DE19648208A1 - Vorrichtung zur Trockenhaltung eines elektrischen Isoliersystems - Google Patents

Description

Vorrichtung zur gleichzeitigen Ausnutzung der Hygroskopizität einer Isolierflüssigkeit und der Zyklizität der Belastung nicht atmender Transformatoren zum Zweck der Trockenhaltung des Isoliersystems durch Anordnung eines Gaspolsters, die das hin- und herströmende Gas zwingt, die darin enthaltene Feuchte an eine geeignete Trockenvorrichtung abzugeben, wodurch sich ein Feuchteuntersättigungsgefälle ergibt, das der Feuchteansammlung im Isoliersystem entgegen wirkt.

Stand der Technik

Sogenannte nichtatmende elektrische Transformatoren, bei denen die Isolierflüssigkeit keine Berührung mit der Außenluft hat, werden häufig mit einem Gaspolster beaufschlagt. Dies geschieht, um die Komprimierbarkeit von Gasen zum Zweck der Druckaufnahme bei der Ausdehnung der Flüssigkeit durch Erwärmung und der Vermeidung starker Unterdrücke bei abkühlungsbedingter Volumenminderung zu nutzen. Gewöhnlich kommt als Gas Stickstoff zur Anwendung. Es hat sich jedoch gezeigt, daß starke tageszeitenzyklische Wechselbelastung des Transformators oft dazu führt, daß wegen Undichtigkeiten des Kessels über kurz oder lang das Stickstoffpolster zum Luftpolster wird. Daraus wurden gegensätzliche Folgerungen gezogen: Teils kehrte man zum atmenden Transformator mit Ausdehnungsgefäß zurück, teils entschloß man sich, unter Verwendung von Stahlblechen, die sich durch hohe elastische Verformbarkeit auszeichnen, für integral befüllte Transformatoren ohne Gaspolster, obwohl bei dieser Bauart die bei Abkühlung entstehenden Unterdrücke ebenfalls groß sein können und gegebenenfalls das Ansaugen von Luft und Luftfeuchte verursachen. Da auf dem Verteilungstransformatorenbereich aufgrund der relativ niedrigen Oberspannungen die durch die Gegenwart von Gas in der Flüssigkeit mögliche Beeinträchtigung der Durchschlagfestigkeit als weniger kritisch angesehen wird, hat man sich mit einer der beiden alternativen Kompromißlösungen abgefunden, zumal konstruktive Überlegungen dagegen sprachen, das Stickstoffpolster so großzügig zu bemessen, daß bei Flüssigkeitsabkühlung nur ein schwacher Unterdruck entsteht. Ein großes Gaspolster kann sich sogar negativ auswirken, wenn bestimmte Bedingungen zusammentreffen: extrem niedrige Umgebungslufttemperaturen und gleichzeitig vorliegende geringe Last.

Neben den erwähnten Alternativen sind auch Hybridlösungen mit verschiedenen Anordnungen von Membranen eingesetzt worden, jedoch hauptsächlich für Leistungstransformatoren. Die verschiedenen Spielarten haben gemeinsam, daß sie den Sauerstoff-Zugang auszuschließen oder zumindest zu reduzieren versuchen. Gegenwart von Sauerstoff im dielektrischen System ist immer nachteilig; auch wenn die verwendete Flüssigkeit nur wenig von der Gegenwart von Sauerstoff beeinflußt wird, steht die schnellere Alterung der Zellulose außer Frage. (IEEE Trans. Electr. Insul., Vol E1-13 No 5, October 1978).

Bei den verwendeten Membranen - gewöhnlich aus Nitrilkautschuk, wenn auf Ölverträglichkeit Wert gelegt wurde - ist man gewöhnlich von der Voraussetzung ausgegangen, daß sie elastisch sein sollten. In der vorliegenden Erfindung wird dies nicht vorausgesetzt. Es können deshalb gegenüber Kautschuk wesentlich gasdichtere Polymerfolien, z. B. aus Polyvinylidenchlorid (PVDC) oder Mehrschichtfolien mit Barrieremembran eingesetzt werden, wobei das entscheidende Kriterium das Tieftemperaturverhalten ist.

Von besonderem Interesse im Zusammenhang der vorliegender Erfindung ist ein amerikanisches Patent von Unger (US Patent 2,505,581), in dem eine Anordnung beschrieben wird, die die Bindung in den Transformator gelangter Luftfeuchte bewirken soll, jedoch nicht die Abführung von Feuchte, die ihren Ursprung in der Zellulosealterung hat.

Unger nimmt sogar fälschlicherweise an, Feuchte wandere aus der Zellulose in das Gaspolster und könne dort als Tropfen unter dem Trafodeckel kondensieren. Da jedoch die Zellulose sehr viel hygroskopischer ist als Mineralöl, besteht die von Unger angenommene Gefahr nicht. Es ist umgekehrt so, daß die niedrige Hygroskopizität des Mineralöls dazu führt, daß beim Abkühlen des Öls durch Undichtigkeit in das Öl gelangte Feuchte auf der Zellulose abgeladen wird und dadurch die Isolationsgüte des Gesamtsystems Schaden leidet und der Alterungsprozeß der Zellulose beschleunigt wird.

Die vorliegende Erfindung nutzt dagegen den Umstand der Hygroskopizität der Isolierflüssigkeit in der Weise, daß sie nicht nur eine große Spreizung zwischen dem Sättigungszustand der Flüssigkeit, in dem diese Feuchte auf der Zellulose abladen könnte, und ihrem tatsächlichen Zustand dadurch schafft, daß sie der Flüssigkeit die Feuchte entzieht, sondern ein steileres Untersättigungsgefälle bewirkt, als dies bei Verwendung einer nur wenig hygroskopischen Flüssigkeit wie Mineralöl möglich wäre.

Da die Sättigungsgrenze von üblicherweise in Transformatoren verwendetem paraffinischen Mineralöl im Bereich gewöhnlicher Betriebstemperaturen um mehr als eine Größenordnung unter derjenigen von Pentaeryrithrit-Tetraester liegt, ist der für die Entziehung von Feuchte aus der Zellulose entscheidende Grad der Untersättigung bei Pentaerythrit-Tetraester besonders groß. Deshalb eignet sich diese Flüssigkeit besonders gut für die Erreichung des in der vorliegenden Erfindung verfolgten Zwecks.

Eine unrichtige Beurteilung der Vorgänge, die sich im Transformator abspielen - manifest in der Begründung des Ungerschen Patents - sowie eine unrichtige Einschätzung der Hygroskopizität von Isolierflüssigkeiten durch Übertragung der Verhältnisse, die beim atmenden Transformator herrschen, auf andere Bautypen, sind wohl auch die Hauptgründe dafür, weshalb man bisher die Hygroskopizität von Isolierflüssigkeiten nicht zu dem in der vorliegenden Erfindung verfolgten Zweck eingesetzt hat.

Die Trockenhaltung der hygroskopischen Flüssigkeit ist vorrangig nicht deshalb erforderlich, weil ihre Durchschlagfestigkeit auch bei geringen Wasseranteilen leiden würde, was nicht der Fall ist, sondern weil auch in dielektrischer Hinsicht unkritische Wasseranteile die Alterung der Flüssigkeit beschleunigen. So wurde beispielsweise festgestellt, daß die Wärmebeständigkeit von Polydimethylsiloxan 50cSt sehr stark vom darin gelösten Wasser abhängig ist. (IEEE A 78 284-2).

Die Trockenhaltung des gesamten Isoliersystems eines Gaspolster-Transformators gelingt folglich am besten mit einer hygroskopischen Flüssigkeit, die selbst wiederum fortwährend getrocknet wird. Dadurch wird nicht nur die Isoliergüte des gesamten Systems gewährleistet, sondern auch Alterungserscheinungen vorgebeugt, die erst zu einem späteren Zeitpunkt die Durchschlagfestigkeit negativ beeinflussen könnten.

Der erwünschte Effekt besteht also in der Schaffung und Erhaltung eines ständigen Sättigungs-Un­ gleichgewichts zwischen Zellulose und hygroskopischer Flüssigkeit, bei dem die Untersättigung der hygroskopischen Flüssigkeit dafür sorgt, daß nicht nur keine Feuchte auf der Zellulose abgeladen, sondern eventuelle Alterungsfeuchte der Zellulose frühestmöglich abgeführt wird.

Der Vorteil der Verwendung einer im Vergleich zu Mineralöl stärker hygroskopischen Isolierflüssigkeit, insbesondere Pentaerythrit-Tetraester, liegt jedoch nicht nur darin, daß sich mit einer solchen Flüssigkeit ein günstigeres Feuchte-Untersättigungsgefälle herstellen läßt, sondern auch darin, daß das in der Flüssigkeit gelöste Wasser in dielektrischer Hinsicht anders zu beurteilen ist als das in Mineralöl gelöste Wasser.

Das unerwartet günstige Verhalten der Silikon- und insbesondere der Esterflüssigkeit in der Gegenüberstellung der im Schering Institut an der Universität Hannover durchgeführten Messungen zur Durchschlagfeldstärke von herkömmlichem Transformatorenöl auf Mineralöl­ basis, Clophen, Silikonflüssigkeit 50cSt und Pentaerythrit-Tetraester wird von Professor Beyer mit "unterschiedlichen Wasserlösungszuständen" erklärt.

"Für die Einleitung eines Durchschlages in Isolierflüssigkeiten sind Stoßionisierungsprozesse in kleinen Gasblasen oder Mikrohohlräumen der Flüssigkeit verantwortlich, die mit gelösten Fremdgasen (z. B. Wasserdampf) oder leicht flüchtigen Flüssigkeitsbestandteilen gefüllt sind ("Verschleierte Gasentladung"). In den Flüssigkeiten enthaltene Feuchte verringert dabei die elektrische Festigkeit erheblich. Sowohl bei der Silikonflüssigkeit als auch bei der Esterflüssigkeit läßt sich jedoch - im Unterschied zu Mineralöl und PCB - die doppelte Abhängigkeit der Durchschlagfeldstärke von der Temperatur und vom Wassergehalt nicht durch die Abhängigkeit von der relativen Feuchte zusammenfassen. Das Durchschlagverhalten beider Flüssigkeiten wird daher offenbar nicht vorwiegend durch physikalische Lösungsvorgänge des Wassers beeinflußt." (Das elektrische und dielektrische Verhalten von Midel 7131 und Silikonflüssigkeit als alternative Isolierungen zum Clophen-imprägnierten Dielektrikum, 8. Fachtagung Elektroisolier-Systeme 1989, im Congress Centrum Hamburg).

Bisherige Transformatorenkonstruktionen wußten die von Professor Beyer festgestellte Fähig­ keit, die insbesondere die Esterflüssigkeit auszeichnet, ausnahmsweise eingetretene oder aus der Alterung der Zellulose anfallende Feuchte unschädlich zu machen, nicht zu nutzen.

Solche Nutzung ist Gegenstand dieser Erfindung. Sie erfordert die Anordnung eines zweistufigen Ungleichgewichts - Zellulose/Isolierflüssigkeit und Isolierflüssigkeit/Trockengas - be­ dingt also die Verwendung eines Stickstoffpolsters.

Das System ist dann besonders wirksam, wenn durch entsprechende Dimensionierung des Gasraums oder die Verwendung eines Balgs oder einer analogen Vorrichtung die Gefahr von Unterdrücken im Transformatorentank minimiert oder ausgeschlossen werden kann, da irgendwelche Feuchte in diesem Fall lediglich von der Zellulose selbst als deren Alterungsprodukt herrühren kann. Die von Elektrizitätsversorgungsunternehmen gestellte Forderung kurzfristiger Überbelastbarkeit von Verteilungstransformatoren kann von integralgefüllten Transformatoren wegen des starken Druckanstiegs nur in beschränktem Maß erfüllt werden. Dagegen kann der mit Stickstoff beaufschlagte erfindungsgemäß gefertigte Verteilungstransformator die Elastizität der Bauweise des integral befüllten oder die einem Gaspolster inhärente Elastizität ausnutzen oder gegebenenfalls beide.

Gegen das Stickstoffpolster bestehen in der Hauptsache drei Vorurteile:

• 1) Durch In-Lösung-Gehen des Gases, mit dem die hochentgaste Flüssigkeit nach abgeschlossenem Imprägniervorgang beaufschlagt wird, kann es zur Entstehung eines Unterdrucks kommen, wenn nicht zusätzlich Stickstoff zu einem späteren Zeitpunkt zudosiert wird bzw. bei erstmaliger Gasbeaufschlagung ein genügend großer Überdruck eingehalten wird.
• 2) Dadurch, daß das Polstergas mit der sich erwärmenden Flüssigkeit in Verbindung steht, trägt nicht nur das wachsende Flüssigkeitsvolumen sondern auch das noch rascher wachsende Gasvolumen zum Druckanstieg bei. Hinzukommt, daß Sonneneinstrahlung einen zusätzlichen, lastunabhängigen Druckanstieg bewirkt.
• 3) Ein drittes Vorurteil betrifft die Anordnung des Stickstoffpolsters unter dem Deckel und die Durchführungen durch eben dieses Gaspolster.

Es gibt geeignete Maßnahmen, die unter (1) aufgeführten vermeintlichen Nachteile des Gaspolster-Transformators zu überwinden, z. B. durch ausreichend hohen Überdruck bei der Begasung des gefüllten Transformators, sofern dieser Überdruck aufgenommen werden kann, was bei einer Konstruktion mit Balg nicht unbedingt gegeben ist, und ein mehrmaliges Nachdosieren erforderlich macht.

Durch eine den Verhältnissen angepaßte Anordnung des zweigeteilten Ausdehnungsgefäßes und gegebenenfalls eine entsprechende Anordnung der Verbindungsleitung zwischen Kessel und Ausdehnungsgefäß können die unter (2) genannten Nachteile vermieden werden.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung eines zweiteiligen Ausdehnungsgefäßes außerhalb des Kessels entfällt die Notwendigkeit der Durchführungen durch einen Gasraum. Damit wird das unter (3) genannte Vorurteil gegenstandslos.

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Vorrichtung nach Anspruch 2 und zeigt schematisch die vorteilhafteste Anordnung.

Gegenstand der Erfindung

Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Nutzung der Möglichkeit der Wasserab­ führung und -bindung - insbesondere des Wassers, das zwangsweise bei der Zellulosealterung anfällt - durch konstruktive Nutzung der Schaffung eines Untersättigungsgefälles vom extrem trockenen Stickstoffpolster zur Flüssigkeit bzw. zum flächigen Isolierstoff durch Verwendung einer hygroskopischen Isolierflüssigkeit, die fortwährend getrocknet wird, vorzugsweise Pentaerythrit-Tetraester, sowie die Nutzung der Tatsache, daß sich die meisten Transformatoren durch zyklische - gewöhnlich tageszeitenzyklische - Lastspiele auszeichnen.

Das Konstruktionsziel verfolgt bei Transformatoren, die Zellulose enthalten, also den Zweck, die Belastungszyklizität für die Trocknung nicht nur ausnahmsweise angesaugter atmosphärischer Feuchte einzusetzen, sondern auch und insbesondere für die Unschädlichmachung der Feuchte, die ihren Ursprung in der Zellulosealterung hat.

Das Konstruktionsziel wird durch bisher nicht realisierte gleichzeitige Nutzung mehrerer Umstände verwirklicht.

Es wird in der vorliegenden Erfindung davon ausgegangen, daß

• 1) man durch die Wahl einer Isolierflüssigkeit mit gegenüber Mineralöl höherer Hygroskopzität ein besonders günstiges Untersättigungsgefälle erhält und daß
• 2) außerdem das an beliebigem aber zweckentsprechend günstigem Ort unterzubringende Ausdehnungsgefäß so zu dimensionieren ist, daß damit die Gefahr starker Unterdrücke vermieden wird oder durch Verwendung eines sich zyklisch füllenden und entleerenden gasdichten Balgs die Gefahr des Entstehens von Unterdrücken ausgeschlossen wird.

Da das eingangs erwähnte Vorurteil gegen den stickstoffbeaufschlagten Verteilungs­ transformator durch eine großzügigere Dimensionierung des Polsters oder Verwendung eines Balgs gegenstandslos würde und damit als weiterer Vorteil eine größere Belastbarkeit erzielt wird - bei Ausnutzung der Möglichkeit, ausnahmsweise Stickstoff abzulassen, wenn dies zur kurzzeitigen Aufnahme extrem hoher Überlasten unumgänglich ist, ergibt sich ein weiterer bisher nicht genutzter Vorteil - und da, insbesondere bei wachsender Vermaschung der Ortsnetze diese Vorteile ein höheres Gewicht erhalten, werden die bestehenden Vorurteile um so eher überwunden,je konsequenter die der Erfindung zugrunde liegende Idee verwirklicht wird.

Die Tatsache, daß das Gas in der beschriebenen Anordnung, wie in Fig. 1 schematisch dar­ gestellt, über einen Gastrockner 3, z. B. mit Silicagel als Feuchtefalle, hin- und hergeleitet wird, je nachdem, ob sich die Flüssigkeit ausdehnt oder zusammenzieht, wird dazu ausgenutzt, das Gas in einem extrem trockenen Zustand zu halten, um dadurch die mit dem extrem trockenen Gas in Berührung stehende Flüssigkeit ebenfalls trocken zu halten und damit wiederum die Feststoffisolierung zu trocknen bzw. die thermisch bedingte Alterung der Zellulose und/oder deren Folgen abzuschwächen, und insbesondere, durch mangelnde Dichtigkeit ausnahmsweise eingedrungene, atmosphärische Feuchte frühzeitig und fortwährend der Flüssigkeit zu entziehen. Die Hygroskopizität der extrem trocken gehaltenen Isolierflüssigkeit gewährleistet die Beibehaltung einer hohen Isoliergüte der Zellulose, selbst wenn deren Alterung durch wiederholte thermische Belastung schneller verläuft.

Bei Anordnung einer Kapillare als Durchflußminderer in der Verbindungsleitung 4 zwischen Transformator und Zwischengefaß (in Fig. 1 als 1 gekennzeichnet) ist die Öffnung der Kapillare so zu bemessen, daß weder Verstopfungen noch Druckaufbau entstehen können. Dies geschieht durch Wahl eines Mindestdurchmessers von 1 mm und durch proportionale Anpassung des Kapillarendurchmessers an das Flüssigkeitsvolumen des Transformators. Die beschriebene Verwendung einer Kapillare ermöglicht den Einsatz eines Druckwächters zur Fehlerdetektion.

Wenn der Gastrockner 3 zwischen dem eine Flüssigkeit und ein Gas enthaltenden Ausdehnungsgefäß 1 und dem Ausdehnungsgefäß 2 (in Fig. 1 in der Anordnung gemäß Anspruch 2 dargestellt) so gestaltet wird, daß, bei Verwendung von Silicagel als Feuchtefalle, der Silicagelinhalt sichtbar ist, ist dieser durchaus geeignet, Undichtigkeiten des Systems sichtbar zu machen. Die sehr geringe Feuchtemenge aus der Zellulosealterung ist, bei ent­ sprechender Silicagel-Füllmenge, nicht in der Lage, eine merkliche Verfärbung von bläulich nach rosa zu bewirken. Eine solche Verfärbung wird jedoch bei starker Luftfeuchteaufnahme bald eintreten.

Die bautypenspezifischen Grenzen der längerfristigen Überbelastbarkeit sind beim atmenden Transformator durch die Sauerstoffempfindlichkeit von Öl und Zellulose bei erhöhter Betriebstemperatur gesetzt, beim polsterlosen integralbefüllten Transformator kann auch eine kurzfristige aber hohe Überbelastung zu plastischer Verformung führen. Andererseits bedeutet eine durch höhere Norm-Nennleistung erreichte Belastungsreserve nicht nur höhere Investitionskosten, sondern auch sehr viel höhere Leerlaufverluste.

Der erfindungsgemäß gebaute Verteilungstransformator überwindet nicht nur die gegen den stickstoffbeaufschlagten Verteilungstransformator bestehenden Vorurteile, sondern verbindet die Vorteile des atmenden mit denen des integralbefüllten Transformators - bei sehr viel größerer kurzfristiger Überbelastbarkeit.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Trockenhaltung eines elektrischen Isoliersystems aus hygroskopischer Isolierflüssigkeit, insbesondere Pentaerythrit-Tetraester, und imprägnierfähigem bei thermischer Alterung Wasser abspaltenden Feststoff in einem elektrischen Gerät, das sich durch Gasbeaufschlagung und durch Zyklizität der Belastung auszeichnet und dessen Belastungsspiele zu einer Vergrößerung und Verkleinerung des Flüssigkeitsvolumens bei entsprechender Verkleinerung und Vergrößerung des Gasvolumens führen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hygroskopizität der Flüssigkeit in Verbindung mit der Anordnung die zyklischen Bewegungen von Gas und Flüssigkeit zur Trockenhaltung des gesamten Systems nutzbar macht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verwendung eines verformbaren Balgs oder Sacks, der von einer gasdichten Membran gebildet wird, Druckkonstanz bei Volumenveränderlichkeit des Beaufschlagungsgases gegeben ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasaufnahmebehälter nicht verformbar ist, jedoch so dimensioniert ist, daß bei den zu erwartenden Betriebsbedingungen und Umgebungstemperaturen kein Unterdruck im Transformator entstehen kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasbehälter an einem Ort angebracht wird, der starke Ausdehnung des Gases durch äußere Wärmeeinwirkung vermeidet.

5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung zwischen Transformator und Zwischengefäß 1 eine Durchflußdrosselung vorgesehen wird, die zwar die Flüssigkeit in beiden Fließrichtungen fließen läßt, jedoch das in einer Zeiteinheit durchfließende Volumen drosseln kann, so daß bei plötzlicher Spaltgasentstehung im Transformator der dadurch bewirkte Druckanstieg leichter angezeigt und ein Fehler leichter detektiert werden kann.

6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gastrockner so gestaltet wird, daß, bei Verwendung von Silicagel als Feuchtefalle, der Silicagelinhalt sichtbar ist und seine Farbveränderung Luftfeuchteaufnahme und damit eine Undichtigkeit im System anzeigt.