Wie lässt sich die Alterung der Isolierung in Transformator- und Drosselspulen-Anschlussleitungen erkennen?

In Energiesystemen und industriellen Anwendungen sind Transformatoren und Drosselspulen kritische Komponenten für die effiziente Energieübertragung und -verteilung. Mit der Zeit altern die Isolationsmaterialien ihrer Zuleitungen unweigerlich, was die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Geräte erheblich beeinträchtigt. Die Normen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) und des IEEE nennen die Isolationsalterung ausdrücklich als eine der Hauptursachen für Ausfälle von Transformatoren und Drosselspulen. Dieser Artikel bietet eine detaillierte Anleitung zur wissenschaftlichen und effektiven Erkennung der Isolationsalterung in Zuleitungen und behandelt dabei alle Aspekte von den Grundlagen bis hin zu praktischen Prüfverfahren.

Eine effektive Erkennung der Isolationsalterung beugt nicht nur Geräteausfällen vor, sondern verlängert auch die Lebensdauer und reduziert wirtschaftliche Verluste durch ungeplante Stillstandszeiten. Dank Fortschritten in der Erkennungstechnologie ermöglichen moderne Diagnoseverfahren eine präzise Beurteilung des Isolationszustands ohne Demontage der Geräte und erleichtern so die Wartung erheblich. Im Folgenden werden die Ursachen der Isolationsalterung erläutert und verschiedene Erkennungsverfahren und Normen vorgestellt.

Inhalt

1. Hauptursachen der Alterung von Dämmstoffen

Isoliermaterialien unterliegen im Langzeitbetrieb verschiedenen Alterungsmechanismen, die sich im Wesentlichen in thermische, elektrische, mechanische und umweltbedingte Alterung unterteilen lassen. Das Verständnis dieser Mechanismen ist für eine präzise Diagnose unerlässlich, da unterschiedliche Alterungsarten oft unterschiedliche Nachweismethoden erfordern.

● Thermische Alterung
Thermische Alterung ist die häufigste Form der Alterung. Gemäß dem Arrhenius-Prinzip steigt die Lebensdauer von Isoliermaterialien exponentiell mit der Temperatur. Die Norm IEEE Std C57.91-2011 besagt, dass sich die Lebensdauer des Isolierpapiers mit jedem Anstieg der Transformatorwicklungstemperatur um 6 °C halbiert. Thermische Alterung führt zum Bruch von Molekülketten in Isoliermaterialien, wodurch niedermolekulare Nebenprodukte entstehen und die mechanische Festigkeit sowie die dielektrischen Eigenschaften allmählich abnehmen. Besonders ausgeprägt sind die Auswirkungen von sogenannten „Hot Spots“, da diese lokalisierten Hochtemperaturbereiche oft als erste Anzeichen von Alterung zeigen.

● Elektrische Alterung
Elektrische Alterung umfasst Phänomene wie Teilentladungen und elektrische Baumstrukturen. Bei Defekten oder Luftspalten in der Isolierung kann eine ungleichmäßige elektrische Feldverteilung zu Teilentladungen in Bereichen mit hoher Feldstärke führen. Obwohl die Energie solcher Entladungen gering ist, führen ihre langfristigen Auswirkungen zu Erosion des Isoliermaterials und zur Bildung leitfähiger Kanäle. Untersuchungen des International Council on Large Electric Systems (CIGRE) zeigen, dass über 60 % der Ausfälle von Hochspannungstransformatoren auf Teilentladungen zurückzuführen sind.

● Mechanische Alterung
Mechanische Alterung wird durch elektromagnetische Kräfte aufgrund von Kurzschlussströmen und durch thermische Ausdehnung/Kontraktion infolge von Temperaturschwankungen verursacht. Wiederholte mechanische Belastung führt zu Mikrorissen und Delaminationen in den Isolierschichten und beschleunigt so weitere Alterungsprozesse. Dies ist besonders ausgeprägt in Reaktoren, die erheblichen elektromagnetischen Kräften ausgesetzt sind.

● Umweltbedingte Alterung
Umweltbedingte Alterung bezeichnet die Auswirkungen externer Faktoren wie Feuchtigkeit, Sauerstoff und Verunreinigungen. Feuchtigkeit reduziert die Durchschlagspannung von Öl und fördert den Zelluloseabbau, während Sauerstoff zur Öloxidation führt und dabei saure Substanzen bildet, die Isoliermaterialien korrodieren. Die Norm IEC 60599 legt Grenzwerte für Feuchtigkeit und Oxidationsprodukte in ölgekühlten Geräten fest.

Tabelle 1: Arten der Dämmstoffalterung und ihre wichtigsten Merkmale

2. Wichtigste Erkennungsmethoden und -prinzipien

Zur Erkennung von Isolationsalterung in Zuleitungen existieren verschiedene Methoden, jede mit spezifischen Anwendungsbereichen und Vorteilen. Ein optimales Prüfverfahren kombiniert mehrere Methoden, um die Ergebnisse zu validieren. Im Folgenden werden einige der bekanntesten und international anerkanntesten Verfahren vorgestellt.

● Test des dielektrischen Verlustfaktors (Tanδ)

(1)Konzept:Die Prüfung des dielektrischen Verlustfaktors (Tanδ oder DF) ist eine der klassischen Methoden zur Beurteilung des Isolationszustands und wird in Normen wie IEC 60247 häufig angewendet. Bei dieser Prüfung wird eine Wechselspannung an die Isolation angelegt und der Tangens des Phasenwinkels (δ) zwischen Strom und Spannung gemessen. Bei einem idealen Isolator sollte der Strom der Spannung um 90° voreilen; aufgrund dielektrischer Verluste ist die Phasenverschiebung jedoch etwas geringer.

(2)Prinzip:Dielektrische Verluste entstehen durch Energieverluste aufgrund von Polarisationsrelaxation und Leitfähigkeit in Wechselfeldern. Alterung schädigt die Materialstruktur und erhöht die Polarisationsverluste, während Alterungsprodukte (z. B. leitfähige Carbide) die Leitfähigkeitsverluste steigern – beides spiegelt sich in höheren Tanδ-Werten wider. Gemäß IEEE Std 286-2000 sollten Tanδ-Werte über 0.5 % bei Öl-Papier-Isolierungen überprüft werden, während Werte über 1 % auf eine starke Degradation hinweisen.

(3)Testing:Die Messung erfolgt üblicherweise mit einer Schering-Brücke oder modernen digitalen dielektrischen Verlustmessgeräten bei Netzfrequenz (50/60 Hz) oder Niederfrequenz (0.1 Hz). Niederfrequenzmessungen reagieren empfindlicher auf langsame Polarisationsprozesse und eignen sich daher gut zur Erkennung von Feuchtigkeit und Alterung. Die Prüfspannungen liegen typischerweise zwischen 2 und 10 kV, abhängig von der Nennspannung des Geräts.

Hinweis: Tanδ-Werte sind temperaturempfindlich und sollten mithilfe der folgenden Formel auf einen 20°C-Referenzwert korrigiert werden:

tanδ₂₀ = tanδₜ × e^(-α(t-20))

wobei α der Temperaturkoeffizient ist (~0.017-0.022/°C für Öl-Papier-Isolierung).

● Teilentladungserkennung

(1)Konzept:Die Teilentladungsprüfung nach IEC 60270 ist eine der empfindlichsten Methoden zur Diagnose von Isolationsfehlern im Frühstadium. Teilentladungen bezeichnen nicht durchdringende Entladungen in lokalisierten Bereichen des Isolationssystems, die mit der Zeit die Isolationsleistung beeinträchtigen.

(2)Methoden: Drei gängige Techniken sind:

–Elektrische Methode:Misst Impulsströme (höchste Präzision, erfordert jedoch Abschaltung).

–Ultraschallmethode:Erkennt akustische Wellen von Entladungen (geeignet für die Online-Überwachung).

–Ultrahochfrequenzverfahren (UHF):Erkennt elektromagnetische Wellen im Bereich von 300 MHz bis 3 GHz (auch für die Online-Überwachung geeignet).

(3)Schlüsselparameter:

–Scheinbare Entladungsgröße (q, in pC).

–Entladungswiederholungsrate (n).

–Entladungseinschaltspannung (Vi) und Entladungslöschspannung (Ve).

Internationale Normen begrenzen die scheinbare Entladung typischerweise auf ≤10 pC bei der 1.5-fachen Nennphasenspannung. Moderne Verfahren zur Teilentladungslokalisierung kombinieren elektrische und Ultraschallsignale, um Entladungsquellen zentimetergenau zu lokalisieren – ideal für große Transformatoren und Drosselspulen.

● Analyse gelöster Gase (DGA)

(1)Konzept: Bei ölgekühlten Anlagen ist die DGA (basierend auf IEC 60599 und IEEE Std C57.104) ein hochwirksames Verfahren zur Überwachung der Isolationsalterung. Isoliermaterialien zersetzen sich unter thermischer und elektrischer Belastung und setzen dabei charakteristische Gase frei, deren Zusammensetzung und Konzentration Aufschluss über den Zustand der inneren Isolation geben.

(2)Wichtige Gase:H₂, CH₄, C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆, CO, CO₂, O₂ und N₂. Unterschiedliche Alterungsprozesse erzeugen unterschiedliche Gaskombinationen:

–Teilentladung: H₂ und CH₄.

–Ölüberhitzung (<300°C): CH₄ und C₂H₄.

–Überhitzung von Öl bei hohen Temperaturen (>700°C): C₂H₂.

–Überhitzung der Feststoffisolierung: CO und CO₂.

(3)Kritische Verhältnisse:

–Methanverhältnis (CH₄/H₂).

–Acetylenverhältnis (C₂H₂/C₂H₄).

–Ethylenverhältnis (C₂H₄/C₂H₆).

Tabelle 2: DGA-Fehleridentifizierungsstandards (IEC 60599)

Zu den modernen DGA-Techniken gehört die Online-Überwachung mittels Gaschromatographie oder photoakustischer Spektroskopie, die eine Echtzeit-Verfolgung der Gaskonzentration ermöglicht – besonders nützlich für Reaktoren mit hohen Feldstärken.

3. Analyse und Lebensdauerbewertung

Nach der Erfassung der Messdaten ist die wissenschaftliche Analyse und Bewertung des Isolationszustands entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb. International werden die Ergebnisse mehrerer Parameter mit historischen Daten, Daten vergleichbarer Geräte und Normen verglichen. Mithilfe mathematischer Modelle lässt sich die Restlebensdauer prognostizieren.

● Multiparameter-Diagnostik

Einzelne Indikatoren geben den Dämmzustand oft nicht vollständig wieder. Eine umfassende Bewertung könnte Folgendes beinhalten:

(1)Ein erhöhter Tanδ-Wert ohne erhöhte PD deutet auf ein gleichmäßiges Altern hin.

(2)Normaler Tanδ-Wert, aber hoher PD-Wert deuten auf lokalisierte Defekte hin.

(3)Hohe CO/CO₂-Verhältnisse in der DGA deuten auf eine starke Alterung der Isolierung hin.

CIGRE empfiehlt ein Punktesystem für eine umfassende Diagnose, bei dem Punkte anhand von Abweichungen von den Ausgangswerten vergeben werden. Fortschrittliche Systeme nutzen Fuzzy-Logik oder neuronale Netze, um mehrdimensionale Daten für eine ganzheitliche Beurteilung zu verarbeiten.

● Lebenszeitprognosemodelle

Die Lebensdauerprognose basiert auf thermischen Alterungsmodellen und der Theorie der kumulativen Schädigung. Die klassische Montsinger-Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen Temperatur und Lebensdauer:
                                  L = Ae^(-Bθ)
wobei L die Lebensdauer, θ die Temperatur und A/B Materialkonstanten sind.

Ein präziseres Modell nach IEC 60076-7 berücksichtigt mehrere Beanspruchungen:
          L = L₀ × 2^[(θ₀-θ)/6] × (1/PD)^n × (1/M)^p
wobei PD die Teilentladungsintensität, M die mechanische Spannung und n/p empirische Exponenten sind.

In der Praxis vergleicht die „relative Lebensdauer“ die aktuelle Restlebensdauer mit der anfänglichen Lebensdauer. Beispielsweise gilt eine Isolierung als ausgedient, wenn sich der Verlustfaktor Tanδ verdreifacht oder der Polymerisationsgrad (DP) unter 200 fällt.

4. Vorbeugende Wartung und neue Technologien

Wissenschaftliche, auf Detektionsergebnissen basierende vorbeugende Instandhaltung kann die Lebensdauer von Anlagen deutlich verlängern. International konnte gezeigt werden, dass zustandsorientierte Instandhaltungsstrategien (CBM) die Lebensdauer von Transformatoren und Drosselspulen um über 30 % verlängern und gleichzeitig plötzliche Ausfälle um 60 % reduzieren.

● Gezielte Wartung

Die Maßnahmen sollten auf Art und Schweregrad des Alterns abgestimmt sein:

(1)Gleichmäßige thermische Alterung:Kühlung optimieren oder Last reduzieren.

(2)Teilentladung:Leckagequellen lokalisieren und reparieren (z. B. Vakuumölbefüllung).

(3)Feuchtigkeitsbedingte Hautalterung:Mit Vakuumölzirkulation trocknen und Trockenmittel ersetzen.

(4)Schweres Altern:Planersatz oder Ruhestand.

Bei Reaktoren sind regelmäßige Überprüfungen der Befestigungselemente und der Integrität der Isolationsträger aufgrund der hohen Feldstärken unerlässlich. Normen empfehlen vollständige mechanische Inspektionen alle 3–5 Jahre oder nach schweren Kurzschlüssen.

● Erweiterte Überwachung

Neue Technologien wie IoT und KI revolutionieren die Isolierungsüberwachung:

(1)Verteilte Temperaturmessung (DTS): Temperaturkartierung in Echtzeit.

(2)Hochfrequenz-Stromwandler (HFCT): Detektion von Nanosekunden-Teilentladungsimpulsen.

(3)Quantenpunktsensoren: Online-Überwachung von Ölfeuchtigkeit und Säuregehalt.

(4)Digital-Twin-Technologie: Virtuelle Echtzeit-Gerätespiegelung.

Die Kombination dieser Methoden mit traditionellen Verfahren schafft ein umfassendes Überwachungssystem. So berichtete beispielsweise ein Hersteller, dass er durch intelligente Überwachung die Ausfallzeit von 72 Stunden auf über 30 Tage verlängern konnte.

Zusammenfassend

Die Erkennung von Isolationsalterung in Zuleitungen ist eine systematische Aufgabe, die Fachkenntnisse und Spezialausrüstung erfordert. Für eine effektive Erkennung sollten folgende Punkte beachtet werden:

(1)Integration mehrerer Methoden: Kombination von Tanδ, PD, DGA usw. zur Kreuzvalidierung.

(2)Trendanalyse: Fokus auf die Parameterentwicklung im Zeitverlauf, nicht auf einzelne Datenpunkte.

(3)Internationale Standards: Beachten Sie die IEC/IEEE-Richtlinien für wissenschaftliche Beurteilungen.

(4)Setzen Sie auf neue Technologien: Intelligente Überwachung steigert Effizienz und Genauigkeit.

Durch die Anwendung dieser Methoden und die ständige Weiterbildung hinsichtlich Alterungstrends und Erkennungstechnologien können die Betreiber die Instandhaltung optimieren und so die Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz des Stromnetzes gewährleisten.

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LuShan, Europäische Sommerzeit.1975, ist ein chinesischer professioneller Hersteller, spezialisiert auf Leistungstransformatoren und Reaktoren für50 Jahre. Führende Produkte sind Einphasentransformator, Dreiphasentransformator Isolierung Transformatoren, elektrischer Transformator, Verteiltransformator, Abwärts- und Aufwärtstransformator, Niederspannungstransformator, Hochspannungstransformator, Steuertransformator, Ringkerntransformator, R-Kern-Transformator;Gleichstrominduktoren, Wechselstromreaktoren, Filterreaktoren, Netz- und Lastreaktoren, Drosseln, Filterreaktoren und Zwischen- und Hochfrequenzprodukte.

Unsere Kraft Transformatoren und Reaktoren werden in zehn Anwendungsbereichen häufig eingesetzt: Schnellverkehr, Baumaschinen, erneuerbare Energien, intelligente Fertigung, medizinische Geräte, Explosionsschutz in Kohlebergwerken, Erregersysteme, Vakuumsintern (Öfen), zentrale Klimaanlagen.

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