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01 Beispielapplikation: Teilentladungsdiagnose am Transformator

Dielektrische Qualitätssicherung von HS-Betriebsmitteln

02 Maßnahmen zur Qualitätssicherung während der Entwicklung, Fertigung und Lebensdauer des Betriebsmittels

Dielektrische Diagnosemessungen liefern einen wichtigen Beitrag zur Qualitätssicherung und Aufrechterhaltung der Betriebssicherheit energietechnischer Betriebsmittel. So lässt sich darüber eine Veränderung des Zustands der Isolation ermitteln. Daher sollten sowohl während der Entwicklung und Fertigung als auch über die gesamte Lebensdauer eines Betriebsmittels hinweg begleitende Diagnosemessungen durchgeführt werden. Zur dielektrischen Qualitätssicherung hat Omicron verschiedene Messsysteme im Programm.

Bei energietechnischen Betriebsmitteln handelt es sich um hochkomplexe Geräte, die über ihre gesamte Lebensdauer hinweg oftmals starken Beanspruchungen ausgesetzt sind. Diese Beanspruchungen können hohe elektrische Feldstärken, aber auch Temperaturschwankungen oder starke, kurzeitig auftretende mechanische Kräfte sein. In Folge altert unter anderem die elektrische Isolation, welche von großer Bedeutung für die Funktion des Betriebsmittels ist.

Dielektrische Qualitätssicherung am Beispiel eines Transformators
Wichtig ist es deshalb, die dielektrische Qualität von Betriebsmitteln sicherzustellen. Die zur Qualitätssicherung üblichen Messungen werden nachfolgend am Beispiel eines Transformators erläutert. Das Prinzip ist aber auch auf andere Betriebsmittel, wie Motoren, Generatoren oder Kabelanlagen, übertragbar. Vor der Bestellung eines neuen Transformators müssen zunächst die gewünschten Spezifikationen bekannt sein. Hierzu zählen nicht nur die Leistungsdaten, sondern auch besondere Anforderungen, wie eine sehr geringe Geräuschentwicklung. Darüber hinaus müssen die Anforderungen an die Qualitätssicherung geklärt werden: Der Kunde möchte sichergehen, dass er ein einwandfreies Produkt erwirbt.

Geprüfte Qualität
Zur Überprüfung des Designs und zur Sicherstellung einer hohen Qualität werden Hochspannungsbetriebsmittel während der Entwicklung und Fertigung in der Regel verschiedenen Standardprüfungen unterzogen. Angefangen bei Material-Eingangsprüfungen über Forschungs- und Entwicklungs- bis hin zu Typprüfungen. Die besondere Komplexität der Hochspannungstechnik und ihrer Betriebsmittel erlaubt jedoch nur eine begrenzte Simulierbarkeit und erfordert viele empirische Untersuchungen. Um Aussagen über Grenz- und Langzeitverhalten des Betriebsmittels und der verwendeten Materialien treffen zu können, werden die Untersuchungen und Prüfungen mit hoher Präzision unter Laborbedingungen durchgeführt. Bei Geräten, die in großer Stückzahl hergestellt werden, wird zudem jedes einzelne einer Stückprüfung unterzogen. Dadurch wird sichergestellt, dass das finale Produkt allen Anforderungen hinsichtlich Fertigungs- und Montagequalität entspricht. Neben den Standardprüfungen, die in den relevanten Normen definiert sind, können zwischen Kunde und Hersteller auch weitere Prüfungen festgelegt werden, um spezielle Anforderungen nachzuweisen.

Kleinste Schäden – große Folgen
Ein wichtiger Teil der genannten Prüfungen ist die Teilentladungsmessung (Bild 1). Bei Teilentladungen (TE) handelt es sich um kleine Entladungen, die bei Belastung mit hoher elektrischer Feldstärke auftreten und eine Isolation dauerhaft schädigen. Ein Durchschlag überbrückt die komplette Isolationsstrecke, eine Teilentladung nur einen kleinen Teil. Teilentladungen deuten auf Schäden oder Überbelastung in der Isolation hin. Je nach Ursache der Teilentladungen, können sie weitreichende Schädigungen verursachen, die bis hin zum Ausfall des Betriebsmittels reichen können. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Quelle der Teilentladungen zu erkennen, zu finden und wenn nötig zu beseitigen. Hierbei müssen Ladungen im Picocoulomb-Bereich bei anliegenden Spannungen im Bereich von Kilovolt sicher und zuverlässig ermittelt werden. Äußere Störer müssen identifizierbar sein und sich, wo möglich, filtern oder unterdrücken lassen. Hat der Transformator nach der Fertigstellung alle geforderten Prüfungen bestanden, ist es sinnvoll, vor dem Transport eine „Frequency Response Analysis (FRA)“ durchzuführen. Mithilfe der FRA können mechanische Veränderungen des Aktivteils erkannt werden. Diese Messung dient als Referenz für zukünftige Messungen und stellt den intakten Zustand dar. Alle zukünftigen Messungen werden mit dieser Messung verglichen und Abweichungen müssen untersucht werden. Besonders bei Großtransformatoren, aber auch bei allen anderen Hochspannungsbetriebsmitteln, ist es wichtig, die funktionale und dielektrische Unversehrtheit nach dem Transport zu überprüfen. Die gebräuchlichsten Methoden sind die FRA und die Teilentladungsmessung. Ein unsachgemäßer Umgang während des Transports oder während der Aufstellung, der zu inneren mechanischen Schädigungen geführt hat, lässt sich durch den Vergleich mit der Referenzmessung aus der Fabrik ermitteln. Wird während der Inbetriebnahme eine TE-Messung durchgeführt, können hierdurch nicht nur mögliche Transporteinflüsse auf das Dielektrikum erkannt werden. Es wird auch eine Qualitätskontrolle aller vor Ort installierten Hochspannungsbauteile, zum Beispiel Durchführungen, vorgenommen.

Betrieb – und jetzt?
Hat das Betriebsmittel alle Prüfungen erfolgreich bestanden, kann es in Betrieb gehen. Dann beginnt der zweite Teil der Qualitätssicherung (Bild 2). Für die Betriebsdauer müssen strategische Entscheidungen zur weiteren Wartung und Überwachung getroffen werden. Im Rahmen eines Flottenmanagements, zur Erhöhung der Verfügbarkeit und Planungssicherheit aber auch zur Werterhaltung ist eine regelmäßige Wartung bei Großtransformatoren und anderen großen Hochspannungsbetriebsmitteln Stand der Technik. Die üblicherweise angewandten Diagnoseverfahren beschränken sich allerdings auf einen kleinen Ausschnitt aus der Palette der Möglichkeiten der dielektrischen Diagnostik. So beschränkt man sich bei Transformatoren häufig auf die Gas-in-Öl-Analyse (DGA) als regelmäßige Diagnosemessung. Größerer diagnostischer Aufwand wird meist erst betrieben, wenn der Transformator bei der regelmäßigen Wartung Auffälligkeiten zeigt. Auch nach Störfällen an den Betriebsmitteln oder im Netz, mit direktem Einfluss auf die Betriebsmittel, werden weitergehende diagnostische Messungen vorgenommen. Zum Spektrum der Messungen für diese erweiterte Diagnose zählen unter anderem: Teilentladungsmessung, dielektrische Antwortmessung, FRA, Wicklungswiderstand, Leerlaufimpedanz, Leerlaufstrom, Übersetzungsmessung, Isolationswiderstand und die Kapazitäts- und Verlustfaktormessung.

Dauernd unter Aufsicht
Bei Geräten mit besonderen Anforderungen an die Verfügbarkeit, an exponierte Netzpositionen oder mit außergewöhnlichen Lasten kann es indiziert sein, den Transformator kontinuierlich zu überwachen. Bei diesem Online-Monitoring sind nicht alle bisher genannten diagnostischen Größen ermittelbar, da einige nur im Offline-Zustand analysiert werden können. Die Erfassung und Aufzeichnung von Teilentladungen, Verlustfaktoren der Durchführungen und der Gas-in-Öl-Analyse sind etablierte Tools bei Großtransformatoren. Sie können ein Bild liefern, auf dessen Basis über zustandsbedingte Wartung und erweiterte, zustandsbedingte Diagnosemessungen entschieden wird. Auf Grundlage des kontinuierlichen Monitoring lassen sich die Intervalle zwischen den Wartungen bzw. Diagnosemessungen optimal anpassen. Am Lebensende eines Transformators lassen sich final noch weitere Daten für das Flottenmanagement und „Schwestertransformatoren“ sammeln. Diese Daten ermöglichen teilweise den Weiterbetrieb von Hochspannungsbetriebsmitteln über die Auslegelebensdauer hinaus und dadurch eine optimale Nutzung der Investitionen. (ih)

03 Durch spezielle Methoden werden Störquellen ausgeblendet. Dadurch lassen sich unterschiedlich TE-Quellen einfacher separat voneinander analysieren

04 Automatische Auswertung der Resultate

05 Einflussfaktoren auf den frequenzabhängigen Verlustfaktor

Empfohlene Messungen zur dielektrischen Qualitätssicherung

Zur dielektrischen Qualitätssicherung können beispielsweise die Teilentladungsmessung, die Frequenzganganalyse (FRA) oder die dielektrische Antwortmessung herangezogen werden. Für jedes dieser Messverfahren hat Omicron das passende Messsystem im Angebot.

Die Teilentladungsmessung
Die Teilentladungsmessung ermöglicht eine Analyse der Isolierung in Bezug auf kleinste Schädigungen. Teilentladungen (TE) sind kleinste Entladungen, die in Schwach- und Fehlstellen der Isolation auftreten. Durch den kurzzeitigen, hohen Energieeintrag des Mikro-Lichtbogens wird die Schädigung des Isoliermaterials vorangetrieben. Die lokale Schwächung der Isolation führt in Abhängigkeit des Isoliermaterials irgendwann zu einem vollständigen Isolationsversagen. Die Teilentladungsmessung mit dem MPD600 (www.omi cron.at/MPD600) ermöglicht die Detektion und Messung von Teilentladung mit einer sehr hohen Sensitivität bei der Nutzung von modernen, mehrkanaligen, synchronen und multispektralen Mess- und Diagnoseverfahren.

Frequenzganganalyse (FRA)
Die Frequenzganganalyse (FRA) wird durchgeführt, um die elektrische und mechanische Unversehrtheit des Aktivteils (Wicklungen, Kern, Verbindungen und Zuführungen) zu überprüfen. Beim Einsatz des „FRAnalyzer“ (www.omicron.at/ franalyzer) wird eine aktuelle Messung mit einer zu einem früheren Zeitpunkt durchgeführten Referenzmessung (Fingerprint) verglichen. Ist kein Fingerabdruck verfügbar, kann eine andere Phase oder ein baugleicher Transformator für den Vergleich herangezogen werden. Immer mehr Energieversorgungsunternehmen nutzen die FRA bei Routineprüfungen, weil damit zahlreiche Fehler komplett nichtinvasiv ermittelt werden können. Die FRA ist die optimale Messmethode zur Prüfung mechanischer Unversehrtheit.

Dielektrische Antwortmessung
Mit der Analyse der dielektrischen Eigenschaften kann der Wassergehalt in der festen Isolation (Zellulose) bewertet und ihr Zustand überwacht werden. Den Wassergehalt zu kennen, ist wichtig für die Zustandsbestimmung der Durchführungen und des Aktivteils eines Transformators. Wird der Verlustfaktor eines Transformators über einen breiten Frequenzbereich gemessen, lassen sich anhand der dielektrischen Antwort Aussagen über den Isolationszustand treffen. Dirana (www. omicron.at/dirana) misst die dielektrische Antwort über einen Frequenzbereich von 10 μHz bis 5 kHz. Es reduziert Prüfzeiten durch die Kombination der dielektrischen Spektroskopie (FDS) für hohe Frequenzen mit dem Zeitbereichsverfahren (PDC) für niedrige Frequenzen. Die gemessenen Werte ermöglichen auch eine Isolationsdiagnose bei Generatoren, Motoren, Wandlern und Kabeln.

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Autoren:
Ulrike Broniecki ist bei Omicron als Applikationsingenieurin für Monitoring tätig. ulrike.broniecki@omicron.at

Daniel Gebhardt ist bei Omicron als Experte für Teilentladungsmessungen im Bereich der Diagnostik und des Monitorings tätig.
daniel.gebhardt@omicron.at