Grundlagen und Empfehlung / Wartung von Transformatoren. Zeit und Kosten sparen mit multifunktionalem Transformatorprüfgerät

Lutz Hulka Megger GmbH 10.08.2016

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Prüfkategorien  Werksprüfungen/Abnahmeprüfungen •

Überprüfen Sie, ob der Transformator entsprechend der Bestellung gebaut ist und so funktioniert

 Vor-Ort-Prüfungen •

Inbetriebnahme –

•

Fingerabdruck/Zustandsbeurteilung –

•

Überprüfen Sie, dass kein Transportschaden aufgetreten und die Montage korrekt erfolgt ist

Tatsächlicher Zustand für Wartungsentscheidungen und Basislinie für spätere Vergleiche Routineprüfungen

Schadensfeststellung –

Transformator beschädigt oder kann er in den Betrieb zurück?

–

Falls beschädigt o

Reparieren oder Schrott?

o

Falls reparieren ... Vor Ort oder in Werkstatt

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Prüfempfehlungen & Normen  CIGRE • • •

CIGRE Brochure 342 (SFRA-FRAX) CIGRE Brochure 414 (DFR-IDAX) CIGRE Brochure 445 (Guide for Transformer Maintenance)

 IEC, TC 14 • • • •

IEC 60076-1, Power Transformers IEC 60076-2, Temperature rise IEC 60076-3, Insulation levels, dielectric tests etc IEC 60076-18, (SFRA-FRAX)

 ANSI, IEEE Transformer Committee • • • •

IEEE C57.152 (Guide for Diagnostics Field Testing) IEEE C57.12.00-2006 IEEE C57.12.90-2006 IEEE PC57.149 (SFRA-FRAX)

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Wartungsstrategie  DIN VDE 0109 • • • •

Vorbeugende Instandhaltung (Zeitbasierte Wartung) Ereignisorientierte Instandhaltung Zustandsorientierte Instandhaltung (Zustand bestimmen) Prioritätenorientierte Instandhaltung (Zustandsbestimmung und Asset Management kombiniert)

 Instandhaltungsaufgaben: • Inspektion – Begehung, Sichtprüfung, Funktionskontrolle Zustandsermittlung • Wartung • Instandsetzung • Verbesserung 4

Cigré Technical Brochure 445, 2011 Richtlinien für Transformator-Wartung

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Cigré Technical Brochure 445, 2011 Richtlinien für Transformator-Wartung

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Transformator-Fingerabdruck Zustandsbeurteilung Folgende Prüfungen/Aktivitäten sollten berücksichtigt werden: • • • • • • • • • • • •

Trafo-Historie wird gesammelt und vor Vor-Ort-Arbeiten ausgewertet Inspektion Blau: ”Arbeiten im Büro” Wicklungsübersetzungsverhältnis Grün: ”Arbeiten vor Ort” Wicklungswiderstand Isolationsprüfungen von Wicklungen und Durchführungen (Tanδ, DFR usw.) Kapazitätsprüfungen der Wicklungen und Durchführungen Erregerstrom SFRA Stufenschalter-Messungen (Widerstand, Make-Before-Break usw.) DGA und Ölprüfungen Überprüfen der Nebenaggregate (Pumpen, Ventilatoren usw.) Auswertung und Protokollierung 7

Transformator-Fehler : Cigré, IEEE, Hartford S&B Univ of Queensland, ZTZService Canadian El Assosiation, Etc...

AusführungsAusführungsmängel mängel Sabotage Sabotage Andere Andere Überlast Gründe Überlast Gründe Feuchtigkeit Feuchtigkeit Kontakte Kontakte Anschlüsse Anschlüsse usw. usw.

Elektrische Elektrische Gründeim im Gründe Netz Netz

WartungsWartungsgründe gründe Blitzschlag

Blitzschlag

Auslösesignale

IsolationsIsolationsgründe

gründe

Resultate: Was war der Grund für den Fehler? 8

Fehlererkennung – Prüfmethoden Annahme: Wir denken, im Transformator ist ein Fehler! Wie wurde er gefunden?

Quelle: Cigré, IEEE, Hartford S&B Univ of Queensland, ZTZService Canadian El Assosiation, Etc...

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Stress-Faktoren  



 

Thermische Belastungen • Überhitzung, zyklisch Chemische Belastungen • Zerfall der Zellulose - - Dipolaristaions-Faktor (DP) • Ölzusätze können die Festisolation beinflussen. Elektrische Belastungen • Normal- und Überspannungen Mechnische Belastungen • Transport, Kurzschlüsse, Umgebung • Wassereintritt • Salze und korrosive Substanzen an Oberflächen (Tank).

Hohe Betriebstemperatur und Feuchte reduzieren die Lebenserwartung des Trafos! 10

Übersicht Transformator-Prüfungen MEGGER PRÜFGERÄTE Komponente

Wicklung

Durchführung

Isolationsöl Zellulose Isolierung Last Stufen-schalter Umschalter Kern/Kessel

Prüfung Widerstand Übersetzung / Polarität Erregerstrom Kurzschluß Impedanz Frequency response analysis Isoaltionswiderstand Kapazität Verlustfaktor (tan delta) Dielektrische Frequenzantwort Kapazität Verlsutfaktor (tan delta) Dielektrische Frequenzantwort Wassergehalt Dielektrische Festigkeit Verlustfaktor (tan delta) Feuchtigkeit Widerstand Übersetzungsverhältnis Continuity (make before break) Dynamischer Widerstand (DRM) Widerstand Übersetzungsverhältnis Isoaltionswiderstand Frequency response analysis Erdüberprüfung

Delta

X

IDAX MIT FRAX MLR

TTR

MTO X

LTC 135 X

X X

X X X

X

MoM TRAX OTS X X X X

KF

X

X X X X

X X X X X X

X X X X X X X X

X

X X

X X

X

X

X X X

X X X X X X

X

X X X

X X X

X

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TRAX - Multifunktionsprüfgerät für Transformatoren & Schaltanlagen  Flexible Quellen zur Prüfgrößenerzeugung    

Strom AC bis 800 A (2000A) Spannung AC bis 2200V (12kV) Variable Frequenz 1 - 500 Hz Spez. DC-Stromausgänge

 Mehrkanalige, Flexible Messungen  

Intern, extern Hochflexible Berechnungen

 Modernes Bedieninterface  

10,4“ Touchscreen Prüf-APPs 12

Vorteile von Mulitfunktionalität  Einfachere Logistik

 Einfachere Bedienung - weniger Anwendertraining nötig  Zeitersparnis  Alle Prüfungen an einem Gerät  Logistik  Bedienung

-> Geringere Kosten bei Anschaffung und im Betrieb 13

Ausgänge, seitliche Anschlusstafel 250 VAC / 10 A AC 300 V DC 2200V AC

16 A DC

Verbindung zu externen Erweiterungen

100 A DC

200 A AC 800 A AC 14

TRAX Draufsicht

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Optionale Systemerweiterungen

TDX 120 TAN DELTA BOX

TSX 300 SWITCH BOX

TCX 200 CURRENT BOX

12 kV-Hochspannungseinheit

Multiplexer für Trafoprüfung

Hochstromeinheit 2 kA 16

Bedienung und APPs • Bedienung erfolgt über Apps auf integriertem Display oder von externem Windows-Tablet oder PC • Apps stellen nur die für die Prüfung relevanten Funktionen bereit (keep it simple)

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Anwendungsbereiche Leistungstransformatoren Wandler Strom Spannung Schaltanlagen Sekundärprüfung einphasig Primärprüfung Schalterprüfung … z.B. rotierende Maschinen

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Fehler-Erkennung mit Übersetzungsmessung Abweichung der Übersetzung zwischen Typenschild und gemessenen Werten kann auf folgendes hindeuten: • Herstellungsdefekt in der Wicklung – Inkorrekte Windungszahl – Inkorrekte Polarität – Inkorrekte Windungskonfiguration

• Isolationsfehler – Zerstörte Zwischenwindungsisolation, die zu Kurzschluß geführt hat – Großfehler: zwischenphasig oder Phase-Erde

• Stufenschalterdefekt – Inkorrekte Montage von Wicklungszuleitungen – Inkorrekte Stufenschalter-Stellung

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Innovation in TTR-Prüfung Höherer Komfort durch einfachere Benutzerführung • • • • •

Schaltgruppe angeben Nenngrößen angeben Verdrahtungshinweise bekommen Prüfung starten Automatische Bewertung de Messergebnisse

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Übersetzungsverhältnis - TTR

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Nenngrößen gemäß Typenschild

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Anschlußinformationen TTR

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Prüfergebnisse TTR

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Wicklungswiderstandsmessung – Wie?  Entscheiden ob der Strom ein- oder zweikanalig eingespeist wird (Simulatane Wicklungsmagentisierung - SWM).  Anschluss von Strom- und Spannungmessleitungen an die entsprechenden Wicklungen.  Prüfstrom einstellen  Test starten  Warten auf Stabilisierung der Ergebnisse  Bei stabilen Werten die Messung stoppen, damit wird automatisch entladen  Warten bis Entladung beendet ist, bevor Messleitungen abtrennen!  Nächste Messung…  Am Ende - Entmagnetisieren 25

Auswahl des richtigen Prüfstroms  Der Kern muss gesättigt werden. Dafür reicht etwa 1% des Nennstroms (oder 2x facher Leerlaufstrom) aus

 Man darf 10% des Nennstroms nicht überschreiten. Das führt zu Wicklungserwärmung und damit zu verfälschten Messwerten  Typische Prüfströme sind im Bereich 0.1-1% der Nennstroms  Wenn der Prüfstrom zu klein ist, wird der gemessene Widerstandswert nicht konstant

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Temperaturabhängigkeit  Gemessener Widerstand ist eine Funktion der Wicklungstemperatur  Korrektur des Widerstands: •

R(initial)[1+ alpha (T(final) T(initial)],

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Entmagnetisierung  Nach Deaufschlagung mit DC sollte Kern entmagnetisiert werden  Dies erfolgt durch Polaritätsumschaltung des DC-Stroms. Die Prozedur wird mehrfach wiederholt mit immer kleiner werdender Stromstärke  Es gegügt nur eine OS-Wicklung dafür anzuschließen (mit dem höchsten Erregerstrom)  Wichtig vor den SFRA- and Erregerstrommessungen durchzuführen  Wird auch im IEEE C57.102 (former IEEE 62) vor der Inbetriebnahme (um in-rush Ströme zu Vermeiden) empfohlen +100% of Test current

+10%

Positive polarity

+0.1%

-0.01% -1%

Negative polarity

-100%

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Simulatane Wicklungs-Magnetisierung  Problem: • Bei US-Wicklung von großen Yd-Trafos (Maschinentrafo) benötigt man viel Zeit zum Stabilisieren

 Lösung: • Starke Quelle, die neben hohem Strom (>50A) auch ausreichend Spannung (z.B. 50V) liefert • Simultane Wicklungs- Magnetisierung (SWM); Stromeinspeisung in beide Wicklungen (OS/US) gleichzeitig!

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SWM – Verstärken der Magnetisierung Strom H1

Strom H0

H0

x1

H1 x0

x1

x0

Elektrischer Strom Magnet-Fluß

”110A”!

10 A

OS=1000 Wind. US=100 Wind. Verhältnis=10 EinwicklungsEinspeisung

SimultaneWicklungseinspeisung

Magnetisierung steigt mit Faktor des Wicklungsverhältnis 10A Prüstrom X 10 Wicklungsverhältnis= 110 A ”effektiver Magnetisierungsstrom” für die USMessung!

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Praxisbeispiel SWM 1100 MVA YNd5, US u-v, TTR=14.8, 8 A Prüfstrom (0.03% des Nennstrom)

Einfache Einspeisung 



Stabilisierungszeit > 25 min

SWM Eispeisung Stabilisierungszeit 5 min

Müller et. al, ”Optimized Tool for the Measurement of Winding Resistance in Power Transformers”, ISH 2011

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Wicklungswiderstandsmessung mit TRAX    

Echter DC bis zu 100A bei 50V Integrierte Stufenschaltersteuerung Adaptiver Algorithmus zur schnellen Entmagnetisierung Viele Sicherheitsfunktionen schützen den Benutzer , das Prüfobjekt und das Prüfgerät (z.B. automatische Entladung trotz )

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Wicklungswiderstandsmessung mit TRAX

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Dynamische Widerstandsmessung Stufenschalter Diagnose  Spannung und Strom werden während Schaltprozess aufgezeichnet  Dynamischer Widerstand sowie Schaltzeiten werden automatisch berechnet  Ein von Megger patentiertes Verfahren wird angewendet

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DRM - Stufenschalterdiagnose

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Isolationsprüfung am Trafo 2-Wickler

3-Wickler CLT

CHL

CHL

CHT CL

3 Isolationen CH, CL CHL

CH

CT

CL

CH

6 Isolationen CH, CL, CT CHL, CLT, CHT

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Leistungsfaktor, Verlustfaktor  Verlustfaktor I

IC

tan  

I IC

~ U

IR

tan  

IR IC cos  1  cos 

2

 Leistungsfaktor

δ

cos  

φ IR

U

cos  

IR I tan  1  tan 

2

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Verlustfaktormessung mit TRAX (tan δ)  Verlustfaktor und Kapazität bis 12 kV an Trafo und Durchführung

 Frequenzbereich von 1 bis 500 Hz  Analyse • Isolations Parameter mit benutzerdefinierten Limits • ITC, Individual temperature correction (Megger patent) • VDD, Voltage dependence detection (Megger patent)

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Übersicht TRAX Apps für Trafo Basis

Erweitert

Übersetungsverhältnis

Verlustfaktor tanδ

Wicklungswiderstand

Dynamische Widerstandsmessung OLTC - Stufenschalter

Entmagnetisierung

Magnetisches Gleichgewicht

Erregerstrom

FRSL – Frequenzgang von Streuverlusten

Kurzschlußimpedanz Manuelle Steuerung

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Übersicht TRAX Apps für Wandler Stromwandler

Spannungswandler

Übersetungsverhältnis (Methode I)

Übersetungsverhältnis

Bürde

Bürde

Magnetisierungskurve

Polarität

Polarität Übersetungsverhältnis (Methode U) Wicklungswiderstand Übersetzungsverhältnis Rogowski

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Übersicht TRAX Apps für Schaltanlagen Schaltanlagen Leistungsschalter Analysator (Schaltzeiten, Spulenströme,…) Kontaktwiderstand LS Auslösezeitmessung Einphasige Relaisprüfung Zeitmessung Phasenwinkelmessgerät Erdimpedanz, Leitungsimpedanz / K-Faktor Leistungsmessgerät 41

Manuelle Steuerung TRAX

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Manuelle Steuerung TRAX Messungen und Quelle

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Manuelle Steuerung TRAX Berechnung

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TRAX - Multifunktion

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Praxisteil am Nachmittag

Dank an AEW Energie AG

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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Isolationsprüfung - Geschichte     

    

1870er Jahre; Erste systematische Untersuchungen dielektrischer Eigenschaften (Clausius und Mosotti) 1885; Ottó Bláthy erfindet den Transformator 1927; Erstes Megger-Instrument für die Gleichstrom-Isolationsprüfung wird patentiert und vorgestellt 1990; ABB stellt erste Ergebnisse zu dielektrischen Reaktionsmessungen an Isolationsmaterialien (NORD-IS 1990) 1993; Entwicklung des ersten Feldinstruments für Frequenzreaktionsmessungen wird von Dr. Peter Werelius begonnen 1995; Erstes Feldinstrument für DFR (IDA) ist verfügbar 1995–2005; Das Interesse an der Nutzung von DFR/FDS für die Untersuchung von Isolationseigenschaften nimmt rapide zu, und auf internationalen Tagungen werden zahlreiche Vorträge zur Methode und Technologie gehalten 2004; CIGRE-Report 254 „Dielectric Response Methods for Diagnostics of Power Transformers“ (Dielektrische Reaktionsmethoden für die Diagnose von Transformatoren) wird veröffentlicht 2006; Projekt REDIATOOL bei CIGRE berichtet; DFR wird als Methode der Wahl für die Feuchtigkeitsprüfung an Transformatoren empfohlen 2010; CIGRE-Report 414 „Dielectric response diagnoses for transformer windings“ (Dielektrische Reaktionsprüfung für Transformatorwicklungen) wird veröffentlicht 49

Auswertung Leistungstransformatoren Typische Leistungsfaktorwerte bei 20 °C

"Neu"

“Alt"

Warn-/Alarmgrenze

Leistungstransformatoren, ölisoliert

0,2 - 0,4 %

0,3 - 0,5 %

> 0,5 %

Durchführungen

0,2 - 0,3 %

0,3 - 0,5 %

> 0,5 %

IEEE 62-1995 stellt fest: “Die für Routine-Gesamtprüfungen bei älteren Betriebsmitteln aufgezeichneten Leistungsfaktoren liefern Informationen hinsichtlich Allgemeinzustand der Erdungs- und Zwischenwicklungsisolation von Transformatoren und Drosseln. Während die Leistungsfaktoren für die meisten älteren Transformatoren auch 1,0 % (20 °C) nachgeprüft werden.”

Einflussfaktoren  Messergebnis ist stark temperaturabhängig  Vergleichbarkeit ist nur bei gleicher Temperatur gegeben  Umrechnung auf Bezugstemperatur erforderlich • Umrechnungstabellen • Basieren auf statistischen Mittelwerten Standard temperature correction values (IEEE)

ITC: Intelligente Temperaturkompensation  Gute Isolation ist weniger temperaturabhängig als eine schlechte / feuchte Isolation • tanδ = f(T); temperaturabhängig • tanδ = f(f); frequenzabhängig

 Die Messung einer Isolation bei gleicher Temperatur aber verschiedenen Frequenzen kann genutzt werden um die Temperaturabhängigkeit Intelligent temperature correction (ITC) for typical transformers at various age/condition eines Materials bei konstanter Frequenz zu bestimmen.

Einflussfaktoren  Bei ölgefüllten Transformatoren ist der Verlustfaktor normalerweise nicht bzw. kaum spannungsabhängig  Spannungsabhängigkeiten können aber auftreten • Ionisierung (TE)

 Wird nur mit einer Spannung (z.B. 10 kV) geprüft fällt diese Abnormität nicht auf.  Prüfung mit verschiedenen Spannungen ist nicht Standard  Eine zum Patent angemeldete, auf Oberschwingungsanalyse basierende Methode (VDD) kann Spannungsabhängigkeit erkennen und melden.  Damit wird dem Anwender eine genauere Untersuchung, die automatische Stufenprüfung (Tip-up Test) empfohlen.

Fehlererkennung  Erhöhte Verlustfaktoren und mögliche Ursachen: • • • • •

Kontamination Chemische Alterung Schäden durch Überhitzung Feuchtigkeit Spannungsabhängigkeit, kann Ionisierung (TE) indizieren

 Kapazitätsänderungen kann folgende Ursachen haben: • •

Mechanische Deformation in Kern-/Windungsstruktur Feuchtigkeit

 Veränderungen im Erregerstrom kann folgendes anzeigen: • • •

Wicklungsschlüsse Mechanische Deformation in Kern-/Windungsstruktur Kernerdungsprobleme