Verfahren zur Werterhaltung und Optimierung der Nutzungsdauer von Leistungstransformatoren

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Auf Grund der Liberalisierung des Energiemarktes soll die Übertragungsleistung der Transformatoren erhöht werden während der Zustand dieser Betriebsmittel durch die Alterung während langer Betriebsjahre unsicher ist. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Analyse der aktuell verfügbaren Prozeduren zur Sanierung des Isolierungssystems von Leistungs-transformatoren sowie die Entwicklung neuer Verfahren, welche die Nachteile der bekannten Prozeduren vermeiden und dennoch eine Lebensdauerverlängerung und Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit von Leistungstransformatoren ermöglichen. Hierzu werden zunächst die Faktoren, welche die Alterung der Isolierstoffe von Leistungstransformatoren beeinflussen, dargestellt bevor neue Systeme, die eine Optimierung dieses Isoliersystems ermöglichen, präsentiert werden. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt bei den flüssigkeitsimprägnierten Feststoffisolierungen, welche in der Mehrzahl der aktuell verwendeten Leistungstransformatoren eingesetzt werden.

Besonders für die bereits gealterten Transformatoren steigen zusehends die Anforderungen an einen zuverlässigen Betrieb und eine lange Lebensdauer. Jedes Verfahren, das die Auswirkungen der Isolierstoffalterung reduziert und weitere Alterung verlangsamt ist daher ein ökonomischer Vorteil für den Betreiber. Da für einen bereits im Betrieb befindlichen Transformator nur ein begrenzter Zugriff auf die Isolierstoffe besteht müssen technische und chemische Verfahren eingesetzt werden, um die gewünschten Ziele zu erreichen.

Einer der gewichtigsten Faktoren, welcher die Isolierstoffalterung beschleunigt, ist Wasser, das sich in den festen und flüssigen Isolierstoffen anlagert. Dieses Element ist besonders gefährlich da es nicht nur durch die Alterung entsteht, sondern auch die Alterung insbesondere der festen Isolierstoffe weiter beschleunigt. Eine nachhaltige Trocknung der Isolierstoffe von Leistungstransformatoren ist daher von höchster Bedeutung.

Wie sich in den in dieser Arbeit präsentierten Versuchen gezeigt hat kann es durch eine Trocknung der festen Isolierstoffe des Transformators an seinem Betriebsort zu einer Veränderung der Anordnung der Spulenwindungen und Transformatorwicklungen kommen, so dass eine nachhaltige Trocknung vorteilhaft in einer Werkstatt erfolgen sollte. Da jedoch die Demontage und der Transport eines Leistungstransformators in eine Fabrik sehr kostspielig sind und zudem zu einem längeren Ausfall des Energietransports über diesen Transformator führen kann eine kontinuierliche Behandlung während des Betriebs vorteilhaft sein. Aktuelle Verfahren hierfür, die mit einer Vakuumbehandlung arbeiten, verändern den Gashaushalt des Transformators und beeinflussen damit die Gas-in-Öl-Analyse, welche eine Diagnose des aktuellen Isolierungszustandes ermöglicht. Es wurden daher neue Systeme zur Trocknung von Transformatorisolierungen hinsichtlich deren Einflusses auf die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der Isoliermaterialien untersucht. Neben einer beschleunigten Trocknung wird auch die Alterung der Isolierstoffe reduziert so dass diese Verfahren auch für neue Transformatoren vorteilhaft einsetzbar sind.

Um zukünftige Alterung zu begrenzen wurden auch vorbeugende Prozeduren untersucht. Diese Systeme trennen die Transformatorisolierstoffe von der Umgebungsluft und reduzieren das Wasser im Isoliersystem frei atmender Transformatoren durch die Bedeckung der Öloberfläche im Ausgleichsbehälter mit Kohlendioxid, einem inerten Gas. Die Folgen dieser Abdeckung auf die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe sind ein weiteres Thema dieser Arbeit.

Abstract

Due to the liberalization of the energy market the transmitted power of transformers has to be expanded while the condition of these transformers is ambiguous as they have already served for many years in operation. The intention of this work has been to analyze the actual procedures for the refurbishment of power transformer insulating systems and to show new ways, that escape from the disadvantages of the already known procedures, but extend the reliability and prolong the lifetime of power transformers as well. Therefore at first the factors, that influence the aging of transformers, have to be identified before new systems, that are suitable for an adequate therapy, can be presented. The emphasis of the work is laid on liquid immersed solid insulations, which represent the insulation system of the majority of power transformers actually in use.

Especially for already aged transformers the need for a reliable operation and a prolongation of the residual lifetime increases. Any system, that reduces the effects of aging and decelerates further degradation therefore is an economic benefit for the transformer operator. As for transformers already in operation no basic modifications of the insulation system are possible any more, technical and chemical procedures have to be applied to achieve the desired upgrading.

One of the main factors, that accelerate insulation aging, is water, that has been adsorbed by the solid and liquid insulation. This element is particularly hazardous as it not only is a product of aging, it also accelerates further degradation especially of the solid insulation components. A sustainable desiccation of the power transformer insulating system therefore is of prime importance.

As experiments presented in this work have shown, a drying of the solid insulation of power transformers on site may result in an alteration of the composition of the transformer coils and windings, thus as an effective desiccation is advantageously performed with a vapor-phase- process in a workshop. As the demounting and transport of the transformer to a workshop is a pricey task, that additionally causes costs for the loss of transmitted energy, a continuous therapy on site during transformer operation can be an alternative. Actual procedures for this purpose, operating with vacuum, affect the dissolved gas balance of the insulating liquid and thus impede the diagnosis of the transformer insulation condition by DGA (Dissolved Gas Analysis). Therefore new systems for transformer insulation desiccation have been examined for their influence on insulation aging and on the electrical and dielectrical properties of the insulating materials. The efficiency of these processes can be enhanced with alterations of the insulating liquids. Beside a faster drying these alterations can also reduce insulation aging, what makes them beneficial for new transformers, too.

To reduce future aging preventive strategies for already aged transformers have been examined as well. These Systems exclude oxidation and reduce the water inside free breathing transformers by covering the surface of the conservators` oil surface with an inert gas, namely Carbon Dioxide. The consequences of such a coverage on the aging and the electrical and dielectrical behavior of the insulating materials are another subject of this project.