So beeinflussen Sauerstoff und Säuren die Alterung von Transformatoren

2. 1. Einführung

Wie wir bereits in unserem Artikel zum Alterungsverhalten von Transformatoren mit Öl-Zellulose-Systemen, So beeinflussen die Temperatur und Wasser die Alterung von Transformatoren, behandelt hatten, kann die Alterung von Transformatoren durch eine Reihe von Faktoren beschleunigt werden. In diesem Fachbeitrag werden wir die Auswirkungen von Sauerstoff und Säuren auf die Leistung von Transformatoren behandeln. Es gibt Verfahren zur Verringerung der Auswirkungen dieser Beschleunigungsfaktoren und zur Verlangsamung des Alterungsprozesses Ihres Transformatorenbestands. Es gibt Verfahren, mit denen Sie den Sauerstoff zum Vorteil Ihres Transformators einsetzen können, und es gibt Maßnahmen, mit denen Sie die beschleunigte Alterung von Transformatoren sogar ganz verhindern können.

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   2. Der Einfluss von Sauerstoff

Sowohl O₂ als auch Stickstoff (N₂) gelangen aus der Atmosphäre in den Transformator. Der Sauerstoff wird im Inneren des Transformators verbraucht und liefert wichtige Informationen über den Zustand und die Alterungsrate des Transformators. Die alterungsbeschleunigende Wirkung von Sauerstoff wurde 1976 in einem Fachbeitrag des CIGRE (The oxygen-free transformer, reduced aging by continuous degassing, Der sauerstofffreie Transformator, Verzögerung der Alterung durch kontinuierliche Entgasung) beschrieben*. Es gibt viele Stellen, an denen Sauerstoff in den Transformator eintreten kann, doch in erster Linie erfolgt dies durch die Änderungen des Ölvolumens aufgrund von Temperaturschwankungen und Lastwechseln.

Wenn sich die Betriebstemperatur des Transformators erhöht, dehnt sich das Öl aus und sein Volumen erhöht sich. Das größere Ölvolumen funktioniert wie ein Kolben, der atmosphärische Gase aus dem Transformator drückt. Wenn die Temperatur sinkt, verringert sich das Ölvolumen wieder und die atmosphärischen Gase werden wieder in den Transformator zurück gesaugt. Es wurden verschiedene Abdichtungssysteme für Transformatoren entwickelt, um den Eintritt von O₂ in den Transformator während dieser Veränderungen des Volumens zu verhindern. Bei der Beurteilung des Gasgehalts im Transformatorenöl mit der Gas-in-Öl-Analyse (Dissolved Gas Analysis, DGA) muss auch das Abdichtungssystem des Transformators berücksichtigt werden, weil die Analyse des O₂-Gehalts auch von der Auslegung des Abdichtungssystems abhängt.

Die folgenden Abdichtungssysteme werden in der Branche verwendet:

O₂ wird im Inneren des Transformators verbraucht, somit befindet sich der O₂-Gehalt in einem Gleichgewichtszustand zwischen Verfügbarkeit und Verbrauch. Der O₂-Gehalt in hermetisch geschlossenen Systemen ist normalerweise niedriger als in frei atmenden Systemen. Die Beurteilung des Gasgehalts in frei atmenden Systemen ist schwierig, da die Gasaustauschrate zwischen dem Transformatorkessel und der Atmosphäre sich um einen Faktor von 1:10 unterscheiden kann. Dies hängt von der Bauform und der Konfiguration des Ausdehnungsgefäßes ab.

In frei atmenden Systemen werden auch Konzentrationen von ca. 22.000–25.000 ppm als normal erachtet. Wenn der O₂-Gehalt unter 20.000 ppm beträgt, kann man davon ausgehen, dass der Sauerstoff verbraucht wird und eine beschleunigte Alterung stattfindet. Der Kohlendioxidgehalt (CO₂₎ kann ebenso verwendet werden. Ein CO₂-Gehalt über 6.000 ppm ist ein klares Anzeichen für eine beschleunigte Alterung. Wenn der O₂-Gehalt um 10.000 ppm beträgt, können in extremen Fällen CO₂-Werte über 12.000 ppm erreicht werden. Die Grenzwerte des IEEE gelten nicht für frei atmende Transformatoren, und das Verhältnis von CO zu CO₂ gilt nur in begrenztem Rahmen.

Die Werte in hermetisch geschlossenen Systemen mit Luftsäcken oder Membranen werden ganz anders ausfallen als die in frei atmenden Systemen. Transformatoren mit hermetisch geschlossenen Systemen weisen normalerweise einen Restsauerstoffgehalt von 2.000–4.000 ppm auf, in Kombination mit 1.500–2.000 ppm CO₂ in geschlossenen Systemen. Wenn der O₂-Gehalt jedoch „0“ beträgt und das CO₂ über 4.000 liegt, kann man wiederum von einer beschleunigten Alterung des Transformators ausgehen.

3. Der Einfluss von Säuren

Die Wechselwirkung von O₂ und Hitze mit dem Isolieröl im Transformator führt zur Säurebildung im Öl. Säuren werden mit der Säurezahl gemessen, die in „mg KOH/g“ angegeben wird. Diese Zahl gibt an, wie viel Kalium-Hydroxid (KOH) benötigt wird, um die Säuren im Öl zu neutralisieren. Die Säurezahl ist eine Messgröße für den Säuregehalt und die wichtigste Methode, um den Zustand des Isolieröls im Transformator zu beurteilen.

Die Grenzflächenspannung ist ein weiterer nützlicher Indikator für die Ölqualität. Es handelt sich dabei um den Unterschied zwischen der Oberflächenspannung von Öl, das nichtpolar ist, und der Oberflächenspannung von Wasser, einem stark polaren Element. Die Grenzflächenspannung zwischen zwei Materialien mit ähnlicher Polarität ist gering. Bei der Zersetzung der Isolierflüssigkeit Mineralöl durch den Kontakt mit O₂ entstehen hydrophile („wasserliebende“) Säuren wie Carbonsäure. Diese sind stark polar und wegen der geringen Polarität des Öls nicht gut in Öl löslich. Durch die hydrophilen Säuren im Öl erhöht sich dann dessen Polarität, und dies führt zu einer niedrigeren Grenzflächenspannung. Eine niedrigere Grenzflächenspannung zeigt an, dass sowohl Säure als auch Wasser vorhanden ist. Dies kann sich auf die dielektrischen Eigenschaften des Öls auswirken und zu Schlammbildung im Transformator führen.

Die Säurezahl und die Grenzflächenspannung müssen zusammen betrachtet werden.  Eine hohe Säurezahl, z. B. 0,2 mg KOH/g, führt normalerweise zu einer Grenzflächenspannung von unter 20 N/m. In den Normen werden Grenzwerte von 0,1 mg KOH/g für Transformatoren über 70 kV und 0,25 für Transformatoren unter 70 kV vorgegeben. Der letztere Wert ergibt keinen Sinn, da die chemische Wirkung nicht mit der Betriebsspannung zusammenhängt. Abgesehen davon beginnt die Schlammablagerung bereits unter dem Wert von 0,1. Dadurch können die Kühlkapazität und die Betriebssicherheit des Transformators verringert werden. Es ist deshalb sinnvoll, bereits bei einem Wert von 0,1 Abhilfemaßnahmen zu ergreifen.

Das Ausmaß des Säuregehalts kann für die Beurteilung der Auslegung des internen Kühlsystems des Transformators und der Alterungsrate verwendet werden. Ein hoher Säuregehalt bedeutet eine thermische Belastung des Öls, die zu einer schnelleren Zersetzung des Öls führt. Das kann ein Anzeichen für eine unzureichende Kühlung sein, die auf eine unzureichende Auslegung zurückzuführen ist.  Das „Delta (Δ) der Säurebildung“ kann als Indikator für die richtige Auslegung des internen Kühlsystems und die Alterungsrate des Transformators herangezogen werden. Säure greift auch die Zellulose-Isolierung an und beschleunigt ihre Zersetzung. Das ist an einem höheren O₂-Verbrauch beim Zersetzungsprozess erkennbar, wenn säurehaltiges Öl vorhanden ist.

4. 4. Kombination von Sauerstoff und Säure

Sauerstoff und Säure arbeiten im Einklang miteinander und müssen zusammen beurteilt werden. Das heißt, dass bei der Wartung von älteren Transformatoren beide Produkte geprüft werden müssen. Sowohl O₂ als auch Säuren zersetzen das Isolierpapier (Feststoff) im Inneren des Transformators. Der O₂-Verbrauch ist sogar ein sehr guter Indikator für die Alterungsrate des gesamten Systems. Ein hoher O₂-Verbrauch bedeutet eine schnellere Zersetzung des Isolierpapiers. Der O₂-Verbrauch erhöht sich normalerweise nach der Ölaufbereitung, also wäre zu erwarten, dass sich die Zersetzung des Papiers dadurch verlangsamt.

Die Ölaufbereitung führt jedoch oft zu einer weiteren Zersetzung des Isolierpapiers durch die Säureeinwirkung. Wie schnell die Zellulose durch die Säureeinwirkung zersetzt wird, hängt von der Wasserkonzentration und von der Konzentration der von der Säure abgespaltenen H+-Ionen ab. Viele der Säuren, die sich im Transformatorenöl und bei der Zersetzung der Zellulose bilden, werden vom Papier absorbiert. Auch wenn also O₂ bei der Ölaufbereitung aus dem System entfernt wird, werden die bereits im Isolierpapier vorhandenen Säuren die Zellulose weiter zersetzen und, wie in Abschnitt 6.2 dargestellt, den Weg für eine schnellere Oxidation bereiten. Es ist auch wichtig, die Säurebildung wie in Beispiel 6.1 gezeigt zusammen mit dem CO₂– und dem O₂-Gehalt zu bewerten.

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   5. Welche Abhilfemaßnahmen sind nützlich und wann?

5.1. Für das O₂-Problem:

Es ist hilfreich, Transformatoren mit Abdichtungssystemen, die das Eindringen von Sauerstoff verhindern, mit einem Luftsack im Ölausdehnungsgefäß oder mit vorgelagerten Abdichtungen zwischen dem Ölausdehnungsgefäß und der Atmosphäre auszustatten. Teilentgasungssysteme haben sich bei der Umrüstung und Erhaltung von älteren, frei atmenden Transformatoren ebenfalls als nützlich erwiesen, da sie den Anteil von atmosphärischen Gasen (N₂, O₂) auf etwa 30 % der Sättigungswerte reduzieren.

Die oben genannten Systeme entfernen auch Wasser aus der Zellulose. Die Aufgabenstellung lautet jetzt, dieses Problem aus technischer und wirtschaftlicher Sicht zu lösen. Bei älteren, frei atmenden Transformatoren haben sich Bypass- oder Aufbereitungsanlagen bei der Reduzierung des O₂-Gehalts im Öl bewährt. Das Öl wird aus dem unteren Teil des Transformators entnommen, entgast, getrocknet und wieder in den oberen Teil geleitet. Da das Aufbereitungssystem mit Hilfe von Standard-Anschlüssen wie Ölprobehähnen auf andere Transformatoren umgerüstet werden kann und dadurch keine Abschaltung erforderlich ist, kann eine Aufbereitungsanlage zwei bis vier Transformatoren mittlerer Größe in einem Abstand von drei bis sechs Monaten versorgen. Das hat zur Folge, dass weniger Sauerstoff verfügbar ist, und führt zu einer Verzögerung der Alterung. Die Wartungskosten werden somit minimiert, da am Transformator keine Reparaturen wie etwa das Auswechseln des Ölausdehnungsgefäßes erforderlich sind. Da das Öl getrocknet wird, wird im System vorhandenes Wasser ganz aus dem Transformator entfernt.

5.2. Es gibt drei Möglichkeiten, um das Problem des Säuregehalts anzugehen:

– Transformator ausschließlich mit inhibiertem Öl füllen. Nicht inhibiertes Öl sollte keinesfalls verwendet werden. Der Inhibitor wirkt wie eine anodische Korrosionsschutzschicht auf Stahlkonstruktionen. Er schützt das Öl vor oxidativer Zersetzung und verhindert dadurch die Säurebildung im Öl. Die meisten Ölinhibitoren enthalten 2,6-Di-tert-butyl-P-kresol (DBPC; BHT) und 2,6-Di-tert-butylphenol (DBP). Öle ohne diese Inhibitoren zersetzen sich schneller und erfordern häufigere Ölwechsel, die zeit- und kostenaufwändig sein können.

– Sobald 0,1 mg KOH/g erreicht ist, muss das Öl aufbereitet und ein Inhibitor zugefügt werden, falls es sich ursprünglich um ein nicht inhibiertes Öl handelte. Nach den bewährten Verfahren muss dem Öl nach der Aufbereitung ein Inhibitor hinzugefügt werden, da das neu aufbereitete Öl keinen Stabilisator mehr enthält, der der Alterung entgegenwirkt.

– Korrekte Bauform des Transformators, um die thermische Belastung des Öls zu verhindern. In unserem vorhergehenden Fachbeitrag, So beeinflussen die Temperatur und Wasser die Alterung von Transformatoren, haben wir besprochen, dass die korrekte thermische Auslegung wie folgt aussehen muss: Bei Transformatoren, bei denen häufige Lastwechsel zu erwarten sind, muss das interne Kühlsystem Temperaturspitzen bei einer schnellen Erhöhung der Last verhindern. Das bedeutet eine Ölkühlung durch gerichtete Konvektion (Oil Directed – OD). Bei Transformatoren, bei denen das Öl gepumpt werden muss, z. B. Öl-/Wasserkühlung durch erzwungene Konvektion (Oil Forced Water Forced – OFWF), oder bei separat aufgestellten Öl-zu-Luft-Radiatoren muss die Kühlung in den Wicklungen nach dem Prinzip ON (Öl natürlich) ausgelegt sein, damit die Öltemperatur so gleichmäßig wie möglich im Wicklungssystem verteilt wird.

6. Verwandte Inhalte: Mapping von Transformatorbeständen

   6. Beispiele

6.1

Im folgenden Fall ist der sehr niedrige Sauerstoffgehalt auffällig. Er wurde sofort nach der Inbetriebnahme erreicht. Ab 2004 wurde er in das Schutzprogramm des Transformatorbestandes aufgenommen, obwohl sich der Transformator in einem ausgezeichneten Zustand befand. Wie unten gezeigt scheint sich der Säuregehalt schnell zu erhöhen und hat die Aufbereitungsschwelle (0,1 mg KOH/g) nach nur 9 Jahren erreicht. Das bedeutet, dass die thermische Belastung in diesem Transformator zu einem schnellen Verlust der Ölqualität geführt hat.

6.2 Beispiel für die Wechselwirkung zwischen Säure und Sauerstoff

Netzkoppler 250 MVA, 220/110 kV

Dieser Transformator ist ein gutes Beispiel für die Wechselwirkung zwischen Säure und Sauerstoff. Die beschleunigte Alterung des Transformators begann im Jahr 2000 und er erreichte das Ende seiner Lebensdauer 2007. Bis 1993 wies er einen O₂-Gehalt von >>20.000 auf, ein typischer Wert für einen frei atmenden Transformator, der ordnungsgemäß funktioniert. Trotzdem war der CO₂-Gehalt hoch, ein Anzeichen für einen hohen O₂-Verbrauch. 1996 ging der O₂-Gehalt zurück; der Säuregehalt betrug 0,109 mg KOH/g und lag damit an der obersten Grenze. Ab 2000 verringerte sich der O₂-Gehalt weiter, während der Säuregehalt anstieg. Dazu wurden 2003 Furan-Werte über 5 ppm festgestellt.

Im Jahr 2007 wiesen alle Indikatoren darauf hin, dass der Transformator das Ende seiner Lebensdauer erreicht hatte, darunter auch folgende Werte:

• Niedriger O₂-Gehalt (13000 ppm),
• Hoher CO₂-Gehalt, 9 ppm Furan,
• Unzulässige Durchschlagspannung (32 kV) und
• hoher Wassergehalt (21 ppm).

6.3 Profil eines 1969 gebauten Leistungstransformators: 110/20 kV 31,5 MVA; frei atmender Typ.

Die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Werte zeigen, dass sich der richtig ausgelegte Transformator auch nach über 30 Jahren noch in einem sehr guten Zustand befand.

Das Acetylen (C2H2) entsteht durch die Mischung der bei der Lastumschaltung entstehenden Gase im gemeinsamen Luftraum im Ölausdehnungsgefäß. Dieser Transformator ist ein gutes Beispiel für eine gute Bauform, die für gute Werte und einen fast neuen Zustand sorgt.

Der Transformator aus dem Jahr 1969 wies folgende Werte auf:

• Sättigungswerte für N₂ (67.621 ppm),
• O₂ (ca. 30.000 ppm),
• und einen CO₂-Gehalt unter 2000 ppm, sowie
• sehr niedrige C2- und C3-Gase und keine Furane.

Gas-in-Öl-Analyse von 2003–2009

6.4 Beispiel für einen hermetisch geschlossenen Transformator mit hohem Sauerstoffverbrauch.

Der hohe Sauerstoffverbrauch des Transformators deutet auf eine ungünstige langfristige Prognose hin. Der Transformator fiel drei Jahre nach der Analyse aus.

Die Beurteilung dieses Transformators war sehr schwierig, da der Eigentümer regelmäßige Entgasungen durchgeführt hatte. Um den Zustand des Transformators zu verstehen, sollten der O₂– und der CO₂-Gehalt gemeinsam betrachtet werden. Der Verbrauch des gesamten verfügbaren O₂ (0) bei einem hohen CO₂-Gehalt (6000) war bei diesem hermetisch geschlossenen Transformator ein Anzeichen für beschleunigte Alterung. Da die Gase auf ein Mindestmaß reduziert waren und wieder gesättigt werden mussten, war das ein guter Indikator für die internen Prozesse.

7. Verwandte Inhalte: Mapping als eine Methode der Risiko- und Kostenbeurteilung

   7. Zusammenfassung

Säure und Sauerstoff arbeiten als Beschleunigungsfaktoren für die Alterung im Einklang miteinander, und tragen damit zur Alterung des Öl-Zellulose-Systems bei. Beide Faktoren hängen stark von der Bauform des Transformators und dabei vor allem von der Auslegung des internen Kühlsystems ab.

Es entsteht dabei oft eine Eigendynamik, in der Folgendes stattfindet:

• Hoher Sauerstoffverbrauch beschleunigt den Alterungsprozess.
• Bei dem Alterungsprozess entsteht Säure, wodurch sich der Sauerstoffverbrauch erhöht.

Da die Alterung des Transformators durch das Zusammenspiel dieser beiden Elemente beschleunigt wird, müssen Sie sicherstellen, dass das Kühlsystem des Transformators richtig funktioniert und für den Zweck geeignet ist. Das zweite bewährte Verfahren ist, ausschließlich inhibiertes Öl zu verwenden. Und drittens müssen Sie verhindern, dass Sauerstoff eindringt.

Unabhängig davon, ob Ihr Transformator frei atmend ausgelegt oder gegen die Atmosphäre abgedichtet ist, können Sie eine längere Lebensdauer für Ihren Bestand erzielen, wenn er die richtige Bauform aufweist und Sie sich für Mapping als Verfahren für die vorbeugende Wartung entscheiden.

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*The Oxygen-free Transformer, Reduced Ageing by Continuous Degassing (Der sauerstofffreie Transformator, Verzögerung der Alterung durch kontinuierliche Entgasung), W. Lamp and E. Spicar, präsentiert während der International Conference on Large High Voltage Electric Systems (CIGRE), Sept. 1976