Erkennung von Feuchte in Öl

Powercor Australia ist der größte Stromversorger im Staat Victoria. Powercor hat ein Programm zur Online-Feuchteüberwachung von Transformatoren durchgeführt, bei dem sowohl stationäre als auch portable Ölfeuchtesonden eingesetzt wurden, darunter das Vaisala HUMICAP® Feuchtemessgerät MM70. Schlechte Ölqualität kann zu geringer Durchschlagfestigkeit und sogar Systemausfall führen. Die meisten Ölqualitätsprobleme lassen sich durch Aufbereitung oder Austausch des Öls beheben, doch Feuchte in den Papierisolierungen von Wicklungen und Wicklungshalterungen steigt schnell wieder an. Die Feuchteüberwachung ermöglicht es, diesen erneuten Anstieg nachzuverfolgen. Mit der Online-Trocknung kann die Feuchte in Öl so gesteuert werden, dass die Durchschlagfestigkeitsgrenze des Öls erhalten bleibt.

Messung von Feuchte in Öl

Die Feuchtesonden messen zwei Größen:

1. Aw – Wasseraktivität, eine relative Sättigung von „aktiv“ gelöster Feuchte, ein Wert zwischen 0 und 1.
2. T – Temperatur des Öls in Grad Celsius.

Die Sonden verfügen auch über einen optionalen integrierten Algorithmus, der eine Ausgabe in ppm generiert. Eine neue Ölformel ist werkseitig voreingestellt, und weitere können, wenn bekannt, programmiert werden. Die ppm-Werte der Sonden sind in der Regel geringer als die der Karl-Fischer-Titration (KFT) zur Bestimmung des Wassergehalts von Ölproben. Dies ist möglicherweise auf gebundenes Wasser in Partikeln zurückzuführen, die durch das Karl-Fischer-Verfahren erfasst werden. Die Ergebnisse der relativen Sättigung der KFT-Feuchte werden nachfolgend als „rS“ definiert. Alle hier angegebenen Transformatoren haben einen 66/22-kV-Kern.

Feuchteüberwachung mit stationären Sonden

Zwölf Powercor-Transformatoren wurden mit stationären Sonden ausgestattet. Jede hat zwei Analogausgänge zum SCADA-System (Supervisory Control And Data Acquisition; Überwachung, Steuerung und Datenerfassung): ppm und Temperatur. Die für die Überwachung ausgewählten Transformatoren waren solche mit bekannten Ölqualitätsproblemen, im Allgemeinen ziemlich alt und in einigen Fällen stark belastet. Bei den meisten wurde das Öl in der letzten Zeit aufbereitet oder gewechselt. Die bevorzugte Stelle für die Sonde bei Transformatoren mit getrennten Radiatorbänken ist das untere Ablassventil der Rücklaufleitung vom Radiator zum Haupttank. Dadurch wird die Sonde in den Ölfluss des Thermosiphons des Transformators platziert. Bei nicht getrennten Radiatorbänken wurde aus ähnlichen Gründen eines der unteren Radiatorablassventile gewählt. Die Sonden besitzen eine Gleitdichtung, wodurch sie sehr einfach und ohne Ausfälle durch das Ablassventil eingebaut werden können.

Abbildung 1: Feuchteschwankung, ONAN 10-MVA-Transformator. Abbildung 1 zeigt am Beispiel des ONAN 10-MVA-Transformators die Auswirkungen eines Lastanstiegs an einem heißen Tag. Beachten Sie, wie die Feuchte einen Spitzenwert von 60 ppm erreicht hat und mehrere Tage lang nicht zurückgegangen ist. Der letzte KFT-Feuchtewert der Ölprobenahme betrug 30 ppm. Eine anhaltend hohe Last bei diesem Transformator bei heißem Wetter kann zu übermäßiger Feuchte und folglich zu einer geringen Durchschlagfestigkeitsgrenze führen. Die Online-Überwachung hat ergeben, dass dieser Transformator entwässert werden sollte.

Abbildung 2: Feuchtevergleichsbeispiel (SCADA) – Skala ist in ppm. Eine permanente SCADA-Verbindung ermöglicht den Vergleich verwandter Transformatoren bei gleichen Lasten und Bedingungen. Der Transformator mit den geringsten Feuchtewerten war etwa fünf Jahre vorher einer Ofentrocknung unterzogen worden.

Abbildung 3: Erneuter Feuchteanstieg nach Ölnachfüllung. Skala ist in ppm/°C. In Abbildung 3 (ein ONAF 20-MVA-Transformator mit Ölvolumen von 17 000 l) wurde der Ölwechsel am 28. Oktober 2005 abgeschlossen, und der Auftragnehmer hat eine Ölprobe bei 11 ppm (KFT) entnommen. Innerhalb weniger Tage haben die Sondendaten aufgezeigt,
dass der Feuchtegehalt erneut anstieg und zwischen 16 und 37 ppm lag.

Portable Sonden

Seitdem auch portable Sonden erhältlich sind, verwendet Powercor drei davon von Vaisala. Bislang wurden diese an zwanzig Transformatoren eingesetzt. Diese Sonden verfügen über eine Batteriestromversorgung und genügend Speicher, um Daten in stündlichen Leseintervallen für etwa dreißig Tage zu speichern, was ungefähr der Lebensdauer der Batterie entspricht. Auch hier sind die gewählten Stellen im Allgemeinen Radiatorablassventile, um einen Ölfluss an der Sonde vorbei zu gewährleisten. Diese tragbaren Sonden ermöglichen Flexibilität, da eine große Anzahl von Standorten überwacht werden kann. Eine Sonde kann in wenigen Minuten montiert und programmiert werden, um Daten zu protokollieren. Ein erneuter Besuch vor Ort ist erforderlich, um die Daten herunterzuladen, den Speicher für den nächsten Aufzeichnungszyklus zu löschen und den Akku bei Bedarf aufzuladen.

Abbildung 4: 66-kV-Regler für geringe Feuchte. In Abbildung 4 zeigt eine Ölprobe eine unerwartet hohe Feuchte und eine niedrige Durchschlagfestigkeit, KFT von 43 ppm bei 22 °C (rS = 0,7), Durchschlagfestigkeit = 36 kV. Dies war insofern unerwartet, als das Gerät vor nicht langer Zeit einer Ofentrocknung unterzogen wurde. Daraufhin wurde schnell eine portable Sonde montiert, und die Daten zeigten niedrige Feuchtemesswerte. Eine zweite Ölprobe bestätigte dies – KFT von 9 ppm bei 15 °C (rS = 0,2), Durchschlagfestigkeit = 82 kV. Die erste Ölprobe war vermutlich verunreinigt.

Abbildung 5: Deutlicher Rückgang der Feuchte.

Abbildung 5 stammt von einem ONAF 10/18-MVA-Transformator. Der Rückgang der Feuchte fiel mit der Inbetriebnahme eines neuen Transformators in der Anlage zusammen, durch den die Last des Transformators erheblich reduziert wurde. Zusammenfassend stellen die tragbaren Sonden ein sehr bequemes und kostengünstiges Mittel dar, um jeden Transformator zu überwachen, der Ventile an den entsprechenden Stellen aufweist.

Bei Transformatoren ohne diese Armaturen können die Sonden auch in den Abfluss- oder Probenahmeventilen des Haupttanks angebracht werden. Ohne Ölfluss über die Sonde können die Ergebnisse jedoch ungenau oder nicht repräsentativ für die allgemeine Ölmasse sein. Trockner mit Molekularsieb. Powercor hat zwei Online-Trockner mit Molekularsieb. Diese Trockner sind auf Rädern montiert und entfernen die Feuchte durch einfaches Pumpen des Öls durch Filterkartuschen, die Molekularsiebmaterial enthalten.

Sie sind mit einer einzigen Feuchtesonde ausgestattet, die entweder ein- oder abfließendes Öl überwachen kann. Dies richtet sich nach der Position eines Umgehungsventils. Wenn die Feuchte des abfließenden Öls der Feuchte des einfließenden Öls entspricht (oder diese überschreitet), sind die Filterkartuschen möglicherweise gesättigt, sodass sie ausgewechselt werden müssen. Jede Kartusche kann theoretisch einen Liter Wasser halten, und pro Trockner sind vier Kartuschen vorgesehen. Die Kartuschen sind relativ kostspielig, und zurzeit gibt es keine Recyclingmöglichkeiten. Diese Systeme sollen einfließendes Öl aus dem Haupttank am Boden aufnehmen und das Öl in das Ausdehnungsgefäß weiterleiten.

Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass Buchholz-Relais-Probleme (plötzliche Druckübertragung) vermieden werden, falls Luft in das System gelangt. Sie hat jedoch den Nachteil, dass das gerade getrocknete Öl dem oberen Bereich des Ausdehnungsgefäßes ausgesetzt wird. Bei Powercor ist dieser obere Bereich zur Umgebung hin geöffnet. Diese Trockner wurden bislang an neun Transformatoren eingesetzt. Die Ergebnisse sind nachfolgend aufgeführt.

Tabelle 1: Ergebnisse von Trocknern mit Molekularsieb an mehreren Transformatoren

Hinweis: Die Ölparameter stammen von Ölproben (d. h. KFT- und Durchschlagfestigkeitstests) mit Ausnahme der späteren Ölparameter „S3“ und „L2“, die von Sonden stammen. Die geschätzte reduzierte Feuchte basiert auf der Anzahl der Kartuschenwechsel und den Feuchtemesswerten am Ein- und Auslass des Trockners. Obwohl die Filterkartuschen eine Nennkapazität von einem Liter haben, schien es, als ob sie bei abnehmendem Feuchtegehalt schon bei weniger als einem Liter aufhörten, die Feuchte zu reduzieren. Um dies nachzuweisen, wurden Wägekanister verwendet und die ins Öl getauchten Kartuschen im „neuen“ und dann im „vollen“ Zustand gewogen. Die resultierende durchschnittliche Gewichtszunahme betrug 641 g, was auf einen Feuchtegehalt von 0,641 l schließen ließ. Es wurde geschätzt, dass jeder Filtersatz bei Feuchtewerten zwischen 10 und 20 ppm 2,6 l Feuchte reduziert. Auch wurde festgestellt, dass die Leistung des Trockners durch Hinzufügen eines zusätzlichen Dichtungsrings in der Filtereinspannvorrichtung deutlich verbessert wurde. Die Trockner waren nicht permanent in Betrieb, sondern blieben solange ausgeschaltet, bis die Feuchtewerte wieder anstiegen. Generell war die Filterung ausgeschaltet, solange die Feuchtewerte konstant unter 20 ppm oder 0,2 Aw blieben. Beim Überwachen dieser Werte haben sich die Sonden von Vaisala sehr bewährt.

Abbildung 6: Überwachung der Trocknung. Abbildung 6 zeigt die Daten einer fest am Transformator „L2“ montierten Sonde während des Trocknens über einen Zeitraum von zehn Monaten. Darin erkennt man die durch den Trockner erreichte Senkung der Feuchte und einen erneuten Anstieg der Feuchte infolge eines neuen Gleichgewichts zwischen Feuchte in der Zellulose und Feuchte in Öl. Mit sinkender Feuchte werden hier auch die Schwankungen der Feuchtewerte in jedem täglichen Lastzyklus reduziert.

Papierfiltertrockner

Powercor hat vor Kurzem einen weiteren Online-Trockner mit Papierfilter gekauft. Dieses Gerät entfernt Feuchte, indem das Öl axial durch eine Filterpapierrolle gepumpt wird. Die Feuchte geht vom Öl in das Papier über, solange das Papier trockener ist als das Öl. Der Trockner verfügt über eine ziemlich anspruchsvolle SPS-Steuerung, die den Papierfilter nach jedem Filterzyklus erneut trocknen kann. Das Gerät ist mit Feuchtesonden am Ölein- und -auslass und einer Vorrichtung zur Datenprotokollierung und Fernüberwachung ausgestattet. Der Trockner besitzt einen Wasserabscheider zum Sammeln der entfernten Feuchte.

Von Vorteil ist die längere Lebensdauer dieser Filter gegenüber der von Molekularsieben. Der Trockner ist mit dem Einlassöl, das vom unteren Ablassventil des Haupttanks entnommen wird, und dem Auslassöl, das dem oberen Ölablassventil zugeführt wird, verbunden. Die Trocknungsprozesse wurden bereits an drei Transformatoren und zurzeit an einem vierten ausgeführt. Tabelle 2: Ergebnisse eines Trockners mit Papierfilter.

Hinweis: Die Ölparameter stammen aus Ölproben (d. h. KFT- und Durchschlagfestigkeitstests). Da dies aktuelle Trocknungsprozesse sind, wurde noch keine Folgeüberwachung des Öls durchgeführt. Von einem erneuten Anstieg der Feuchtewerte wird ausgegangen. Dieser Trockner kann auch im Analysemodus betrieben werden, bei dem der Filter umgangen und das umlaufende Öl von einer der Feuchtesonden überwacht wird. Dies bietet die Möglichkeit zum Überwachen und Trocknen. Abbildung 7: typische Filterdaten. Hinweis: Die linke Achse zeigt die Wasseraktivität (Aw) von 0 bis 0,250 und die rechte Achse die Einlassöltemperatur von 0 bis 45 °C. Das charakteristische Sägezahnmuster ist darauf zurückzuführen, dass sich der Filter mit Feuchte füllt und wieder getrocknet wird. Beachten Sie die stetig sinkende Feuchte des einfließenden Öls. Die Filterzeit in diesem Beispiel wurde länger als notwendig (zwölf Stunden) eingestellt, da die Feuchte am Auslass die Feuchte am Einlass übersteigt.

Nachhaltige Bemühungen erforderlich

Online-Feuchteüberwachungen können ein wertvolles Mittel zur Überwachung von Transformatoren mit Feuchteproblemen darstellen sowie zur Erkennung von Transformatoren mit Feuchteproblemen, die bei routinemäßige Ölprobenahmen eventuell nicht festgestellt wurden. Häufig wird beobachtet, dass ein einziges schweres Überlast-/Übertemperaturereignis schnell zu hohen Ölfeuchtewerten führen kann, da aus der Zellulose Feuchte entweicht, und es dann ziemlich lange dauern kann, bis frühere Feuchtewerte wiederhergestellt sind. Durch Überwachung allein wird das Problem jedoch nicht behoben. Nur die aus der Überwachung resultierenden Maßnahmen können zu einer Verbesserung führen. Durch Online-Trocknung wird die Ölqualität in der Regel schnell verbessert, aber diese Verbesserung ist möglicherweise nicht von Dauer. Eine anschließende Überwachung ist sinnvoll und führt oft dazu, dass ein weiterer Trocknungszyklus durchgeführt wird. Effektive Online-Trocknung erfordert nachhaltige Bemühungen, die durchaus mehrere Monate dauern können.

Der Artikel wurde erstmals in den Vaisala News 175/2007 (Colin Feely Plant Maintenance Engineer Powercor Ltd Melbourne, Australien) veröffentlicht.

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