Analyse von Isolationsfehlern an Stromtransformatoren und Gegenmaßnahmen

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Derzeit sind die am weitesten verbreiteten Stromtransformatoren Öl-Isolations-Transformatoren und trockene Harz-Isolations-Transformatoren. Die Isolierung eines Stromtransformators besteht aus einem Isolationssystem, das aus Isolationsmaterialien gebildet wird; sie ist eine grundlegende Voraussetzung für den ordnungsgemäßen Betrieb des Transformators. Die Lebensdauer eines Transformators wird durch die Lebensdauer der Isolationsmaterialien (also Ölpapier oder Harz usw.) bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass die meisten Beschädigungen und Störungen von Transformatoren auf Schäden am Isolationssystem zurückzuführen sind. Laut Statistik machen Unfälle, die durch verschiedene Arten von Isolationsfehlern verursacht werden, mehr als 85 % aller Transformatorenunfälle aus. Bei Transformatoren, die ordnungsgemäß betrieben und sorgfältig gewartet werden, hat das Isoliermaterial eine sehr lange Lebensdauer. Daher kann durch den Schutz des normalen Betriebs des Transformators sowie durch eine ordnungsgemäße Wartung des Isolierungssystems in hohem Maße gewährleistet werden, dass der Transformator eine relativ lange Lebensdauer hat. Präventive und proaktive Wartungsmaßnahmen sind dabei entscheidend, um die Lebensdauer des Transformators sowie die Zuverlässigkeit der Stromversorgung zu verbessern. In ölgefüllten Transformatoren sind die wichtigsten Isolationsmaterialien das Isolieröl sowie feste Isolationsmaterialien wie Isolierpapier, Pappe und Holz. Die sogenannte Alterung der Transformatorenisolierung bedeutet, dass diese Materialien unter dem Einfluss Umwelteinflüsse zerfallen, wodurch ihre Isolationsfestigkeit abnimmt oder ganz verloren geht. I. Fehler bei der festen Papierisolierung
Die feste Papierisolierung ist einer der Hauptbestandteile der Isolierung von ölgetränkten Transformatoren. Dazu gehören: Isolierpapier, Isolierplatten, Isolierunterlagen, Isolierrollen sowie Isolierbänder. Der Hauptbestandteil dieser Materialien ist Zellulose; die chemische Formel lautet (C6H10O6)n, wobei n den Polymerisationsgrad angibt. Die Polymerisationszahl neuer Papiere liegt in der Regel bei etwa 1300. Wenn sie auf etwa 250 fällt, ist ihre mechanische Festigkeit bereits um mehr als die Hälfte gesunken. Bei einer Polymerisationszahl von 150–200 kommt es durch extreme Alterung zum Ende der Lebensdauer des Papiers. Nach dem Altern des Isolierpapiers nehmen sein Polymerisationsgrad und seine Zugfestigkeit allmählich ab; es entstehen Wasser, CO und CO2 sowie Furfural (Furanformaldehyd). Diese Alterungsprodukte sind größtenteils schädlich für elektrische Geräte. Sie senken die Durchbruchsspannung sowie den Volumenwiderstand des Isolierpapiers, erhöhen den Dielektrizitätsverlust und verringern die Zugfestigkeit. Zudem können sie die Metallteile in den Geräten korrodieren lassen. Feste Isolierstoffe weisen irreversible Alterungseigenschaften auf; sowohl der Abbau ihrer mechanischen als auch elektrischen Festigkeit ist nicht rückgängig zu machen. Die Lebensdauer eines Transformators hängt hauptsächlich von der Lebensdauer des Isolationsmaterials ab. Daher sollten die festen Isolationsmaterialien von ölgefüllten Transformatoren sowohl gute elektrische Isoliereigenschaften als auch gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Zudem sollte sich ihre Leistungsfähigkeit nach langjährigem Betrieb nur langsam verschlechtern – also sollten sie gute Alterungseigenschaften besitzen. 1 Eigenschaften von Papierfasermaterialien
Isolierendes Papierfasermaterial ist das wichtigste Material für isolierende Komponenten in ölgetränkten Transformatoren. Papierfasern sind der grundlegende feste Gewebebestandteil von Pflanzen. In den Atomen der Bestandteile dieser Substanzen gibt es positiv geladene Atomkerne sowie negativ geladene Elektronen, die um die Atomkerne kreisen. Im Gegensatz zu metallischen Leitern enthält Isoliermaterial nahezu keine freien Elektronen. Der äußerst geringe elektrische Strom in Isolatoren entsteht hauptsächlich durch Ionenleitung. Zellulose besteht aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Da in der Molekülstruktur der Zellulose Hydroxylgruppen vorhanden sind, besteht die potenzielle Möglichkeit zur Bildung von Wasser – wodurch die Papierfasern wasserhaltige Eigenschaften aufweisen. Außerdem können diese Hydroxidionen als Zentren angesehen werden, die von verschiedenen polaren Molekülen wie Säuren und Wasser umgeben sind. Sie binden miteinander über Wasserstoffbrückenbindungen – wodurch die Fasern anfällig für Zerstörung werden. Gleichzeitig enthalten die Fasern in der Regel einen bestimmten Prozentsatz an Verunreinigungen – etwa 7 %. Zu diesen Verunreinigungen gehört auch eine gewisse Menge an Feuchtigkeit. Da die Fasern kolloidale Eigenschaften haben, kann diese Feuchtigkeit nicht vollständig entfernt werden. Dadurch wird auch die Leistung der Papierfasern beeinflusst. Polare Fasern nehmen nicht nur leicht Feuchtigkeit auf – die Feuchtigkeit macht das Medium stark polar –, sondern wenn die Papierfasern Wasser aufnehmen, wird die Wechselwirkung zwischen den Hydroxidionen geschwächt. Unter diesen Bedingungen nimmt die mechanische Festigkeit der Fasern drastisch ab. Deswegen müssen papierbasierte Isolierteile in der Regel einer Trocknungs- oder Vakuumtrocknungsbehandlung sowie einem Öl- oder Isolierlack-Beschichtungsverfahren unterzogen werden. Der Zweck dieser Beschichtung ist es, die Fasern feucht zu halten, um so eine hohe elektrische und chemische Stabilität sowie eine gute mechanische Festigkeit zu gewährleisten. Gleichzeitig verringert das Lackieren des Papiers dessen Wasseraufnahme, verhindert die Oxidation des Materials und füllt außerdem Lücken, um Blasen zu reduzieren, die die Isoliereigenschaften beeinträchtigen sowie zu lokalen Entladungen und Durchschlägen führen könnten. Andererseits glauben einige, dass das Eintauchen in Öl nach dem Eintauchen in Lack dazu führen kann, dass ein Teil des Lacks allmählich im Öl gelöst wird und dadurch die Eigenschaften des Öls beeinträchtigt werden. Bei der Verwendung solcher Lacke muss daher besonders vorsichtig vorgegangen werden. Natürlich unterscheiden sich die Eigenschaften von Fasermaterialien mit unterschiedlichen Bestandteilen sowie die Qualität derselben Fasermaterialien mit demselben Bestandteil – dadurch variieren auch deren Leistungsmerkmale. Beispielsweise weisen Baumwollfasern den höchsten Anteil an Fasern auf; **Mittelfaser ist am widerstandsfähigsten. Einige importierte Isolierkartons weisen aufgrund ihrer guten Verarbeitung deutlich bessere Eigenschaften auf als einige inländisch hergestellte Kartons. Bei Transformatoren wird als Isoliermaterial meist Papier in verschiedenen Formen verwendet – wie z. B. Papierbänder, Pappe oder gepresste Papierkomponenten. Daher ist es bei der Herstellung und Wartung von Transformatoren sehr wichtig, geeignete Isolierpapiermaterialien auszuwählen. Die besonderen Vorteile von Faserpapier sind seine hohe Praktikabilität, der niedrige Preis sowie die einfache Verarbeitung. Bei niedrigen Temperaturen lässt es sich leicht formen und bearbeiten. Zudem ist es leicht im Gewicht, hat eine angemessene Festigkeit und nimmt Imprägnierstoffe (wie Isolierlack oder Transformatoröl) gut auf. 2 Mechanische Festigkeit von papierbasierten Isolationsmaterialien
Bei der Auswahl von papierbasierten Isolationsmaterialien für ölgefüllte Transformatoren sind neben der Faserzusammensetzung, Dichte, Permeabilität und Homogenität des Papiers auch Anforderungen an die mechanische Festigkeit von Bedeutung – dazu gehören die Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, Reißfestigkeit sowie Zähigkeit:
① Zugfestigkeit: Es wird verlangt, dass das Papier unter Zugbelastung eine maximale Spannung aushalten kann, ohne zu reißen ； ② Stanzfestigkeit: Maß dafür, inwieweit die Papierfasern in der Lage sind, Druck auszuhalten, ohne zu brechen ； ③ Reißfestigkeit: Die Kraft, die erforderlich ist, um die Papierfasern zu reißen, muss den entsprechenden Standards entsprechen ； ④ Zähigkeit: Die Festigkeit des Papiers bzw. Kartons bei dem Falten bzw. Biegen muss den entsprechenden Anforderungen genügen. Um die Leistungsfähigkeit der festen Isolierung zu beurteilen, kann man versuchen, den Polymergrad von Papier oder Karton zu messen. Alternativ kann man auch die Furfuralkonzentration im Öl mithilfe der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie analysieren. Dadurch lässt sich feststellen, ob bei Störungen im Inneren des Transformators eine Problematik mit der festen Isolierung vorliegt – oder ob es zu einer lokalen Alterung der Isolierung der Spulen durch untere Temperaturen kommt. Zudem kann so das Alterungsgrad der festen Isolierung bestimmt werden. Bei der Nutzung und Wartung von isolierenden Materialien auf Papierbasis ist es wichtig, die Nennlast des Transformators unter Kontrolle zu halten. Zudem sollten gute Bedingungen für die Luftzirkulation sowie eine effektive Kühlung gewährleistet werden, um ein zu hohes Temperaturanstieg des Transformators sowie einen Ölmangel im Gehäuse zu vermeiden. Außerdem muss verhindert werden, dass eine Ölverunreinigung oder -verschlechterung zu einer beschleunigten Alterung der Fasern führt, wodurch die Isolationseigenschaften, die Lebensdauer und der sichere Betrieb des Transformators beeinträchtigt werden. 3 Die Degradation von Papierfasermaterialen umfasst hauptsächlich drei Aspekte: (1) Zerbrechlichkeit der Fasern. Wenn durch übermäßige Erwärmung Wasser aus dem Fasermaterial entweicht, wird die Brüchigkeit des Fasermaterials noch weiter beschleunigt. Aufgrund der Brüchigkeit und Abblätterung des Papiers können unter dem Einfluss von mechanischen Vibrationen, elektrischen Spannungen sowie anderen Belastungen Isolationsfehler entstehen, die zu elektrischen Unfällen führen können. (2) Die mechanische Festigkeit der Fasermaterialien nimmt ab. Die mechanische Festigkeit von Fasermaterialien nimmt mit zunehmender Erhitzungsdauer ab. Wenn die Erwärmung des Transformators dazu führt, dass Feuchtigkeit aus dem Isolationsmaterial entweicht, kann der Wert des Isolationswiderstands zwar ansteigen, doch seine mechanische Festigkeit **verringert sich. Das Isolationspapier wird dann nicht mehr in der Lage sein, mechanischen Kräften wie Kurzschlussströmen oder Stoßbelastungen standzuhalten. (3) Die Schrumpfung des Fasermaterials selbst. Fasermaterial schrumpft nach dem Verspröden, wodurch die Klebkraft abnimmt. Dies kann zu einem Schrumpfungsversatz führen, sodass sich die Transformatorklemmen unter Einwirkung elektromagnetischer Schwingungen oder Stoßspannungen verschieben und dabei die Isolierung durch Reibung beschädigen. Zweitens: Fehler im Bereich der flüssigen Isolierung. Transformatoren mit flüssiger Isolierung wurden 1887 vom amerikanischen Wissenschaftler Thomson erfunden. Im Jahr 1892 wurde diese Technologie von Unternehmen wie General Electric in der Elektroindustrie eingesetzt. Unter der flüssigen Isolierung ist hier die Isolierung mit Transformatorenöl zu verstehen. Eigenschaften von ölgefüllten Transformatorn: (1) **Es wird die elektrische Isolierstärke erhöht, die Isolationsentfernungen verringert und dadurch das Volumen des Geräts gesenkt.** (2) **Die effektive Wärmeübertragung sowie die Kühlleistung des Transformators werden verbessert. Zudem kann eine höhere Stromdichte in den Leitungen erreicht werden. Dadurch wird das Gewicht des Geräts verringert. Die Wärme des betriebenen Transformators wird durch den Wärmetransport im Transformatoröl an die Außenhülle sowie an die Kühleinrichtungen weitergeleitet, wodurch eine bessere Kühlung erreicht wird.** (3) Durch die ölbasierte Abdichtung wird das Oxidationsrisiko einiger Bauteile und Komponenten im Inneren des Transformators verringert, was die Lebensdauer des Geräts verlängert. 2 Eigenschaften von Transformatorenöl
Das im Betrieb befindliche Transformatorenöl muss neben stabilen und guten Isolations- sowie Wärmeleitungseigenschaften verfügen. Dabei sind die Isolationsfestigkeit tg8, Viskosität, Gefrierpunkt und Säurezahl die wichtigsten Eigenschaftsindikatoren für Isolieröle. Das aus Erdöl gewonnene Isolieröl ist eine Mischung verschiedener Kohlenwasserstoffe, Harze, Säuren und anderer Verunreinigungen. Seine Eigenschaften sind nicht alle stabil; unter Einfluss von Temperatur, elektrischem Feld und Photosynthese oxidiert es kontinuierlich. Unter normalen Bedingungen verläuft der Oxidationsprozess des Isolieröls sehr langsam. Bei richtiger Pflege kann das Öl sogar 20 Jahre lang seine Eigenschaften beibehalten, ohne zu altern. Doch Metalle, Verunreinigungen und Gase, die sich im Öl befinden, beschleunigen den Oxidationsprozess. Dadurch verschlechtern sich die Eigenschaften des Öls: Seine Farbe wird dunkler, seine Transparenz nimmt ab, und der Gehalt an Feuchtigkeit, Säuregehalt sowie Asche steigt an. All das führt dazu, dass die Eigenschaften des Öls nachlassen. 3 Ursachen für die Verschlechterung des Transformatoröls Die Verschlechterung der Qualität des Transformatoröls kann je nach Schweregrad in zwei Phasen unterteilt werden: Verschmutzung und Verschlechterung. Verschmutzung bedeutet, dass sich Wasser und Verunreinigungen im Öl befinden – Stoffe, die nicht aus der Oxidation des Öls entstehen. Dadurch verschlechtert sich die Isolierfähigkeit des Öls, die Durchbruchsspannung nimmt ab und der Dämpfungswinkel steigt an. Verschlechterung ist das Ergebnis der Oxidation des Öls. Dabei bezieht sich diese Oxidation natürlich nicht nur auf die Oxidation der Kohlenwasserstoffe im reinen Öl, sondern auch auf die Verunreinigungen im Öl, die den Oxidationsprozess beschleunigen – insbesondere Metallpartikel wie Kupfer, Eisen und Aluminium. Sauerstoff stammt aus der Luft im Transformator. Selbst in einem vollständig abgeschlossenen Transformator ist immer noch ein Anteil von etwa 0,25 % Sauerstoff vorhanden. Die Löslichkeit des Sauerstoffs ist hoch, weshalb er einen großen Anteil an den im Öl gelösten Gasen ausmacht. Bei der Oxidation von Transformatoröl wirken das als Katalysator wirkende Wasser sowie die Wärme als Beschleuniger. Dadurch entsteht Schlamm im Transformatoröl. Die Auswirkungen zeigen sich vor allem darin, dass unter dem Einfluss des elektrischen Feldes die Partikel des Ablagersungsmaterials größer werden. Die Verunreinigungen sammeln sich in den Bereichen mit dem stärksten elektrischen Feld – dadurch entstehen leitfähige „Brücken“, die die Isolierung des Transformators beeinträchtigen. Die Ablagerungen sind nicht gleichmäßig verteilt, sondern bilden eher längliche Streifen, die möglicherweise entlang der elektrischen Feldlinien angeordnet sind. Dies erschwert zweifellos die Wärmeabfuhr, beschleunigt das Altern der Isolationsmaterialien und führt zu einer Verringerung des Isolationswiderstands sowie zum Absinken des Isolationsniveaus. 4 Der Prozess der Alterung von Transformatoröl: Zu den Hauptprodukten im Verlauf der Alterung des Öls gehören Peroxide, Säuren, Alkohole sowie Schlamm. Frühe Degradationsphase. Die im Öl entstehenden Peroxide reagieren mit den Isolierfasermaterialien und bilden Zelluloseoxide. Dadurch nimmt die mechanische Festigkeit der Isolierfasern ab, was zu Brüchigkeit und Schrumpfung des Isoliers führt. Die entstehenden Säuren sind schleimige Fettssäuren. Obwohl ihre Korrosivität nicht so stark ist wie die von Mineralien, ist ihr Wachstumsrhythmus sowie ihr Einfluss auf organische Isoliermaterialien dennoch erheblich. Späte Verschlechterungsphase. Es entsteht ein Schlamm, wenn Säuren Materialien wie Kupfer, Eisen und Isolierlack angreifen. Dabei entsteht eine zähflüssige, asphaltähnliche, polymerisierte leitfähige Substanz. Diese löst sich in Öl nur begrenzt auf. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bildet sie sich sehr schnell; sie haftet an isolierenden Materialien oder an den Rändern des Transformatorgehäuses sowie an Ölleitungen und Kühlrippen. Dadurch steigt die Betriebstemperatur des Transformators und seine Durchschlagsfestigkeit nimmt ab. Der Oxidationsprozess des Öls setzt sich aus zwei Hauptreaktionsbedingungen zusammen; die eine davon ist ein zu hoher Säurewert im Transformator, wodurch das Öl sauer wird. Zweitens verwandeln sich die in Öl löslichen Oxide in in Öl unlösliche Verbindungen, wodurch die Qualität des Transformatoröls allmählich nachlässt. 5 Analyse der Qualität von Transformatorenöl, Beurteilung und Wartungsmaßnahmen (1) Verschlechterung des Isolieröls. Sowohl seine physikalischen als auch seine chemischen Eigenschaften ändern sich, wodurch seine elektrischen Eigenschaften schlechter werden. Durch die Prüfung von Parametern wie dem Säurezahlwert des Isolieröls, der Oberflächenspannung, der Ausscheidung von Schlamm sowie dem wasserlöslichen Säuregehalt kann festgestellt werden, ob es sich um solche Defekte handelt. Eine Regenerierung des Isolieröls kann dazu führen, dass die Produkte der Ölverunreinigung entfernt werden; dabei können jedoch auch natürliche Antioxidationsmittel verloren gehen. (2) Das Isolieröl nimmt Wasser auf und wird feucht, da Wasser eine stark polare Substanz ist. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes lässt es sich leicht ionisieren und zerlegen, wodurch die Leitfähigkeit des Isolieröls zunimmt. Daher kann bereits eine geringe Menge an Feuchtigkeit zu einer erheblichen Zunahme des Verlusts im Isolierölmedium führen. Durch den Test auf Mikrowasser im Isolieröl kann festgestellt werden, ob es sich um einen solchen Defekt handelt. Durch das Druck-Vakuum-Filtern von Isoliertreibstoffen kann in der Regel das Wasser entfernt werden. (3) Isoliertes Öl wird von Mikroben und Bakterien befallen. Beispielsweise können Insekten, die an der Oberfläche der Isoliermaterialien haften, sowie Rückstände von Montagepersonal wie Schmutz beim Einbau des Haupttransformators dazu führen, dass Bakterien in das Isoliertreibstoff gelangen und dieses infizieren – oder der Isoliertreibstoff selbst ist bereits mit Mikroorganismen befallen. Der Haupttransformator arbeitet in der Regel bei Umgebungstemperaturen von 40–80 °C – was sehr förderlich für das Wachstum und die Vermehrung dieser Mikroorganismen ist. Da die Isoliereigenschaften der in Mikroorganismen und deren Ausscheidungen enthaltenen Mineralstoffe und Proteine erheblich schlechter sind als die von Isolieröl, erhöht sich die Dielektrizitätsverlustzahl des Isolieröls. Diese Defekte sind mit Methoden der vor Ort durchgeführten Behandlung nur schwer zu beseitigen, denn unabhängig von der Behandlungsmethode bleibt immer ein Teil der Mikroorganismen auf dem isolierenden Feststoff zurück. Nach der Behandlung verbessert sich die Isolierung des Haupttransformators in kurzer Zeit wieder. Da jedoch die Betriebsbedingungen des Haupttransformators sehr günstig für das Wachstum und die Vermehrung von Mikroorganismen sind, werden diese verbleibenden Mikroorganismen im Laufe der Jahre weiter wachsen und sich vermehren. Dadurch nimmt die Isolierung des Haupttransformators im Laufe der Zeit ab. (4) Die mit polaren Stoffen angereicherten Alkyddharz-Isolierfarben lösen sich in Öl. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes kommt es bei polarisierten Stoffen zu einer Dipolrelaxationspolarisation. Im Prozess der Wechselstrompolarisation wird Energie verbraucht, wodurch der Dämpfungsfaktor des Öls ansteigt. Obwohl die Isolierfarbe vor der Auslieferung gehärtet wird, kann es dennoch zu unvollständiger Behandlung kommen. Nach einer gewissen Betriebsdauer des Haupttransformators löst sich die unvollständig entfernte Isolierschicht allmählich im Öl auf, wodurch die Isoliereigenschaften des Transformators allmählich nachlassen. Die Zeit, zu der solche Defekte auftreten, hängt von der Gründlichkeit der Behandlung mit Isolierfarbe ab. Durch eine oder zwei Adsorptionsbehandlungen kann man bereits eine gewisse Wirkung erzielen. (5) Im Öl sind nur Wasser und Verunreinigungen enthalten. Diese Art der Verschmutzung ändert die grundlegenden Eigenschaften des Öls nicht. Feuchtigkeit kann durch Trocknung beseitigt werden; Verunreinigungen können durch Filtern entfernt werden; die Luft im Öl kann durch Entvakuumisieren entfernt werden. (6) Gemischte Verwendung von Isolierölen aus zwei oder mehr verschiedenen Quellen. Die Eigenschaften des Öls müssen den geltenden Vorschriften entsprechen; das Öl sollte denselben Gewichtsverhältnissen, derselben Erstarrungstemperatur, derselben Viskosität sowie einem ähnlichen Flammpunkt haben. Zudem muss auch die Stabilität des Öls nach der Mischung den Anforderungen entsprechen. Bei Ölen, deren Qualität nach dem Mischen nachgelassen hat, entstehen aufgrund der Veränderung der Öleigenschaften saure Stoffe und Ölschlamm. Daher müssen die minderwertigen Bestandteile mittels chemischer Verfahren zur Ölregeneration abgetrennt werden, damit die ursprünglichen Eigenschaften des Öls wiederhergestellt werden können. III. Isolierung und Eigenschaften von trockenen Harztransformatoren Trockentransformatoren (hier gemeint sind Transformatoren mit Epoxidharz-Isolierung) werden hauptsächlich an Orten eingesetzt, an denen hohe Brandschutzanforderungen gelten. Wie Hochhäuser, Flughäfen, Öllagerräume usw. 1 Arten der mit Harz isolierten Transformatoren: Transformatoren mit Epoxidharzisolation lassen sich anhand der Herstellungsverfahren in drei Arten einteilen: Transformatoren, bei denen eine Mischung aus Epoxidharz und Quarzsand unter Vakuum eingegossen wird; Transformatoren, bei denen epoxidbasiertes Harz mit alkalifreien Glasfasern zur Stärkung verwendet wird und das Material unter Vakuum eingegossen wird; sowie Transformatoren, bei denen alkalifreie Glasfasern zum Umwickeln des Transformators verwendet werden. (1) Vakuumguss zur Isolierung von Epoxidquarzsandmischungen. Diese Transformatoren verwenden Quarzsand als Füllstoff für das Epoxidharz. Die mit Isolierfarbe behandelten Spulen werden in Formen gelegt, und unter Vakuumbedingungen wird anschließend eine Mischung aus Epoxidharz und Quarzsand darauf gegossen. Da das Gießverfahren die Anforderungen an die Qualität nicht erfüllen kann – beispielsweise durch verbleibende Blasen, lokale Unregelmäßigkeiten in der Mischung sowie mögliche lokale thermische Spannungsrisse – eignen sich solche isolierten Transformatoren nicht für feuchtwarme Umgebungen oder Gebiete mit stark schwankenden Belastungen. (2) Epoxid-Alkalifreie Glasfaser-verstärkte Vakuum-Druckunterschieds-Gussisolierung. Die Verstärkung mit epoxidbasierten, säurefreien Glasfasern erfolgt durch das Einwickeln von säurefreiem Glasfasergewebe als Isolierschicht zwischen den Windungsschichten. Die Dicke der äußersten Isolierschicht beträgt in der Regel 1–3 mm. Es handelt sich dabei um eine dünne Isolierschicht, die aus Epoxidharz hergestellt wird. Das Harz wird dabei mit anderen Materialien vermischt und anschließend unter hohem Vakuum von Luftblasen befreit. Da die Isolierschicht recht dünn ist, können bei einer unzureichenden Impregnierung lokale Entladungspunkte entstehen. Deshalb muss die Mischung des Harzes perfekt sein, die Entfernung der Luftblasen unter Vakuum muss gründlich erfolgen. Zudem muss die niedrige Viskosität des Harzes sowie die Giegeschwindigkeit genau kontrolliert werden, damit während des Gießvorgangs eine hochwertige Impregnation der Drähte gewährleistet werden kann. (3) Isolierung durch Umwickeln und Imprägnieren mit alkalifreiem Glasfasermaterial. Transformatoren mit basisfreien Glasfaserumhüllungen werden so hergestellt, dass während des Wickelns der Transformatorkoils gleichzeitig die Isolierung zwischen den Koilenschichten sowie das Eintauchen der Koils in das Resin erfolgt. Dabei sind keine Formen zum Formen der Koile während des Eintauchvorgangs notwendig. Es wird jedoch verlangt, dass die Viskosität des Resins gering ist – außerdem dürfen während des Wickelns und Eintauchens keine kleinen Luftblasen im Resin zurückbleiben. Isolationsmerkmale und Wartung von Kunststofftransformatoren: Das Isolationsniveau von Kunststofftransformatoren unterscheidet sich nicht wesentlich von dem von Öltransformatoren. Entscheidend sind dabei die Parameter Temperaturerhöhung sowie lokale Entladungen bei Kunststofftransformatoren. (1) Das durchschnittliche Temperaturanstiegsniveau von Harztransformatoren ist höher als das von ölgefüllten Transformatorn. Daher sind höhere Hitzebeständigkeitsanforderungen an die Isoliermaterialien notwendig. Da der durchschnittliche Temperaturanstieg jedoch nicht die Temperatur an den heißesten Stellen der Spulen widerspiegelt, kann eine Auswahl der Isoliermaterialien allein aufgrund des durchschnittlichen Temperaturanstiegs zu Problemen führen. Zudem kann ein übermäßiger Dauerbetrieb des Harztransformators seine Lebensdauer beeinträchtigen. Da die durch den Transformator gemessene Temperaturerhöhung in der Regel nicht die Temperatur an den heißesten Stellen des Transformators widerspiegelt, ist es sinnvoll, bei Gelegenheit – während des Betriebs unter maximaler Last – mit einem Infrarot-Thermometer die heißesten Stellen des Kunststofftransformators zu überprüfen. Dadurch kann die Richtung und der Winkel der Lüftungsanlage gezielt angepasst werden, um eine lokale Temperaturerhöhung im Transformator zu vermeiden und so dessen sicheren Betrieb zu gewährleisten. (2) Die Größe der lokalen Entladungen in einem Harztransformator hängt von Faktoren wie der elektrischen Feldverteilung im Transformator, der Gleichmäßigkeit der Mischung des Harzes sowie vom Vorhandensein von Blasen oder Rissen im Harz ab. Die Stärke der lokalen Entladungen beeinflusst die Leistung, Qualität und Lebensdauer des Harztransformators. Daher stellt die Messung und Überprüfung der lokalen Entladungen bei Kunststofftransformatoren eine umfassende Bewertung ihrer Herstellungsprozesse und Qualität dar. Bei der Übergabekontrolle sowie nach größeren Reparaturen sollten Messungen der lokalen Entladungen durchgeführt werden. Anhand der Veränderungen der lokalen Entladungen kann dann die Stabilität der Qualität und Leistungsfähigkeit der Transformatoren beurteilt werden. Da Trockentransformatoren immer häufiger eingesetzt werden, sollte bei der Auswahl eines Transformators dessen Herstellungsprozess, die Isolationskonstruktion sowie die Isolierungseigenschaften genau bekannt sein. Es sollten Produkte ausgewählt werden, bei denen die Herstellungsprozesse und das Qualitätsmanagement gut organisiert sind sowie bei denen eine zuverlässige technische Leistung gewährleistet ist. Nur so kann die Produktqualität sowie die Wärmebeständigkeit des Transformators sichergestellt werden – und damit auch seine sichere Funktionsfähigkeit sowie Zuverlässigkeit bei der Stromversorgung. IV. Hauptfaktoren, die Störungen im Isolationsmaterial von Transformatoren beeinflussen Die wichtigsten Faktoren, die die Isolierleistung von Transformatoren beeinflussen, sind: Temperatur, Feuchtigkeit, Art der Ölschutzmaßnahmen sowie Überspannungen. 1 Einfluss der Temperatur: Elektrische Transformatoren sind mit Öl und Papier isoliert. Bei unterschiedlichen Temperaturen gibt es unterschiedliche Gleichgewichtskurven für den Wassergehalt im Öl und im Papier. Im Allgemeinen führt ein Anstieg der Temperatur dazu, dass das Wasser im Papier in den Ölanteil übergeht; umgekehrt nimmt das Papier das Wasser aus dem Öl auf. Daher ist der Gehalt an Feuchtigkeit im Isolieröl des Transformators bei höheren Temperaturen höher; umgekehrt ist der Feuchtigkeitsgehalt geringer. Abhängig von der Temperatur unterscheidet sich das Ausmaß, in dem die Zellulose entknotet und ihre Ketten unter Bildung von Gasen abgeschnitten werden. Bei einer bestimmten Temperatur bleibt die Geschwindigkeit der Entstehung von CO und CO₂ konstant, d.h. der Gehalt an CO- und CO₂-Gasen im Öl verhält sich zeitlich linear. Bei steigender Temperatur nimmt die Bildungsgeschwindigkeit von CO und CO₂ in der Regel exponentiell zu. Daher besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Gehalt an CO und CO₂ im Öl und der thermischen Alterung des Isolierpapiers. Veränderungen dieses Gehalts können als eines der Kriterien dafür dienen, ob es in den Paperschichten von geschlossenen Transformatoren zu Unregelmäßigkeiten kommt. Die Lebensdauer eines Transformators hängt vom Grad der Alterung der Isolierung ab – und die Alterung der Isolierung wiederum hängt von der Betriebstemperatur ab. Bei einem ölgekühlten Transformator beträgt die durchschnittliche Temperatursteigerung der Wicklungen unter Nennlast 65 °C, während die Temperatur am heißesten Punkt 78 °C beträgt. Bei einer durchschnittlichen Umgebungstemperatur von 20 °C liegt die Temperatur am heißesten Punkt somit bei 98 °C. Unter dieser Temperatur kann der Transformator 20 bis 30 Jahre lang betrieben werden. Wird der Transformator jedoch überlastet, steigt die Temperatur an, wodurch seine Lebensdauer verkürzt wird. Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) geht davon aus, dass bei Transformatoren mit Klasse-A-Isolierung im Temperaturbereich von 80 bis 140 °C die effektive Lebensdauer der Isolierung sich verdoppelt, wenn die Temperatur um 6 °C ansteigt. Dies ist das sogenannte „6-°C-Gesetz“. Es zeigt, dass die Begrenzung der Temperatur nun strenger ist als das bisher geltende „8-°C-Gesetz“. 2 Einfluss der Feuchtigkeit: Die Anwesenheit von Feuchtigkeit beschleunigt die Zersetzung des Papiercellulose. Daher hängt die Entstehung von CO und CO₂ auch vom Wassergehalt der Zellulosematerialien ab. Bei konstanter Luftfeuchtigkeit gilt: Je höher der Wassergehalt, desto mehr CO₂ wird freigesetzt. Umgekehrt: Je niedriger der Wassergehalt ist, desto mehr CO entsteht bei der Zersetzung. Kleine Mengen an Feuchtigkeit im Isolieröl sind einer der wichtigsten Faktoren, die die Isoliereigenschaften beeinflussen. Die Anwesenheit geringer Mengen an Feuchtigkeit im Isolieröl hat erhebliche Auswirkungen auf die elektrischen sowie physikalisch-chemischen Eigenschaften des Isolationsmediums. Die Feuchtigkeit kann dazu führen, dass die Funkenentladungsspannung des Isolieröls sinkt, der Dielektrizitätsverlustfaktor tgδ zunimmt, die Alterung des Isolieröls beschleunigt wird und seine Isoliereigenschaften nachlassen. Wenn die Geräte feucht werden, führt dies nicht nur zu einer verringerten Zuverlässigkeit und Lebensdauer der elektrischen Geräte, sondern kann auch zu deren Beschädigung sowie sogar zu Gefahren für die menschliche Sicherheit führen. Einfluss der Ölschutzmethoden: Die Wirkung von Sauerstoff im Transformatoröl beschleunigt die Zersetzungsreaktionen des Isoliers. Der Sauerstoffgehalt hängt wiederum von den Ölschutzmethoden ab. Außerdem führen unterschiedliche Beckenschutzmethoden dazu, dass sich CO und CO₂ im Öl unterschiedlich lösen und ausbreiten. Da die Löslichkeit von CO gering ist, kann CO in Transformatoren mit offener Bauweise leicht in den Raum über der Ölfläche diffundieren. Deshalb beträgt der Volumenanteil von CO in solchen Transformatoren in der Regel nicht mehr als 300x10-6. Bei geschlossenen Transformatoren ist aufgrund der Isolierung der Öloberfläche von der Luft das CO und CO₂ weniger leicht flüchtig – daher ist ihr Gehalt höher. 4 Auswirkungen von Überspannungen ① Auswirkungen von transienten Überspannungen. Bei normaler Betriebsweise eines Dreiphasentransformators beträgt die Spannung zwischen den Phasen und dem Erdboden 58 % der Phasenspannung. Im Falle eines Einphasenfehlers steigt jedoch die Spannung am Hauptisolator in Systemen mit Neutralpunktabgrenzung um 30 %, und in Systemen ohne Neutralpunktabgrenzung um 73 %. Dadurch kann die Isolierung beschädigt werden. ② Auswirkungen von Blitzeinschlagsspannungen. Durch die steile Amplitudenkurve der Blitze entsteht eine sehr ungleichmäßige Spannungsverteilung auf den Längsisolierungen (zwischen den Windungen, zwischen parallelen Leitungen sowie in der Isolierung selbst). Dadurch können Entlade Spuren in der Isolierung zurückbleiben, was wiederum zu einer Beschädigung der festen Isolierung führen kann. ③ Auswirkungen von Betriebsüberspannungen. Da die Spitze der Betriebsüberspannung recht flach ist, ist die Spannungsverteilung annähernd linear. Wenn die Betriebsüberspannungswelle von einer Spule auf eine andere übertragen wird, erfolgt dies in etwa proportional zur Anzahl der Windungen zwischen diesen beiden Spulen. Dadurch kann es leicht zu einer Verschlechterung oder zum Schaden der Hauptisolation sowie der Isolation zwischen den Phasen kommen. 5 Einfluss der Kurzschlusskraft: Bei einem Kurzschluss an der Ausgangsseite kann die entstehende Kraft dazu führen, dass sich die Spulen des Transformators verformen und die Leitungen verschieben. Dadurch ändert sich die ursprüngliche Isolationsentfernung. Dies wiederum führt zu Überhitzung der Isolation, beschleunigtem Alterungsprozess oder zu Schäden, die zu Entladungen, Funkenbildung sowie Kurzschlüssen führen können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Verständnis der Isolationseigenschaften von Stromtransformatoren sowie eine ordnungsgemäße Wartung direkten Einfluss auf den sicheren Betrieb der Transformatoren, ihre Lebensdauer sowie die Zuverlässigkeit der Stromversorgung haben. Stromtransformatoren sind wichtige und entscheidende Komponenten im Stromnetz. Die Personen, die für den Betrieb und die Wartung dieser Transformatoren verantwortlich sind, müssen daher die Isolierstruktur, die Materialeigenschaften, die Herstellungsqualität, die Wartungsmethoden sowie wissenschaftliche Diagnosetechniken kennen und beherrschen. Nur so kann eine optimale Betriebsführung gewährleistet werden, was wiederum die Effizienz, die Lebensdauer sowie die Zuverlässigkeit der Stromversorgung verbessert. http://bbs.bjx.com.cn/data/attachment/forum/201611/03/13240151ecchb158w2ehe1.jpg