Umfassendes Online-Überwachungssystem für die Isolierung von Transformatoren: vom einzelnen Parameter zur mehrdimensionalen Diagnose

Der Leistungstransformator ist eine der wertvollsten und kritischsten Anlagen im Stromnetz. Der Gesundheitszustand des internen Isolationssystems bestimmt direkt die Lebensdauer des Transformators und die Zuverlässigkeit der Stromversorgung des Netzes. Das integrierte Online-Überwachungssystem für die Transformatorisolierung ist eine fortschrittliche Technologie zur Zustandsbeurteilung, die durch die Integration einer Vielzahl von Sensortechnologien die wichtigsten Parameter, die sich auf die Isolationsleistung auswirken, kontinuierlich und in Echtzeit überwacht und analysiert, um von der "passiven Wartung" zur "aktiven, vorausschauenden Wartung" zu gelangen. Es vollzieht einen grundlegenden Wandel von der "passiven Wartung" zur "aktiven vorausschauenden Wartung".

Teil I: Komplexität und Fehlermöglichkeiten von Transformator-Isoliersystemen

Das Isoliersystem eines Transformators ist ein organisches Verbundsystem, das aus Isolieröl, Zellulose-Isolierpapier/-pappe und Hochspannungsdurchführungen besteht. Seine Leistung unterliegt einer allmählichen Verschlechterung durch die kombinierten Auswirkungen von elektrischen, thermischen, chemischen und mechanischen Belastungen.

Primärer Ausfallmodus:

• Thermische Alterung: Längerer Betrieb bei hohen Temperaturen führt zu einer Abnahme des Polymerisationsgrads (DP) des Isolierpapiers und zu einer Verringerung der mechanischen Festigkeit.

• Elektrische Alterung: Unter der Einwirkung starker elektrischer Felder kommt es innerhalb des isolierenden Mediums zu Teilentladungen (TE), die die isolierende Struktur allmählich zerstören.

• Chemische Alterung: Feuchtigkeit, Sauerstoff und hohe Temperaturen wirken zusammen, um die Oxidation und Hydrolyse von Isolierölen und Isolierpapieren zu katalysieren.

• Mechanische Schäden: Kurzschlussstromstöße, Vibrationen usw. führen zu einer Verformung der Wicklungen und einer Verschiebung der Isolierung.

Ein einzelner Überwachungsparameter spiegelt oft nur einen Aspekt des Isolationszustands wider. Daher muss eine integrierte Überwachungsstrategie mit mehreren Parametern und Dimensionen verwendet werden, um eine genaue Bewertung des Gesamtzustands des Transformators zu erhalten.

Teil II: Zentrale Überwachungstechnologien und Schlüsselparameter

Ein umfassendes System zur Überwachung der Isolierung von Transformatoren umfasst in der Regel mehrere Kerntechnologien:

1. Online-Analyse von gelösten Gasen in Öl (DGA online)

• Diagnostische Bedeutung: Sie wird als "Blutprobe" des Transformators bezeichnet. Wenn in einem Transformator ein Überhitzungs- oder Entladungsfehler auftritt, zersetzen sich das Isolieröl und das Isolierpapier, wobei bestimmte Gasarten entstehen. Durch die Analyse der Zusammensetzung und der Entstehungsrate dieser Gase lassen sich Art und Schwere des Fehlers genau bestimmen.

• Wichtige Überwachungsgase:

  • Wasserstoff (H₂). Das charakteristische Gas für örtlich begrenzte Entladungen.

  • Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆), Ethylen (C₂H₄). Sie entsprechen den Überhitzungsfehlern bei niedrigen, mittleren und hohen Temperaturen.

  • Acetylen (C₂H₂). Das einzige charakteristische Gas einer hochenergetischen Bogenentladung ist das gefährlichste Signal.

  • Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂). Spiegelt hauptsächlich die Alterung und Überhitzung der festen Isolierung (Isolierpapier) wider.

2. On-line Überwachung von Mikrowasser in Öl (Online-Feuchtigkeitsüberwachung)

• Diagnostische Bedeutung: Feuchtigkeit ist der Hauptkatalysator für eine beschleunigte Verschlechterung der Dämmung und verringert die Festigkeit der Dämmung erheblich. Die Online-Überwachung verfolgt das dynamische Gleichgewicht der Feuchtigkeit innerhalb des Dämmsystems in Echtzeit.

• Wichtige Überwachungsparameter:

  • Wasseraktivität (aw): Er spiegelt direkt den Feuchtigkeitsgrad in der festen Isolierung wider und ist eine zuverlässigere Bewertung als der absolute Feuchtigkeitsgehalt (ppm). Hohe aw-Werte (z. B. > 0,4) deuten auf ein ernsthaftes Risiko des "Blasen-Effekts" hin.

  • Absoluter Feuchtigkeitsgehalt (ppm): Hilft, den Zustand des Öls zu bestimmen, aber sein Wert wird durch die Temperatur stark beeinflusst.

3. On-line-Überwachung von Teilentladungen (Online-Teilentladungsüberwachung)

• Diagnostische Bedeutung: Sie gilt als Früherkennung von "Krebszellen" innerhalb des Isolationssystems. Teilentladungen sind eine der Hauptursachen für einen möglichen Ausfall der Isolierung. Die Online-Überwachung kann Entladungssignale in einem frühen Stadium erfassen, wenn sie noch schwach sind.

• Wichtige Überwachungstechniken:

  • Ultrahochfrequenzverfahren (UHF): UHF-Antennensensoren werden auf dem Transformatorentank installiert, um die von der Entladung erzeugten elektromagnetischen Wellensignale zu empfangen. Sie haben eine hohe Empfindlichkeit, sind sehr widerstandsfähig gegen externe Störungen und können die Entladungsquelle lokalisieren.

  • Akustisch: Ein akustischer Sensor ist an der Wand der Box angebracht, um das von der Entladung erzeugte Ultraschallsignal zu empfangen. Er wird hauptsächlich für die genaue Positionierung der Entladungsquelle verwendet.

  • Hochfrequenzstrom-Methode (HFCT): Hochfrequenzstromwandler werden in Hochspannungsdurchführungen, Neutralleitern oder Erdungsleitungen installiert, um die durch die Entladungen erzeugten Impulsströme zu erfassen.

4. On-line-Überwachung von Hochspannungsgehäusen (Online Buchsenüberwachung)

• Diagnostische Bedeutung: Die Hochspannungsdurchführung ist das empfindlichste äußere isolierende Bauteil des Transformators und eines der Bauteile mit einer hohen Ausfallrate. Schäden an der Isolierung treten oft plötzlich auf.

• Wichtige Überwachungsparameter:

  • Dielektrischer Verlustfaktor (tanδ): Sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, Schmutz und internen Defekten in der Isolierung. Ein signifikanter Anstieg von tanδ ist ein wichtiger Hinweis auf eine Verschlechterung der Isolierung.

  • Kapazität (C1): Die Kapazitätsänderung spiegelt das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein schwerwiegender Defekte in der Hauptisolierung des Gehäuses wider, wie z. B. Windungsschlüsse.

  • Analyse des Ableitstroms: Durch Analyse des Ableitstroms, der vom Endschirm des Gehäuses zur Erde fließt, können tanδ und die Kapazität berechnet werden.

Teil III: Systemarchitektur und Datenfusionsdiagnostik

Ein modernes Isolationsüberwachungssystem ist nicht nur ein einfacher Stapel von Sensoren, sondern ein vielschichtiges, intelligentes System.

• Wahrnehmungsebene: Es besteht aus einer Vielzahl von Sensoren wie DGA, Mikrowasser, lokaler Abfluss und Gehäuse.

• Erfassungs- und Übertragungsschicht: Verschiedene Arten von Datenerfassungseinheiten sammeln Daten über Lichtwellenleiter oder Industriebus an den lokalen Überwachungshost.

• Analytische und diagnostische Ebene: Dies ist das "Gehirn" des Systems. Das Backend-Expertensystem oder die KI-Diagnoseplattform verarbeitet die Daten von verschiedenen Sensoren.Analyse der Datenfusion. Beispielsweise bietet die gleichzeitige Erkennung von H₂- und UHF-Signalen ein hohes Maß an Bestätigung für das Vorhandensein einer Teilentladung; wenn sowohl C₂H₂- als auch heftige UHF-Signale gleichzeitig vorhanden sind, deutet dies darauf hin, dass sich der Fehler zu einer gefährlichen Bogenentladung entwickelt hat. Diese Fähigkeit zur Kreuzvalidierung wird von keiner anderen Überwachungstechnik erreicht.

Teil IV: Überblick über die technischen Spezifikationen des integrierten Überwachungssystems

Teil V: Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F1: Warum sollte man ein integriertes Überwachungssystem verwenden und nicht nur einen DGA oder eine Mikrowasserüberwachung installieren?
Antwort: Die Mechanismen von Isolationsfehlern bei Transformatoren sind komplex, und verschiedene Fehlertypen reagieren unterschiedlich empfindlich auf verschiedene Überwachungsparameter. Die DGA reagiert beispielsweise sehr empfindlich auf sich langsam entwickelnde thermische Fehler, warnt aber möglicherweise nur unzureichend vor plötzlichen Gehäusedurchbrüchen. Die Überwachung lokaler Entladungen hingegen kann winzige Entladungen in Isolationsluftspalten aufspüren, die für DGA nur schwer zu erkennen sind. Nur durch die Kombination von Informationen aus mehreren Dimensionen kann eine vollständige Diagnosekette gebildet werden, die alle Arten von Fehlern abdeckt und verhindert, dass "blinde Männer den Elefanten spüren".

F2: Wie hoch ist der Return on Investment (ROI) dieses Systems?
Antwort: Dies spiegelt sich in drei Hauptbereichen wider:

1. Vermeiden Sie katastrophale Unfälle: Die direkten und indirekten Verluste, die durch die erfolgreiche Warnung vor einer schweren Störung, die zu einem durchgebrannten Transformator und einem großflächigen Stromausfall hätte führen können, vermieden wurden, hätten ausgereicht, um die Kosten des Systems zu decken.

2. Optimierung der O&M-Strategie: Die Umstellung von einer zeitbasierten geplanten Wartung auf eine vorausschauende Wartung, die auf den tatsächlichen Bedingungen basiert, reduziert unnötige Ausfälle und Wartungsgemeinkosten.

3. Verlängern der Lebensdauer von Vermögenswerten: Durch die frühzeitige Erkennung und Behebung von Problemen wie übermäßiger Feuchtigkeit und örtlicher Überhitzung kann die Verschlechterung der Isolierung effektiv verlangsamt und damit die tatsächliche Lebensdauer eines teuren Wirtschaftsguts wie eines Transformators verlängert werden.

F3: Welche Rolle spielt die Künstliche Intelligenz (KI) im IMS?
Antwort: KI ist der Schlüssel zur Verbesserung der Diagnosegenauigkeit. Herkömmliche Überwachungssysteme stützen sich auf feste Alarmschwellen, bei denen es zu Fehlalarmen kommen kann. KI-Diagnosemodelle können komplexe Multiparameter-Korrelationsmodelle erstellen, indem sie umfangreiche historische Überwachungsdaten und Fehlerfälle lernen. Es kann schwache Kombinationen von Fehlerzeichen erkennen, die mit einem einzelnen Parameter nicht leicht zu erkennen sind, Trends in der Fehlerentwicklung vorhersagen und sogar intelligente Betriebs- und Wartungsvorschläge machen, was die Intelligenz des Systems erheblich steigert.

F4: Ist die Installation eines vollständigen integrierten Überwachungssystems komplex und erfordert sie lange Stromausfälle?
Antwort: Nicht erforderlich. Moderne Online-Überwachungssysteme sind mit Blick auf eine einfache Installation konzipiert. Alle Sensoren, einschließlich DGA (über Bypass-Ölkreislauf), Mikrowasser, lokale Entladung und Durchführungsüberwachungseinheiten, können während des normalen Transformatorbetriebs installiert werden. Der gesamte Prozess ist in der Regel innerhalb von 1-2 Tagen abgeschlossen, ohne dass der Netzbetrieb wesentlich beeinträchtigt wird.