DE10135915B4

DE10135915B4 - Diagnose der dielektrischen Alterung von Mehrstoffdielektrika mittels Verlustfaktormessungen vor Ort mit Frequenzen kleiner als die Frequenzen der öffentlichen, elektrischen Versorgungsnetze

Info

Publication number: DE10135915B4
Application number: DE2001135915
Authority: DE
Inventors: Rudolf Wimmershoff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-24
Filing date: 2001-07-24
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: DE10135915A1

Abstract

Verfahren zur Diagnose der dielektrischen Alterung von Mehrstoffdielektrika bestehend aus Öl/Papier/Pressspan, Öl/Papier oder Masse/Papier, bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt ein Verlustfaktor tan δ des Mehrstoffdielektrikums bei einer Folge von sinusförmigen Prüfspannungen mit Frequenzen kleiner als die Frequenzen der öffentlichen Versorgungsnetze und Effektivwerten U₁, ..., U_n, welche betragsmäßig ansteigend geordnet seien, gemessen wird, dadurch gekennzeichnet,
dass in einem zweiten Verfahrenschritt Parameter A und B in einer Gleichung f(U) = Ae^–U/τ + B so bestimmt werden , dass der als Funktion des Effektivwerts U der sinusförmigen Prüfspannung aufgetragene Kurvenzug f(U) mit den im ersten Verfahrensschritt ermittelten Messwerten für den Verlustfaktor tan δ, aufgetragen gegenüber dem Effektivwert U der sinusförmigen Prüfspannung, übereinstimmt, wobei τ definiert ist als Differenz U_n – U₁,
in einem weiteren Verfahrensschritt aus der Gleichung f(U) = Ae^–U/τ + B ein eingeschwungener Verlustfaktor tan δ₀ = B abgelesen wird, welcher ein Maß für die Alterung des...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose der elektrischen Alterung von Mehrstoffdielektrika mittels Verlustfaktormessungen vor Ort mit Frequenzen kleiner als die Frequenz der öffentlichen elektrischen Versorgungsnetze.
Die betriebsbedingte dielektrische Alterung von Mehrstoffdielektrika wird bestimmt von den Verlusten in den entsprechend angewandten Isolierstoffen.
Das allgemeine Ersatzschaltbild für ein verlustbehaftetes Dielektrikum ist in Bild 1 dargestellt. Darin bedeuten:
C₀ geometrische Kapazität
R_iso Isolationswiderstand
C_p1, C_pn, R_p1, R_pn äquivalente Größen für Polarisationsmechanismen.
Zum Beispiel steilen Leistungstransformatoren in jedem elektrischen Versorgungsnetz sowohl kapitalmäßig als auch betriebstechnisch hochwertige Komponenten dar. Es ist also sehr wichtig, den Betriebszustand von diesen Komponenten möglichst genau zu kennen. Aus diesem Grund ist die Abschätzung der betriebsbedingten, dielektrischen Alterung für den angestrebten störungsfreien Betrieb eines elektrischen Versorgungsnetzes von großer Bedeutung. Es ist bekannt, dass das Dielektrikum von Leistungstransformatoren heute im Wesentlichen aus Öl/Papier/Pressspan besteht. Die dielektrische Alterung bezieht sich hauptsächlich auf die mikroskopische Zersetzung des Isoliersystems /1/.
Die Ersatzschaltung der Transformatorwicklungen, die zur elektrischen Prüfung verwendet wird, ist in Bild 2 dargestellt. Aus diesem Bild sind die Oberspannungswicklung (OS) und die Unterspannungswicklung (US) zu erkennen. Die Isolierung besteht im Wesentlichen aus den Isolierpapieren, Pressspanbarrieren und Öl.
Die Alterung von Mehrstoffdielektrika, z.B. Öl/Papier/Pressspan von Transformatoren wird während der Betriebsdauer im wesentlichen bestimmt durch:

• elektrische und thermische Belastung
• Teilentladungen
• Feuchtigkeitseinflüsse
• Oxidationsvorgänge sowie Verunreinigungen und
• dadurch bedingte Depolymerisationseffekte und Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit.

Verluste im Dielektrikum können mit Hilfe einer Verlustfaktormessbrücke nach Schering bei Frequenzen von ca. 10 bis 100 Hz durchgeführt werden. Diese Verlustfaktorwerte können nur auf Grund der geringen messtechnischen Empfindlichkeit als relative grobe Vergleichswerte, z.B. für die analoge Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeit verwendet werden. Weitere spezifische Aussagen über die Alterung von Mehrstoffdielektrika sind nicht möglich.
Außerdem kann diese Messmethode vornehmlich nur in Laboratorien angewandt werden. Eine Verwendung vor Ort, z.B. in Hochspannungsschaltanlagen führt zu Schwierigkeiten, da diese Messungen durch elektromagnetische Felder sehr stark beeinflusst werden. Außerdem sollte bei einer Verlustfaktormessung nach Schering der Prüfling isoliert aufgestellt werden. Dies ist aber in elektrischen Anlagen vor Ort nicht möglich. Dieser Nachteil kann nur durch aufwendige Kunstschaltungen behoben werden.
Darüber hinaus müssen, z.B. bei Höchstspannungstransformatoren mit Übertragungsspannungen auf der Oberspannungsseite von 110, 220 oder 380 kV oder bei Kabeln jeweils auf Grund der hohen Kapazitäten und der zu verwendenden Messfrequenzen von 50 bzw. 60 Hz Prüftransformatoren mit sehr hohen kapazitiven Ladeleistungen vor Ort bereitgestellt werden. Des Weiteren sind hohe Prüfspannungen, z.B. von U_o = 64 kV oder 127 kV oder 220 kV, erforderlich.
Dies alles führt zu sehr hohen technischen und damit auch zu sehr hohen finanziellen Aufwendungen.

Aus /2/ ist bereits ein Verfahren zur Diagnose der elektrischen Alterung vorzugsweise von PE/VPE-isolierten Mittelspannungskabeln bekannt, welches auf der Messung des dielektrischen Verlustfaktors bei einer Frequenz von 0,1 Hz basiert. Zwar wird die Anwendung dieses Verfahrens auf Öl/Papier isolierte Betriebsmittel in /2/ erwähnt, ein Verfahren zur Diagnose des Alterungsgrads der einzelnen Bestandteile der Isolierung ist in /2/ jedoch nicht angegeben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Diagnose der dielektrischen Alterung von Mehrstoffdielekrika bestehend aus Öl/Papier/Pressspan, Öl/Papier oder Masse/Papier anzugeben, welches bei niedrigem technischen und finanziellen Aufwand eine Aussage über den Alterungsgrad des Öls und des Papiers bzw. Pressspans sowie über den Wassergehalt im Papier bzw. Pressspan erlaubt. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose der dielektrischen Alterung von Mehrstoffdielektrika, z.B. Öl/Papier/Pressspan, Öl/Papier oder Masse/Papier mittels Verlustfaktormessungen vor allem vor Ort und im Labor, z.B. mit 0,1 Hz; also mit sinusförmigen Frequenzen, die wesentlich kleiner sind, als die Frequenzen 50 Hz bzw. 60 Hz der öffentlichen, elektrischen Versorgungsnetze, z.B. für den Betrieb von Transformatoren, Induktivitäten, Kapazitäten und Kabeln.
Vorteil dieses Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik ist es, dass aus den Verlusffaktorwerten, z.B. gemessen mit 0,1 Hz, mit hoher messtechnischer Empfindlichkeit die Alterung von Mehrstoffdielektrika, z.B. Öl/Papier/Pressspan von Transformatoren, verursacht durch thermische Effekte, Teilentladungen, Feuchtigkeitseinflüsse, Oxidationsvorgänge sowie Verunreinigungen und dadurch bedingte Depolymerisations- und weitere Zersetzungsvorgänge, sowie die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit, bestimmt werden kann.
Darüber hinaus ist der Aufwand für die benötigten Prüfgeräte auf Grund der geringeren Messfrequenz von, z.B. 0,1 Hz im Vergleich zu 50 Hz bezüglich der kapazitiven Ladeleistung um den Faktor 500 niedriger. Ähnliche bedeutende Vorteile ergeben sich infolge der niedrigen Prüfspannungen von z.B. 6 bis 36 kV.
Wie aus Bild 3 zu entnehmen ist, sind die Verlusffaktorwerte, z.B. bei Transformatoren, gemessen mit 0,1 Hz, deutlich um mehr als eine Zehnerpotenz höher im Vergleich zu Verlusffaktorwerten gemessen, z.B. mit 50 Hz.
Bei einem Ölaustausch eines stärker gealterten Transformators können die Verlustfaktorwerte, gemessen bei 0,1 Hz, vor der Überholung im Vergleich zu den Verlusffaktorwerten nach der Überholung um mehr als Faktor 5 gesenkt werden (Bild 4).
In Bild 5 und auch Bild 6 sind die Verlusffaktorwerte des Leistungstransformators T2 (230/115/21 kV, 300 MVA, Baujahr 1978), der vor Ort mit 0,1 Hz gemessen wurde, angegeben. Die beispielhaft angewandten Prüfspannungen 6, 12, 18, 24, 30 und 36 kV wurden dazu benutzt, um mit der folgenden angepassten Gleichung Nr. (1) einen Kurvenzug zu berechnen, der mit den Messpunkten sehr gut übereinstimmt. tan δ = A·e–U/τ + B Gl.-Nr.(1)
In dieser Gleichung bedeuten (vergl. auch Tabelle 1 und Bild 5):
tan δ: rechnerischer Verlustfaktor des Dielektrikums
U: Effektivwert der sinusförmigen Prüfspannung mit der Frequenz 0,1 Hz
τ: Spannungsdifferenz
A, B: Gleichungskonstanten.
Mit dieser Gleichung wurde auch die Tabelle 1 erstellt, so dass sich daraus die Werte tan δ₀, der Winkel α und der Verlusffaktorwert Δ tan δ ergeben. Die mathematische Bedeutung dieser Werte geht aus Bild 5 hervor.
Tabelle 1: Zur Berechnung des Kurvenverlaufs, vergleiche Bilder 5 und 6. In den Bildern 5 u. 6 stimmen die entsprechenden Winkel α in Grad nicht mit den rechnerischen Werten dieser Tabelle überein, denn der Maßstab ist zu berücksichtigen.
Der Verlustfaktorwert Δ tan δ nach Bild 5 ist ein ausschlaggebender Wert für den Wassergehalt im Isolierpapier. Umso größer dieser Verlustfaktorwert ist, umso größer ist der Wassergehalt im Isolierpapier und ähnlichen Isolierstoffen.
Der Winkel α nach Bild 5 ist der ausschlaggebender Wert für die Alterung des Isolierpapiers und vergleichbarer Isolierstoffe (Depolymerisation). Umso größer dieser Winkel ist, umso stärker ist die Alterung in diesen Werkstoffen.
Der Verlustfaktor tan δ₀ nach Bild 5 ist ein ausschlaggebender Wert für die Alterung des Isolieröls. Um so größer dieser Verlustfaktor ist, um so stärker ist die Alterung dieses Öls.
Wie aus Bild 6 hervorgeht, liegen die Verlustfaktormesswerte bei stark gealterten Dielektrika der Transformatoren, z.B. T2 und T3 im Vergleich zu nicht gealterten Dielektrika bei neuen Transformatoren, z.B. T1 um deutlich mehr als eine Zehnerpotenz höher.
Die hohe messtechnische Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Verfahrens , z.B. mit 0,1 Hz ermöglicht gegenüber dem Stand der Technik (Verlustfaktormessungen mit 50 Hz bzw. 60 Hz) jeweils ein sehr differenziert abgestuftes Diagnoseergebnis der dielektrischen Alterung. Sollte, z.B. ein Transformator bereits stärker gealtert sein (vergl. Bild 6, Transformatoren T2 und T3), so kann bereits nach ca. 1 Jahr durch eine Wiederholungsmessung der weitere Fortgang der dielektrischen Alterung, gemessen durch höhere Verlustfaktorwerte, empfindlich kontrolliert werden.
Die Verlustfaktormessung vor Ort, z.B. an Transformatoren erfordert aufgrund der niedrigen Prüfspannung, z.B. von 6 bis 36 kV, einen geringen Aufwand (Bild 6).
Aufgrund der niedrigen Frequenz von z.B. 0,1 Hz im Vergleich z.B. zu 50 Hz ergibt sich eine um den Faktor 500 niedrigere kapazitive Ladeleistung der Prüflinge. Dies trägt zusätzlich entscheidend zur Reduzierung des Aufwandes bei.
Das Diagnoseergebnis liegt bereits vor Ort vor.
Literaturverzeichnis

/1/ Vosen Helmut: Kühlung und Belastbarkeit von Transformatoren, VDE – Schriftenreihe 72, 1997
/2/ ETG-Fachbericht 76, S. 225–232 (1999)

Bildunterschriften
Bild 1: Allgemeines Ersatzschaltbild eines verlustbehafteten Dielektrikums
C₀ geometrische Kapazität
R_iso Isolationswiderstand
C_p1, C_pn, R_p1, R_pn äquivalente Größen für Polarisationsmechanismen
Bild 2: Ersatzschaltbild eines Prüflings, hier ein Leistungstransformator mit der Oberspannungswicklung (OS), der Mittelspannungswicklung (MS) und der Unterspannungswicklung (US) für die Messung des Verlustfaktors mit 0,1 Hz
Bild 3: Abhängigkeit des Verlustfaktors tan δ von der Prüfspannung für 0,1 Hz und 50 Hz, Prüfling: Transformator 30000/230 V, Nr. 22847B
Bild 4: Abhängigkeit des Verlustfaktors tan δ von der Prüfspannung bei 0,1 Hz des Transformators 20/0,4 kV; 160 kVA Baujahr 1975, vor und nach der Überholung dieses Transformators
Bild 5: Verlustfaktormessung des Leistungstransformators T2: 230/115/21 kV, MVA 300, Baujahr 1978 mit 0,1 Hz vor Ort (vergl. auch Bild 6)
: gemessene Werte
–: gerechneter Kurvenverlauf
A: Faktor, siehe Gleichung Nr. (1)
B: eingeschwungener Wert, rechnerisch
α: Winkel der Tangente an der Kurve tan δ = f(U) bei 6 kV
τ: Spannungsdifferenz
Bild 6: Verlustfaktormessungen an Leistungstransformatoren mit 0,1 Hz vor Ort, Dielektrika dieser Transformatoren sind sehr unterschiedlich gealtert.
T1: 110/20 kV, 20 MVA, Baujahr 1997, vor der Inbetriebnahme gemessen, Dielektrikum neuwertig
T2: 230/115/21 kV, 300 MVA, Baujahr 1978
T3: 230/115/21 kV, 300 MVA, Baujahr 1984
T4: 110/20 kV, 16 MVA, Baujahr 1952, sehr stark gealtertes Dielektrikum

Claims

Verfahren zur Diagnose der dielektrischen Alterung von Mehrstoffdielektrika bestehend aus Öl/Papier/Pressspan, Öl/Papier oder Masse/Papier, bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt ein Verlustfaktor tan δ des Mehrstoffdielektrikums bei einer Folge von sinusförmigen Prüfspannungen mit Frequenzen kleiner als die Frequenzen der öffentlichen Versorgungsnetze und Effektivwerten U₁, ..., U_n, welche betragsmäßig ansteigend geordnet seien, gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Verfahrenschritt Parameter A und B in einer Gleichung f(U) = Ae^–U/τ + B so bestimmt werden , dass der als Funktion des Effektivwerts U der sinusförmigen Prüfspannung aufgetragene Kurvenzug f(U) mit den im ersten Verfahrensschritt ermittelten Messwerten für den Verlustfaktor tan δ, aufgetragen gegenüber dem Effektivwert U der sinusförmigen Prüfspannung, übereinstimmt, wobei τ definiert ist als Differenz U_n – U₁, in einem weiteren Verfahrensschritt aus der Gleichung f(U) = Ae^–U/τ + B ein eingeschwungener Verlustfaktor tan δ₀ = B abgelesen wird, welcher ein Maß für die Alterung des Öls darstellt, in einem weiteren Verfahrensschritt ein Verlustfaktorwert Δtan δ ermittelt wird, welcher sich als Differenz zwischen dem im ersten Verfahrensschritt bei der kleinsten angelegten Prüfspannung U₁ gemessenen Verlustfaktor tan δ und dem aus der Gleichung f(U) = Ae^–U/τ + B ermittelten eingeschwungenen Verlustfaktor tan δ₀ = B ergibt, wobei der Verlustfaktorwert Δtan δ ein Maß für den Wassergehalt im Papier und im Pressspan darstellt, in einem weiteren Verfahrensschritt ein Winkel α ermittelt wird, welcher sich als Steigungswinkel der Tangente an den Kurvenzug f(U) bei der kleinsten angelegten Prüfspannung U₁ ergibt, wobei der Winkel α ein Maß für die Alterung des Papiers und des Pressspans darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Mehrstoffdielektrikum um das isolierende Dielektrikum eines Transformators handelt und die Messung des Verlustfaktors an dem Transformator bei einer Frequenz von 0,1 Hz erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem bereits stark gealterten Transformator in einem zusätzlichen Verfahrensschritt zur Kontrolle des weiteren Fortgangs der dielektrischen Alterung nach ca. 1 Jahr eine Wiederholungsmessung des Verlustfaktors gemäß Anspruch 1 durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folge der Effektivwerte U₁, ..., U_n der sinusförmigen Prüfspannungen durch die Werte 6, 12, 18, 24, 30 und 36 kV gebildet wird.