Wie lässt sich die Alterung des Isolierpapiers von Transformatoren beurteilen?

—Prüfverfahren für den Polymerisationsgrad (DP-Wert) und Vorhersage der Restlebensdauer

Angesichts der zunehmenden Alterung der globalen Stromnetzinfrastruktur spielen Transformatoren als Kernkomponenten von Stromversorgungssystemen eine entscheidende Rolle für die Betriebssicherheit. Die Alterung des Isolierpapiers von Transformatoren ist eine der Hauptursachen für Geräteausfälle und beeinträchtigt somit unmittelbar die Sicherheit, Stabilität und Lebensdauer der Anlagen im Stromnetz. Die wissenschaftliche Beurteilung des Zustands des Isolierpapiers und die Vorhersage seiner Restlebensdauer sind daher zu einem Schlüsselfaktor für Instandhaltungsentscheidungen in der Energiewirtschaft geworden. Dieser Artikel bietet eine detaillierte Analyse der international anerkannten Methode zur Bestimmung des Polymerisationsgrades (DP-Wert) und deren Anwendung zur Vorhersage der Restlebensdauer von Transformatoren. Er liefert Ihnen somit eine wissenschaftliche Grundlage für das Zustandsmanagement Ihrer Anlagen.

Inhalt

1. Kernmechanismus der Alterung von Isolierpapier: Bruch der Zelluloseketten

Transformatorisolationspapier besteht hauptsächlich aus Zellulose. Neuartiges Papier zeichnet sich durch langkettige Zellulosemoleküle (mit einem Polymerisationsgrad typischerweise zwischen 1000 und 1300) aus und bietet dadurch eine ausgezeichnete mechanische und elektrische Festigkeit.

(1) Auslöser des Alterns (Ursache):Während des Transformatorbetriebs wirken unweigerlich Wärme (Temperatur), Sauerstoff, Feuchtigkeit und saure Substanzen (Nebenprodukte der Alterung des Isolieröls) auf die Zellulose ein.

(2) Chemische Reaktionen (Wirkung):Diese Faktoren lösen komplexe chemische Reaktionen (hauptsächlich Hydrolyse und Oxidation) aus, die zum Bruch der glykosidischen Bindungen in den Cellulosemolekülen führen.

(3) Leistungsverschlechterung (Auswirkung):Mit zunehmenden Kettenbrüchen verkürzen sich die Cellulosemoleküle (der Polymerisationsgrad sinkt), was zu einer deutlichen Verringerung der mechanischen Festigkeit (Zugfestigkeit, Zähigkeit) führt. Das Papier wird spröde, und auch seine elektrische Festigkeit (Spannungswiderstand) und sein Ölabsorptionsvermögen nehmen ab, was potenziell zu Entladungen oder Isolationsfehlern führen kann.

2. Polymerisationsgrad (DP-Wert): Der Goldstandard zur Quantifizierung der Alterung von Isolierpapier

Der DP-Wert (Polymerisationsgrad) gibt direkt die durchschnittliche Länge der Cellulosemolekülketten wieder und ist der genaueste und international anerkannteste (z. B. IEC 60450, ASTM D4243) Indikator zur Beurteilung der Alterung von Isolierpapier.

(1) Prüfprinzip (Ursache):Die Bestimmung des DP-Wertes basiert auf der Viskosität bzw. dem rheologischen Verhalten von Cellulose in spezifischen Lösungsmitteln (z. B. Kupferethylendiaminlösung). Langkettige Moleküle führen zu einer höheren Viskosität, kurzkettige hingegen zu einer niedrigeren.

(2) Messmethode (Effekt):Im Labor wird die Viskosität aufgelöster Isolierpapierproben präzise gemessen und mit bekannten Standards verglichen, um den durchschnittlichen DP-Wert zu berechnen. Dies ist ein zerstörendes Prüfverfahren, das typischerweise bei der Transformatorenwartung durch Probenahme an Schlüsselstellen (z. B. in der Nähe von Hotspots) durchgeführt wird.

(3) Zustandsbewertung (Auswirkung):Der DP-Wert liefert eine genaue Momentaufnahme des Alterungszustands des Isolierpapiers.

Tabelle: Zusammenhang zwischen DP-Wert und Alterungszustand des Isolierpapiers (Basierend auf den Richtlinien des IEEE-Standards C57.91)

3. DP-wertbasierte Modelle zur Vorhersage der Restlebensdauer von Transformatoren

Ein einzelner DP-Wert-Test beurteilt den aktuellen Zustand, während die Vorhersage der Restlebensdauer die Kombination von Alterungskinetikmodellen erfordert. Das am weitesten verbreitete Modell ist das Arrhenius-Reaktionsgeschwindigkeitsmodell, das auf thermischer Alterung basiert.

(1)Modellgrundlage (Ursache):Die Temperatur ist der Hauptfaktor, der die Alterung von Isolierpapier beschleunigt. Die Arrhenius-Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante (k) und der absoluten Temperatur (T):

                                     k = A * exp(-Ea / (R * T))

                – k: Reaktionsgeschwindigkeitskonstante (repräsentiert die Alterungsgeschwindigkeit)
 – A: Präexponentieller Faktor (Material/Umgebung-                   abhängige Konstante)
 – Ea: Aktivierungsenergie (typischerweise ~111 kJ/mol für      Zelluloseabbau (angepasst an Öl-Papier-Systeme)
– R: Ideale Gaskonstante (8.314 J/mol·K)
– T: Absolute Temperatur (Kelvin, K = °C + 273)

(2) Wertverfall der Konsumgüter und Lebensverbrauch (Ursache):Experimente und Betriebsdaten zeigen, dass der DP-Wert bei konstanter Temperatur annähernd linear abnimmt (bzw. altert) (oder spezifischen Funktionen wie einer Kinetik erster Ordnung folgt). Die Zeit bis zum Erreichen des DP-Werts am Ende der Lebensdauer (z. B. 200 oder 250) entspricht der „Lebensdauer“ bei dieser Temperatur.

(3) Temperaturbeschleunigung (Ursache):Gemäß Arrhenius verdoppelt jede Temperaturerhöhung um 6–10 °C (abhängig von Ea) die Alterungsrate, was bei höheren Temperaturen zu einer drastischen Verkürzung der Lebensdauer führt.

(4) Vorhersageschritte (Auswirkung):

a.       Sammeln Sie historische DP-Werte (mindestens zwei Tests) und die entsprechenden Betriebsjahre.

b.      Schätzen Sie die Betriebstemperaturen, insbesondere die Temperaturen an den Hotspots (anhand von Lastaufzeichnungen, Umgebungsdaten oder Auslegungsparametern).

c.       Entwickeln Sie ein Alterungsmodell, indem Sie den historischen DP-Abfall und die äquivalente thermische Belastung anpassen, um eine transformatorspezifische Alterungsratengleichung abzuleiten (kann spezielle Software/Ingenieurleistungen erfordern).

d.         Die verbleibende Lebensdauer lässt sich durch Hochrechnung des aktuellen DP-Wertrückgangs auf den Schwellenwert für das Ende der Lebensdauer unter den zu erwartenden zukünftigen Temperaturen ermitteln.

Tabelle: Vergleich von Modellen zur Vorhersage der Restlebensdauer von Transformatoren

4. Wichtigste Testschritte und umfassende Bewertungsstrategie

(1)Repräsentative Stichprobe:Befolgen Sie die Normen (z. B. IEC 60544), um unkontaminierte Proben aus Hotspot-Bereichen (z. B. in der Nähe von Förderschnecken) zu entnehmen. Die Probenqualität hat direkten Einfluss auf die Genauigkeit.

(2) Präzisionslaborprüfung:Für Viskositäts-basierte DP-Prüfungen sollten akkreditierte Labore (gemäß IEC 60450 oder ASTM D4243) verwendet werden.

(3) Ganzheitliche Datenanalyse: Kombinieren:

-         Historische DP-Trends zur Verfolgung von Alterungsraten.

-         Analyse gelöster Gase (DGA) für CO/CO₂ (Marker für die Zellulosealterung) und brennbare Gase.

-         Furananalyse (z. B. korrelieren die 2-FAL-Werte mit dem DP-Rückgang).

-         Feuchtigkeitsgehalt (beschleunigt die Hydrolyse).

-         Säurezahl (hohe Säurekonzentration katalysiert den Abbau).

-         Betriebshistorie (Lastprofile, Ausfälle, Wartungsarbeiten).

(4) Expertenentscheidungen:Ingenieure sollten Daten integrieren, um Risiken zu bewerten und Maßnahmen zu planen: verbesserte Überwachung, Reduzierung von Last/Temperatur, Wartung oder Austausch.

5. Proaktive Wartungsstrategien zur Verlängerung der Transformatorlebensdauer

Das Verständnis der Alterungsmechanismen ermöglicht gezielte Interventionen:

● Betriebstemperaturen kontrollieren (am effektivsten):

(1) Warum? Niedrigere Temperaturen in den Hotspots verlangsamen die Alterung exponentiell (nach Arrhenius). Beispiel: Eine Reduzierung der Hotspot-Temperaturen von 110 °C auf 100 °C kann die Lebensdauer vervielfachen.

(2) Wie? Kühlung optimieren (Kühler reinigen, Funktion von Lüfter/Ölpumpe sicherstellen), Überlastung vermeiden, Hotspots überwachen.

● Feuchtigkeit und Sauerstoff minimieren:

(1) Warum? Feuchtigkeit fördert die Hydrolyse; Sauerstoff beschleunigt die Oxidation.

(2)Wie? Hochleistungsentlüfter (Trockenmittel-/Membranentlüfter) verwenden, Vakuum-Ölfiltration durchführen, Feuchtigkeitssättigung von <3% anstreben.

● Säuregehalt regulieren:

(1) Warum? Säuren katalysieren den Abbau von Cellulose.

(2) Wie? Öl-Säuregehalt überwachen; Öl regenerieren oder ersetzen, wenn >0.1 mgKOH/g.

● Regelmäßige Zustandsüberwachung:Integrieren Sie DP-Tests, DGA, Furananalysen und Öltests in vorausschauende Wartungspläne.

Zusammenfassend

Die DP-Wert-Prüfung ist die Grundlage für die Beurteilung des Isolationszustands und die Lebensdauerprognose von Transformatoren. Durch die Einhaltung der IEC/ASTM-Normen, die Nutzung von Arrhenius-Modellen und die Kombination von Multiparameterdaten (DGA, Furane, Feuchtigkeit) erhalten Betreiber präzise Einblicke in den Isolationszustand. Proaktive Strategien – Temperaturkontrolle, Feuchtigkeits-, Sauerstoff- und Säuremanagement – ​​können die Lebensdauer deutlich verlängern und die Rentabilität optimieren.

Angesichts der globalen Energiewende und der Ziele für nachhaltige Infrastrukturen gewährleistet die Beherrschung dieser fortschrittlichen Bewertungs- und Lebensdauertechnologien sicherere, zuverlässigere und kostengünstigere Stromnetze. Investitionen in die wissenschaftliche Bewertung von Isolierungen sind Investitionen in die Zukunftsfähigkeit des Stromnetzes.

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