Transformatorenöl: Alterung, Diagnose & Wartung

Gasbildung durch Ölzersetzung bei internen Fehlern

Das Altern von Transformatorenöl wird durch verschiedene Faktoren beschleunigt:

• Sauerstoff: Führt zur Oxidation und Schlammbildung.
• Temperatur: Beschleunigt die Oxidation.
• Leichte Metalle: Kupfer katalysiert Alterungsprozesse.

Wenn das Öl oxidiert, bildet sich Schlamm auf der Oberfläche der Wicklungen. Wasser ist besonders schädlich, da bereits wenige ppm (parts per million) die dielektrische Festigkeit des Öls dramatisch reduzieren.

Kleine Transformatoren sind vollständig mit Öl gefüllt. Wenn sich das Öl ausdehnt, wird das Volumen durch die elastischen Kühlrippen des Kessels aufgenommen.

Bei großen Transformatoren wird ein Konservator (Ausdehnungsgefäß) verwendet, der eine Volumenausdehnung von ca. 8 % des Öls aufnehmen kann. Dies verhindert das Altern des Öls, da es weniger Kontakt mit der Umgebungsluft hat. Zudem sorgt eine größere Oberfläche für eine bessere Wärmeabfuhr und Kühlung.

In diesen Konservatoren kommt das Öl zwar mit Luft in Kontakt, jedoch ist die Kontaktfläche reduziert. Das Öl kühlt ab, was zu einem chemischen Gleichgewicht führt, bei dem bis zu 800 ppm Sauerstoff im Öl gelöst sein können. Um die Feuchtigkeit aus der Luft zu reduzieren, die in den Konservator gelangt, wird am Ende des Verbindungsrohrs ein Silicagel-Trockenmittel (Luftentfeuchter) angebracht. Bei Regen, Nebel oder wenn der Transformator vom Netz getrennt wird, kann das Silicagel überlastet sein. In diesem Fall ändert es seine Farbe und muss ausgetauscht oder getrocknet werden.

Das Buchholz-Relais: Funktionsweise und Bedeutung

Das Buchholz-Relais wird im Verbindungsrohr zwischen dem Hauptkessel und dem Ausdehnungsgefäß platziert. Es dient dazu, sowohl langsame Gasbildung als auch schnelle Ölströmungen zu erkennen.

Das Buchholz-Relais besteht aus einem kleinen, mit Isolierflüssigkeit gefüllten Behälter, in dessen Innerem sich ein Schwimmer und eine Klappe befinden. Beide sind in Öl getaucht und mit einem Trennschaltkreis verbunden, der bei Gasbildung im Öl aktiviert wird. Bei langsamer Zersetzung des Öls entstehen Gase, die durch das Ausdehnungsgefäß entweichen können, aber auch im Relais verbleiben. Dies führt zu einer Absenkung des Ölstands im Relais, wodurch der Schwimmer sinkt und einen Alarm auslöst, ohne den Transformator sofort abzuschalten. Es wird nicht sofort abgeschaltet, da Gasansammlungen im Tank auch durch normale Alterung, Transport oder andere nicht kritische Ursachen entstehen können.

Wenn ein schwerwiegender Defekt im Transformator auftritt, wird eine sehr große Gasmenge erzeugt, die das Öl mit hoher Geschwindigkeit durch die Rohrleitung drückt. Ist die Geschwindigkeit hoch genug, klappt die Klappe um und löst die sofortige Abschaltung des Transformators aus. Ein Reset ist erst möglich, nachdem ein Bediener die Taste gedrückt hat.

Ölanalyse zur Zustandsbewertung

Die Ölanalyse dient dazu, physikalisch festzustellen, ob das Öl einer beschleunigten Alterung unterliegt. Wichtige Parameter sind:

• Farbe: Neues Öl ist sehr leicht gelb, gealtertes Öl ist fast schwarz.
• Wassergehalt: Indikator für Feuchtigkeit im Öl.
• Spannungsfestigkeit: Misst die dielektrische Durchschlagsfestigkeit.
• Tangens Delta (tan δ): Misst die dielektrischen Verluste.

Der Tangens Delta (tan δ) wird mittels einer Schering-Brücke gemessen, indem ein Kondensator mit dem zu prüfenden Öl als Dielektrikum gefüllt wird. Gemessen werden die Kapazität und die dielektrischen Verluste (Wirkleistung). In einem idealen Kondensator eilt der Strom der angelegten Spannung um 90° voraus, und es wird keine Wirkleistung verbraucht, sondern nur Blindleistung ausgetauscht. Wenn das Dielektrikum jedoch polare Teilchen enthält, richten sich diese unter einer sinusförmigen Spannung aus. Bei jedem Polaritätswechsel drehen sich die Dipole, kollidieren und erzeugen Wärme (dielektrische Hysterese). Dadurch nimmt der Kondensator Wirkleistung aus der Quelle auf. Der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung ist dann kleiner als 90°. Dieser Phasenwinkelversatz wird als δ (Delta) bezeichnet. Ein hoher Tangens Delta-Wert im Öl deutet auf eine starke Alterung hin und kann bedeuten, dass das Öl aufbereitet oder verworfen werden muss. Die Aufbereitung erfolgt oft mittels eines Spin-Filters und bei stark gealtertem Öl auch mit Fullererde.

Gasanalyse zur Fehlerdiagnose

Bei der Gasanalyse wird untersucht, wie sich Öl unter Temperatureinwirkung zersetzt und Gase wie Methan, Ethan, Ethylen und Acetylen bildet. Auch bei normaler Betriebstemperatur können sich die Gasverhältnisse ändern, was auf 'Hot Spots' (lokale Überhitzungen) hinweisen kann. Eine Ölprobe wird in einem undurchsichtigen Behälter entnommen, um die Gaskonzentrationen zu bestimmen. Diese Werte werden mit den Grenzwerten der UNE-Norm verglichen. Basierend auf den ermittelten Kennzahlen und einem dreistelligen Code kann eine Tabelle die wahrscheinliche Art des Transformatorfehlers angeben. Wenn das Verhältnis zwischen CO und CO2 unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, deutet dies auf eine Zersetzung der festen Isolierung (Papier) hin.

Um die Entwicklung eines Fehlers zu überwachen, ist es wichtig, die Analysefrequenz bei Bedarf zu erhöhen.

Eine Überproduktion von Gasblasen im Öl ist oft ein Symptom von Teilentladungen. Zur Veranschaulichung der elektrischen Feldverteilung zwischen verschiedenen Isoliermaterialien (z.B. Papier, Öl und Gas) kann ein Kondensatormodell mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten herangezogen werden. Da Gas eine geringere Dielektrizitätskonstante und eine niedrigere Durchschlagsfestigkeit aufweist, ist es einem stärkeren elektrischen Feld ausgesetzt. Dies kann zu elektrischen Entladungen (Teilentladungen) innerhalb der Gasblasen führen, die wiederum das Öl weiter zersetzen.

Herausforderungen bei Mineralöl und Alternativen

Mineralöl, obwohl ein guter Isolator und Kühlmittel in Transformatoren, hat den Nachteil eines niedrigen Flammpunktes. Daher werden manchmal andere Isoliermedien verwendet.

Trockentransformatoren mit Gießharzwicklungen

Trockentransformatoren mit Gießharzwicklungen sind erfolgreich im Einsatz. Das Problem dabei ist, dass es sehr schwierig ist, Blasenbildung zu vermeiden, was zu Teilentladungen führen kann. Sie werden hauptsächlich für Niederspannungsanwendungen (bis 30 kV) und geringere Leistungen (bis 10 MVA) eingesetzt, da ihre Kühlung (Luftkühlung) weniger effizient ist.

Silikonöl als Isolator

Silikonöl ist ein guter Isolator, hat aber eine hohe Viskosität, was seine Kühleigenschaften beeinträchtigt.

Pflanzliche Öle

Pflanzliche Öle (z.B. aus Sonnenblumen, Raps) sind gute Isolatoren und haben einen hohen Flammpunkt. Das Problem ist jedoch, dass sie leicht oxidieren und sehr hygroskopisch sind, d.h. sie ziehen Wasser in Dampf- oder Flüssigkeitsform an. Daher werden sie oft nur in hermetisch abgedichteten Transformatoren oder solchen mit Gummi-Membran-Konservatoren eingesetzt, um den Kontakt mit Luft und Feuchtigkeit zu minimieren.

Wartung und Diagnose von Transformatoren

Die Wartung von Transformatoren ist eine große Verantwortung, da ein Ausfall zu erheblichen Störungen führen kann. Umfangreiche Messungen sind erforderlich, und die Beschaffung von Ersatzteilen kann über ein Jahr dauern. Es ist einfacher, einen Fehler zu beheben, wenn nur ein kleiner Teil betroffen ist, als wenn der gesamte Transformator betroffen ist. Daher werden regelmäßige Tests durchgeführt, um den Zustand zu überwachen.

Wichtige Tests zur Zustandsbewertung umfassen:

• Messung der Kapazität zwischen den Wicklungen
• Erregerstrommessung (Stromstärke, die zur Erzeugung des magnetischen Flusses erforderlich ist)
• Übersetzungsverhältnis
• Frequenzgangsanalyse (FRA) zur Erkennung mechanischer Verformungen
• Dielektrische Spektroskopie (SDS) zur Schätzung des Feuchtigkeitsgehalts der festen Isolierung