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Bild 1: Kombination elektrischer und elektromagnetischer Teilentladungsmessung zum Gating externer Korona am Transfomator

01.01.2012 Mitgliederinformation 238 0

Trends in der Diagnostik von Hochspannungs-Betriebsmitteln

Spätestens seit dem Transformator-Brand im Kernkraftwerk Krümmel sind Zustandserfassung und Diagnostik an Betriebsmitteln der Hochspannungstechnik in den Fokus der Öffentlichkeit getreten. Der Einbau einer Teilentladungs-Messeinrichtung war damals "schlicht vergessen" worden, was entsprechende Konsequenzen für die Kraftwerksleitung nach sich zog und auch einen Beitrag zur Meinungsfindung der deutschen Öffentlichkeit zur Atomenergie lieferte, [1].

Tatsächlich verlangen der alternde Gerätepark und zustandsorientierte Instandhaltungsstrategien nach neuen diagnostischen Verfahren, um den Zustand der Betriebsmittel des Hochspannungsnetzes zuverlässig und ggf. auch on-line, also während des Betriebs, bestimmen zu können. Von diesem Trend profitiert auch die ETG in ihren publizistischen Aktivitäten; z.B. ist die "Fachtagung Diagnostik" das Zugpferd unter den Veranstaltungen des Fachbereichs Q2.

Der vorliegende Artikel legt seinen Fokus auf Trends und Neuheiten zur Diagnostik und Zustandsbestimmung elektrischer Betriebsmittel, insbesondere am Transformator.

Messung und Bewertung von Teilentladungen – PD

Teilentladungen als Vorentladungen vor dem eigentlichen Durchschlag dienen als Indikator für den Zustand eines Isolierstoffsystems. Messbar werden sie durch ihre vielfältigen Emissionen: elektrische und elektromagnetische Impulse, Schallwellen, Licht und chemische Zersetzungsprodukte.

Bei der elektrischen Messung bleiben Teilentladungsort und –ausbreitungsweg unbekannt, weshalb sich die Fachwelt auf die "scheinbare Ladung" der Einzelimpulse einigte (IEC60270). Die Tatsache, dass die "scheinbare Ladung" trotz richtiger Kalibrierung keine direkte Auskunft über die tatsächliche Teilentladungsintensität der Fehlerstelle erlaubt, vergisst der Prüfer in Diskussionen wie z.B. der Werksabnahmeprüfung von Betriebsmitteln schnell, vor allem im Norm-orientierten asiatischen Markt. Kann der scheinbaren Ladung bei elektrisch einfachen Signalausbreitungswegen einer GIS oder eines Kabels vielleicht noch eine Bedeutung beigemessen werden, so verliert sie ihre Aussagekraft besonders bei elektrisch ausgedehnten Betriebsmitteln, z.B. einem Transformator. Dieser wirklich grundlegende Nachteil bewegt heute Experten zu Aussagen wie "Messungen nach IEC60270 sollten nur als Ja/Nein Entscheidungen verwendet werden, ohne den Wert der scheinbaren Ladung zu berücksichtigen" und "Wichtig sind Änderungen und Trends", [2].

Teilentladungen sind überhaupt das Thema wissenschaftlicher Konferenzen, wovon sich interessierte Leser durch Stichproben in den Verzeichnissen aktuelle Events wie ISH 2011 in Hannover und CMD 2010 in Tokio überzeugen können. Wiederkehrende Diskussionen betreffen die richtige Interpretation von Teilentladungsmustern und vor allem die Erweiterung des gemessenen Frequenzbereichs hin zu einigen 10 MHz oder sogar in den Gigahertz-Bereich, [3]. Dabei gestaltet sich der Signalweg immer komplizierter, da sich der Ausbreitungsmechanismus von der leitungsgebundenen Signalausbreitung zur feldgebundenen Ausbreitung verschiebt. Maxwell fasste diesen Zusammenhang in die bekannte Gleichung (1).

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Prof. Dr.-Ing. Stefan Tenbohlen

Zwar lernen alle Elektrotechnik-Studenten diese Gesetzmäßigkeiten kennen, deren praktische Anwendung geht aber in den sonst meist quasistatischen Vorgängen der Hochspannungstechnik verloren. Das kann auch aus den immer wieder vorkommenden Versuchen abgelesen werden, die Messergebnisse im UHF-Bereich durch die im niederfrequenten Bereich nach IEC60270 gemessenen zu kalibrieren.

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Bild 1: Kombination elektrischer und elektromagnetischer Teilentladungsmessung zum Gating externer Korona am Transfomator

Die treibende Motivation hinter dem Messen bei hohen Frequenzen ist das Ausweichen vor den häufigen Störungen bei niedrigen Frequenzen, u.a. durch Leistungselektronik und Korona. Das stellt insbesondere das Online-Monitoring der Teilentladungsaktivitäten elektrischer Betriebsmittel vor die entscheidende Herausforderung: Wie kann zwischen interner, gefährlicher und externer, ungefährlicher Entladung unterschieden werden?

Eine vielversprechende Lösung scheint für den Transformator gefunden zu sein. Ein UHF-Sensor, z.B. über den Ölschieber eingeführt, misst die Entladungen im Inneren des Transformators während gleichzeitig die konventionelle niederfrequente Messung an den Durchführungen ( Bild 1)oder die akustische Messung mit Körperschallmikrofonen die Empfindlichkeit vergrößert. Nach diesem "Gating" können Entrauschungsverfahren, die auf synchroner Mehrstellen- oder Mehrfrequenzmessung basieren (3PARD, 3FREQ), weiter die Messung für die kritischen internen Teilentladungen schärfen, [4]. Um diese Techniken allerdings für eine permanente Überwachung (Monitoring), wie in Krümmel gefordert, einsetzen zu können, sind noch weitere Forschungsaktivitäten notwendig.

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Bild 2: Interpretation der dielektrischen Antwort für Öl-Papier isolierte Transformatoren

Analyse der dielektrischen Antwort – FDS/PDC
Bei der dielektrischen Antwortmessung werden Kapazität und Verlustfaktor des Isoliersystems eines Hochspannungs-Betriebsmittels über einen großen Frequenzbereich bestimmt, z.B. bei der typischen Anwendung "Transformator" über 1 kHz bis 0,1 mHz. Großer Vorteil der dielektrischen Antwortmessung ist, dass heute nach umfangreichen Forschungen ein wissenschaftlich gesichertes Schema für die Interpretation der Messdaten zur Verfügung steht, [5]. Feuchtigkeit im Papier und Ölalterung können sicher bestimmt und von Einflüssen der Isolationsgeometrie, der Temperatur und leitfähigen Alterungsprodukten getrennt werden, Bild 2.

Feuchtigkeit im Öl

Feuchtigkeit ist Feind jedes Isolierstoffs, das liegt auf der Hand. Über Jahrzehnte dominierte das chemische Verfahren "Titration nach Karl Fischer" zur Feuchtigkeitsbestimmung in flüssigen Isolierstoffen, wobei die Feuchtigkeit als Wassergehalt oder auch absolute Feuchtigkeit angegeben wird (Masse Wasser pro Masse Isolierstoff). Die dominierende Rolle wird der Titration zunehmend durch kapazitive Sensoren streitig gemacht, welche die relative Feuchtigkeit messen. Die Vorteile des neuen Verfahrens liegen sowohl in der Messtechnik als auch in der physikalischen Bedeutung der relativen Feuchtigkeit. Wasser wird mit kapazitiven Sensoren genauer und on-line messbar, die relative Feuchtigkeit korreliert besser mit den schädigenden Effekten des Wassers und erlaubt auch eine praktische Aussage über das Potential, das Isoliersystem zu trocknen. Standards wie die IEC60422 reflektieren zunehmend diese wissenschaftlichen Erkenntnisse, [6].

Analyse der Frequenzantwort – FRA

Auch bei Messung der Frequenzantwort hat sich in den letzten Jahren ein deutlicher Fortschritt eingestellt. Dieses Verfahren dient ja der Bestimmung der mechanischen Integrität eines Leistungstransformators. Ähnlich einem Netzwerkanalysator wird hier die Frequenzantwort einzelner Wicklungen als Amplitude und Phase zwischen 20 Hz und 2 MHz gemessen und mit historischen Referenzdaten verglichen. Über Jahre krankte dieses Verfahren jedoch an schlechter Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. So fiel ein Vergleichstest innerhalb der Cigré Arbeitsgruppe A2.27 verheerend aus, einige Messteams vermochten selbst ihre eigenen Ergebnisse nicht zu reproduzieren. Wie bei der Teilentladungsmessung war die sich ändernde Signalausbreitung bei hohen Frequenzen nicht berücksichtigt worden. Heute aber kann der Anwender dieses Problem als gelöst betrachten, im Markt befindliche Systeme verfügen meist über HF-fähige Anschlusstechnik. Schlussfolgernd ist dieses Verfahren nun in der Normungsphase innerhalb der IEC.
Wissenschaftliche Fortschritte erwartet der Nutzer aber noch in der objektiven Interpretation der FRA-Daten, denn hier ist die Abhängigkeit vom ggf. subjektiven Urteil einzelner Fachleute immer noch groß.

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Bild 3: 30'000 Messwerte ds Furans 2_FAL verschiedener Transformatoren vs. Ihrer Betriebszeit [7]

Chemische Alterungsindikatoren: Furane, Methanol

Großes Interesse erweckten Veröffentlichungen der 90'er Jahre, die beschrieben, wie anhand von im Öl gelösten Furanen die Zersetzung des Papiers bestimmt werden könne. Die mechanische Festigkeit des Papiers, angegeben im Polymerisationsgrad DP, nimmt durch verschiedene Alterungsprozesse ab und führt schließlich unweigerlich zum Verlust des Betriebsmittels unter der Kraftwirkung von Kurzschlussströmen. Für Betreiber von Transformatoren ist somit die Kenntnis des Polymerisationsgrades von großem Interesse. Die Cigré Task Force D1.01.13 stellte 2011 ihre teilweise ernüchternden Ergebnisse vor, [7]. Bild 3 zeigt beispielhaft über 30'000 Messungen des Furans 2-FAL aus 12 verschiedenen Ländern: "... es ist offensichtlich, dass Grenzkonzentrationen für 2-FAL nicht universell festzulegen sind, da zu viele Faktoren einwirken: Typ des Transformators, Öl, Papier, Kühlung, Atmung usw.". Stattdessen wird die Beobachtung von Trends empfohlen.

Methanol wird zurzeit als weiterer Alterungsindikator diskutiert, wobei die Messung wegen seines flüchtigen Charakters besser on-line erfolgt, ohne die aufwändige und fehleranfällige Ölprobennahme.

On-Line Monitoring elektrischer Betriebsmittel

In der Diagnostik elektrischer Betriebsmittel beobachtet man heute einen generellen Trend von der off-line Messung (abgeschalteter Zustand) zur on-line Messung, also der Messung unter Betriebsbedingungen. Die Vorteile liegen auf der Hand, denn die kontinuierliche Messung ermöglicht maximale Messdatendichte, die Früherkennung von Fehlern und die Nutzung der Restsubstanz. Technisch können heute Fortschritte in der on-line Messung der gelösten Fehlergase (DGA), vom Verlustfaktor von Durchführungen und von Teilentladungen beobachtet werden.

Die große Herausforderung liegt aber in der sinnvollen Verdichtung und korrekten Analyse der vielen Terabyte an anfallenden Messdaten. Das veranlasste die Cigré zur Gründung der Arbeitsgruppe A2.44, deren Fokus sich von der Frage "Wie messe ich?" weiterbewegt zu "Wie interpretiere ich?" und den bezeichnenden Namen "Intelligent Transformer Condition Monitoring" trägt. Lösungen dieser Fragestellung liegen zum einen in der erhöhten Genauigkeit von on-line Messsystemen, welche die Anwendung von Interpretationsregeln der off-line Messverfahren ermöglicht. Zum anderen kommen vermehrt Software-basierte Algorithmen zur Anwendung, wie z.B. für die sehr komplexen Teilentladungs-Muster von rotierenden Maschinen das Verfahren "OPTICS: Ordering Points to Identify the Clustering Structure", [8].

Zusammenfassung

Durch wissenschaftliche Forschung und erweiterte messtechnische Möglichkeiten machte die Diagnostik an Hochspannungs-Betriebsmitteln eine Reihe von Fortschritten. Beharrungserscheinungen in der eher konservativen Welt der elektrischen Energietechnik sind dabei normal. Zwar konnte die Brücke zwischen Messwert und dessen Interpretation nicht für jedes Verfahren gebaut werden, doch gibt es dafür positive Beispiele wie z.B. bei der Feuchtigkeit im Isoliersystem. Für andere Verfahren versprechen Software-basierte Lösungen wirklichen Anwendernutzen.

Quellen

[1] "Neue Panne in Sicherheitstechnik des AKW Krümmel", online verfügbar, 2011-10-26, www.merkur-online.de
[2] Diskussionsbeiträge zur Cigré WG D1.37 " Guidelines for basic and practical aspects of partial discharge detection using conventional (IEC60270) and unconventional methods"
[3] S. Tenbohlen, A. Pfeffer, S. Coenen:"On-site experiences with multi-terminal IEC PD measurements, UHF PD measurements and acoustic PD localisation", ISEI San Diego 2010
[4] A. Kraetge et al.: "Modern de-noising strategies for PD measurements on transformers under challenging on-site conditions", Cigré A2-D1 Colloquium Kyoto, 2011
[5] S. M. Gubanski, et al.: “Dielectric Response Diagnosis for Transformer Windings” CIGRÉ TF D1.01.14, Technische Broschüre 414, Paris, 2010, online verfügbar unter www.e-cigre.org
[6] M. Koch: "Reliable Moisture Determination in Power Transformers”, Dissertation, IEH der Universität Stuttgart, Sierke Verlag Göttingen, Germany, 2008
[7] M.-C. Lessard et al.:"Furanic compounds as a diagnosis tool for solid insulation of power transformers: knowledge, possibilities and limits", Cigré TF D1.01.13 Technische Broschüre online verfügbar unter www.e-cigre.org
[8] W. Koltunowicz et al.:"Continuous PD Monitoring of Stator Insulation", CMD 2010, Tokyo

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