Der Wirkungsgrad eines Transformators erreicht nie 100 %; Im Prinzip wie bei jedem anderen Gerät auch. Dies liegt daran, dass dort auftreten Leistungsverluste von Transformatoren während der Operation. Diese Verluste entstehen in den Kupferleitern der Wicklung und im Magnetkern (Magnetkreis) aus Stahl. In diesem Artikel werden wir über eine andere Art von Verlust sprechen – den dielektrischen Verlust von Transformatoröl.
Ursachen für Erwärmung und Überhitzung von Transformatoren
Wenn der Stahlverlust durch Wirbelströme und zyklische Magnetisierungsumkehr (Hysterese) verursacht wird, entsteht der Kupferverlust, wenn der Strom durch einen Kupferleiter fließt. Der Leiter weist einen gewissen Widerstand auf, wodurch ein Spannungsabfall und damit ein Leistungsverlust auftritt. Elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt – der Kupferleiter erwärmt sich. Um eine Überhitzung des Transformators zu verhindern und dessen normale Funktion sicherzustellen, muss die Wärme abgeführt werden. Für diese Aufgabe wird Transformatorenöl verwendet, das die Funktion der Isolierung der stromführenden Transformatorteile übernimmt.
Solange das Öl in gutem Zustand ist und Wärme abführt, wird der Transformator nicht überhitzt. Allerdings verschlechtert sich der Zustand des Öls mit der Zeit, wenn es hohen Temperaturen, hoher Spannung, Nässe, Verunreinigungen durch mechanische Verunreinigungen und oxidativen Prozessen ausgesetzt wird. Das Öl altert und erfüllt seine Funktionen schlechter. Daher ist es wichtig zu wissen, wie alt das Öl ist und wie gut es seine Aufgaben erfüllt.
Bewertung der Alterung von Transformatoröl
Beurteilung des Transformatorölwechsels wird auf der Grundlage der Ergebnisse der Probenentnahme und deren Analyse im Labor oder unter Verwendung spezieller Instrumente zur schnellen diagnostischen Auswertung durchgeführt. Dabei kann sowohl eine chemische Bewertung des Öls als auch eine Bewertung seiner physikalischen Eigenschaften durchgeführt werden: numerische Farbbewertung, Ölzerstörungsprüfung, Säurezahlmessung, Bestimmung des dielektrischen Verlustfaktors, der Grenzflächenspannung, des Wasser- und Gasgehalts, des Kohlenwasserstoffgehalts usw.
Der Grad der Oxidation und Alterung von Transformatoröl wird in unterschiedlichem Maße durch den dielektrischen Verlustfaktor, die Säurezahl, die Grenzflächenspannung, die Trübung und die Farbe charakterisiert. Während des Langzeitbetriebs ist ein erheblicher Anstieg des dielektrischen Verlustfaktors eher ein Hinweis auf Alterung, die Säurezahl – auf Oxidation und die Trübung – auf kolloidale Alterung von Transformatorenöl.
Was versteht man unter dem dielektrischen Verlust und der dielektrischen Permittivität von Transformatorenöl?
Wenn ein Dielektrikum in ein elektrisches Feld gebracht wird, wird ein Teil der Feldenergie zum Erhitzen des Dielektrikums verwendet. Der dielektrische Verlust bezeichnet die Leistung, die von einem elektrischen Feld als Wärme in einem Dielektrikum abgegeben wird. Die Fähigkeit von Dielektrika, elektrische Feldenergie abzuleiten, wird mithilfe des dielektrischen Verlustfaktors geschätzt.
Veränderungen in den Eigenschaften von Öl selbst bei einer geringen Menge an Verunreinigungen können durch gemessene Werte des dielektrischen Verlustfaktors aufgedeckt werden.
Darüber hinaus wird für die Eigenschaften von Dielektrika im Allgemeinen und Transformatorenöl im Besonderen der Parameter wie die dielektrische Permittivität verwendet. Er kann als absoluter oder relativer Wert ausgedrückt werden. Die relative Permittivität charakterisiert die Eigenschaften eines Dielektrikums und zeigt, um wie vielfach die Wechselwirkungskraft zwischen zwei elektrischen Ladungen in einem dielektrischen Medium geringer ist als im Vakuum.
In welchem Bereich sollte der dielektrische Verlustfaktor von Transformatoröl liegen?
Bei welchen Werten des dielektrischen Verlustfaktors ist davon auszugehen, dass Öl weiterhin in einem Transformator verwendet werden kann? Diese Werte können von Land zu Land unterschiedlich sein; Daher geben wir hier ungefähre Werte an:
- Transformatoren, 110–150 kV – nicht mehr als 10 % (bei 70 °C) und nicht mehr als 15 % (bei 90 °C);
- Transformatoren, 220–500 kV – nicht mehr als 7 % (bei 70 °C) und nicht mehr als 10 % (bei 90 °C);
- Transformatoren, 750 kV – nicht mehr als 3 % (bei 70 °C) und nicht mehr als 5 % (bei 90 °C).
Einfluss verschiedener Verunreinigungen auf den dielektrischen Verlust von Transformatorenöl
Der dielektrische Verlust erhöht sich aufgrund der Anwesenheit folgender Substanzen im Öl:
- Asphaltharzstoffe;
- Seifen;
- Wasser.
Säuren erhöhen den dielektrischen Verlust von Öl bei Raumtemperatur nicht. Mit steigender Temperatur steigt jedoch der dielektrische Verlust, und je höher die Säurezahl des Öls, desto größer ist der Anstieg.
Bestimmung des dielektrischen Verlustfaktors gemäß IEC 60247
Als Beispiel diskutieren wir die Bestimmung des dielektrischen Verlustfaktors von Transformatorenöl nach der in IEC 60247 beschriebenen Methode. Sie umfasst die folgenden Schritte:
- Da der Tangens des dielektrischen Verlusts temperaturabhängig ist, dürfen alle Messungen erst durchgeführt werden, nachdem das Temperaturgleichgewicht erreicht ist.
- Zur Durchführung von Punkt 1 wird das Messzellenöl auf die erforderliche Temperatur erhitzt. Wenn die Erwärmung im nichtautomatischen Modus erfolgt, wird empfohlen, mit der Messung erst 10 Minuten nach Erreichen der eingestellten Temperatur ± 1 °C zu beginnen.
- Spannung wird nur während der Messungen angelegt. Die angelegte Spannung sollte eine elektrische Feldstärke im Öl im Bereich von 0,03 bis 1 kV/mm erzeugen. Die Spannung sollte sich sinusförmig mit einer Frequenz von 40–62 Hz ändern.
- Nach Abschluss der ersten Messungen wird das Öl aus der Messzelle abgelassen.
- Wiederholte Messungen mit den gleichen Einstellungen und Vorsichtsmaßnahmen wie bei der ersten Ölcharge durchführen. Die erhaltenen Tangenswerte dürfen sich um nicht mehr als 0,0001 plus 25 % des höheren Wertes der beiden Bestimmungen voneinander unterscheiden.
- Wenn die Bedingung von Schritt 5 erfüllt ist, werden die Messungen gestoppt. Wenn die Bedingung nicht erfüllt ist, werden die Messungen durchgeführt, bis zwei aufeinanderfolgende Werte erhalten wurden, die der Anforderung entsprechen. Sie gelten als Messergebnisse.
Zusätzlich zu den Messungen des dielektrischen Verlustfaktors IEC 60247 regelt auch die Messung der Parameter wie z der Widerstand und die dielektrische Permittivität von Öl. Diese Indikatoren geben sowohl zusammen als auch einzeln Auskunft über die Qualität und den Verschmutzungsgrad des Transformatorenöls. Die dielektrische Permittivität wird durch die große Anzahl an Verunreinigungen beeinflusst, während der dielektrische Verlustfaktor und der spezifische Widerstand selbst durch die geringe Anzahl an Verunreinigungen stark beeinflusst werden.
Automatische Messung des dielektrischen Verlustfaktors. TOR-3 Tan-Delta-Tester
GlobeCore produziert TOR-80 Analysatoren für Transformatorölschäden, TOR-2 Feuchtigkeits- und Gasanalysatoren und TOR-3 Prüfgerät für dielektrischen Verlust und Spannungsfestigkeit für Isolieröl.
TOR-3 Tan-Delta-Tester – die Hauptmerkmale und Vorteile:
- Der Betrieb des TOR-3-Instruments wird mithilfe eines Computers gesteuert, indem Befehle zur Ausführung bestimmter Aktionen erteilt werden. Anschließend werden Messungen im automatischen Modus durchgeführt und die Ergebnisse an diesen Computer ausgegeben.
- Um die Dauer der Messungen zu verkürzen, verwendet das TOR-3-Gerät eine Messzelle, in die das Testöl gegossen wird, und ein System zum Erhitzen der Zelle „von innen“. Dadurch erfolgt die Erwärmung und Temperaturstabilisierung schneller. Das Instrument erreicht schnell die angegebenen Eigenschaften und beginnt in wenigen Minuten mit der Messung des dielektrischen Verlustfaktors und der dielektrischen Permittivität;
- Die Messtoleranz des dielektrischen Verlustfaktors überschreitet nicht ±1 %+0,00008 und die der dielektrischen Permittivität — ±2 %. Durch neue Verfahren wird eine hohe Messgenauigkeit und Stabilität erreicht GlobeCore Technologien zur Entwicklung der Struktur eines Referenzkondensators sowie zur vorgegebenen Kalibrierung einer leeren Messzelle mithilfe eines speziellen Softwareprogramms;
- Aus Gründen der Bedienerfreundlichkeit des TOR-3-Instruments wird die Zelle nicht entfernt, wenn mit dem Testen der nächsten Proben fortgefahren wird. Es reicht aus, vom Computer einen Befehl zu geben, das Ölablassventil in eine spezielle Schale zu öffnen und anschließend eine neue Probe in die Zelle zu geben;
- Wenn das Gerät eingeschaltet ist, kann es leicht auf dem Schreibtisch bewegt oder innerhalb des Labors getragen werden, was durch die kompakte Anordnung aller elektronischen Module, das geringe Gewicht und die Integration der Griffe in das Gehäuse erreicht wird.
- Ein im Instrument enthaltener Mikroprozessor, ein Digital-Analog-Wandler und ein Hochspannungsverstärker ermöglichen die Erzeugung eines Testsignals mit der erforderlichen Form und den Betrieb in einem weiten Amplitudenbereich. Daher ist TOR-3 vielseitig einsetzbar und kann zur Messung des dielektrischen Verlustfaktors gemäß Standards mit unterschiedlichen Prüfspannungsanforderungen verwendet werden;
- Die Betriebssicherheit des Gerätes wird dadurch erreicht, dass das Gehäuse und die obere Schicht der Messzellenabdeckung aus langlebigem Isoliermaterial gefertigt sind.
Alle Spezifikationen des TOR-3-Instruments finden Sie hier. Wenn Sie weitere Fragen haben, können Sie diese über die im entsprechenden Website-Bereich aufgeführten Kontaktdaten stellen.