Prüflabor für Transformatoren Materialien

Labor-Diagnostik der Spitzenklasse

Kennen Sie das chemische Alter Ihres Transformators? Wir schon! Alterungsprozesse in Transformatoren können mit zahlreichen Verfahren und Kenngrößen zuverlässig und frühzeitig diagnostiziert werden. Das Siemens Prüflabor für Transformatoren Materialien ist ganz auf die Labor-Diagnostik von ölgefüllten elektrischen Betriebsmitteln ausgerichtet. Das hochqualifizierte Personal entwickelt ständig neue Verfahren der Alterungsdiagnostik und wendet dieses Wissen zum Nutzen unserer Kunden an.

Kompetenzen

Akkreditierung als unabhängiges Prüflabor nach ISO 17025 (Urkunde)

  • DKE 182 – Flüssigkeiten und Gase für elektrotechnische Anwendung
  • DKE 181 – feste elektrische Isolierstoffe
  • DKE 171 – Magnetische Legierungen und Stahl
  • Cigre D1 – Materials and Emerging Test Techniques
  • diverse Cigre Arbeitsgruppen zur Gas-in-Öl-Analyse (DGA), des korrosiven Schwefels, Isolierflüssigkeiten und neuer Alterungsmarker
  • Arbeitsgruppen der IEC TC 10 – Fluids for electrotechnical applications

Unsere Serviceleistungen umfassen Isolieröl- und Materialuntersuchungen. Die Diagnose-Prüfverfahren unterscheiden zwischen der Alterungsanalytik oder Zustandserfassung von Ölen bzw. Isolierstoffen und der Neuzustandsbewertung von Ölen bzw. Isolierstoffen.

 

 

Die Lebensdauer eines Transformators hängt in erster Linie von der Alterung der festen und flüssigen organischen Isolierstoffe ab. Bei Normalbetrieb und regelmäßiger fachmännischen Wartung und Pflege lässt sich die Lebensdauer eines Transformators weit über 30 Jahre hinaus verlängern.

 

Im Betriebsleben eines Transformators können jedoch abnormale Ereignisse auftreten, wie z.B. transiente Überspannungen, Überhitzung im Notfallbetrieb, dynamische Beanspruchungen und Störung in der Kühlung. Diese Vorgänge führen zu einer beschleunigten Alterung der Werkstoffe.

 

Ob Neubau, Betrieb, Nachrüstung oder Reparatur: Es kommt immer darauf an, Materialschwächen zuverlässig zu erkennen und effizient zu beheben. Dazu ist ein umfassendes werkstoffkundliches Wissen zusammen mit einer spezifischen, präzisen Analytik erforderlich. Um kostspielige Ausfälle zu verhindern, Stillstandzeiten zu minimieren und die Lebensdauer eines Transformators zu verlängern, sind eine regelmäßige Trendanalyse und eine gezielte Wartung unabdingbar.

 

 

Die Zusammenhänge von Feuchtigkeit in Öl und in der Zellulose sind ein Alterungsindikator. Das wichtigste Verfahren zur Diagnostik von Alterungsvorgängen in Öl und Öl-Papier-Isolierungen durch elektrische, thermische, dynamische und chemische Alterung ist die Gas-in-Öl-Analyse (DGA = Dissolved Gas Analysis). Das Siemens Materialprüflabor für Transformatoren bietet ein ganzheitliches Konzept von der Probenahme zur Analyse und Bewertung.

Probenahme

Der zusammen mit Kunden entwickelte Probenahme-Koffer bietet folgende Vorteile:

  • immer einsatzbereit zusammen mit dem notwendigen Werkzeug – von Gewindeadaptern bis zur Multizweckzange
  • kompakt und stapelbar, alle Verbindungen sind mit selbstverschließenden Kopplungen
  • gewährleistet eine einfache, sichere und reproduzierbare Probeentnahme

Während der jahrzehntelangen Betriebsdauer unterliegen auch Materialien deutlichen Alterungsprozessen. Mit unseren Untersuchungen begutachten wir den Zustand der Materialien und bieten unseren Kunden so die Möglichkeit, notwendige Wartungsmaßnahmen frühzeitig planen zu können.

 

Zu den Materialuntersuchungen gehören die Untersuchungen von festen Isolierstoffen, leitenden metallischen Werkstoffen (kornorientiertes Elektroblech und Kupferwerkstoffe), sowie Anstrichstoffen und Dichtungsmaterialien.

Durch die natürliche Alterung des Öls und der Isolierteile, besonders aber unter dem Einfluss von thermischen oder elektrischen Fehlern, werden aus dem Isolieröl Spaltgase gebildet, die im Öl gelöst werden. Die Geschwindigkeit der Zersetzung und die Art der Gase ändert sich bei fehlerhaftem Betrieb, sei es durch thermische Überlastung und/oder elektrische Fehler. Aus der Menge und Art der Fehlergase, den Gasanstiegsraten und den Verhältnissen der Gasarten zueinander kann auf die Art des Fehlers geschlossen werden.

 

Teilentladungen mit niedriger Energie führen überwiegend zur Bildung von Wasserstoff und Methan, sowie geringen Anteilen an Ethan. Thermische Überhitzung führt zur Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen. Im Temperaturbereich 300-700°C überwiegt Ethylen, Propylen, begleitet von Wasserstoff und Methan. Oberhalb 700°C wird hauptsächlich Ethylen und Propylen mit Wasserstoff gebildet, ab 1000°C auch Acetylen. Elektrische Entladungen (Lichtbögen und Funkenentladungen) bewirken die Abspaltung von Wasserstoff und Acetylen, begleitet von Methan und Ethylen. Bei thermisch-oxidativem Zelluloseabbau werden in größeren Anteilen CO und CO2 gebildet.

 

Mittels Gas-in-Öl-Analyse können hauptsächlich sich langsam entwickelnde Fehler detektiert werden. Die zeitliche Entwicklung der Gaskonzentrationen ermöglicht eine Trendanalyse, die auch eine Prognose über die Lebensdauer des Transformators ermöglicht. Mittels DGA kann auf die folgenden Fehlerquellen geschlossen werden:

  • Identifizierung von Hot Spots
  • Teilentladungen und Entladungen
  • Bildung von Fremdschichten an Kontakten
  • Anormaler Zelluloseabbau
  • Örtliche Überhitzung von Metallteilen
  • Sättigung des Transformatorenöls mit Luft, was zu einer möglichen BHR-Auslösung ohne Transformatorenfehler führen kann
  • Katalytische Wirkung von Lacken und anderen Transformatorenmaterialien
  • Die Analyse der Buchholzgase gibt zusätzliche Informationen über das Schadensereignis - akut oder schleichend
  • Undichter Lastumschalter

 

Mittels DGA kann nicht detektiert werden:

  • der Fehlerort
  • akute Fehler, die sich innerhalb von Sekunden oder Minuten entwickeln
  • Temperaturen, die lange Zeit unter 150°C liegen, was z.B. durch fehlerhaften Kühlerbetrieb verursacht wurde und zu einer Zersetzung des Papiers und Öls führt

Grundlage für die Überwachung und Wartung von Isolierflüssigkeiten ist die VDE 0370 Teil 2 (= IEC 60422). Diese Norm gilt für Öle, die in Transformatoren bereits eingefüllt sind. Für Neuöl vor Einfüllung gilt die VDE 0370 Teil 1 (= IEC 60296).

 

Maßgeblich zur Festlegung von Maßnahmen sind folgende Ölkennzahlen:

  • Farbe und Aussehen
  • Durchschlagspannung
  • Wassergehalt
  • Neutralisationszahl (Säuregehalt)
  • Verlustfaktor
  • Grenzflächenspannung
  • Inhibitorgehalt

Farbe und Aussehen eines Transformatorenöls sind für eine vergleichende Bewertung nützlich: Eine schnelle Dunkelfärbung oder dunkles Öl sind Hinweise für Ölalterung. Die Ölfarbe wird mittels Ziffern von 1 bis 8 angegeben, wobei die Höhe der Verfärbung durch die steigende Farbzahl indiziert ist.

 

Aus dem Aussehen kann auf unerwünschte Beiprodukte geschlossen werden: Trübung oder Sediment weisen auf freies Wasser, unlöslichen Schlamm oder Schmutzpartikel hin. Wenn diese vorhanden sind, ist auch gleichzeitig die Durchschlagsspannung und/oder Verlustfaktor evtl. weitere Ölkennzahlen außerhalb der Norm und es müssen Maßnahmen eingeleitet werden.

Die Durchschlagsspannung (Ud) gibt an, wie gut ein Isolieröl der elektrischen Belastung widerstehen kann und ist somit maßgeblich für die Betriebstüchtigkeit des Transformators. Die Durchschlagsspannung wird nach VDE 0370 Teil 5 (=IEC 60156) gemessen. Die einzuleitenden Maßnahmen bei Unterschreiten der Grenzwerte hängen von den Werten der anderen Ölkennzahlen ab.

Wasser entsteht durch Alterung der Zellulose-Isolierstoffe (Papier, Preßspan, KP-Holz), aus der Ölalterung und durch Eindiffusion von Umgebungsfeuchtigkeit durch schlecht gewartete Luftentfeuchter und/oder mangelhaftes Dichtungssystem.

 

Wasser im Öl steht im Gleichgewicht mit Feuchtigkeit in der festen Isolation, senkt die Durchschlagsspannung und beschleunigt den Alterungsprozess. Dieses Gleichgewicht ist jedoch temperatur- und zeitabhängig.

 

Da in einem Transformator im Betrieb nie eine gleichmäßige Temperaturverteilung vorliegt – Öltemperatur ist im Kessel oben deutlich höher als unten, gleiches gilt für die Temperaturverteilung in der Wicklung – können die Feuchteverteilungskurven, nur als grobe Abschätzung angewandt werden. Aus den Feuchteverteilungskurven kann theoretisch aus dem Feuchtegehalt im Öl auf den Feuchtegehalt in der Zellulose in Abhängigkeit der Temperatur geschlossen werden. Dies gilt allerdings nur für Isolierpapier und nicht für Preßspan und KP-Holz. Voraussetzung ist jedoch Temperaturkonstanz und Einstellung eines Gleichgewichtes.

Durch fortschreitende Alterung (Oxidation) des Öls entstehen polare Abbauprodukte. Diese verschlechtern die dielektrischen Eigenschaften des Öls. Das Ergebnis weit fortgeschrittener Ölalterung ist Schlammbildung. Schlamm beeinträchtigt massiv die Wicklung in Form von Ablagerungen und verhindert so die Wärmeabfuhr. Dieser Wärmestau lässt das Wicklungspapier sehr stark altern. Deshalb ist ein rechtzeitiges Erkennen von beginnender Säurebildung wichtig, um frühzeitig Maßnahmen einleiten zu können.

 

Literatur: Cigre Brochure D1.30 – „Oxidation Stability of Insulating Fluids“

Der dielektrische Verlustfaktor eines lsolierstoffes ist der Tangens des Verlustwinkels.

 

Der Verlustwinkel ist der Winkel, um den der Phasenunterschied zwischen der angelegten Spannung und dem sich daraus ergebenden Strom von π/2 rad abweicht, wenn das Dielektrikum des Kondensators allein aus dem lsolierstoff besteht.

 

Ein steigender Verlustfaktor ist ein Hinweis auf Ölalterung oder Ölkontamination. Der Verlustfaktor wird sehr stark von polaren Komponenten beeinflusst und ist daher ein sehr sensibler Parameter.

Die Grenzflächenspannung ist neben der Neutralisationszahl und dem Verlustfaktor ein Indikator für die Schlammbildung im Transformator. Dieser Test ist ein Maß für die Konzentration der polaren Moleküle im Öl, die während des Alterungsprozesses entstehen. Je höher diese Konzentration ist, desto niedriger ist die Grenzflächenspannung und desto größer ist die Neigung des Isolieröls zur Schlammbildung.

Inhibitoren als Alterungsschutzmittel verzögern die Zersetzung des Isolieröls. Der nach IEC 60296 zugelassene Inhibitor DBPC (Di-tertiär-butyl-para-kresol, Handelsname z.B. Jonol), wird mit einer Menge von 0,25 – 0,40 Gew.% eingesetzt. Inhibierte Öle werden bevorzugt für Transformatoren > 200 MVA, stark beanspruchte Transformatoren wie FahrzeugtransformatorenOfentransformatoren oder auf speziellen Kundenwunsch verwendet. Wenn der beschleunigte Ölalterungsprozess auf Fehlbetrieb des Transformators zurückzuführen ist, dann kann nach Beseitigung des Fehlers der ursprüngliche Inhibitorgehalt (0,3%) durch Zugabe von DBPC, wieder hergestellt werden. Aber auch bei normalem DBPC-Abbau kann „nachinhibiert“ werden. Entscheidung hierüber kann nur durch die anderen Ölkennzahlen erfolgen: sind diese im normalen Bereich, kann ein Nachinhibieren erfolgreich sein. Der Inhibitorgehalt kann mittels IR-Spektrometrie oder Gaschromatographie mit massenselektivem Detektor bestimmt werden.

Die Zersetzung des Papiers wird durch Hydrolyse, Pyrolyse und Oxidation hervorgerufen. Der Polymerisationsgrad (DP-Wert) des Papiers wird nach IEC 60450 bestimmt und ist ein Maß für die Anzahl polymerisierter β-Glukoseringe. Durch die Papierzersetzung wird der DP-Wert verringert und die Zugfestigkeit des Papiers nimmt ab. Neuwertige Zellulose hat einen DP-Wert von 1000-1100, gealterte Zellulose dagegen nur 150-200, was das Ende der Lebensdauer des Transformators bedeutet.

 

Während die Entnahme von Papierproben im laufenden Betrieb nicht möglich ist, kann der Zustand der festen Isolierung anhand von Zelluloseabbauprodukten (2-Furfuralabgeschätzt werden. Voraussetzung dafür ist eine regelmäßige Trendanalyse.

 

Der Furan-Gehalt in Öl ist abhängig von:

  • Öltemperatur
  • Neutralisationszahl
  • Schlammgehalt
  • Verhältnis Öl/Papier
  • Art des Öls (inhibiert, nicht inhibiert)
  • Art des Papiers (thermostabilisiert, nicht thermostabilisiert).
  • Feuchtegehalt des Öls und Papiers

Eine exakte Zuordnung aus dem Furan-Gehalt zum DP-Wert kann nicht abgeleitet werden. Dennoch besteht die Möglichkeit einer Trendanalyse, um aus der Veränderung des Furan-Gehaltes einen Aufschluss über das thermische Verhalten der festen Isolierung über Jahre hinweg zu erhalten.

Die Untersuchung und Freigabe von neuen Isolierflüssigkeiten, (z. B. Mineralöle, synthetische oder natürliche Ester oder Silikonflüssigkeiten) ist ein Bestandteil der Labortätigkeit.

 

Mit unserer elektronisch gesteuerten und überwachten Oxidationsapparatur können wir die Testbedingungen wesentlich exakter einstellen und überwachen als von den Normen gefordert. Das Ergebnis: deutlich bessere Reproduzierbarkeiten und eine gesicherte Bewertung.

Zu den festen Isolierstoffen in den Wicklungen gehören Feststoffe aus gereinigter Zellulose wie Pressspan und Isolierpapier sowie durch Verklebung hergestellte Schichtpressstoffe (z.B. Blockspan und verschiedene faserverstärkte Kunstharze). 


Im Materialprüflabor werden diese Stoffe auf ihre physikalischen Eigenschaften getestet und somit auf ihre Anwendbarkeit für die Fertigung.

 

Folgende Untersuchungen werden dabei durchgeführt:

  • Bestimmung der Dicke und Dichte
  • Chemische Analyse auf Metallfreiheit
  • Schrumpfungsverhalten
  • Feuchtegehalt
  • Biege- und Druckfestigkeit
  • Zusammendrückbarkeit
  • Verträglichkeit mit Isolierflüssigkeiten
  • Imprägnierverhalten
  • Zugfestigkeit
  • Leitfähigkeit und pH-Wert des wässrigen Auszugs
  • Aschegehalt

Der Kern von Transformatoren besteht aus kornorientiertem Elektroblech. Dabei werden drei Qualitäten unterschieden: konventionelles kornorientiertes Elektroblech, hochpermeables kornorientiertes Elektroblech und Domänen verfeinertes Elektroblech.

 

Im Materialprüflabor werden folgende Untersuchungen zum kornorientierten Elektroblech durchgeführt:

  • Oberflächenwiderstand mittels Franklin-Tester
  • Ummagnetisierungsverlustmessung mittels Single Sheet Tester (SST)
  • Magnetostriktion

Kupferwerkstoffe kommen hauptsächlich in der Wicklung und beim Wicklungsausgang als Einzel-, Mehrfach- und Drillleiter zum Einsatz. Der Zustand der Lackierung und gegebenenfalls der Papierumwicklung ist entscheidend für einen sicheren Transformatorenbetrieb.

 

In unserem Prüflabor für Transformatoren Materialien führen folgende Untersuchungen an Kupferwerkstoffen durch:

  • Beständigkeit der Lackisolation nach forcierter Alterung in Isolierflüssigkeiten
  • Dicke und Härte der Lackisolation
  • Haftung und Dehnbarkeit beim Biegen und Dehnen
  • Rp0,2 und Bruchdehnung des Kupfers
  • Durchschlagfestigkeit von lackierten Drähten
  • Bestimmung des Verfestigungsfaktors von Drillleitern mit Backlack

Kessel, Kesseldeckel, Mannlochdeckel und Schieber eines Transformators werden mittels isolierflüssigkeitsbeständigen Dichtungsmaterialien abgedichtet. Im Kontakt mit der Isolierflüssigkeit können nur geeignete Dichtungsmaterialien eingesetzt werden, wie z.B.

  • Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR)
  • Fluor-Kautschuk (FPM)
  • Fluor-Silikon-Kautschuk (FMQ)
  • Asbestfreie Fasermaterialien (FA 200)

Außenanstrichstoffe sind als Korrosionsschutz für Kessel, Radiatoren, Kühler und Transformators vor möglichen Metallpartikel-Kontaminationen eingesetzt werden.

 

Die Hauptanstrichstoffe, die zum Einsatz kommen, sind umweltfreundliche Anstrichstoffe mit verringertem Anteil an Lösungsmitteln. Diese können z.B. auf Wasserbasis, “High Solid” oder KTL (kathodische Tauchlackierung) sein.

 

Im Materialprüflabor untersuchen wir den Zustand der Anstriche mittels folgender Verfahren:

  • Schichtdickenmessung
  • Gitterschnittprüfung
  • Beständigkeit der Lacke nach künstlicher Alterung in Isolierflüssigkeiten
  • Einwirkung der Anstrichstoffe auf die Isolierflüssigkeit (DGA/Ölkennzahlen)

Klebstoffe, Gießharze, Trocknungsmittel, Gleitwachse und Reinigungsmittel sind nur eine Auswahl der zahlreichen Hilfsstoffe bei der Transformatorenfertigung oder -reparatur. Dennoch muss das Verhalten jedes dieser Hilfsstoffe bis ins Detail verstanden werden – gerade auch im Wechselspiel mit anderen Materialien. Wir untersuchen daher die Zugfestigkeit von Klebstoffen, das Adsorptionsverhalten von Trocknungsmitteln und die Beständigkeit verschiedener Hilfsstoffe in Isolierflüssigkeiten.

Portfolio

Alterungsprozesse in Transformatoren können mit zahlreichen Verfahren und Kenngrößen zuverlässig und früh diagnostiziert werden. Das Siemens Materialprüflabor für Transformatoren ist ganz auf die Labor-Diagnostik von ölgefüllten elektrischen Betriebsmitteln ausgerichtet. Das hochqualifizierte Personal entwickelt ständig neue Verfahren der Alterungsdiagnostik und wendet dieses Wissen zum Nutzen unserer Kunden an.

Siemens Transformers

Chemisch-physikalisches Materialprüflabor

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