~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~tt~t~~~~~~~~~~~~~ ~~ ~~ ~~ ~ ~ ~~~~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ : ~ : ~Energietechnik • Transformatoren

Neben seinen hervorragenden Eigenschaften als Dielektrikum und Kühlmedium er­möglicht Mineralöl bei entsprechender, regelmässig durchgeführter Kontrolle seinesphysikalischen und chemischen Zustandes Einblicke in das «Innenleben» des Transfor­mators. Speziell die im Öl gelösten Abbau- oder Zersetzungsprodukte geben wichtigeHinweise auf mögliche Schwachstellen im Inneren des aktiven Teils, lange bevorgrössere Folgeschäden eintreten. Neben den klassischen, auf die Ölqualität bezoge­nen dielektrisch-chemischen Prüfungen spielen die gas- und flüssigchromatographi­schen Untersuchungen dabei eine herausragende Rolle.

Die Betriebsüberwachungvon TransformatorenUntersuchungen des Isolieröls als unentbehrliches Hilfsmittel in der Diagnostik

Adresse des AutorsHans-Josef Knab, Dip!. Phys, Dr. rer. nat.Leiter des Labors für ör. undGasanalysenABB Unifer AG. 540I BadenDer Autorist Mitglied mehrerer Arbeitsgruppen derCigre WG 15-0l sowie Delegierter des SEVin verschiedenen Task-forces des TC 10der lEe.

Bulletin SEVIYSE 21/96

• Hans-Josef Knab

Die Verwendung mineralischer Öle alsIsoliermedium ist so alt wie die Hochspan­nungstechnik selbst. Ging es früher darum,durch Imprägnierung der festen Isolier­systeme und Auffüllen aller leeren Räumefür eine Homogenisierung des elektrischenFeldes zu sorgen,so wurde mitder steigen­den Leistungsdichte moderner Apparatedie zuverlässige Abführung der Verlust­wärme aus dem Inneren des Aktivteilsimmer wichtiger. Die wichtigsten Krite­rien für eine moderne Isolierflüssigkeitsind heute also:

- gute dielektrische Eigenschaften (d. h.hohe Durchschlagsfestigkeit, niedrigerVerlustfaktor)

- hohe thermische und Oxidationsstabi­lität

- auch bei Wintertemperaturen ausrei­chend niedrige Viskosität zur schnellenAbführung der unvermeidbaren Ver­lustwärme

- hoher Flammpunkt (zur Herabsetzungder Brandgefahr)

- möglichst geringe Schädlichkeit für denMenschen und seine Umwelt

- leichte, umweltverträgliche Entsorgbar­keit oder - noch besser - Wiederver­wendbarkeit

- niedriger Einstandspreis

Mineralöl als Isoliermedium

Isolierflüssigkeiten auf Mineralölbasisvermögen alle diese Kriterien weitgehend,wie praktisch keine andere, zu erfüllen.Die heutigen mineralischen Isolieröle sindhoch raffinierte Petroleumdestillate unter­schiedlicher Zusammensetzung mit einemSiedebereich von ungefähr 200 bis 400 °C.Zur Verbesserung ihrer Alterungsstabilitätkönnen ihnen noch bis zu 0,3 Massen­Prozent eines Oxidationsinhibitors zuge­setzt werden. Dazu hat sich das 2,6-Di­tertiär-butyl-para-cresol (DBPC) bisher alsam besten geeignet erwiesen.

Anforderungen an ungebrauchteIsolieröle

Die an ein ungebrauchtes Isolieröl zustellenden Mindestanforderungen sind in­ternational als lEC-Spezifikation Nr. 296festgelegt, wobei es den Mitgliedsländernfreigestellt ist, noch zusätzliche Forde­rungen zu stellen, In Tabelle I sind dielEC-Anforderungen den Anforderungengemäss der deutschen DIN-57370 undVDE·0370 gegenübergestellt.

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::::::::::::::~ : ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~{{{fffft~~~~~~~~~~tm~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~U~Betriebsüberwachung

nach DIN-57370 und nach IEC-296VDE-0370,Teil 1

Einheit Klasse A Klasse B Klasse I Klasse 11 Klasse 111

Eigenschaftklar, frei von FeststoffenReinheit (Aussehen) - klar, frei von Feststoffen

KinematischeViskosität bei40 -c - - $16,5 $11 ,0 s 3,520 -c rnrne/s $ 25 $6 - - --15 -c - - $ 800 - --30 -c - - - $ 1800 --40 -c - - - - $150

Flammpunkt oe 2:130 > 100 2: 140 2: 130 2:95

Pourpoint .. oe - - $-30 $-45 $-60(Temperatur, bei der das 01 gerade noch fliesst)

Neutralisationszahl mg KOH/g $ 0,03 $ 0,03

KorrosiverSchwefel - ni c h t anwesend ni c h t anwesend

Durchschlagsspannungbei Lieferung kV - 2:30nach Vorbehandlung 2:50 2:50

DielektrischerVerlustfaktor tg 0bei 90 "C (nach Vorbehandlung) - $ 0 ,005 $ 0,005

OxidationsstabilitätNeutralisationszahl mg KOH/g s 0,30 $ 0,40Schlamm % (Masse) s 0,06 s 0,10

Tabelle I Anforderungenan ungebrauchte,nichtinhibierte Isolieröle

Tabelle 11 Empfohlene Grenzwerte für Isolieröle in Betrieb (Auszug aus lEe 422)

Durchschlagsspannung [kV] min. 50 min. 40 min. 40Dielektrischer Verlustfaktortg 0 bei 90 -c max. 0,2 max. 1,0 max. 0,3Neutral isationszahl [mgKOH/g] max. 0,5 max. 0,5 max. 0,5Grenzfl ächenspannung [mN/mI min. 15 min. 15 min. 15Wassergehalt [mg/kg] max. 20 max.40 max.30

IAufbau: CH3 CH3"- /

H CH3 H H H H-C HI I I I I I I Verzweigt-

H-C-C-C - C - C - (CH2)n - C - C - H kettigesI I I I I I I i-ParaffinH H H H-C-H H H H

ICH3

Zersetzungsprodukte:

H H H H H 11

I I I -, /

H-C-H H-C-C-H C=C H-C=C-H H=HI I I / -,

iliH H H H H

Methan Äthan Äthylen Acetylen Wasserstoff- - .

Transformatorenund Wandlerüber 170-420 kV

Tra nsformatoren Wandl er. von 72,5 bis 170 kV bis 170 kV

vermindern und somit zu thermischerZerstörung der Festisolation führen kön­nen.Die Neutralisationszahl (NZ) wird angege­ben in mg KOR/g. Dies ist die MengeKaliumhydroxid, die zur Neutralisationeines Gramms des Probeöls benötigt wird.Sie ist ein Mass für den Fortschritt derÖlalterung und somit eine wichtige Kenn­grösse.

Bild 1 Aufbau und Zersetzungsprodukte des Isolieröls

menwirken mit anderen Verunreinigungenim Öl zu höheren dielektrischen Verlustenführen. Im weiteren Verlauf der Alterungtreten sie dann zu harzartigen Grossmole­külen zusammen und fallen schliesslichals Schlämme aus. In freien Ölspaltenschwimmend, vermindern sie die Durch­schlagsfestigkeit des Öles beträchtlich,während sie nach Ablagerung auf denWicklungsoberflächen die Wärmeabfuhr

Die Überwachung der Isolieröleim Betrieb

Durch Oxidation, thermische Belastungund den Kontakt mit den übrigen Baustof­fen des Transformators verändern sich dieEigenschaften des Öles - es altert. Für dieBetriebsüberwachung des Transformatorsist es nun wichtig, die Öleigenschaften, diesich auf die Betriebssicherheit des Trans­formators negativ auswirken können, zuerfassen. Das sind:

• die Durchschlagsfestigkeit (bestimmtgemäss IEC-Recommendation No. 156)und

• der dielektrische Verlustfaktor tg I) (be­stimmt entsprechend IEC-Recommen­dation No. 247).

Die Bestimmung dieser beiden Grössengibt aber nur den momentanen ZustanddesÖles zum Zeitpunkt der Probenahme wie­der. Eine Prognose über die Betriebstüch­tigkeit des Transformators während weite­rer vier oder fünf Jahre ist aus denErgebnissen dieser beiden Eigenschaftennicht möglich. Dazu müssen Öleigen­schaften herangezogen werden, von denenman weiss, wie sich eine weitere Entwick­lung dieser Grössen auf die dielektrischenEigenschaften des Öles und mit ihm desgesamten Isolationssystems auswirkenkönnen. Die in diesem Zusammenhangwichtigsten Eigenschaften sollen hier kurzbesprochen werden:

• Die Neutralisationszahl: Das zunächstnur aus Kohlenwasserstoffen (Verbindun­gen, die nur Kohlenstoff und Wasserstoffenthalten) bestehende Mineralöl wird beiZutritt von Sauerstoff - durch das imTransformator reichlich vorhandene Kup­fer beschleunigt - oxidiert, wobei zunächstsaure Produkte entstehen, die im Zusarn-

42 Bulletin ASE/UCS 21/96

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ttttttI~ff~II~ ~~ ~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ : ~ : ~: : ~: ~ : : : : : : : :: :: :Transformatoren

DieBestimmung im Öl gelösterZersetzungsgase

Die bisher beschriebenen Untersuchun­gen dienen der analytischen Verfolgungder natürlichen, in einem «gesunden»Transformator bei normalem Betrieb ab­laufenden Alterungsprozesse. Korrektur­oder Revisionsmassnahmen, deren Not­wendigkeiten sich aus der Auswertung dererhaltenen Ergebnisse ableiten lassen, kön­nen langfristig geplant und in die Wegegeleitet werden. Örtliche thermische Über­belastungen des Isolationssystems oderdas Vorhandensein von Teilentladungeninnerhalb der Festisolation, die Startpunktzu weiterer Zerstörung sein und schliess­lieh zum Ausfall des Transformators füh­ren können, werden auf diese Weise nichterkannt. Mit der routinemässig durchge­führten Untersuchung der imIsolieröl gelö­sten Gase (Bild I) wurde ein völlig neues

• Die Grenzflachenspannung: Die Grenz­flächenspannung ist dagegen ein eher qua­litatives, dafür aber sehr sensitives Mass,eine beginnende Ölalterung zu erkennen.Das Messprinzip beruhtdarauf, die infolgeOxidation gebildeten Tenside «<oberfIä­ehenspannungsaktive Substanzen») quali­tativ nachzuweisen. Allerdings rechtfertigteine niedrige Grenzflächenspannung alleinnoch keine übereiligen Sofortmassnahmen,doch hat die Praxis gezeigt, dass sich ineinem solchen Fall die dielektrisch-chemi­schen Parameter ebenfalls rasch ver­schlechtern. Insofernreiht sich die Bestim­mung der Grenzflächenspannung als einwertvolles Hilfsmittel, das zu erwartendeAlterungsverhalten eines Isolieröls in Be­trieb zu charakterisieren, abrundend in dasÜberwachungsspektrum ein.• Der Wassergehalt: Feuchte Fasern odersonstige Partikel führen zu einer dramati­schen Absenkung der Durchschlagsfestig­keit. Die Kenntnis des Wassergehaltes imÖl ist daher für die Beurteilung der weite­ren Betriebssicherheit des Transformatorsvon grosser Bedeutung. Seine Bestim­mung ist jedoch äusserst problematisch,wenn man bedenkt, dass die aus Zellulosebestehende Papier- oder Pressspanisola­tion im Feuchtigkeitsgleichgewicht mitdem Öl stehend um Grössenordnungenmehr Wasser enthält, als das Öl beigleicher Temperatur in Lösung haltenkann. Eine Wasserbestimmung im Öl istdaher auch dann nur ein beschränktesMass für den Zustand des Isolations­systems, wenn die Probenahme im be­triebswarmen Zustand erfolgt , ein Entwei­chen von Wasserdampf verhindert und dasbeim Erkalten der Probe ausfallende freieWasser bei der Bestimmung des Wasser­gehaltes mitberücksichtigt wird.• Der lnhibitorgehalt: Bei inhibiertenÖlen ist auch die Bestimmung des Inhibi­torgehaltes sinnvoll, wenn man das Ölhinsichtlich seines Oxidationsverhaltensbei Anwesenheit des Inhibitors genaukennt. Die Oxidation eines auf den Inhibi­tor gut abgestimmten Öls beginnt erst,wenn der Inhibitor bis auf einen kleinenRestgehalt verbraucht worden ist. Beiperiodisch durchgeführten Inhibitorbe­stimmungen lässt sich dieser Zeitpunkthinreichend genau abschätzen, um recht­zeitig eine Nachinhibierung oder einenOlaustausch in die Wege zu leiten, bevordie feste Isolation durch Ölalterungspro­dukte verunreinigt wird.

Grenzwerte, die für Transformatorenunterschiedlicher Grössenklassen nichtüber- oder unterschritten werden sollen,wurden als IEC-Recommendation No.422publiziert und sind in Tabelle II wiederge­geben.

Bulletin SEV/vSE 21/96

Bild 2 Buchholz-Schutznur als letzte Instanz

Period ische, vorsorgliche«Gas-in-Ol-Analysen»verringern signifikantdie Risiken des Anspre­chens des Buchholz­Schutzes.

Bild 3 Isolieröl-Proben­entnahmeEine fachgerechte Isolieröl­Probenentnahme istdie unbedingte Voraus­setzung für eine aussage­kräftige Analyse.

Kapitel zur Früherkennung örtlicher Un­regelmässigkeiten im Isolationssystem auf­geschlagen und eine wichtige Lücke imÜberwachungsprogramm für Transforma­toren geschlossen.

Vorausgegangen war das von Buchholz(1875-1956) entwickelte und nach ihmbenannte Schutzrelais, einer kleinen, amhöchsten Ort des Transformatorenkesselsangebrachten undmit Öl gefüllten Kammermit einem Schwimmer, der Alarm auslöst,wenn aufsteigende Gasblasen das Öl ausder Kammer verdrängen (Bild 2). Über einProbenahmeventil können Gasproben ent­nommen und einer Analyse zugeführt wer­den. Anfangs genügte eine Prüfung aufBrennbarkeit. Brennbarkeit war ein Zei­chen für Ölzersetzung bei Temperaturen,die weit oberhalb der Auslegungstempera­tur liegen. DieseBuchholz-Relais versehenauch heute noch ihren Dienst. Aber selbstwenn die «Buchholzgase» mit den heute

43

:: ::::::::::: :: ~ : ~: ~: ~: ~: ~ : ~ : ~: ~:~: ~:~:~: ~:~: ~: ~ :ttt~:~:~:~:~:~:~:~:~:~:~:~:~:~:~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~Betriebsüberwachung

Konzentr ationenin ppm (V/V)

Tabelle IV Grenzwerte für ZersetzungsgaseObere Grenzwerte der Konzentrationen vonZer­setzungsgasen in fehlerfreien Transformatoren inAbhängig keit von der Betriebszeit [1].

Typ Fehlerart typische Gase Ursache

I stromschwache Teil- hauptsächlich Hl ; wenig schlechte Imprägnierung derentladungen niedriger gesättigte, keineunge- Festisolation. LufteinschlüsseEnergiedichte sättigten Kohlenwasser-

stoffe

2 stromschwache Teil- wieTyp I schlechte Kontakte,entladungen mit zum Teil jedoch mit Acetylen+Äthylen Ernladungen zwischenhoher Energiedichte unterschiedlichen Potentialen

3 thermische Zersetzung bei gesättigte Kohlenwasser- Überlastung; hoheTemperaturen < ca. 800°C stoffe, mit steigender Übergangswiderstände.

Temperatur wachsende EisenbrandMengen Äthylen

4 stromstarke Entladunzen wie 3 mit steigenden Mengen Funkenentladungen,, hoher Energiedichte - Acetylen undÄthylen und Durchschlag

mehr Wasserstoff

Tabelle111 Grund-Fehlera rten, typischeGase und Beispielefür Fehleru rsachen [1]

Betriebszeit 3 Jahre

Wasserstoff Hl 200Methan CH4 100Äthan ClHI> 100Äthylen ClH4 150Acetylen ClHl 15Kohlenmonoxid CO 500Kohlendioxid COl 6000

> 7 Jahre

25020020030035

100011000

Tabelle V Normale Gasproduktion in Leistungs­transformatoren

auf die nachstehend wiedergegebenenEmpfehlungen (Tabelle IV). Diese Wertesind jedoch nur für offene Leistungstrans­formatoren mit gasdicht vom Transforma­torentank abgetrenntem Stufenschaltersy­stem anwendbar. Andere Konstruktionenverlangen individuelle Betrachtung, waseine zuverlässige DiagnosesteIlung nichtgerade vereinfacht

Da die Gaskonzentration in einem klei­nen Transformator zehnmal schneller an-

steigt als in einem zehnmal grösserenTransformator, der den gleichen Fehleraufweist, ist es sinnvoller, nicht die Gas­konzentrationen, sondern die Gasbildungs­raten zu normieren. Das wird heute viel­fach bereits angewendet Aus den in vielenJahren bei ABB gesammelten Messdatenhaben sich für die normale Gasproduktionin fehlerfreien Transformatoren die in

.Tabelle V aufgeführten Werte ergeben.Für Messtransformatoren (Wandler)

gelten wegen der gegenüber Transfor­matoren unterschiedlichen Rahmenbe­dingungen (Verhältnis Öl: Papier, gerin­gere Kupferverluste usw.) andere Werte.Aus den von der Arbeitsgruppe CigreWG 15-01 TF 01 gesammelten Daten ausWandlern in aller Welt haben sich für«gesunde» Apparate mit einer statistischenSicherheit von 90% die Erfahrungswertegemäss TabelleVI herauskristallisiert Diefür die verschiedenen Abschlusssystemeunterschiedlichen Wasserstoffgehalte re­sultieren daraus, dass das sehr kleine

Die flüssigchromatographischeUntersuchung des Isolieröls

300"20"3025

42

330900

Menge[ppm=~ILlLl

Methan CH4

Äthan Cl H6

Äthylen Cl H4

Acetylen ClHlKohlenmonoxid COKohlendioxid COl

Wasserstoff Hl

Gas

Tabelle VI Typische «Ncrmalqasqehalte» in Wand­lern

nach Cigre WG 15·01 TF 01, 90-%-Vertrauensbereichea Wandler mitMetallabschlussb Wandler mit Gummiabsch luss

In den Tabellen IV-VI sind stets auchdie Gehalte an Kohlenmonoxid und Koh­lendioxid enthalten, obwohl dieseGase fürdie Feststellung der Fehlerart (Teilentla­dungen , heisse Stellen usw.) nicht ge­braucht werden. Da für die Bildung sogrosser Mengen Kohlenoxide durch eineÖloxidation im Transformator der Sauer­stoff fehlt, liegt es nahe, aus den Konzen­trationen dieser beiden Gase Rückschlüsseauf eine Zersetzung der festen, aus Zellulo-

Wasserstoffmolekiil durch die Gummi­membran diffundieren und somit leichtentweichen kann, was bei metallischenAbschlüssen normalerweise nicht möglichist Dies verdeutlicht einmal mehr, wiewichtig die Berücksichtigung solcher kon­struktiver Details für die Beurteilung dererhaltenen Analysenresultate ist

Weitere derartige Betrachtungen wie. auch Empfehlungen für besondere Trans­formatorentypen, Durchführungen und öl­gefüllte Kabel sind in der überarbeitetenFassung des bereits erwähnten lEC-Doku­mentes 599, an dem der Autor mitarbeitet,vorgesehen.

Rate[cmYrag]

< 5< 2< 2< 2< 0,5< 50< 200

Wasserstoff H,Methan CH4

Äthan ClHr,Äthylen ClH4

Acetylen ClHlKohlenmonoxid COKohlendioxid COl

Gas

zur Verfügung stehenden Analysenmetho­den genauer bestimmt und aus den Ergeb­nissen wesentlich weiterreichende Schlüs­se gezogen werden können, hat das Verfah­ren einen wesentlichen Schwachpunkt: DerBuchholzschutz tritt erst in Aktion, wenndas Öl mit Gas gesättigt ist Bis es soweitist, vergeht viel Zeit, undeine zum Beispielin der Festisolation eingeschlossene, an­fänglich harmlose Gasblase kann sich zueiner gefährlichen örtlichen Zerstörung desIsolationssystems ausgeweitet haben,

Anhand der Ergebnisse eigener Untersu­chungen zeigte E. Dömenburg, dasses vierGrundfehlerarten gibt, die sich mittels derbei ihrem Auftreten entstehenden Gaszu­sammensetzungen klar unterscheiden las­sen (Tabelle III). Dieses System wurde ininternationaler Zusammenarbeit weiterent­wickelt und zusammen mit den Richtlinienfür die fach- undsachgerechte Probenahmeund -aufbereitung in den lEC-RichtlinienNm. 567 und 599 niedergelegt (Bild3).Da diese Interpretationsmodelle nur Rah­menmodelle sind und ohne Berücksichti­gung weiterer Faktoren zu kostspieligenFehlentscheidungen führen können, wirdklar, dass die Interpretation der Ergebnisseder Gasanalysen grosser Erfahrung undumfangreicher Kenntnisse der Zusammen­hänge und der konstruktiven Besonderhei­ten des zu beurteilenden Objektes bedarf.Darauf wies schon Dörnenburg hin, indemer darlegte, dass auch fehletfrei arbeitendeTransformatoren Gase entwickeln, derenGehalte einem Gleichgewichtswert zwi­schen Gasbildung und Abgabe nach aussenzustreben. Wie sich bei Diskussionen ininternationalen Gremien der Cigre oderlEC zeigte, ist die Festlegung von allge­mein giiltigen Standardwerten für normalarbeitende Transformatoren oder Wandlernicht möglich,da dieaus eigenen Erfahrun­gen entwickelten Vorstellungen der einzel­nen Ländervertreter in diesen Gremiennichtselten um Grössenordnungen vonein­ander abweichen [4]. Der Autor selbstverlässt sich seit vielen Jahren erfolgreich

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;;;;;;;;;;;;;;;;;;;~;;;;;;~;~~~~;~;~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~t~ttttttt~ ~ ~ ~~ ~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ :Transformatoren

Bild 5 Instrumentierung für chromatographische IsolierölanalysenDas Bild zeigt eine zweckmässige Instrumentierung, bestehend aus drei Gaschromatographen und einemHPLC-Gerät.

H H'- /c-c

11 11c-c

r >. / -,H 0 CHO

Strategisch wichtige Objekte werdenhäufiger kontrolliert werden müssen. Sohat es sich bestens bewährt, die Maschinen­transformatoren der Kernkraftwerke imVorfeld der jährlichen Kraftwerksrevisio­nen zumindest einer Gas-in-Öl-Untersu­chung zu unterziehen, um bei Verdacht auf

die Kontrollintervalle immer ein Kompro­miss zwischen technischer Wünschbarkeitund betriebswirtschaftliehen Überlegungensein müssen. In den vielen Jahren derÜberwachung ölisolierter elektrischer Ge­räte hat sich folgende Kontrollpraxis gutbewährt:

Transformatoren: Kontrollen sind beiLeistungstransformatoren angezeigt

• nach Abschluss der Montagearbeiten,vor der Inbetriebnahme:

- dielektrische Kurzanalyse, das heisstDurchschlagsfestigkeit, tg 8 bei 90 °C,eventuell Wassergehalt (in der Regeldurch den Hersteller)

• drei bis sechs Monate nach Inbetrieb­nahme:

- Basismessungfür alle Transformatoren;Prüfprogramm gemäss Tabelle II sowie,falls das Öl inhibiert ist, Bestimmungdes Inhibitorgehaltes.

- bei Transformatoren> 100kV, zusätz­lich Gas-in-Öl-Analyse zur Feststellungdes Ausgangszustandes (Fingerprint)

• ein Jahr nach der Basismessung:- Wiederholung der vorstehenden Unter­

suchungen• weitere Kontrollintervalle:- Wiederholung der vorstehenden Unter­

suchungen bei Transformatoren mit ei­ner Betriebsspannung von< 100kV alle8 Jahre, von 100 bis 200 kV alle 5-6Jahre und von> 200 kV alle 4 Jahre.

Bild 4 Aufbau undZersetzungsproduktevon CelluloseInsbesondere Furan undseine Derivate erweisensich als geeignete Sub­stanzen, den Nachweiseines Celluloseabbausanzuzeigen.

Neben rein technischen Belangen sindes vor allem auch wirtschaftliche Beweg­gründe, die die Kontrollhäufigkeiten be­einflussen: die vorstehend beschriebenenÖlkontrollen kosten Geld. Daher werden

Verdachtbesteht, dass es im TransformatorHeissstellen gibt, in denen die Zellu­loseisolation involviert sein könnte. Ineinem solchen Fall ist es immer wichtig,die zu ergreifenden Massnahmen zwischenBetreiber und Hersteller des Transfor­mators sowie dem mit der Überwachungbetrauten analytischen Labor zu bespre­chen.

Kontrollperioden

Furfurol

H H'- /C-C

11 11C-Cr >. / -,

CHO 0 CH20H

5-(Hydroxymethyl)-furan­2-carbaldehyd

Aufbau:

Zersetz ungsprodukte:

se bestehenden Isolation zu ziehen. Versu­che in dieser Richtung sind auch mitwechselndem Erfolg unternommen wor­den, klare Aussagen wurden jedoch dabeinie erzielt. Will man also eine Auskunftüber den Zustand der Feststoffisolationgewinnen, müssen andere Indikatoren her­angezogen werden.

Insbesondere Furan und seine Derivateerweisen sich dabei als geeignete Substan­zen, den Nachweis eines Celluloseabbausanzuzeigen (Bild4), denn diese Verbin­dungen können durch eine reine Oxidationdes Öles praktisch nicht gebildet werden.Langjährige Studien der Cigre WG 15-01,zusammen mit dem TC 10 der IEC, führ­ten zum IEC-Standard 1198, welcher dieanalytischen Aspekte dieses Problemkrei­ses regelt. Zum technischen Ablauf einerderartigen Analyse sei hier nur sovielerwähnt, dass eine kleine Ölmenge (etwa2-10 g) ausreicht, um die darin gelöstenFurane (= Papierabbauprodukte) zu extra­hieren und mittels der HPLC(Highperformance liquid chromatography)­Messtechnik nachzuweisen (Bild 5). ImIsolieröl vorhandene Verbindungen wieFurfurol und 5(Hydroxymethyl)-furan-2­carbaldehyd und ähnlichenstehen in einemdirekten Zusammenhang mit der mechani­schen und damit indirektauch der dielektri­schen Festigkeit der Celluloseisolation.Eine ausführlichere Behandlung diesesProblemkreises ist in [2] zu finden,

Die HPLC-Analyse ist keine routine­mässig anzuwendende Untersuchungsme­thode wie die dielektrisch-chemische oderdie gasanalytische Untersuchung desTransformatorenöls. Sie sollte aber ange­wendet werden, wenn wegen extrem hoherKohlenoxidgehalte und/oder eines CO2/

CO-Verhältnisses von < 3 oder > 12 der

Bulletin SEV/vSE 21/96 45

. ~ : ~ : ~ : ~ : ~ : ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~ ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~m~~~~~~~~~~~~~~~~mm~~~~~~~~~~~~~~~~~:w@mmmmmoommmmllm_.-: -: -: -: -:........................................................................................•.•......•.......••••~OOB8Betriebsüberwachung

Zitierte NormenInsulating liquids - Determination of the breakdown voltage at powerfreq uency- Test method

Measurement of relative permitivity, dielectric dissipation factor andd.c. resisti vity of insulating oils

Specification for unused mineral insulating oils for transformers andswitchgear

Supervision and muintenance guide for mineral insulating oilsin electrical equipment

Guide for the sampling of gasesand of oil from oil-tilled electricalequipment and for the analysis of free and dissolved gases

Interpretation of the analysis of gases in transformers and otheroil-filled electrical equipment in service

Mineral insulating oils - Methods for the determination of 2-furfuraland related compounds

Bestimmung polychlorierter Biphenyle (PCB)

Isolieröle - Neue lsolieröle für Transformatoren, Wandler undSchaltgeräte

Zum Problemthema PCB

triebnahrne, nach einem Jahr und an­schliessend in Intervallen von etwa sechsJahren durchgeführt werden.

des Transformatorenkessels und Entzün­dung des Öles zu einer Brandkatastropheführen könnte, durch die viele MenscheninGefahr gebracht würden. So waren es danndie grossen Geschäftshäuser, Spitäler,Theater usw., bei denen mit PCB (Handels­namen: Aroclor, Pyralene, Clophen, As­karel usw.) gefüllte Transformatoren zufinden sind.

Nachdemerkannt wurde, dass polychlo­rierte Biphenyle beim Erhitzen unterSauerstoffzutritt neben anderen Stoffengesundheitsschädliche bis sehr giftigechlorierte Dioxine und Dibenzufurane (inder Öffentlichkeit bekannt als «Seveso­Gift») bildet, muss man fests tellen, dassPCB-gefüllte Transformatoren ein Janus­gesicht haben. Einerseits verringern sieBrandgefahr im Falle eines elektrischenDurchschlags, weil PCBs selbst nicht bren­nen. Andererseits stellen sie im Falle einesanderweitig entstandenen Brandes eine Ge­fahr dar, weil sie unter den Bedingungeneines normalen Brandes in unmittelbarerUmgebung giftige Dämpfe entwickelnkönnen, was bei den Lichtbogentempera­turen eineselektrischen Durchschlags nichtder Fall ist. Letzteres wurde bei der EPRI(Electrical Power Research Institution)beim misslungenen Versuch nachgewie­sen, mittels elektrischer Entladungen inPCBs Standard-Dioxinlösungen herzu­stellen, welche in Ringversuchen zur Er­mittlung des Dioxingehaltes in PCBs ver­wendet werden sollten.

Wie auch immer - nachdem Ersatz­lösungen für PCBs gefunden worden sind,dürfen diese Flüssigkeiten nicht mehr ver­wendet werden und mit der Inkraftsetzungder «Verordnung über umweltgefährdendeStoffe» vom 9. Juni I986 nicht einmalmehr als Verunreinigung in Transformato­renölen enthalten sein. Nach dieser Verord­nung gelten Geräte, deren Isolierflüssigkei­ten mehrals 50 ppm (= mg/kg) halogenier­te aromatische Stoffe wie PCB und andereenthalten, als «schadstoffhaltig» und müs­sen entsprechend gekennzeichnet werden.Ausserdem haben die Inhaber dafür zusorgen, dasssolche Geräte bis zum 31 . Au­gust 1998 ausser Betrieb genommen wer­den. Die Ausführungskontrolle wurde denKantonen übertragen. Für den Kanton Aar­gau gelten zumBeispiel die Bestimmungengemäss Tabelle VII. ..

Als Nachweisverfahren für PCB in Oiensind zwei grundsätzlich verschiedene Me­thoden bekannt:

• Der Schnelltest, eine einfache undkostengünstige Methode, die eine Ja/Nein­Antwort liefert. Dieser Test ist zwar ohnegrossen Aufwand durchzuführen, hat aberden Nachteil, dass auch das Chlor erfasstwird, welches nicht vom PCB stammt. DaChlor praktisch allgegenwärtig ist, ist die

Massnahme

Entsorgung innert I Jahrab KontrolleReinigung oder Entsorgunginnerhalb 2 Jahren abKontrollefachgerechter Ölwechsel mitEntsorgung bis 31.8.1998keine (= «PCß-frei»)

20- 100

100-3000

l' eB-Gehalt[ppm]

< 20

> 3000

Ab den dreissiger Jahren wurden nebenden Mineralölen auch polychlorierte Bi­phenyle (PCB) in der Elektrotechnik ein­gesetzt, die wegen ihrer hohen chemischenStabilität und Feuerresistenz in grossenMengen hergestellt und als Weichmacherin Anstrichmitteln, als Hydraulikflüssig­keiten in Bergwerken sowie als Wärme­übertragungsflüssigkeiten grossen Absatzfanden. War es einerseits ihrehoherelativeDielektrizitätszahl, die sie für den Einsatzin Kondensatoren prädestinierte, so war esandererseits ihre Feuerresistenz, die dieseFlüssigkeiten als Isoliermedium in Trans­forrnatoren interessant machte. Letzteresgilt insbesondere für Transformatoren , diedort aufgestellt werden sollten, wo einelektrischer Durchschlag durch Aufreissen

Tabelle VII Entsorgungsfrist für Transformatorenund übrige ölgefüllte Elektrogeräte sowieReserveöleAus Sestimmung «Entsorgung von PCS-haltigenund PCS-verdächtigen Geräten»des kantonalenLaboratoriums Aargau.

lEC-567 (1992)

IEC-156 (1995 )

IEC-599 (1978)

IEC-247 (1978)

IEC-422 (1989)

lEC-11 98 (1993 )

IEC-296 (1982)

DIN-51527 Teil 1 (1987)

DIN-57370NDE-0370Teil I (1978)

einen «schleichenden» Fehler Abhilfe­massnahmen planen zu können. Eine erstesolche Massnahme wäre in jedem Fallebenfalls eine Verkürzung der Kontroll­intervalle, um bei einer Eskalation derGasproduktion eingreifen zu können, be­vor der Transformator mit schweremScha­den während des Betriebes ausfällt.

Wand/er: In Anbetracht der im Ver­gleich zu den Transformatoren deutlichgrösseren Anzahl der sich in Betriebbefindlichen Wandler wäre eine derarthohe Kontrollfrequenz weder aus techni­schen noch aus wirtschaftlichen Gründenangemessen. Während bei den unter Span­nung stehenden Leistungstransfonnatoreneine fachgerechte Entnahme von Olprobenohne weiteres möglich ist, müssen Wandlerfür den gleichen Zweck abgeschaltet sein,wodurch der Betrieb empfindlich gestörtwird. Ausserdem ist wegen des wesentlichkleineren Ölvolumens die entnommeneÖlmenge durch neues Öl zu ersetzen, wasbei unsachgemässer Handhabung (Eindrin­gen von Luftblasen) den Wandler eher inGefahr bringt. Da Wandler andererseits inrelativ grossen Serien hergestellt und auchvon den Betreibern entsprechend einge­setzt werden, genügt es, pro Produktions­serie drei bis sechs Geräte auszuwählenund diese dann quasi als Prototyp für diegesamte Serie einem Überwachungszykluszu unterwerfen [3]. Das Kontrollprogrammsollte dann zweckmässigerweise folgendeUntersuchungen umfassen:• dielektrisch-chemische Kurzanalyse ge­

mäss Tabelle 11• Zersetzungsgasanalyse• HPLC-Analyse zum Nachweis von

Furanen.Nach IEC-Recommendation No. 422

sollten diese Untersuchungen vor der Inbe-

46 Bulletin ASE/UCS 21/96

~~~~II@mm@mmmmmmmmmmmmmmttttttjrrrrrrrr))Transformatoren

La surveillance destransformateurs en serviceAnalyses de I'huile isolante en tantque moyen indispensable pour lediagnostic

L'huile rninerale, outre ses remarquables proprietes dielectriques et refrigerantespermetdescruter la «vie interieure»dutransformateur, en la soumettant ä des contrö lesadaptes et periodiquesde son etat physiqueet chimique. Specialement les produits dedecornposition et de degradation dissous dans l'huile, tant ceux issus de l'huile elle­meme que de l'isolant solide donnent d'importantes informations relatives a lapresence de possibles points faibles ä l'interieur de la partie active, bien longtempsavant que se manifestent de gros dommages indirects qui peuvent conduire ä ladestruction totale du transformateur, Outre les contröles chimico-dielectriques

. classiques de la qualite de I'huile, ceux utilisant la chromatographie gazeuse et liquidejouent dans ce contexte un röle determinant, L' article donne une vue detaillee desmethodes utilisees aujourd'hui et des experiences faites dans le diagnostic dutransformateur sur la base des analyses de I'huile.

tretern über die anzuwendende Bestim­mungsmethode einigt.

FazitSowohl die periodischen dielektrisch­

chemischen Prüfungen als auch die chro­matographischen Untersuchungen (Gas-in­Öl und HPLC) von Isolieröl stellen eineunentbehrliche Massnahme dar, die Über­wachung sowie einen weitgehend stö­rungsfreien Betrieb von Transformatoren,Wandlern und anderen ölisolierten elektri­schen Geräten zu gewährleisten und soll­ten daher von keinem Betreiber solcherAnlagen ausser acht gelassen werden.

VerdankungDer Autorrichtet seinen Dank anJohan­

nes Schober, der wesentlich zum Gelingendieses Artikels beigetragen hat.

Gefahr gross, schnell einmal über den fürschadstofffreie Stoffe geltenden Grenzwertzu kommen.

• Die quantitative gaschromatographi­sehe Bestimmung, bei der 0,5 bis 2 g desProbeöles f1üssigchromatographisch vonstörenden Begleitstoffen befreit und an­schliessend gaschromatographisch auf denPCB-Gehalt untersucht wird. Bei der weitverbreiteten DIN-Methode (DIN-51527,Teil I) werden sechs bekannte, identifizier-

te Spezies von insgesamt 209 verschie­denen PCB-Varianten als Leitsubstanzbestimmt und durch Multiplikation miteinem Umrechnungsfaktor der Gesamt­gehalt berechnet. Eine neue, wesentlichgenauere aber auch aufwendigere Methodeist zurzeit in einer speziellen IEC-Arbeits­gruppe in Arbeit. Wichtig ist jedenfalls,dass man sich vor der Durchführung einerderartigen Untersuchung mit dem Auftrag­geber oder den zuständigen Behördenver-

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