bedingte Depolymerisierungs- und weitere Zersetzungsvorgänge, sowie Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit, bestimmt wird.

Description

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Messverfahrens, welches die vorstehend genannten Vorteile hat.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Messverfahren gemäss dem Anspruch 1 bzw. Anspruch 2 und dem Anspruch 3.
Das allgemeine Ersatzschaltbild für ein verlustbehaftetes Dielktrikum ist in Bild 1 dargestellt. Darin bedeuten:
C₀: geometrische Kapazität
R_iSO: Isolationswiderstand
C_p1, C_pn, R_p1, R_pn: äquivalente Größen für Polarisationsmechanismen.
Die betriebsbedingte dielektrische Alterung von Mehrstoffdielektrika wird bestimmt von den Verlusten in den entsprechend angewandten Isolierstoffen.
Zum Beispiel stellen Leistungstransformatoren in jedem elektrischen Versorgungsnetz sowohl kapitalmäßig als auch betriebstechnisch hochwertige Komponenten dar. Es ist also sehr wichtig, den Betriebszustand von diesen Komponenten möglichst genau zu kennen. Aus diesem Grund ist die Abschätzung der betriebsbedingten, dielektrischen Alterung für den angestrebten störungsfreien Betrieb eines elektrischen Versorgungsnetzes von großer Bedeutung. Es ist bekannt, dass das Dielektrikum von Leistungstransformatoren heute im wesentlichen aus Öl/Papier/Pressspan besteht. Die dielektrische Alterung bezieht sich hauptsächlich auf die mikroskopische Zersetzung des Isoliersystems.
Die vorliegende Erfindung befasst sich, z. B. mit der off-line-Diagnostik von Leistungstransformatoren vor Ort mit Hilfe einer sinusförmigen Prüfspannung mit der Frequenz 0,1 Hz.
Die Ersatzschaltung der Transformatorwicklungen, die zur elektrischen Prüfung verwendet werden, sind in Bild 2 dargestellt. Aus diesem Bild sind die Oberspannungswicklung (OS) und die Unterspannungwicklung (US) zu erkennen. Die Isolierung besteht im wesentlichen aus den Isolierpapieren, Pressspanbarrieren und Öl.
Die Alterung von Mehrstoffdielektrika, z. B. Öl/Papier/Pressspan von Transformatoren wird während der Betriebsdauer im wesentlichen bestimmt durch:

- elektrische und thermische Belastung
- Teilentladungen
- Feuchtigkeitseinflüsse
- Oxidationsvorgänge sowie Verunreinigungen und
- dadurch bedingte Depolymerisationseffekte und Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit.

Wie aus Bild 3 zu entnehmen ist, sind die Verlustfaktorwerte, z. B. bei Transformatoren, gemessen bei 0,1 Hz, deutlich um mehr als eine Zehnerpotenz höher im Vergleich zu Verlustfaktorwerten gemessen bei, z. B. 50 Hz.
Bei einem Ölaustausch eines stärker gealterten Transformators können die Verlustfaktorwerte vor der Überholung im Vergleich zu den Verlustfaktorwerten nach der Überholung um mehr als Faktor 5 gesenkt werden (Bild 4).
In Bild 5 und auch Bild 6 sind die Verlustfaktorwerte des Leistungstransformators T2, 230/115/21 kV, 300 MVA, Baujahr 1978 mit 0,1 Hz, der vor Ort gemessen wurde, angegeben. Die beispielhaft angewandten Prüfspannungen 6, 12, 18, 24, 30 und 36 kV wurden dazu benutzt, um mit der folgenden angepassten Gleichung Nr. (1) einen Kurvenzug zu berechnen, der mit den Messpunkten sehr gut übereinstimmt.
In dieser Gleichung bedeuten (vergl. auch Tabelle 1 und Bild 5):
tanδ: rechnerischer Verlustfaktor des Dielektrikums
U: Effektivwert der sinusförmigen Prüfspannung mit der Frequenz 0,1 Hz
τ: Zeitkonstante
A, B: Gleichungskonstanten.
Mit dieser Gleichung wurde auch die Tabelle 1 erstellt, sodass sich daraus die Werte tanδ₀, der Winkel α und der Verlustfaktorwert Δtanδ ergeben. Die mathematische Bedeutung dieser Werte geht aus Bild 5 hervor.

Tabelle 1

Zur Berechnung des Kurvenverlaufs, vergleiche Bild 5 und 6. In den Bildern 5 u. 6 stimmen die entsprechenden Winkel α in Grad nicht mit den rechnerischen Werten dieser Tabelle überein, denn der Massstab ist zu berücksichtigen.
Der Verlustfaktorwert Δtanδ ist ein ausschlaggebender Wert für den Wassergehalt im Isolierpapier. Umso grösser dieser Verlustfaktorwert ist, umso grösser ist der Wassergehalt im Isolierpapier und ähnlichen Isolierstoffen.
Der Winkel α ist ein auschlaggebender Wert für die Alterung des Isolierpapiers und vergleichbarer Isolierstoffe (Depolymerisation). Umso grösser dieser Winkel ist, umso stärker ist die Alterung in diesen Werkstoffen.
Der Verlustfaktor tanδ₀ ist ein auschlaggebender Wert für die Alterung des Isolieröls. Umso grösser dieser Verlustfaktor ist, umso stärker ist die Alterung dieses Öls.
Wie aus Bild 6 hervorgeht, liegen die Verlustfaktormesswerte bei stark gealterten Dielektrika der Tranformatoren, z. B. T2 und T3 im Vergleich zu nicht gealterten Dielktrika bei neuen Transformatoren, z. B. T1 um deutlich mehr als eine Zehnerpotenz höher.
Die hohe Empfindlichkeit des Verfahrens ermöglicht jeweils ein sehr differenziert abgestuftes Diagnosergebnis der dielektrischen Alterung. Sollte, z. B. ein Transformator bereits stark gealtert sein (vergl. Bild 6, Transformatoren T2 und T3), so kann bereits nach ca. 1 Jahr durch eine Wiederholungsmessung der weitere Fortgang der dielktrischen Alterung empfindlich kontrolliert werden.
Gegenüber entsprechenden bekannten Diagnoseverfahren ergeben sich folgende Vorteile:
Mit dem beschriebenen Verfahren, z. B. mittels Verlustfaktormessungen mit 0,1 Hz lassen sich, z. B. an Transformatoren vor Ort folgende bedeutende physikalische Effekte vergleichsweise ermitteln (Bild 5 und Tabelle 1):
Der Verlustfaktorwert Δtanδ ist ein ausschlaggebender Wert für den Wassergehalt im Isolierpapier. Umso grösser dieser Verlustfaktorwert ist, umso grösser ist der Wassergehalt im Isolierpapier und ähnlichen Isolierstoffen.
Der Winkel α ist ein auschlaggebender Wert für die Alterung des Isolierpapiers und vergleichbarer Isolierstoffe (Depolymerisation). Umso grösser dieser Winkel ist, umso stärker ist die Alterung in diesen Werkstoffen.
Der Verlustfaktor tanδ₀ ist ein auschlaggebender Wert für die Alterung des Isolieröls. Umso grösser dieser Verlustfaktor ist, umso stärker ist die Alterung dieses Öls.
Die Verlustfaktorwerte, z. B. bei Transformatoren, gemessen bei 0,1 Hz, sind deutlich um mehr als eine Zehnerpotenz höher im Vergleich zu Verlustfaktorwerten gemessen mit, z. B. 50 Hz (Bild 3).
Die Verlustfaktormesswerte liegen bei stark gealterten Dielektrika, z. B. bei Tranformatoren im Vergleich zu nicht gealterten Dielktrika bei neuen Transformatoren um deutlich mehr als eine Zehnerpotenz höher (Bild 6). Aufgrund dieser hohen Empfindlichkeit kann bei stark gealterten Transformatoren (vergl. Bild 6, Transformator T3) bereits nach ca. 1 Jahr durch eine Wiederholungsmessung der weitere Fortgang der dielektrischen Alterung empfindlich kontrolliert werden.
Bei einem Ölaustausch eines stärker gealterten Transformators können die Verlustfaktorwerte vor der Überholung im Vergleich zu den Verlustfaktorwerten nach der Überholung um mehr als Faktor 5 gesenkt werden (Bild 4).
Die Verlustfaktormessung vor Ort, z. B. an Transformatoren erfordert aufgrund der niedrigen Prüfspannung einen geringen Aufwand.
Aufgrund der niedrigen Frequenz von z. B. 0,1 Hz im Vergleich, z. B. zu 50 Hz ergibt sich eine um den Faktor 500 niedrigere kapazitive Ladeleistung der Prüflinge. Dies trägt zusätzlich entscheidend zur Reduzierung des Aufwandes bei.
Das Diagnoseergebnis liegt bereits vor Ort vor.

Bildunterschriften

Bild 1: Allgemeines Ersatzschaltbild eines verlustbehafteten Dielektrikums
C₀: geometrische Kapazität
R_iso: Isolationswiderstand
C_p1, C_pn, R_p1, R_pn: äquivalente Größen für Polarisationsmechanismen
Bild 2: Ersatzschaltbild eines Prüflings, hier ein Leistungstransformator mit der Oberspannungswicklung (OS), der Mittellspannungswicklung (MS) und der Unterspannungswicklung (US) für die Messung des Verlustfaktors mit 0,1 Hz
Bild 3: Abhängigkeit des Verlustfaktors tanδ von der Prüfspannung für 0,1 Hz und 50 Hz,
Prüfling: Transformator 30000/230 V, Nr. 22847B
Bild 4: Abhängigkeit des Verlustfaktors tanδ von der Prüfspannung bei 0,1 Hz des Transformators 20/0,4 kV; 160 kVA Baujahr 1975, vor und nach der Überholung dieses Transformators
Bild 5: Verlustfaktormessung des Leistungstransformators T2: 230/115/21 kV, MVA 300, Baujahr 1978 mit 0,1 Hz vor Ort (vergl. auch Bild 6)
: gemessene Werte
-: gerechneter Kurvenverlauf
A: Faktor, siehe Gleichung Nr. (1)
B: eingeschwungener Wert, rechnerisch
α: Winkel der Tangente an der Kurve tanδ = f(U) bei 6 kV
τ: Zeitkonstante an der Kurve tanδ = f(U)
Bild 6: Verlustfaktormessungen an Leistungstransformatoren mit 0,1 Hz vor Ort, Dielektrika dieser Transformatoren sind sehr unterschiedlich gealtert.
T1: 110/20 kV, 20 MVA, Baujahr 1997, vor der Inbetriebnahme gemessen, Dielektrikum neuwertig
T2: 230/115/21 kV, 300 MVA, Baujahr 1978
T3: 230/115/21 kV, 300 MVA, Baujahr 1984
T4: 110/20 kV, 16 MVA, Baujahr 1952, sehr stark gealtertes Dielektrikum Literaturverzeichnis /1/ Vosen Helmut: Kühlung und Belastbarkeit von Transformatoren, VDE-Schriftenreihe 72, 1997

Claims

1. Verfahren zur Diagnose der dielektrischen Alterung von Mehrstoffdielektrika, z. B. ÖL/Papier/Pressspan, Öl/Papier, Masse/Papier oder ähnlichen Dielektrika mittels Verlustfaktormessungen mit Frequenzen kleiner als die Frequenzen der öffentlichen elektrischen Versorgungsnetze vor Ort, z. B. für Transformatoren, Induktivitäten, Kapazitäten und Kabeln hat folgende Merkmale:
Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich, z. B. an Transformatoren vor Ort folgende bedeutende physikalische Effekte vergleichsweise ermitteln (Bild 5):

- Der Verlustfaktorwert Δtanδ ist ein ausschlaggebender Wert für den Wassergehalt im Isolierpapier, Pressspan und ähnlichen Isolierstoffen. Umso grösser dieser Verlustfaktorwert ist, umso grösser ist der Wassergehalt in diesen Isolierstoffen.

- Der Winkel α ist ein auschlaggebender Wert für die Alterung des Isolierpapiers, des Pressspans und ähnlichen Isolierstoffen (Depolymerisation). Umso grösser dieser Winkel ist, umso stärker ist die Alterung in diesen Isolierstoffen.

- Der Verlustfaktor tanδ₀ ist ein auschlaggebender Wert für die Alterung des Isolieröls. Umso grösser dieser Verlustfaktor ist, umso stärker ist die Alterung dieses Öls.

2. Verfahren zur Diagnose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustfaktorwerte, z. B. bei Transformatoren, gemessen bei 0,1 Hz, deutlich um mehr als eine Zehnerpotenz höher sind, im Vergleich zu entsprechenden Verlustfaktorwerten gemessen bei, z. B. 50 Hz (Bild 3) und
die Verlustfaktormesswerte bei stark gealterten Dielektrika, z. B. von Tranformatoren im Vergleich zu nicht gealterten Dielektrika von neuen Transformatoren um deutlich mehr als eine Zehnerpotenz höher liegen (Bild 6), sodass
bei einem Ölaustausch, z. B. bei einem stärker gealterten Transformator die Verlustfaktorwerte des Dielektrikums vor der Überholung im Vergleich zu den entsprechenden Verlustfaktorwerten nach der Überholung um den Faktor 5 gesenkt werden (Bild 4) und
bei stark gealterten Transformatoren, z. B. Transformator T3, bereits nach ca. 1 Jahr durch eine Wiederholungsmessung der weitere Fortgang der dielektrischen Alterung empfindlich kontrolliert werden kann.

3. Messsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustfaktormessung vor Ort, z. B. an Transformatoren aufgrund der niedrigen Prüfspannung einen geringen Aufwand erfordert und aufgrund der niedrigen Frequenz z. B. von 0,1 Hz im Vergleich, z. B. zu 50 Hz sich eine um den Faktor 500 niedrigere kapazitive Ladeleistung der Prüflinge ergibt, welches zusätzlich den Aufwand außerordentlich stark reduziert.