Die Alterung von Transformatoren

Um den negativen Auswirkungen des Alterungsverhaltens von Transformatoren entgegen zu wirken, müssen die Betreiber den Betrieb ihres Transformatorenbestands sowohl aus technischer als auch aus betriebswirtschaftlicher Hinsicht optimieren. Das ist ein komplexes Thema mit keinen definitiven Antworten. Mit Alterung wird der natürliche Abbau des Isoliersystems bezeichnet, das aus herkömmlichen festen Isolierstoffen wie Papier, Pressspanplatten und Sperrholz sowie Flüssigkeiten wie Isolieröl auf Mineralölbasis besteht. Von diesen sind die festen Isolierstoffe am wichtigsten, da sie nicht ausgewechselt werden können – der Transformator müsste dazu ganz neu gebaut werden. Das heißt, dass der Anwender mit dem Alterungsprozess dieser Materialien vertraut sein muss, um eine brauchbare Beurteilung der allgemeinen und verbleibenden Nutzungsdauer von Transformatoren durchführen zu können.

Bei der Bauform und Technik von Transformatoren hat sich in den vergangenen 40 Jahre viel geändert. Dadurch ist die Beurteilung des Alterungsverhaltens eines Transformators schwieriger geworden, da es vom Verhalten der neuen Materialien und Alternativen zu herkömmlichen Isolierflüssigkeiten abhängt. Dennoch gibt es beim vorhandenen Transformatorenbestand noch Systeme, die mit herkömmlichen Materialien wie Zellulose und Mineralöl isoliert sind. Der Betreiber muss auch davon ausgehen, dass „standardisierte“ Beurteilungen (z. B. die Leitfäden von IEC und IEEE für die Belastung) wegen ihres allgemeinen Charakters unzuverlässig sind. In diesen Leitfäden werden spezifische Bauformen, Materialien oder Betriebsmodi von Transformatoren nicht berücksichtigt. In diesem Sinne gibt es den „idealen Transformator“ nicht.

Um den Zustand eines Transformators zu bestimmen, reicht es jedoch nicht aus, wenn man mit dem Alterungsverhalten dieser Materialien vertraut ist. Die oben genannten Isoliermaterialien sind dabei ausschlaggebend. Es sind dabei auch noch andere Einflüsse zu berücksichtigen. Zu diesen Einflüssen gehören Beschleunigungsfaktoren für die Alterung, die Bauform des Transformators und die durchgeführten Gas-in-Öl-Analysen (DGA). Wenn weitere Faktoren hinzugefügt werden, wird die Beurteilung der Alterung des jeweiligen Transformators noch komplexer und erfordert einen integrierten Ansatz. Alle Methoden, die auf einem einzelnen Wert basieren, z. B. dem Depolymerisationsgrad, bringen nicht viel, vor allem, wenn dieser Wert mit Hilfe einer Furan-Analyse ermittelt wurde.

Ich werde hier Ihnen einen integrierten Ansatz erläutern, der Ihnen bei der Auswertung der folgenden Aspekte behilflich sein wird: Beurteilung individueller Faktoren, Beschleunigungsfaktoren, Betriebsbedingungen und der Einfluss verschiedener Bauformen von Transformatoren.

Alterungsprofil

In der Fachliteratur wird oft davon ausgegangen, dass es sich um einen linearen Prozess handelt. Das steht jedoch im Widerspruch zu den in der Praxis gesammelten Erfahrungen, nach denen die Alterung nicht linear verläuft. Der Alterungsprozess wird durch eine Reihe von Beschleunigungsfaktoren beeinflusst, die sich gegenseitig verstärken.

Das folgende Diagramm veranschaulicht diesen nichtlinearen Prozess:

Das Diagramm zeigt den Verlauf der verschiedenen chemischen und physikalischen Vorgänge, die mit der zunehmenden Alterung des Transformators auftreten. Das Hauptkonzept wird mit der grünen Linie des Diagramms dargestellt. Sie stellt die so genannte verbleibende Substanz dar. Dieser parabolische Verlauf tritt bei Alterungsbeurteilungen für Transformatoren immer wieder auf und widerlegt die Annahme, dass der Alterungsprozess linear verläuft.

Es kann hilfreich sein, den Begriff „verbleibende Lebensdauer“ durch „verbleibende Substanz“ zu ersetzen. Die Lebensdauer ist relativ und hängt von den Betriebsbedingungen und anderen Faktoren ab. Die verbleibende Substanz kann mit dem Inhalt einer Wasserflasche verglichen werden. Er kann schnell oder langsam verbraucht werden oder man kann bewusst sparsam damit umgehen. Wenden Sie dieses Prinzip auf jeden einzelnen Transformator an, um seine Lebensdauer zu optimieren.

Transformatoren sind die „geheimnisvollsten“ Anlagen in Betrieben. Wenn ein Transformator in die Phase „C“ eintritt (Abbildung 1), kann es sein, dass er gar nicht ausfällt. In vielen Fällen blieben Transformatoren mehrere Jahre, nachdem sie das Ende des Lebenszyklus erreicht hätten, weiter in Betrieb. Hat ein Transformator jedoch diese Phase erreicht, ist eine zuverlässige Schätzung der zukünftigen Leistung nicht mehr möglich.

Aus der Perspektive eines verantwortungsbewussten Betreibers ist der Transformator jetzt nicht mehr brauchbar und berechenbar. Es wird jetzt zum „Glücksspiel“, bei dem jeder zusätzliche Tag ein „Bonus“ ist. Viele Betreiber gehen dieses Risiko ein, und unter bestimmten Bedingungen kann dies sogar als angemessen betrachtet werden. Das Gesamtrisiko sollte jedoch ein berechenbares Risiko bleiben, einschließlich der hohen Wahrscheinlichkeit, dass bei einem katastrophalen Versagen ein Brand ausbrechen kann. In dieser Phase ist eine ständige Überwachung des Transformators wichtig.

Alterungsraten

Transformatoren altern auf unterschiedliche Arten und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Das ist auf die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Alterungsfaktoren zurückzuführen.

Beschleunigungsfaktoren

• Temperatur – Wie bei allen chemischen Prozessen wird der Alterungsprozess im Öl/Zellulosesystem durch die Temperatur beschleunigt. Diese Wirkung ist jedoch nichtlinear. Unter einer Öltemperatur von 50 °C findet so gut wie keine thermisch bedingte Alterung statt.
• Sauerstoff – Sauerstoff verhält sich wie in allen anderen Umständen und oxidiert sowohl die organischen Isoliermaterialien als auch das Öl.
• Säure – Durch die chemische Wechselwirkung zwischen Zellulosematerial, Öl und Sauerstoff entstehen verschiedene organische Säuren, die wiederum die Verschlechterung der Zellulose beschleunigen.
• Wasser – In der letzten Zeit wurde viel über die Rolle berichtet, die Wasser bei der Beschleunigung der Alterung spielt. Es trifft auch zu, dass bei der Zersetzung der Zellulose Wasser entsteht. Der größte Teil des Wassers stammt jedoch von außerhalb des Transformators, in erster Linie von Leckagen, die durch Unterschiede beim Gradienten der relativen Luftfeuchtigkeit innerhalb und außerhalb des Transformatortanks verursacht werden.

In zukünftigen Artikeln werde ich den Umgang mit diesen Beschleunigungsfaktoren für die Alterung behandeln, und wie die Nutzungsdauer des Transformators durch geeignete Maßnahmen verlängert werden kann.

Bauform des Transformators

Die Bauform eines Transformators hat erhebliche Auswirkungen auf seine Nutzungsdauer sowie auf die Entstehung und Auswirkungen der Beschleunigungsfaktoren für die Alterung. Eine ungünstige Bauform kann dazu führen, dass das Ende der Lebensdauer viel schneller erreicht wird als mit den ständigen Auswirkungen der Beschleunigungsfaktoren auf den Alterungsprozess.

Unterschiede bei der Bauform können auch zu einem unterschiedlichen Alterungsverhalten führen. Bei der Beurteilung des Zustands muss deshalb auch die Bauform des Transformators berücksichtigt werden. Zwei Transformatoren, die die gleichen Daten auf dem Typenschild aufweisen, aber nicht von derselben Firma hergestellt wurden, weisen selten das gleiche Alterungsverhalten auf. Es ist sehr wahrscheinlich, dass ihr Alterungsverhalten vollkommen unterschiedlich ist.

Montsinger-Regel

Wie von Montsinger beschrieben, verdoppelt sich die Alterungsrate von Maschinen mit jedem Temperaturanstieg von 6 °C. In der Praxis kann man dies auf einen Anstieg von 10 °C vereinfachen. Unter einer Temperatur von 50 °C findet zudem so gut wie keine thermisch bedingte Alterung statt. Einzelne Systemkomponenten können diese Temperatur jedoch überschreiten. Deshalb kann trotzdem eine beschleunigte Alterung auftreten. Anzeichen dafür findet man normalerweise im Rahmen einer Gas-in-Öl-Analyse (DGA). Auf jeden Fall hat sich in der Praxis herausgestellt, dass die Montsinger-Regel sowohl realistisch als auch zuverlässig ist.

 Zusammenfassung und Ausblick

In diesem Artikel wird nur das Alterungsverhalten von herkömmlichen Transformatoren mit Öl/Zellulose-Isolierung behandelt. Diese Transformatoren machen weltweit den Großteil des Transformatorenbestandes aus. In dieser Gruppe gibt es einige sehr alte Anlagen, die zum Teil schon seit über 50 Jahren im Einsatz sind. Das stellt ein Dilemma für den Betreiber dar, d. h., die Bestimmung, ob diese älteren Anlagen noch betriebssicher sind, sowie die beste Vorgehensweise für den Austausch des Bestandes.

Sicher ist jedoch, dass das Alter allein kein Kriterium für den Austausch ist. Das wird durch die sehr unterschiedlichen Zustände von älteren Transformatoren verdeutlicht, die von Ende des Lebenszyklus oder „null“ verbleibender Lebensdauer bis zu einer Lebensdauer von weiteren 20 Jahren reichen können.

Die Alterung und Überalterung der Transformatorenbestände erfordert eine genaue Abbildung und einen integrierten Beurteilungsansatz, um zu gewährleisten, dass sie richtig gehandhabt werden. Es sollte auf jeden Fall vermieden werden, dass stabile und funktionsfähige Anlagen nur wegen ihres Alters aus dem Verkehr gezogen werden, während neuere Transformatoren mit einer unangemessenen Bauform unerwartet ausfallen. Das würde die Zuverlässigkeit der Energieversorgung gefährden und bedeuten, dass knappe Mittel an der falschen Stelle investiert werden.

In meinem nächsten Artikel werde ich besprechen, wie Sauerstoff und Säuren die Alterung von Transformatoren beeinflussen.

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