Welche Parameter werden bei der Prüfung von Öltransformatoren geprüft?

Öltransformatorensind kritische Vermögenswerte in elektrischen Energiesystemen. Um sicherzustellen, dass sie sicher, effizient und zuverlässig funktionieren, müssen eine Reihe strenger Tests durchgeführt werden – sowohl im Werk und während der Inbetriebnahme als auch während ihrer gesamten Lebensdauer. Diese Tests überprüfen die elektrische Festigkeit, die mechanische Integrität, die thermische Leistung und den Zustand des Isolieröls.

Im Folgenden werden die wichtigsten Parameter nach Testkategorie erläutert.

Teil 1: Routinetests (durchgeführt an jedem Transformator)

Diese Tests werden an jedem Gerät durchgeführt, bevor es das Werk verlässt, um die grundlegende Fertigungsqualität zu bestätigen.

1. Messung des Wicklungswiderstands

Dieser Parameter misst den Gleichstromwiderstand. Durch die Messung des Widerstands jeder Phasenwicklung (sowohl primär als auch sekundär) können Ingenieure lose Verbindungen, gebrochene Litzen, falsche Stufenschalterpositionen oder erhebliche Phasenungleichgewichte erkennen. Akzeptable Werte sollten phasenübergreifend ausgeglichen sein (normalerweise innerhalb von 2 %) und den Entwurfsberechnungen entsprechen.

2. Spannungsverhältnis und Phasenverschiebung

Dieser Parameter überprüft das Windungsverhältnis. An die Primärwicklung wird eine Spannung angelegt und die induzierte Spannung auf der Sekundärseite gemessen. Der Phasenwinkel zwischen den Wicklungen wird ebenfalls überprüft. Dadurch wird sichergestellt, dass der Transformator die richtige Ausgangsspannung und Phasenbeziehung erzeugt (z. B. Dyn11). Der Fehler muss normalerweise innerhalb von ±0,5 % liegen.

3. Leerlaufverlust und Erregerstrom

Leerlaufverluste (Kernverluste) werden durch Hysterese und Wirbelströme im Kern verursacht. Der Erregerstrom ist der Strom, der zum Magnetisieren des Kerns erforderlich ist. Die Messung dieser Parameter hilft, Kernfehler wie kurzgeschlossene Lamellen oder schlechte Montage zu erkennen. Ein übermäßiger Leerlaufverlust bedeutet, dass der Transformator kontinuierlich erhebliche Energie verschwendet.

4. Lastverlust und Impedanzspannung

Der Lastverlust (Kupferverlust) ist die Wärme, die durch den Stromfluss durch die Wicklungen erzeugt wird. Die Impedanzspannung bestimmt die Spannungsregelung des Transformators und die Größe der Fehlerströme. Um diese zu messen, wird die Sekundärseite kurzgeschlossen und die Spannung auf der Primärseite erhöht, bis der Nennstrom fließt.

5. Isolationswiderstand (Megger-Test)

Dieser Parameter misst den Gleichstromwiderstand zwischen Wicklungen und zwischen Wicklungen und Erde (Kern und Tank). Ein hoher Isolationswiderstand (typischerweise >1.000 MΩ bei neuen Transformatoren) zeigt an, dass das Isolationssystem trocken, sauber und intakt ist. Ein geringer Widerstand deutet normalerweise auf das Eindringen von Feuchtigkeit oder eine Kontamination hin.

6. Spannungsfestigkeit (Spannungsfestigkeitsprüfung)

Dieser Parameter überprüft, wie viel Überspannung die Isolierung aushält, ohne durchzubrechen. Es gibt zwei gängige Formen:

Wechselstromfestigkeit mit separater Quelle: Prüft die Hauptisolierung (Wicklungen gegen Erde und zwischen Wicklungen).

Induzierter Wechselstromwiderstand: Prüft die Isolierung zwischen den Windungen und zwischen den Schichten.

Für eine erfolgreiche Prüfung ist kein Überschlag oder Ausfall während der Prüfung erforderlich.

Teil 2: Typprüfungen (Designverifizierung)

Diese Tests werden an einem Prototyp jedes Entwurfs durchgeführt, um nachzuweisen, dass der Entwurf alle Standardanforderungen erfüllt.

1. Temperaturanstiegsgrenzen

Dieser Parameter misst die Dauertemperatur der Wicklungen (berechnet nach der Widerstandsänderungsmethode) und des Oberöls unter Nennlast. Die Temperatur ist der wichtigste Faktor, der die Lebensdauer des Transformators beeinflusst – jeder Anstieg um 6 °C über den Nennwert halbiert die Lebensdauer der Isolierung. Die Normen verlangen typischerweise, dass der Anstieg der Wicklungstemperatur 65 K nicht überschreitet (für Isolierung der Klasse A).

2. Blitzimpulsfestigkeit

Dieser Parameter simuliert einen Blitzeinschlag auf die angeschlossenen Leitungen mit einer Spannungswellenform von 1,2/50 µs. Um zu prüfen, ob die Isolierung atmosphärischen Überspannungen standhält, wird eine hohe Stoßspannung angelegt. Dies ist ein wichtiger Test zur Verhinderung eines plötzlichen Transformatorausfalls aufgrund eines Blitzschlags.

3. Kurzschlussfestigkeit

Dieser Parameter überprüft, ob die Wicklungen den enormen elektromagnetischen Kräften, die bei einem externen Kurzschluss entstehen, standhalten können, ohne sich zu verformen oder zu verschieben. Nach dem Test werden Änderungen des Wicklungswiderstands und der Reaktanz überprüft und mithilfe einer Frequenzganganalyse bestätigt, dass keine mechanischen Schäden aufgetreten sind.

Teil 3: Sonderprüfungen (kundenspezifisch oder anwendungsspezifisch)

Diese Tests werden durchgeführt, wenn zusätzliche Sicherheit erforderlich ist, beispielsweise bei großen oder kritischen Transformatoren.

1. Teilentladungsniveau (PD)

Dieser Parameter misst winzige elektrische Entladungen innerhalb von Isolationshohlräumen oder an Grenzflächen, ausgedrückt in Picocoulomb (pC). Teilentladung ist ein Frühwarnzeichen für eine Verschlechterung der Isolierung. Bei neuen Transformatoren muss der TE-Wert typischerweise unter 10 pC bei der 1,5-fachen Nennspannung liegen. Ein niedriger PD-Wert bedeutet, dass die Isolierung frei von Blasen oder Verunreinigungen ist.

2. Dielektrischer Verlustfaktor (Tan δ) und Kapazität

Tan δ (Verlustwinkel) gibt an, wie viel Energie im Dämmstoff verloren geht. Die Kapazität spiegelt die geometrische Struktur des Isolationssystems wider. Beide Parameter reagieren sehr empfindlich auf Feuchtigkeit und Alterung. Ein steigender tan δ-Wert weist darauf hin, dass die Isolierung möglicherweise feucht oder karbonisiert ist.

3. Frequenzganganalyse (FRA)

Dieser Parameter zeichnet den „Fingerabdruck“ der Impedanz des Transformators über einen Frequenzbereich (typischerweise 20 Hz bis 2 MHz) auf. FRA reagiert äußerst empfindlich auf mechanische Bewegungen der Wicklungen, die durch Transportstöße oder Kurzschlusskräfte verursacht werden. Durch den Vergleich von Werks- und Feldspuren wird nachgewiesen, dass die Wicklungsstruktur unverändert bleibt, wenn die Spuren weiterhin stark korrelieren (über 98 %).

4. Nullimpedanz

Dieser Parameter misst den Widerstand des Transformators gegenüber Nullströmen (Erdschlussströmen). Es bestimmt die Größe des einphasigen Erdschlussstroms in einem fest geerdeten Neutralleitersystem und ist ein wesentlicher Eingang für die Einstellungen des Schutzrelais.

Teil 4: Prüfparameter für Isolieröl (entscheidend für Öltransformatoren)

Das Öl dient sowohl als Isolierung als auch als Kühlmittel, daher sind seine physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften von entscheidender Bedeutung.

1. Durchbruchspannung (BDV)

Dies ist der direkteste Indikator für die elektrische Stärke von Öl. Eine Ölprobe wird mit einem festgelegten Abstand (typischerweise 2,5 mm) zwischen zwei Elektroden platziert und die Spannung erhöht, bis ein Durchschlag auftritt. Normalerweise muss neues Öl einen BDV von mindestens 60 kV haben. Ein niedriger BDV weist darauf hin, dass das Öl Feuchtigkeit oder leitfähige Partikel enthält.

2. Wassergehalt

Feuchtigkeit ist ein großer Feind von Isolieröl. Es reduziert die Durchschlagspannung stark und beschleunigt die Alterung der Zelluloseisolierung. Neues Öl erfordert einen extrem niedrigen Wassergehalt, typischerweise unter 10 ppm (parts per million).

3. Säurezahl (Neutralisationswert)

Dieser Parameter misst die Konzentration saurer Verbindungen im Öl. Mit zunehmender Alterung des Öls steigt die Säurezahl. Eine hohe Säurezahl kann Metallkomponenten korrodieren und die Verschlechterung der Isolierung beschleunigen.

4. Analyse gelöster Gase (DGA)

Dies ist eines der leistungsstärksten Diagnosetools. Durch die Messung der Konzentrationen und Verhältnisse der wichtigsten gelösten Gase – Wasserstoff (H₂), Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆), Ethylen (C₂H₄), Acetylen (C₂H₂), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂) – können Ingenieure versteckte interne Fehler identifizieren. Zum Beispiel:

Acetylen erkannt → Lichtbogenentladung.

Ethylen dominiert → Hochtemperatur-Hotspot.

Plötzlicher Wasserstoffanstieg → Teilentladung.

5. Grenzflächenspannung (IFT)

Dieser Parameter spiegelt das Vorhandensein polarer Verunreinigungen oder Alterungsnebenprodukte im Öl wider. Neues Öl hat eine relativ hohe Grenzflächenspannung. Wenn das Öl altert oder verunreinigt wird, sinkt der IFT-Wert.

6. Flammpunkt und Fließpunkt

Der Flammpunkt misst das Brandrisiko. Mineralöl hat typischerweise einen Flammpunkt über 140 °C.

Der Stockpunkt misst die Fließfähigkeit bei niedrigen Temperaturen. In kalten Klimazonen muss Öl mit niedrigem Stockpunkt verwendet werden.