DE102007026175B4

DE102007026175B4 - Verfahren zur Ermittlung der Alterung eines elektrischen Transformators

Info

Publication number: DE102007026175B4
Application number: DE102007026175A
Authority: DE
Inventors: Tobias Stirl
Original assignee: Areva Energietechnik GmbH
Current assignee: Areva Energietechnik GmbH
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2027-06-06
Also published as: DE102007026175A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Alterung eines elektrischen Transformators, wobei eine Alterungsrate (V_IEC) nach dem IEC-Standard 60076-7 rechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Faktor (FS, FF) ermittelt wird, der einen Sauerstoffgehalt und/oder einen Feuchtigkeitsgehalt des Transformators kennzeichnet, und dass dieser Faktor (FS, FF) mit der Alterungsrate (V_IEC) verknüpft wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Alterung eines elektrischen Transformators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem IEC-Standard 60076-7 ist es bekannt, eine Alterungsrate eines elektrischen Transformators in Abhängigkeit von einer sogenannten Hot-Spot-Temperatur zu berechnen. In diesem Standard wird, abgesehen von der vorstehenden Hot-Spot-Temperatur, nur die Art des Isolationspapiers bei der Ermittlung der Alterungsrate berücksichtigt. Weitere Größen, die die Alterung des Transformators gegebenenfalls beeinflussen könnten, wie beispielsweise der Unterschied, ob es sich um einen geschlossenen oder offenen Transformator handelt, oder ob der Transformator keinen oder einen niedrigen oder hohen Feuchtigkeitsgehalt aufweist, werden bei dem IEC-Standard 60076-7 nicht herangezogen.
Die standardgemäß für einen Transformator ermittelte Alterung ist damit ungenau.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung der Alterung eines elektrischen Transformators zu schaffen, das eine größere Genauigkeit aufweist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1.
Erfindungsgemäß wird mindestens ein Faktor ermittelt, der einen Sauerstoffgehalt und/oder einen Feuchtigkeitsgehalt des Transformators kennzeichnet. Dieser Faktor wird dann mit der standardgemäß ermittelten Alterungsrate verknüpft.
Der erfindungsgemäße Faktor bewirkt eine Korrektur der standardgemäß ermittelten Alterungsrate. Betrifft der Faktor beispielsweise den Sauerstoffgehalt des Transformators und damit insbesondere den Unterschied, ob es sich um einen geschlossenen oder offenen Transformator handelt, so wird die standardgemäß ermittelte Alterungsrate im Hinblick auf diesen Sauerstoffgehalt korrigiert. Weist der Transformator beispielsweise einen hohen Sauerstoffgehalt auf, so besitzt der zugehörige Faktor einen Wert, der größer als „1,0” ist, so dass die standardgemäße Alterungsrate hin zu größeren Werten korrigiert wird.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Faktors kann somit eine genauere Ermittlung der Alterungsrate des Transformators vorgenommen werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Lebensdauerverbrauch des Transformators ermittelt, indem der mit der Alterungsrate verknüpfte Faktor integriert wird. In besonders vorteilhafter Weise kann dabei aus dem Lebensdauerverbrauch eine Lebensdauer des Transformators abgeleitet werden. Damit ist es erfindungsgemäß möglich, die zu erwartender Lebensdauer des Transformators relativ genau vorab zu ermitteln.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
1 zeigt eine aus dem IEC-Standard bekkante Tabelle von Alterungsraten eines elektrischen Transformators in Abhängigkeit von der sogenannten Hot-Spot-Temperatur, und 2 zeigt ein schematisches Diagramm mit unterschiedlichen Lebensdauerverbräuchen von Transformatoren.
Ein elektrischer Transformator weist üblicherweise ein Gehäuse auf, in dem die Transformatorwicklungen untergebracht sind. Diese sind üblicherweise in der Form von neben- und übereinander angeordneten Windungen eines elektrischen Leiters aufgebaut. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den Windungen ist ein Isolationsmedium, beispielsweise ein Isolationspapier vorgesehen. Weiterhin ist das Gehäuse des Transformators mit einem Transformatoröl gefüllt, das ebenfalls zur Isolation sowie zu Kühlzwecken verwendet wird.
Die isolierenden Eigenschaften des Isolationspapiers hängen unter anderem von dem sogenannten Polymerisationsgrad DP (DP = degree of polymerisation) des Isolationspapiers ab. Im Neuzustand des Isolationspapiers, also bei einer hohen Isolationsfähigkeit, weist dieses üblicherweise einen Polymerisationsgrad DP im Bereich von etwa 1.000 bis etwa 1.200 auf.
Im Betrieb des Transformators treten Belastungen auf, die die Eigenschaften des Isolationspapiers mit der Zeit verändern. So hat die Temperatur des Transformators einen Einfluss auf die Eigenschaften des Isolationspapiers. Entsprechendes gilt für möglicherweise in dem Transformatoröl enthaltene Feuchtigkeit oder darin gelöster Sauerstoff. Durch diese Belastungen vermindert sich unter anderem der Polymerisationsgrad DP und damit die Isolationsfähigkeit des Isolationspapiers mit der Zeit.
Ist der Polymerisationsgrad DP des Isolationspapiers auf einen Wert unter etwa 200 gesunken, so wird nach dem IEC-Standard 60076-7, Abschnitt 6.4, davon ausgegangen, dass das Isolationspapier keine ausreichende Isolationsfähigkeit mehr besitzt, und dass der Transformator deshalb das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat. Es wird darauf hingewiesen, dass in dem IEC-Standard 60076-7 auch noch andere Kriterien für das Ende der Lebensdauer eines Transformators angegeben sind, die vorliegend aber nicht herangezogen werden sollen.
Gemäß dem IEC-Standard 60076-7, Abschnitt 6.4, ist bei einem sauerstoff- und feuchtigkeitsfreien Transformator mit thermisch stabilisiertem Isolationspapier der vorstehende Polymerisationsgrad von etwa 200 erfahrungsgemäß nach einer Betriebsdauer des Transformators von etwa 150.000 Stunden unterschritten. Dies entspricht einer Lebensdauer des Transformators von etwa 17,12 Jahren.
Zur allgemeinen Ermittlung der Lebensdauer eines Transformators ist es aus dem IEC-Standard 60076-7, Abschnitt 6.2, bekannt, eine Alterungsrate V_IEC zu ermitteln. Diese Alterungsrate V_IEC ist eine Funktion der sogenannten Hot-Spot-Temperatur HST. Die Hot-Spot-Temperatur HST kann ihrerseits beispielsweise in Abhängigkeit von der gemessenen Öltemperatur, dem in dem Transformator fließenden Phasenstrom und einigen weiteren transformatorspezifischen Kenngrößen ermittelt werden.
Bei bekannter Hot-Spot-Temperatur HST wird die Alterungsrate V_IEC für nicht thermisch stabilisiertes Papier wie folgt berechnet: VIEC = 2(HST-98)/6 (1).
Für thermisch stabilisiertes Papier wird die Alterungsrate wie folgt berechnet: VIEC = e((15000/110+273)-(15000/HST+273)) (2).
In der 1 ist eine Tabelle gezeigt, in der verschiedene Alterungsraten eines elektrischen Transformators in Abhängigkeit von der Hot-Spot-Temperatur HST beispielhaft aufgelistet sind. In der linken Spalte ist die Hot-Spot-Temperatur HST in der Einheit °C angegeben, in der mittleren Spalte ist die Alterungsrate V_IEC für nicht thermisch stabilisiertes Papier und in der rechten Spalte ist die Alterungsrate V_IEC für thermisch stabilisiertes Papier angegeben. Die Alterungsrate V_IEC besitzt dabei keine Einheit.
In Ergänzung des IEC-Standards 60076-7, Abschnitt 6.2, wird die erläuterte Alterungsrate V_IEC mit einem oder mit mehreren Faktoren multiplikativ verknüpft. Dieser oder diese Faktoren können aus den folgenden Möglichkeiten von Faktoren ausgewählt werden:

FS: = Faktor für den Sauerstoffgehalt,
FF: = Faktor für den Feuchtigkeitsgehalt,
FN: = Faktor für den Neutralisationsgehalt oder Säuregrad,
FV: = Faktor für den Verseifungsgrad,
FÜ: = Faktor hinsichtlich Überspannungen,
FR: = Faktor für sonstige Einflüsse, wie zum Beispiel Vibrationen, sonstige mechanische Beanspruchungen, Ölschlamm, Teilentladungen, sonstige elektrische Beanspruchungen, gelöste Metalle wie Kupfer oder Eisen, sonstige Alterungseinflüsse.

Beispielhaft kann der Faktor FS zu „1,0” gewählt werden, wenn es sich um einen hermetisch abgeschlossenen Transformator handelt, der damit sauerstofffrei ist. Bei einem offenen bzw. frei atmendem Transformator kann der Faktor FS hingegen beispielhaft zu „3,0” gewählt werden.
Ebenfalls beispielhaft kann der Faktor FF für eine Feuchtigkeit des Isolationspapiers von 1,5% zu „2,1” gewählt werden, während für eine größere Feuchtigkeit ein größerer Wert gewählt werden kann. Ist der Transformator im wesentlichen feuchtigkeitsfrei, so kann der Wert zu „1,0” gewählt werden.
Bei diesen Werten für die Faktoren handelt es sich um Erfahrungswerte, die durch Versuche oder auf sonstige Weisen vorab ermittelt werden. Liegt für einen Faktor noch kein zugehöriger Wert vor, wird für die Faktoren FN, FV, FÜ, FR der Fall sein könnte, so kann dieser Faktor auf „1” gesetzt werden und damit letztlich unberücksichtigt bleiben. Es versteht sich, dass auch noch andere Faktoren alternativ oder zusätzlich berücksichtigt werden können. Wie erwähnt, kann auch nur ein einziger der Faktoren zur Anwendung kommen.
Mittels dieser Faktoren entsteht eine resultierende Alterungsrate Vr wie folgt: Vr = VIEC·FS·FF·FN·FV·FÜ·FR (3).
Diese resultierende Alterungsrate Vr wird nunmehr dazu verwendet, einen Lebensdauerverbrauch LVr für einen vorgegebenen Zeitraum zu ermitteln. Dieser Lebensdauerverbrauch LVr stellt eine Größe dar, die angibt, um wie viel Jahre ein Transformator beispielsweise innerhalb eines Betriebsjahres gealtert ist. Handelt es sich beispielsweise um einen offenen Transformator, so ist dieser innerhalb eines Betriebsjahres stärker gealtert als ein geschlossener Transformator. Der Lebensdauerverbrauch LVr eines offenen Transformators ist also größer als derjenige eines geschlossenen Transformators.
Bei bekannter resultierender Alterungsrate Vr wird dieser Lebensdauerverbrauch LVr wie folgt berechnet: LVr = ∫ Vr dt (4),und zwar mit dem vorgegebenen Zeitraum als Integrationszeitraum.
Als Beispiel sei ein erster Transformator mit nicht thermisch stabilisiertem Isolationspapier gewählt. Nach der obigen Gleichung (2) bzw. nach der rechten Spalte der Tabelle der 1 ergibt sich dazu bei einer Hot-Spot-Temperatur HST von 110°C eine Alterungsrate V_IEC von „1,0”. Wird weiter von einem sauerstoff- und feuchtigkeitsfreien Transformator ausgegangen, so sind die Faktoren FS und FF jeweils gleich „1,0”. Andere Faktoren sollen nicht berücksichtigt werden.
Aufgrund der Integration über den Wert „1,0” ergibt sich daraus für einen vorgegebenen Zeitraum von beispielsweise 2 Jahren ein Lebensdauerverbrauch LVr von 2 Jahren. Der Lebensdauerverbrauch LVr entspricht in diesem Fall somit dem vorgegebenen Integrationszeitraum.
Geht man nun jedoch davon aus, dass es sich nicht um einen geschlossenen, sondern um einen offenen Transformator handelt, und dass alle sonstigen Werte und Faktoren gleich sind, so muss der Faktor FS beispielsweise auf „3,0” gesetzt werden. Dies ergibt für den Lebensdauerverbrauch LVr eine Integration über den Wert „3,0”. Für denselben Integrationszeitraum hat dies für den offenen Transformator einen wesentlich höheren Lebensdauerverbrauch LVr zur Folge als bei dem geschlossenen Transformator.
Geht man nun weiterhin davon aus, dass es sich nicht nur um einen offenen Transformator handelt, sondern dass der Transformator zusätzlich eine Feuchtigkeit von 1,5% aufweist, so muss der Faktor FF beispielsweise auf „2,1” gesetzt werden. Dies ergibt für den Lebensdauerverbrauch LVr eine Integration über den Wert „3,0·2,1”. Für denselben Integrationszeitraum hat dies für den offenen, feuchtigkeitshaltigen Transformator einen wesentlich höheren Lebensdauerverbrauch LVr zur Folge als bei dem offenen, aber feuchtigkeitsfreien Transformator.
In dem Diagramm der 2 sind diese unterschiedlichen Lebensdauerverbräuche LVr bildlich dargestellt. So ist der vorstehende, erstgenannte Beispiel-Transformator, bei dem der Lebensdauerverbrauch LVr dem Integrationszeitraum entspricht, als Gerade 11 aufgetragen. Diese Gerade 11 besitzt die Steigung „1,0”. Der zweitgenannte Beispiel-Transformator, bei dem aufgrund des offenen Transformators bei demselben Integrationszeitraum ein wesentlich höherer Lebensdauerverbrauch LVr vorhanden ist, ist als Gerade 12 aufgetragen. Diese Gerade 12 besitzt eine Steigung, die größer ist als „1,0”. Der drittgenannte Beispiel-Transformator, bei dem aufgrund des feuchtigkeitshaltigen Transformators der Lebensdauerverbrauch LVR in demselben Integrationszeitraum noch größer ist, ist als Gerade 13 aufgetragen. Die Steigung dieser Geraden 13 ist ebenfalls noch größer. Weiterhin ist eine Gerade 14 aufgetragen, die eine noch größere Steigung besitzt. Diese Gerade 14 könnte beispielsweise zu einem offenen und feuchtigkeitshaltigen Transformator gehören, bei dem die Feuchtigkeit beispielsweise 4% beträgt. Dieser letztgenannte Beispiel-Transformator hat damit einen noch größeren Lebensdauerverbrauch LVr als die erstgenannten drei Transformatoren.
Aus dem Diagram der 2 kann nunmehr für die jeweiligen Beispiel-Transformatoren deren jeweilige Lebensdauer LD abgelesen werden. So wurde bereits erläutert, dass ein sauerstoff- und feuchtigkeitsfreier Transformator mit thermisch stabilisiertem Isolationspapier eine Lebensdauer von etwa 17,12 Jahren besitzt. Dieser Transformator entspricht somit dem obigen ersten Beispiel-Transformator und damit der Geraden 11. Gemäß der 2 entspricht in diesem Fall der Lebensdauerverbrauch LVr von 17,12 Jahren der identischen ZU er Lebensdauer LD des Transformators. Dies ist in der 2 mit Hilfe der gestrichelten Linien 16, 17 dargestellt.
Wie erläutert wurde, entspricht der zweite Beispiel-Transformator dem vorstehenden ersten Beispiel-Transformator mit dem einzigen Unterschied, dass es sich um einen offenen Transformator handelt. Zu diesem zweiten Beispiel-Transformator gehört die Gerade 12. Aus dem Lebensdauerverbrauch LVr von 17,12 Jahren ergibt sich damit über die Gerade 12 und die gestrichelte Linie 18 eine Lebensdauer LD dieses Transformators von etwa 6,8 Jahren.
Entsprechend kann die Lebensdauer LD des dritten Beispiel-Transformators über die Gerade 13 und die gestrichelte Linie 19 zu etwa 4 Jahren ermittelt werden.
Eine höhere oder niedrigere Hot-Spot-Temperatur HST hat für den jeweiligen Transformator gemäß der Tabelle der 1 zur Folge, dass sich die Alterungsrate V_IEC ändert. Diese Alterungsrate V_IEC geht über die Gleichung (3) in gleicher Weise in den Lebensdauerverbrauch LVr ein wie die erläuterten Faktoren FS, FF, und so weiter. Eine abweichende Hot-Spot-Temperatur HST hat somit ebenfalls eine Veränderung der Geraden 11, 12, 13, 14 zur Folge. Dabei führt eine Erhöhung der Hot-Spot-Temperatur HST zu einer Vergrößerung des Lebensdauerverbrauchs LVr, während eine Verminderung der Hot-Spot-Temperatur HST eine Verminderung des Lebensdauerverbrauchs LVr zur Folge hat.
Im letztgenannten Fall wird also die Steigung der Geraden 11, 12, 13, 14 geringer. Dies kann zur Folge haben, dass der oben genannte erste Beispiel-Transformator bei einer geringeren Hot-Spot-Temperatur HST eine Lebensdauer LD besitzt, die größer ist als 17,12 Jahre. Dies ist in der 2 beispielhaft mittels der Geraden 21 und der gestrichelten Linie 22 dargestellt.
Die vorstehend erläuterten Berechnungen, Verknüpfungen und sonstigen Ermittlungen werden von einem Computerprogramm auf einem Rechengerät, beispielsweise auf einem Personalcomputer ausgeführt. Dies kann automatisch, also insbesondere in vorgegebenen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten erfolgen, oder auch nur auf Anfrage beispielsweise einer Bedienperson. Das Computerprogramm sowie insbesondere die ermittelten Werte, insbesondere die Faktoren FS, FF und so weiter und gegebenenfalls ermittelten Geraden 11, 12, 13, 14, 21, werden dabei in einem Speichermedium abgespeichert, das dazu geeignet ist, diese Informationen auch über einen längeren Zeitraum sicher zu speichern.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Alterung eines elektrischen Transformators, wobei eine Alterungsrate (V_IEC) nach dem IEC-Standard 60076-7 rechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Faktor (FS, FF) ermittelt wird, der einen Sauerstoffgehalt und/oder einen Feuchtigkeitsgehalt des Transformators kennzeichnet, und dass dieser Faktor (FS, FF) mit der Alterungsrate (V_IEC) verknüpft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit dem Faktor (FS) für den Sauerstoffgehalt unterschieden werden kann, ob es sich um einen geschlossenen oder offenen Transformator handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mit dem Faktor (FF) für die Feuchtigkeit unterschieden werden kann, ob es sich um einen im wesentlichen feuchtigkeitsfreien oder einen feuchtigkeitsbehafteten Transformator handelt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei mit dem Faktor (FF) für die Feuchtigkeit unterschieden werden kann, ob es sich um einen Transformator mit einem geringeren oder einem höheren Feuchtigkeitsgrad handelt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Faktor (FS, FF) multiplikativ mit der Alterungsrate (V_IEC) verknüpft wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der oder die Faktoren (FS, FF) vorab ermittelt und gespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Lebensdauerverbrauch (LVr) des Transformators ermittelt wird, indem der mit der Alterungsrate (V_IEC) verknüpfte Faktor (FS, FF) integriert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei aus dem Lebensdauerverbrauch (LVr) eine zu erwartende Lebensdauer (LD) des Transformators abgeleitet wird.
Computerprogramm für ein Rechengerät, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche geeignet ist.
Speichermedium, dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm nach dem Anspruch 9 gespeichert ist.
Speichermedium nach Anspruch 10, wobei auf ihm der oder die Faktoren (FS, FF) gespeichert sind.