1 Beurteilung des Messmethoden für die Diagnostik der Anfeuchtung von Transformatoren Dipl.Ing. Altmann, Dipl. Ing. Bukviš 1

Einleitung

Die gegenwärtigen Methoden zur Messung des Wassergehalts im Isolationsöl und die an sie anknüpfende Beurteilung der Anfeuchtung des Isolationssystems von Leistungstransformatoren führen in vielen Fällen zu wiedersprüchigen und manchmal nichtreproduzierbaren Schlüssen über den Zustand der zu beurteilenden Maschine. Ein typisches Beispiel der daraus sich ergebenden wiedersprüchlichen diagnostischen Schlussfolgerungen bietet die Messung und Interpretation der gemessenen Daten vor und nach einem Ölwechsel bei einem älteren Transformator. Wird in beiden Fällen der Wassergehalt im Öl mittels Karl Fisher Methode gemessen, dann ist bei gleicher Maschinentemperatur im gealterten Öl der festgestellte Wassergehalt stets höher, als im neuen Öl. Dieser Wiederspruch kann bei der Beurteilung der Anfeuchtung des Transformators nur schwer akzeptiert werden. Nehmen wir an, wir haben im Transformator 10.000 kg Öl und 1.000 kg Zellulosewerkstoffe. Der Transformator wird bei konstanter Temperatur von 50°C betrieben und im gealterten haben wir Cw = 30 ppm gemessen. Im neuen Öl war das Messresultat unter den gleichen Bedingungen der Wassergehalt ~ 20 ppm. Dem entspricht dann vor dem Ölwechsel gemäss Nielsen-Diagramm, z.B. nach [L2] (FabrePichon-Diagramm) ein Wassergehalt in der Zellulose Cp = 4.3 %. In der Zellulose deponiert sind also 1000 x 0.043 = 43 kg Wasser. Die menge des im Öl gelösten Wassers ist 10 000 x 0.000030 = 0.3 kg. Durch einen Ölwechsel konnten wir also im besten Falle 0,3 kg Wasser entfernen. Die Gesamtmenge des Wassers im System hat sich infolge des Ölwechsels also unwesentlich geändert, und falls wir unter denselben Bedingungen den Wassergehalt im neuen Öl messen, müssen wir annähernd gleiche Resultate bekommen, d.h. eine vernachlässigbare Abweichung des Cw – Wertes. Was hier allerdings keineswegs der Fall ist. Gibt uns z.B. die KF-Messung in einer neuen Ölfüllung einen Wert von Cw = 20 ppm, und der entsprechende Wassergehalt in der Zellulose ist also Cp = 3.2 %, dann enthält die Zellulose nun lediglich 32 kg Wasser? Wohin sind mehr als ganze 10 kg Wasser verschwunden ? 2.

Experimentanlage

Für eine quantitative Bestätigungung der oben genannten Fragen haben wir eine experimentieranlage gemäss Bild 1 benutzt. Mit Hilfe dieser Anlage versuchen wir nun dasselbe Geschehen zu simulieren, zu dem es im Transformator bei einem Ölwechsel, d.h. beim Ersetzen des alten Öls durch eine neue Füllung, kommt. Nun aber unter strikt definierten und demzufolge voll reproduzierbaren Bedingungen. Wir haben dabei zwei Grundziele: •

qualitativ eindeutig zu bestimmen, welche der Methoden für die Messung der Anfeuchtung des Transformators geeignet ist und weiter, unter identischen Bedingungen, d.h. im Gleichgewichtszustand, im Öl-Zellulose-System vor und nach dem Ölwechsel unter Betriebsbedingungen quantitativ die Ergebnisse der KF- und der F- Methode zu vergleichen,

2 •

durch Vergleichen der verfügbaren Nielsen-Diagramme mit unserer direkten Messung zu beurteilen, mit welcher Genauigkeit wir in der Lage sind, den Wassergehalt in den Zellulosewerkstoffen zu bestimmen. Ausdehner

Glaszylinder

Papiereinlage

Heizkoerper

Temperaturregler

Sonde HMP 228

Vaisala

Umwaelzpump e

Bild 1 Schematische Darstellung der Experimentanlage Das gesamte Experimentausmass haben wir reichlich dimensioniert (das experiment enthält minimal 20 Liter Öl und minimal 1,5 kg Zellulose), damit die für die Analyse vorgenommenen Ölprobenentnahmen die Bedingungen des Experiments nicht stören. Ein leichtes Erreichen der gewünschten Temperaturniveaus im Öl-Zellulose-System ermöglichte die Anwendung einer elektrischen Aufheizung des Öls mit stetiger Temperaturregelung mittels PI-Regler. Ein relativ rasches Erreichen des erforderlichen Konzentrationsgleichgewichts und eine Unterdrückung der Entstehung von TemperaturStratifikationsschichten in der Ölfüllung des Experiments wurde erreicht, indem durch die Papiereinlage mittels Pumpe ständig Öl gedrückt wurde. Gleichzeitig wurde, mit Rücksicht auf die Unterdrückung der vertikalen Temperaturverteilung in der Papiereinlage auch mit Hilfe von zwei Temperaturfühlern T1 und T2 die zulässige vertikale Temperaturdifferenz des Öls unterhalb und oberhalb der Einlage kontrolliert. Für die Messung des Wassergehalts im Öl wurde eine Sonde vom Typ HMP 228 (Vaisala) [L3] im On-Line-Regime benutzt, sowie die übliche Methode der Messung des Wassergehalts in der Ölprobe mittels Aquameter (Baur KFM 1000). Die Messung der Temperaturen in der Anlage erfolgte mit Temperatursensoren Ni 1000. 3.

Die Messung der Relation Cw = Cw (Cp, T)

Die Messung der Relation Cw = Cw (Cp, T) verlief so, dass bei ständiger Durchspülung der Einlage mit Öl stets auf einem gegebenen Temperaturniveau das Konzentrationsgleichgewicht mittels On-Line eingesetzter Vaisala-Sonde kontrolliert wurde und erst bei nachweisbarem Erreichen des Beharrungszustands in deren Ausgang der Wasseraktivität eine Ölprobenentnahme für das Aquameter vorgenommen wurde.

3

300

y = 11.458e0.0396x

Cp= 6%

250

y = 8.9185e0.0407x

Cw (ppm)

200

y = 5.5896e0.0432x

150

Cp= 1%

y = 3.6784e0.0437x

100 y = 1.8136e0.046x 50

y = 0.7166e0.0457x

0 0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

T (C )

Bild 2 Abhängigkeit Cw = Cw (Cp,T) für neues Öl, Säurezahl ČK < 0.005 mg KOH / g Mit Aquameter gemessen (KF-Methode). Da wir den Wert Cw stets parallel mittels KF- und F-Methode gemessen haben, war es nötig erst zu beurteilen, mit welcher gegenseitigen Genauigkeit beide Methoden arbeiten. Dazu wurde das im Bild 3 gezeigte sog. Verifikationsdiagramm genutzt, wo auf der X-Achse die Cw-Werte aus der Vaisala-Sonde, und auf der Y-Achse die jeweils bei gleicher Temperatur und gleichem Wassergehalt in der Zellulose gemessenen Werte aus dem Aquameter aufgetragen sind. Cw-KF (ppm) - Aquametr

120

y = 0.9994x + 0.1401 R2 = 0.9987

100

80

60

40

20

0 0

20

40

60

80

100

120

Cw-F (ppm) - Vaisala

Bild 3 Verifizierung der gegenseitigen Genauigkeit der KF- und F- Methoden. -Neues Öl Aus Bild 3 ist sehr gut zu erkennen, dass im Falle des neuen Öls mit einer Säurezahl ČK < 0.005 beide Methoden praktisch die gleichen Werte des Wassergehalts im Öl messen. Der Korelationsindex R2 is sehr hoch d.h. dass beide Methoden praktisch die gleichen Cw-Werte messen und die F-Methode gegenüber der standardmässigen KF-Methode zufriedestellend genau ist. ¨

4 Eine völlig andere Situation entstand, als wir das Experiment mit gealterten Öl mit einer Säurezahl ČK = 0,18 mg KOH / g füllten. Die mit dem gealterten Öl erzielten Resultate sind auf Bild 4 wiedergegeben. 350

300

Cp=6%

0.0395x

y = 13.253e

250 0.0373x

Cw (ppm)

y = 12.039e 200

0.0395x

y = 8.3157e

Cp=1%

150

0.0404x

y = 5.4993e 100

0.0455x

y = 2.3431e 50

0.0486x

y = 0.8158e

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

T (C)

Bild 4 Abhängigkeit Cw = Cw (Cp, T), gealtertes Öl, Säurezahl ČK = 0,18 mg KOH / g Mit Aquameter gemessen Das Diagramm auf Bild 4 zeigt, dass nun mit dem Aquameter deutlich höhere Werte des Wassergehalts im Öl gemessen werden, und dies unter den Bedingungen, wo ausser dem Anstieg der Säurezahl des Öls es im Experiment zu keinerlei anderen Veränderungen kam. Diese Situation ist aus dem folgenden Verifikationsdiagramm klar ersichtlich .

Cw-KF (ppm) - Aquameter

120

y = 1.2087x + 2.4626 R2 = 0.9967

100

y=x

80 60 40 20 0 0

20

40

60

80

100

120

Cw-F (ppm) - Vaisala

Bild 5 Genauigkeitsverifikation KF- gegenüber der F-Methode – gealtertes Öl, Säurezahl ČK = 0,18 mg KOH / g. Die lineare Verbindungslinie des Trends zeigt, dass die Abweichung der mit dem Aquameter gemessenen Werte für ČK = 0,18 mg KOH/g nun mehr als 20% gegenüber dem nichtgealterten Öl beträgt. Da wir bei dieser Auswertung als Bezugsmessung die mittels der F-Methode gewonnenen Werte benutzt haben, müssen wir nun erst beweisen, dass die so eingeführten Werte tatsächlich Bezugswerte sind, d.h. dass mit der F-Methode gemessenen Werte für beide Öltypen gleich bleiben.

5 Das kann wiederum mittels Verifikationsdiagramm bewiesen werden, wo auf der X-Achse nun die mittels Vaisala-Sonde gewonnenen Werte für neues Öl erscheinen, und auf der YAchse die mit derselben Sonde und unter denselben Bedingungen gewonnenen Werte für gealtertes Öl. Die Resultate zeigt Bild 6. 100 y = 0.9749x + 0.4092 R2 = 0.9807

Cw-F (ppm) - gealtertes Oel

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Cw-F (ppm) - neues Oel

Bild 6 Genauigkeitsverifizierung der F-Methode – neues gegenüber gealtertem Öl Wenn wir nun die KF- und die F-Methode vergleichen, wird es klar, dass die KF-Methode zur Bestimmung des Wassergehalts in der Zellulose und demzufolge auch zur Bestimmung der Anfeuchtung des Transformators lediglich dann anwendbar ist, wenn der Transformator mit neuem Öl, oder mit Öl mit sehr geringer Säurezahl, gefüllt ist. Demgegenüber wird der Ausgang der F-Methode seitens der Alterungsprodukte nicht wesentlich beeinflusst und ist also für die Bestimmung der Anfeuchtung des Transformators durchaus relevant. 4.

Verifikation des Nielsen-Diagramms

Bild 7 zeigt das Nielsensche Gleichgewichtsdiagramm, das aufgrund unserer Messungen gewonnen wurde.

Wasergehali im Zellulose - Cp (%)

7

6 20 25

5

30 35

4

40 45 50

3

55 60

2

65 70

1

0 0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

110.0

120.0 130.0

140.0

150.0

160.0

Wassegehalt im Oel - Cw (ppm)

Bild 7 Nielsensches Gleichgewichtsdiagramm – gemessene Werte, [L1], Säurezahl ČK < 0.005 mg KOH / g

6 Eine Beurteilung der Genauigkeit der gemessenen Daten und des aus ihnen abgeleiteten Nielsen-Diagramms gegenüber Daten aus der Literatur ermöglicht das folgende Bild. 8 Cp-Oommen(min)

y=x

y = 1.1877x + 0.3585 - W eidmann

Cp-Oommen(max)

7 y = 0.8752x + 0.0773 Oommen(min)

Cp (%) - Literatur

6

Cp-Fabre§Pichon W eidmann

y = 0.9281x + 0.1306 Oommen (max)

5

Lineární (W eidmann) Lineární (Cp-Fabre§Pichon) Lineární (Cp-Oommen(min))

4

Lineární (Cp-Oommen(max))

3 2 y = 1.2248x + 0.3319 Fabre-Pichon 1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

Cp (%) - M essung

Bild 8 Vergleich der im Experiment gemessenen Daten mit denen aus der Literatur [L2]. Aus dem Bild ist ersichtlich, dass die in den meisten Fällen benutzten Nielsen-Diagramme, hier vertreten durch die von Fabre-Pichon (1960) und Norris (1963 – EHW Weidmann), auf eine beträchtliche Überbewertung des Wassergehalts in der Zellulose gegenüber unseren Daten führen. Für diese älteren Daten liefert uns die lineare Regression im gesamten Bereich der Grösse Cp (1 – 6%) nicht nur eine beträchtliche positive relative Abweichung, sondern auch eine absolute Abweichung. Eine zufriedenstellende Erklärung dieser Tatsache zu geben ist zur Zeit nicht möglich, es wird notwendig sein, mehr im Detail zu überprüfen, wie diese, augenscheinlich vor allem rechnerische Verfahren, mittels experimenteller Daten verifiziert wurden. Demgegenüber führen neuere Daten, siehe Oommen (1983), die in [L2] für eine wesentlich genauere Erfassung der gegebenen Realität gehalten werden, auf eine geringe negative Abweichung und eine relativ gute Übereinstimmung mit den direkt gemessenen Daten in unserem Experiment. 5.

Schlussfolgerung

Aus der vorgelegten Arbeit geht hervor, dass die gegenwärtige Diagnostik der Anfeuchtung älterer Transformatoren augenscheinlich durch zwei grundlegende systematische Fehler belastet ist: •

Die Karl Fischer – Methode misst in gealterten Ölen einen höheren Wassergehalt im Öl als der Wert des Gehalts des in dem Öl gelösten Wassers ist, der allein gemeinsam mit der Temperatur den Wassergehalt in der Zellulose bestimmt.

•

Die Applikation älterer Versionen des Nielsen-Diagramms führt zu einer Überbewertung des Wassergehalts in den Zellulosewerkstoffen von Leistungstransformatoren.

In der Praxis zeigt es sich jedoch leider, dass es bei der Diagnostik älterer Transformatoren sehr oft zu eine Verkettung von beiden genannten Fehlern kommt. Im gealterten Öl wird mit

7 der KF-Methode zuerst ein höherer als realer Wassergehalt im Transformatoröl gemessen, und nachfolgend wird dieser Fehler noch vergrössert, wenn wir diesen Wert in ein älteres Nielsen-Diagramm eingeben und dadurch einen unadäquat hohen Wert des Wassergehalts in der Zellulose bekommen. Als Ergebnis bekommen wir dann eine fehlerhafte Diagnose, die auf eine hohe Kontamination des Transformators mit Wasser hinweist. Schrifftum: L1

…..

Altmann Betriebsmessung der Anfeuchtung von Leistungstransformatoren (Provozní měření navlhnutí výkonových transformátorů) Preprint für EW (2003)

L2

…..

Y.Du, M.Zahn et al A Review of Moisture Equilibrium in the Paper-Oil System Department of Electrical Engineering and Computer Science, MIT, Cambridge, MA 02139 USA

L3

…..

HMP228 Moisture and Temperature Transmitter Operating Manual, Vaisala 1998

L4

…..

Bukviš Resultate aus einem Labor-Experiment zur Bestimmung des Gleichgewichtszustands des Wassergehalts im Isolationsöl und in der Zellulose (Výsledky z laboratorního experimentu pro určení rovnovážného stavu obsahu vody v izolačním oleji a celuloze) Interner Bericht ARS 2003