Online-Überwachungssystem für Mikrowasser in Transformatorenöl: Technologie, Daten und Diagnose

Im Isoliersystem eines Leistungstransformators bilden Isolieröl und Isolierpapier (Zellulose) die Öl-Papier-Verbundisolierung. Wasser (H₂O) ist eine der gefährlichsten Verunreinigungen in diesem System, und die genaue Überwachung seines Gehalts ist ein zentraler Aspekt bei der Bewertung des Zustands des Transformators, der Verhinderung von Unfällen durch Isolationsausfälle und der Verlängerung der Lebensdauer der Anlage. Das Online-Überwachungssystem für Mikrowasser in Transformatorenöl ist die Schlüsseltechnologie für die vorbeugende Wartung (PdM), um dieses Ziel zu erreichen.

Teil I: Gefährlicher Mechanismus von Feuchtigkeit auf Öl-Papier-Dämmsystemen

Die durch Feuchtigkeit verursachten Schäden am Isoliersystem von Transformatoren sind vielfältig, wobei die Hauptgefahren in einer beschleunigten Alterung der Isolierung und einer verringerten Isolationsfestigkeit bestehen.

1. Beschleunigte Alterung von fester Isolierung (Isolierpapier): Wasser ist der Hauptkatalysator für die Hydrolysereaktion von Cellulose. Jeder Bruch der Zellulose-Molekülkette verbraucht ein Wassermolekül. Je höher der Feuchtigkeitsgehalt ist, desto schneller läuft die Hydrolysereaktion ab, was zu einem starken Rückgang des Polymerisationsgrads (DP) des Isolierpapiers, einer Abnahme der mechanischen Festigkeit und schließlich zu Sprödigkeit und Versagen führt.

2. Reduziert die Durchschlagsspannung des Isolieröls: Das im Öl gelöste Wasser hat nur eine geringe Auswirkung auf die Durchschlagsspannung, aber wenn das Wasser die Sättigung erreicht und in Form von freiem Wasser (winzige Wassertröpfchen) vorliegt, sinkt die Durchschlagsspannung des Öls erheblich. Unter der Einwirkung des elektrischen Feldes werden die Wassertröpfchen polarisiert und gedehnt, und es ist sehr einfach, einen leitenden Pfad zu bilden, der den Durchbruch auslöst.

3. Induzierte Teilentladung (TE): Feuchtigkeit verringert das Einsetzen der Entladungsspannung von Isolierstoffen. Insbesondere an der Grenzfläche zwischen Öl und Papier und in den winzigen Luftspalten der Isolierung erhöht das Vorhandensein von Feuchtigkeit das Risiko von Teilentladungen erheblich.

4. Risiko des "Blasen-Effekts": Wenn die Transformatorlast plötzlich erhöht wird oder die Temperatur stark ansteigt, verdampft das Wasser im Isolierpapier schnell, kann aber nicht rechtzeitig im Öl gelöst werden, was zur Bildung von Gasblasen auf der Wicklungsoberfläche führt. Die dielektrische Festigkeit des Gases ist viel geringer als die des Öls, und diese Blasen sind unter dem elektrischen Betriebsfeld sehr anfällig für Durchschläge, was zu katastrophalen Kurzschlüssen von Windung zu Windung oder von Schicht zu Schicht führen kann.

Teil II: Feuchtigkeitsquellen im Inneren des Transformators

• Produktionsrückstände: Unvollständige Vakuumtrocknung des Transformatorgehäuses, was zu anfänglicher Restfeuchtigkeit im Isoliermaterial führt.

• Eindringen von außen: Schlechte Abdichtung (z. B. Alterung von Buchsen, Dichtungen), Feuchtigkeitsaufnahme im Entlüfter, ungeeignete Öleinspritzung oder Ölfilterverfahren, die dazu führen, dass Feuchtigkeit in der Luft in das Transformatorinnere gelangt.

• Intern generiert: Beim normalen Alterungsprozess von Isolierpapier werden die Molekülketten der Zellulose gebrochen und es entstehen Wassermoleküle als Nebenprodukte. Dies ist ein sich selbst beschleunigender Alterungsprozess.

Teil III: Funktionsprinzip und Aufbau des Online-Überwachungssystems

Das Mikrowasser-Online-Überwachungssystem ermöglicht die kontinuierliche Messung des Feuchtigkeitsgehalts im Isolieröl durch den Einbau einer Messsonde in den Transformatorölkreislauf.

1. Einheit für Sensorik und Messung (Kern):

   • Technische Grundsätze: weit verbreitetKapazitiver Dünnschichtsensor (TFS). Das Herzstück des Sensors ist ein Polymerfilm, dessen Dielektrizitätskonstante sich mit der Anzahl der absorbierten Wassermoleküle ändert, was eine Änderung des Kapazitätswerts bewirkt. Durch die Messung der Änderung des Kapazitätswertes können die Wasserparameter im Öl genau berechnet werden.

   • Montageart: Sie wird in der Regel mittels eines Kugelhahns am Ölablass- oder Rücklaufventil des Transformatorgehäuses montiert, und die Sonde wird direkt in das Öl eingetaucht. Um repräsentative Messungen zu gewährleisten, sollte sie vorzugsweise an einer Stelle installiert werden, die den Hauptölkreislauf widerspiegelt (z. B. Kühlerein- und -auslassleitungen).

2. Datenerfassungs- und Übertragungseinheit:

   • Wandelt das vom Sensor ausgegebene kapazitive Signal in ein standardisiertes digitales oder analoges Signal um.

   • Eingebauter Temperatursensor zur Temperaturkompensation der Feuchtemessungen, um genauere Messwerte zu erhalten.

   • Häufig zusammen mit dem Messfühler in einer integrierten Struktur.

3. Kommunikations- und Anzeigeeinheit:

   • Lokale digitale Anzeigefunktion, die es den Inspektoren vor Ort erleichtert, die Daten zu lesen.

   • Die Daten werden über RS-485 (Modbus-Protokoll) oder einen 4-20-mA-Analogausgang an das Back-Office-Überwachungssystem (SCADA) der Unterstation oder einen speziellen Datenserver übertragen.

Teil IV: Interpretation der wichtigsten Überwachungsindikatoren: ppm vs. Wasseraktivität (aw)

Online-Überwachungssysteme liefern in der Regel zwei Hauptindikatoren, und es ist wichtig, den Unterschied zwischen ihnen zu verstehen.

• Absoluter Feuchtigkeitsgehalt (ppm - Parts Per Million).

  • Definition: Massenverhältnis, das angibt, wie viel Milligramm Wasser in einem Kilogramm Isolieröl enthalten sind (mg/kg).

  • Beschränkungen: Es ist einStarke TemperaturabhängigkeitDie Parameter. Unter der Voraussetzung, dass die Gesamtmenge der Feuchtigkeit unverändert bleibt, nimmt bei steigender Öltemperatur die Löslichkeit des Öls für Wasser zu, und die Feuchtigkeit im Isolierpapier wandert in das Öl, was zu einem höheren ppm-Wert im Öl führt; im Gegensatz dazu sinkt der ppm-Wert im Öl, wenn die Öltemperatur gesenkt wird. Daher kann der einfache ppm-Wert den Grad der Feuchtigkeit in einer festen Isolierung nicht genau wiedergeben.

• Wasseraktivität (aw - Wasseraktivität) oder Relative Sättigung (%RS).

  • Definition: aw = P / P₀, wobei P der Dampfdruck des Wassers im Öl und P₀ der Sättigungsdampfdruck von reinem Wasser bei der gleichen Temperatur ist. Er gibt die Tendenz oder "Lebendigkeit" des Wassers im Öl zum Entweichen an und reicht von 0 (völlig trocken) bis 1 (gesättigt).%RS = aw × 100%.

  • Vorteil: Die Wasseraktivität istGleichgewichtszustandsparameter zur Charakterisierung der Feuchtigkeit in Öl-Papier-DämmsystemenIm Fall des Feuchtigkeitsgleichgewichts zwischen Öl und Papier ist die Wasseraktivität des Öls gleich derjenigen des Papiers. Bei einem Feuchtigkeitsgleichgewicht zwischen Öl und Papier ist die Feuchtigkeitsaktivität des Öls gleich der des Papiers. aw spiegelt direkt den "Benetzungsdruck" der Feuchtigkeit auf die feste Isolierung wider und ist unabhängig von Temperaturänderungen.Daher ist die Wasseraktivität (aw) ein grundlegenderer und zuverlässigerer Indikator dafür, ob eine feste Isolierung Feuchtigkeit ausgesetzt ist.

Teil V: Typische technische Parameter

Teil VI: Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Q1: Wie können Online-Überwachungsdaten zur Bestimmung des Isolationsstatus eines Transformators verwendet werden?
Antwort: Schwerpunkt sollte seinWasseraktivität (aw)im Gesang antwortenDaten-Trends.

• aw < 0,2: Die Isolierung ist trocken und in gutem Zustand.

• 0,2 ≤ aw < 0,4: Leichte Feuchtigkeit in der Isolierung muss beachtet werden, um zusammen mit den Daten der Ölchromatographie ein umfassendes Urteil zu fällen.

• aw ≥ 0,4: Die Isolierung wird durch Feuchtigkeit stark beeinträchtigt und es besteht die Gefahr eines "Blasen-Effekts", der für die Trocknung eingeplant werden sollte.

• Trendanalyse: Ein gleichbleibender aw-Wert über einen langen Zeitraum hinweg deutet auf eine gute Abdichtung hin. Zeigt der aw-Wert eine konstante, langsam ansteigende Tendenz, kann dies auf eine Verschlechterung der Isolierung oder auf ein langsames Eindringen von Feuchtigkeit von außen hinweisen. Schwankt der aw-Wert stark mit der Temperatur, deutet dies ebenfalls darauf hin, dass die feste Isolierung einen hohen Feuchtigkeitsgehalt aufweist.

F2: Brauche ich einen Stromausfall, um ein Online-Mikro-Wasserüberwachungsgerät zu installieren?
Antwort: Normalerweise nicht erforderlich. Das Gerät ist für die Installation unter Druck ausgelegt. Durch die Verwendung eines speziellen Hochdruck-Kugelhahns kann es sicher auf dem Ventil eines in Betrieb befindlichen Transformators installiert werden. Der gesamte Installationsvorgang hat keinen Einfluss auf den normalen Betrieb des Transformators.

F3: Warum gibt es einen Unterschied zwischen dem ppm-Wert der Online-Überwachung und dem ppm-Wert der Laboruntersuchung?
Antwort: Die Unterschiede ergeben sich hauptsächlich ausUnterschiedliche Temperaturen bei Probenahme und Messung. Die Temperatur der Ölprobe wurde vor der Laboruntersuchung auf Raumtemperatur gebracht, während die Online-Überwachung bei Echtzeit-Öltemperatur gemessen wird. Da der ppm-Wert temperaturabhängig ist, sind die beiden Werte normalerweise nicht vergleichbar. Die Feuchtigkeitsaktivität (aw) hingegen wird im Gleichgewicht nur wenig von der Temperatur beeinflusst, so dass die Online-Waw-Werte besser mit den Labor-Waw-Werten übereinstimmen sollten.

F4: Kann das System die traditionelle Offline-Ölprüfung vollständig ersetzen?
Antwort: Sie sind kein vollständiger Ersatz, sondern ergänzen sich gegenseitig. Die Online-Überwachung bietetKontinuierliche Daten und TrendsDies ist bei Offline-Tests nicht möglich und für die rechtzeitige Erkennung von Anomalien und die Trendanalyse unerlässlich. Im Gegensatz dazu liefert die regelmäßige Ölprüfung im Labor (z. B. Ölchromatographie DGA, Durchschlagsspannungsprüfung usw.) umfassendere Informationen über die Ölqualität. Die beste Praxis ist die Kombination von Online-Überwachungsdaten mit regelmäßigen Laborergebnissen, um eine umfassende, dreidimensionale Bewertung des Transformatorenzustands zu erhalten.