Verbesserung der Zustandsbeurteilung von Messwandlern mittels DGA
Die „Gas-in-Öl-Analyse“ (DGA) ist bei der Zustandsüberwachung von Messwandlern seit langem bewährt. Eine neue Studie ging nun den Ursachen der Konzentrationsabnahmen spezifischer Gase nach.
Hochspannungs-Messwandler sind wichtige Betriebsmittel von Kraftwerken und Energieverteilnetzen. Ihre Instandhaltung beschränkt sich gewöhnlich auf regelmäßige Sichtkontrollen durch das Betriebspersonal. Bei den österreichischen Elektrizitätsversorgungsunternehmungen gab es jedoch vor mehr als 30 Jahren vermehrt Schäden von öl-papier-isolierten Messwandlern. Einige dabei aufgetretene Explosionen von Porzellanisolatoren veranlassten die Betreiber, die „Gas-in-Öl-Analyse“ (Dissolved Gas Analysis – DGA) zu ihrer Zustandsüberwachung einzuführen. In Kombination mit der Headspace-Technik, für die nur wenig Ölvolumen benötigt wird, ist die DGA heute die wichtigste Methode zur Zustandsbeurteilung solcher Messwandler geworden. Sie ermöglicht nämlich die Erkennung unterschiedlicher Fehlerarten, da diese an den charakteristischen Verteilungsmustern der im Öl gelösten Gase identifizierbar sind.
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Die von Fehlern generierten Gasmuster können aber von anderen, nicht fehlerspezifischen Gasquellen maßgeblich verändert werden. Dazu zählen das sogenannte Stray Gassing, chemisch-katalytische Einflüsse sowie Wechselwirkungen von Materialien, die in Messwandlern eingesetzt werden. Solche Effekte können zu erheblicher Unsicherheit in der Bewertung und Diagnose und folglich auch zu fehlerhafter Zustandsbeurteilung der in Betrieb stehenden Wandler führen. Eine weitere Ursache für störende Gasentwicklungen wurde in den Jahren 2010-2014 von VUM Verfahren Umwelt Management GmbH (vormals VERBUND Umwelttechnik GmbH) untersucht und erkannt.
Unlängst zeigten Zeitreihen der DGA-Werte von Ölproben aus einigen Messwandlern auffällige und zunächst unerklärbare Konzentrationsreduktionen bestimmter Gase. Bereits aus ersten Laboruntersuchungen war erkennbar, dass sich die Verteilungsmuster der Gas-in-Öl-Konzentrationen maßgeblich verändern, wenn den Ölproben Papier zugesetzt wird. Da solche Effekte die Treffsicherheit der Interpretationsschemata von DGA-Werten beeinträchtigen können, wurde ein Forschungsprojekt zur Erweiterung der Versuche auf reale Objekte beantragt. Im Fokus der dafür vorgesehenen Untersuchungen stand der mittelfristige Konzentrationsverlauf charakteristischer Zersetzungsgase, welche dem Isolieröl von sechs Messwandler-Modellen zugesetzt wurden. Um die möglichen Ursachen für die veränderten Gasmuster einzugrenzen, wurden die Probanden sowohl mit Porzellan- als auch mit Verbundisolatoren ausgeführt. In zwei Probanden wurden dabei Spannungswandler-Aktivteile eingebaut, die anderen waren nur ölgefüllt. Mit zusätzlich eingebauten Temperatursensoren sollte außerdem die Temperaturverteilung in den Probanden unter dem Einfluss unterschiedlicher Aufstellungsbedingungen erfasst werden.
Isolationspapier sorbiert Schlüsselgase
Primärziel des Forschungsprojekts war es, die Ursachen der Konzentrationsabnahmen spezifischer Gase festzustellen. Da solche Einflüsse bisher bei der Interpretation von DGA-Werten nicht berücksichtigt wurden, sollte auch analysiert werden, inwieweit die Treffsicherheit von Diagnosen beeinträchtigt wird. Ebenso war beabsichtigt, den jahreszeitlich optimalen Zeitraum für Routine-Ölprobenahmen herauszufinden. Ein weiteres Untersuchungsziel war es auch, quantitative Informationen zur Wasserdampf- und Gasdichtheit von Verbund-Hohlisolatoren zu erlangen. Die gesetzten Ziele wurden erreicht und durch neue, noch unveröffentlichte Erkenntnisse ergänzt. Die Untersuchungsergebnisse führten nämlich zur unerwarteten Schlussfolgerung, dass nicht nur Wasser und Kohlendioxid bevorzugt von Isolierpapier sorbiert werden, sondern auch die Schlüsselgase Wasserstoff und Ethin. Dadurch verschieben sich die Konzentrationsverhältnisse der im Öl gelösten Gase. Veränderungen der Gasmuster können sich in den verschiedenen Interpretationsschemata unter Umständen bedeutsam auswirken, wie das folgende Beispiel zeigt. Ein Messwandler wurde kurz nach Erkennung hoher DGA-Werte umgehend außer Betrieb genommen. Interessehalber wurde nach einigen Monaten Stillstand eine weitere Ölprobe gezogen. Obwohl vom Fehler unterdessen kein Gas generiert worden war, hatte sich das ursprüngliche Gasmuster infolge von Sorptionseffekten stark verändert. Dementsprechend hätten die beiden DGA zu unterschiedlichen Fehlerdiagnosen geführt.
Wichtig auch für Trafos
Solche Erkenntnisse sind – außer für Messwandler – besonders auch für Transformatoren von großer Bedeutung. Das konnte anhand einer Zeitreihe der Gas-in-Öl-Konzentrationen, die nach einem kurzzeitigen Fehler mit einem Online-Gerät erfasst wurden, veranschaulicht werden. Weitere Erkenntnisse wurden durch zusätzliche Untersuchungen an einem fehlerbehafteten Messwandler erlangt.
DGA ist zur wichtigsten Methode zur Zustandsbeurteilung von Messwandlern geworden. Sie ermöglicht die Erkennung unterschiedlicher Fehlerarten, da diese an den charakteristischen Verteilungsmustern der im Öl gelösten Gase identifizierbar sind.
Offenbar sind bei Fehlern, die Spaltgase in bzw. unter dicken Lagen von Öl-Papierisolierungen generieren, noch weitere Auswirkungen auf Gas-in-Öl-Analysen zu beachten. Es stellte sich nämlich heraus, dass die Konzentrationen einzelner Spaltgase im freien Öl noch Monate nach der Außerbetriebnahme dieses defekten Gerätes zunahmen, während sie bei anderen Gasen bereits einen rückläufigen Trend zeigten. Anscheinend permeieren Spaltgase unterschiedlich schnell durch solche Öl-Papierbarrieren. Kurz- und mittelfristige Veränderung von Gasmustern infolge eines selektiven Barriereneffekts können sich gravierend auf die Interpretation der DGA auswirken. Da jedoch mit dem Forschungsprojekt Neuland betreten wurde, wären zur Vertiefung der bisher gewonnenen Erkenntnisse weitere praktische und wissenschaftliche Bearbeitungen der Thematik erforderlich.
Für Messwandler in Freiluftanlagen liegt der optimale Zeitpunkt für Ölprobenahmen in der wärmeren Jahreshälfte. Die niedrigere Viskosität des Öls sowie häufige und große Änderungen der Tagestemperaturen bewirken eine relativ gute Verteilung der Gase im freien Öl. Bei Messwandlern, die bei weitgehend konstanten Umgebungstemperaturen in Innenräumen betrieben werden, kann es lange dauern, bis die Spaltgase der Fehlerstelle an der Probenahmestelle ankommen. Daher sind Wiederholungsmessungen nach einigen Monaten empfehlenswert, sobald erste Zunahmen von Zersetzungsgasen festgestellt werden.
Die potenzielle Wasserdampfdurchlässigkeit von Verbund-Hohlisolatoren stellt kein Problem dar, da die zu erwartende Wassermenge weitgehend von der Papierisolierung sorbiert wird und die Ölfeuchte daher niedrig bleibt. Während der Langzeitbeobachtung konnten auch keine relevanten Emissionen der gelösten Gase festgestellt werden, sodass die Interpretation der DGA-Ergebnisse nur unerheblich beeinflusst wird.
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