DE10304459A1 - Gassensor zur Überwachung von ölgekühlten Transformatoren - Google Patents

Abstract

Es wird ein System bereitgestellt, in dem ein laserspektroskopischer Gassensor im infraroten Wellenlängenbereich mit einer durchstimmbaren Laserdiode Zielgase im Transformatoröl detektieren kann. Ein Zielgas ist beispielsweise Ethen, wobei dessen Konzentration beispielsweise einen Hinweis auf vorhandene heiße Stellen am Transformator gibt.

Description

• Die Erfindung betrifft die Überwachung von Transformatoren, die teilweise oder vollständig mit einem Öl zur Wärmeabfuhr ausgestattet sind. Unter Überwachung ist die Erfassung von Fehlerquellen am System wie beispielsweise heiße Stellen oder elektrische Überschläge zu verstehen.
• Die konventionelle Transformatordiagnostik besteht in der regelmäßigen Probeentnahme von Transformatoröl und dessen Analyse in einem Labor. Dieses Vorgehen ist natürlich zeitaufwändig und kostenintensiv. Daneben birgt der Probentransport die Gefahr der Verfälschung in der Zusammensetzung der Probe, z.B. durch Ausdiffusion von Gas oder Ähnlichem.
• Der störungsfreie Betrieb von Leistungstransformatoren beispielsweise in Kraftwerken oder Umspannwerken ist jedoch von entscheidender Bedeutung für die sichere Versorgung ganzer Regionen mit elektrischer Energie. Der Ausfall eines Transformators an entscheidender Stelle bewirkt sehr schnell wirtschaftliche Schäden von größerem Ausmaß. Die Lebensdauer eines Transformators wird durch Alterungsprozesse, beispielsweise an den Isolationsschichten zwischen den Wicklungen, begrenzt. Es entstehen dabei Überschläge und Kriechströme innerhalb bzw. zwischen den Wicklungen. Diese werden zunächst über einen längeren Zeitraum die Funktion des Transformators nicht merklich beeinträchtigen. Ein unbeachteter Schaden wird sich jedoch im Laufe der Zeit immer rascher weiter entwickeln und schließlich ohne Vorwarnung zu einem abrupten Ausfall des Transformators führen. Die schleichende Entwicklung des Schadens kann sich über Monate oder auch Jahre hinziehen. Somit ist eine rechtzeitige Wahrnehmung eines Transformatorschadens wichtig, so dass geeignete Maßnahmen getroffen werden können, bevor sich der Transformator automatisch wegen eines Störfalls abschaltet. Zur Überwachung wird häufig die Analyse des Transformatoröls herangezogen. Sind bestimmte Gase in bestimmter Konzentration im Transformatoröl enthalten, so lassen sich Rückschlüsse auf den Transformatorzustand ziehen. Eine Auswertung dieser Gaskonzentration wurde bisher regelmäßig über eine Probeentnahme aus dem Transformatoröl mit anschließender Analyse im Labor getätigt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Erfassung bestimmter Zielgase sowie deren Konzentration im den Transformator umgebenden Raum bereitzustellen, welches eine ständige Überwachung des Transformatorzustandes ermöglicht.
• Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit einem oder mehr Gassensoren nach dem Messprinzip der Infrarot-Gasabsorption unter Einsatz von Laserdioden eine Vor-Ort-Messung der Zielgaskonzentration im Transformatoröl oder einem darüberliegenden Gasvolumen durchführbar ist. Dazu wird eine Anordnung zur Gasabsorptionsmessung in einem Gehäuse untergebracht, welches mit einer Öffnung und einer darin platzierten semipermeablen Membran mit dem Transformator-Innenraum in Kontakt steht. Somit können Gase, die sich am oder im Transformator bilden über die semipermeable Membran in den Innenraum des Gehäuses, in dem sich die Gasabsorptionsstrecke befindet, eindiffundieren.
• Die Detektion bestimmter Gase geschieht derart, dass im Gasspektrum von bestimmten ausgewählten Zielgasen eine bestimmte Absorptionslinie, die sich klar von benachbarten Linien unterscheidet, ausgewählt wird und gleichzeitig eine Laserdiode eingesetzt wird, die lichtmonochrom emittiert, jedoch über einen bestimmten Wellenlängenbereich mit zunehmender Betriebstemperatur in der Frequenz durchstimmbar ist. Hierzu kann der gesamte Bereich des infraroten Lichtes bzw. der gesamte infrarote Wellenlängenbereich benutzt werden. Geschieht nun innerhalb der Gasabsorptionsstrecke die Beleuchtung mit der durchstimmbaren Laserdiode, so lassen sich über den Fotodetektor am anderen Ende der Gasabsorptionsstrecke Intensitäten ermitteln und daraufhin auswerten, ob an der im Zielgasspektrum ausgewählten Absorbtionslinie eine während der frequenzmäßigen Durchstimmung der Laserdiodewobei die Frequenz des Peaks überfahren wurde, eine Absorption stattgefunden hat. Dies würde bedeuten, dass ein Zielgas vorhanden ist.
• Da die Konzentration von Zielgasen in der Umgebung des Transformators, also gelöste Gase im Transformatoröl oder in einem darüber befindlichen Gasvolumen Hinweise auf den Zustand des Transformators geben, sollte für bestimmte Transformatorschwächen jeweils ein entsprechendes Gas in der Transformatorumgebung gesucht werden. Beim Auftreten von elektrischen Überschlägen am Transformator ist beispielsweise eine erhöhte Wasserstoffkonzentration im Transformatoröl und im evtl. darüber befindlichen Gasvolumen zu finden. Eine erhöhte Ethenkonzentration ist beispielsweise ein Indikator für heiße Stellen am Transformator. Diese beiden Gase können somit als Leitgase für die Detektion der beiden wichtigsten Fehlerursachen im Transformator herangezogen werden. Mit dem gleichen Messprinzip können jedoch eine Vielzahl von anderen Gasen ebenfalls detektiert werden.
• Im Folgenden wird anhand von schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren ein Ausführungsbeispiel beschrieben:
• 1 zeigt die Gasspektren von Methan und Ethan, gemessen mit einem Fourier-Spektrometer im Wellenlängenbereich zwischen 1,65 und 1,69 μm, wobei zum Vergleich verschiedener Linienstärken der Gase die Extinktion der Methanlinie bei 1,651 μm auf 1 gesetzt ist,
• 2 zeigt den schematischen Aufbau eines im Gehäuse untergebrachten und mit dem Transformatoröl indirekt in Kontakt stehenden Gassensors zur laserspektroskopischen Gasmessung.
• Als Online-Verfahren kommen theoretisch Gas-Chromatografie und disperse Infrarotspektroskopie in Frage. Bei diesen Verfahren ist jedoch ein erheblicher technischer Aufwand notwendig, der sich im Preis der Gerätschaften niederschlägt. Daneben erfordern diese Geräte geschultes Personal zur Bedienung.
• Die durch die Erfindung beschriebene Lösung bezieht sich auf die Messung eines Zielgases und/oder dessen Konzentration. Als Zielgas wird vornehmlich Ethen detektiert. Über die Messung der Ethenkonzentration im Transformatoröl kann, wie beschrieben, festgestellt werden, ob am Transformator heiße Stellen vorhanden sind. Das Messprinzip basiert auf der Infrarot-Gasabsorption, wobei die Absorptionsstrecke mit einer Laserdiode bedient wird, deren Emission spektral monomodig ist. Die Emissionswellenlänge der Laserdiode lässt sich jedoch mit der Betriebstemperatur über einen bestimmten Wellenlängenbereich abstimmen. Somit lassen sich bestimmte Teilspektren mit markanten Absorptionslinien aufnehmen. Dazu eignen sich mehrere bekannte Verfahren wie die direkte Spektroskopie, die Derivativ-Spektroskopie oder hochfrequente Heterodyn-Spektroskopie. Die Gaskonzentration wird jeweils aus der Absorption mit dem Lambert-Beerschen Gesetz berechnet.
• Die 1 zeigt das Spektrum von Methan und Ethen im Wellenlängenbereich von 1,65 und 1,69 μm. Dabei handelt es sich jeweils um die erste Oberschwingung der C-H-Grundschwingung, die typischerweise bei 3,3 μm liegt. Die Linienstärke der Oberwellen und damit die Nachweisempfindlichkeit sind zwar geringer als bei der Grundschwingung, jedoch stehen heute im Nah-Infrarot-Bereich technisch ausgereifte und preiswerte Laserdioden zur Verfügung, die die technische und wirtschaftliche Realisierung des Ethen-Sensors ermöglichen.
• 1 zeigt einen Ausschnitt aus der Methanbande mit der charakteristischen Q-Bande bei 1,66 μm (der Bereich dicht benachbarter Absorptionslinien) und den nahezu äquidistanten Absorptionslinien (3nm) des R-und P-Zweiges. Charakteristisch für Ethen ist die größere Komplexität des Spektrums gegenüber Methan, hervorgehoben durch die höhere Zahl an Freiheitsgraden für Kombinationsschwingungen im Ethen-Molekül. Die Lage der drei stärksten Linien im Spektrum ist in der 1 durch Pfeile markiert. Deren Linienstärke ist ausreichend groß, um die geforderte Nachweisempfindlichkeit von 20 ppm mit einem geeigneten Aufbau sicher zu stellen. Neben den gezeigten Linien sind natürlich auch weitere im Spektrum nicht gezeigte Linien für eine Messung im Prinzip geeignet.
• Daneben lässt sich das Messprinzip auf andere relevante Gase wie beispielsweise Ethin, Propan, Propen, Methan, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid ausweiten. Dabei können Methoden angewandt werden, welche analog zur Detektion von Erdgas sind. Die Detektion von Erdgas wird beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 198 239 18.1 beschrieben. Bei der Verfügbarkeit geeigneter Laserlichtquellen kann die Detektion auch im mittleren infraroten Bereich z. B. in der Grundschwingungsbande der C-H-Schwingung des Ethen-Moleküls bei 3,3 μm erfolgen.
• Die Vorteile gegenüber bekannten Verfahren liegen insbesondere darin, dass die Erfindung ein kontinuierlich messendes System zu deutlich reduzierten Kosten ermöglicht. Gegenüber anderen Detektionsmöglichkeiten oder Verfahren besteht insbesondere der Vorteil in der im Wesentlichen wartungsfreien Betriebsweise des Systems.
• Die Laserspektroskopie in Verbindung mit dem Transformator-Monitoring (Überwachung) stellt eine neuartige Kombination dar, die bisher nicht bekannt ist.
• In 2 wird ein Ausführungsbeispiel detaillierter beschrieben. Unterhalb, jedoch möglichst in der Nähe des Flüssigkeitsspiegels des Kühlöls eines Transformators ist in der Transformatorwand ein Flansch angebracht, an dem eine Ölsensorik angebaut werden kann. Das Transformatoröl steht mit dem Gasvolumen innerhalb des Sensorgehäuses 1 über eine semipermeable und oleophobe Membran 2 in Kontakt. Die semipermeable Membran 2 ist für Gase durchlässig, jedoch nicht für Öl. Der Ethensensor wird in und mit dem Sensorgehäuse 1 komplett am Anschluss-Flansch der Transformatorhülle 6 untergebracht. Im Sensorgehäuse 1 ist sowohl die Absorptions-Messstrecke 4 mit Laserdiode 3 und Fotodetektor 5 findet sowie die Steuer- und Auswerte-Elektronik 7 untergebracht. Ein Messwert dieser Einheit kann als ein analoges oder digitales Signal ausgegeben werden. In 2 ist eine grobe Unterteilung zwischen Transformatorhülle 6 und Messzelle 8 eingetragen. Wesentlich erscheint, dass die semipermeable Membran 2 sämtliche laserspektroskopischen Geräte sowie eine Steuer- und Auswerte-Elektronik in einem Gehäuse 1 aufnimmt. Messungen können kontinuierlich durchgeführt werden. In der Gasphase werden sich Gase, die im Transformatoröl gelöst sind, über die semipermeable Membran 2 ansammeln.

Claims (6)

1. Sensor zur Überwachung von ölgekühlten Transformatoren durch Detektion und/oder Konzentrationsmessung eines Zielgases im Transformatoröl nach dem Prinzip der Infrarot-Gasabsorption, wobei der Sensor aus mindestens einer Laserdiode (3) einer Absorptions-Messstrecke und einem Fotodetektor (5) besteht und in einem ölfreien Gehäuse (1) untergebracht ist, welches mit dem Innenraum eines Transformatorgehäuses über eine semipermeable Membran (2) in Kontakt steht, so dass im Transformatoröl enthaltenes Zielgas im Gehäuse (1) messbar ist.
2. Gassensor nach Anspruch 1, bei dem das Zielgas Ethen ist.
3. Gassensor nach Anspruch 1, bei dem ein Zielgas eines der Gase von Ethin, Propan, Propen, Methan, Sauerstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid ist.
4. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Nachweisempfindlichkeit bei 20 ppm liegt.
5. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Messung von Ethen an einer diskreten Spektrallinie im Ethenspektrum stattfindet, die bei 3,3 μm liegt.
6. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Steuer- und Auswerteelektronik (7) im Gehäuse (1) integriert ist.