Das dielektrische Verhalten der Öl-Papier-Isolierung bei Belastung mit hoher Gleichspannung

Basierend auf den physikalischen Eigenschaften der unterschiedlichen ölintrinsischen und injizierten Ladungsträger wird ein neues Leitfähigkeitsmodell für Isolieröl und -papier für die Belastung mit hoher Gleichspannung aufgestellt. Das Modell wird mit der Wahl geeigneter Randbedingungen für das elektrische Feld und der Teilchenströme auf die Poisson-Nernst-Planck-Gleichung übertragen. Es steht damit ein Werkzeug zur Verfügung, das dielektrische Verhalten der Öl-Papier-Isolierung zu modellieren, dessen Parameter auf den physikalischen Ladungsträgereigenschaften wie Mobilität und Diffusion basieren. Mit dessen Hilfe werden sowohl die nichtlineare Leitfähigkeit als auch das Durchschlagverhalten als deren Extrapolation feldstärkeabhängig erklärt

Zustandsbewertung betriebsgealterter Hochspannungstransformatordurchführungen mit Öl-Papier-Dielektrikum mittels dielektrischer Diagnose

Ziel dieser Arbeit ist es, geeignete Verfahren für die Zustandsdiagnose von Durchführungen mit Öl-Papier-Dielektrikum aufzuzeigen. Dazu wurden an drei 400 kV-Transformatordurchführungen, die 28 Jahre lang in Betrieb waren, betriebsfrequente Kapazitäts- und Verlustfaktormessungen sowie Polarisations- und Depolarisationsstrommessungen (PDC) und Frequenzbereichsspektroskopie-Messungen (FDS) vorgenommen und Möglichkeiten zur qualitativen Analyse der Messergebnisse angegeben. Durch Simulationen lassen sich die Ergebnisse der PDC- und FDS-Messung auch quantitativ bewerten, wodurch u.a. eine Abschätzung des Wassergehalts der Isolation möglich ist. Die Eignung der verwendeten Mess-, Analyse- und Simulationsverfahren wurde durch die Demontage und Untersuchung des Papiers eines der Prüflinge verifiziert. Neben vielen praktischen Hinweisen zu dielektrischen Messungen und deren Störeinflüsse werden auch neuartige Verfahren zur Temperaturkompensation dielektrischer Kurven im Zeitbereich sowie zur Herleitung einfacher Ersatzschaltbilder für die Simulation vorgestellt.This thesis concerns the condition assessment of high voltage bushings with oil-paper insulation system. The aim is to prove, which diagnostic methods are suited to assess the ageing condition of such bushings that are subjected to ageing effects caused by service operation and how the measurement results can be analyzed. For the practical investigations of this work, three 400 kV-bushings were provided. They have been in operation for 28 years and were replaced as a precaution. Dielectric measurements were performed on these test objects: i.e. capacity and dissipation factor measurements, polarization- and depolarization current- measurements (PDC-measurements) and frequency domain spectroscopy (FDS) were used in order to prove their suitability for ageing condition assessment and to demonstrate how the measurement results can be analyzed. The comparison of measurement data with simulation results plays a major role for quantitative analyses of the measurement results. It is shown, how material data from laboratory measurements can be transformed in a simple way in order to create equivalent circuit diagrams for simulation of real bushings. For analysis of dielectric measurement results, a novel method for the compensation of temperature influences in time domain is shown. This method gives new approaches in analyses of dielectric measurements.During the dielectric measurements, influences of the measurement environment on the measurement results revealed. On the one hand, PDC measurement results were influenced even on very long measurement times in such ways, that oscillations of the polarization currents and polarity reversals of the depolarization currents were caused. On the other hand apparently negative dissipation factors were obtained at higher frequencies, especially at operating frequency. By the investigation of these influences using equivalent circuit diagrams it could be shown that stray capacitances to ground potential caused the effects. So useful advices for dielectric measurements can be given.The adequacy of the different measurement and simulation methods for condition assessment used in this thesis is verified by chemical analyses on the paper of one of the bushings investigated. This allows a final evaluation of the diagnostic methods used.Diese Arbeit befasst sich mit der Zustandsbewertung von Hochspannungsdurchführungen mit Öl-Papier-Dielektrikum. Das vordergründige Ziel besteht darin, zu untersuchen, welche Diagnoseverfahren geeignet sind, um den Zustand von Durchführungen, die durch betriebliche Beanspruchungen gealtert sind, zu bewerten und wie sich die Ergebnisse der diagnostischen Messungen analysieren lassen. Für die Untersuchungen dieser Arbeit standen drei 400 kV-OIP-Durchführungen zur Verfügung, die 28 Jahre lang in Betrieb waren und vorsorglich getauscht wurden. An diesen Prüflingen wurden die dielektrischen Diagnoseverfahren der betriebsfrequenten Kapazitäts- und Verlustfaktormessung, die Polarisations- und Depolarisationsstrommessung (PDC-Messung) sowie die Frequenzbereichsspektroskopie (FDS) angewendet, um sie auf ihre Eignung zur Zustandsdiagnose von Durchführungen zu prüfen und Möglichkeiten zur Analyse der Messergebnisse aufzuzeigen. Eine wichtige Rolle bei der quantitativen Analyse der Messergebnisse spielt der Vergleich mit Simulationsergebnissen. Es wird gezeigt, wie auf einfachem Wege aus Materialdatensätzen von Labormessungen Ersatzschaltbilder für die Simulation realer Durchführungen hergeleitet werden können. Zur Analyse der Messergebnisse wird eine neuartige Möglichkeit der Temperaturumrechnung von Polarisationsstromkurven aus dem Zeitbereich angegeben, durch die sich neue Ansätze für die Bewertung dielektrischer Messungen ergeben. Bei den dielektrischen Messungen wurden Einflüsse der Messumgebung auf die Verläufe der PDC- und FDS-Ergebnisse festgestellt. Zum einen wurden die PDC-Messungen auch bei sehr langen Messzeiten dahingehend beeinträchtigt, dass sich starke Schwankungen im Polarisationsstrom und eine Polaritätsumkehr des Depolarisationsstroms zeigten. Zum anderen ergab sich bei FDS-Messungen ein scheinbar negativer Verlustfaktor bei höheren Frequenzen, insbesondere bei Betriebsfrequenz. Die Untersuchung dieser Einflüsse anhand von Ersatzschaltbildern verdeutlicht, dass Streukapazitäten zum Erdpotential ursächlich für die Störungen sind und liefert wertvolle Hinweise für praktische Messungen. Die Eignung der zur Zustandsbewertung eingesetzten Mess-, Analyse- und Simulationsverfahren wurde durch chemische Analysen am Papier eines der Prüflinge verifiziert, sodass eine zusammenfassende Bewertung der angewendeten Methoden vorgenommen werden konnte

Charakterisierung einer Membran-Gassensor-Kombination zum Nachweis von gelösten Gasen

Kommt es in isolierölgefüllten Transformatoren zu Schäden, so entstehen Gase aus der Spaltung des Isolieröls durch die Energie des Schadens. Schäden sind z.B. eine elektrische Entladung oder eine Überhitzung. Typische Schadgase sind Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe wie Ethin und Ethen. Ob ein Schaden eingetreten ist, wird mit einem Buchholzrelais überwacht. Dieses meldet die Anwesenheit von Gas. Welcher Schaden eingetreten ist, wird mit Hilfe einer Gas-in-Öl-Analyse bestimmt. Diese beinhaltet Probennahme, Transport der Probe und Analyse im Labor mit einem GC mit Wärmeleitfähigkeits- und Flammenionisationsdetektor. Die Gas-in-Öl-Analyse wird einmal jährlich durchgeführt. Kommt es zu einem Schaden, so wird das Wiederholungsintervall erhöht, bis hin zu mehreren Analysen an einem Tag. Eine Bestimmung der Schadgase direkt am Transformator erleichtert die Überwachung des Transformators und ist deswegen von Interesse. Die Schadgase sind mit Gassensoren nachweisbar. Ein mit Gassensoren ausgerüstetes System, am Buchholzrelais angebracht, könnte diese Aufgabe erfüllen. Befindet sich in einem abgeschlossen Gefäß eine Gasphase über einer Flüssigkeit, so stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der Konzentration der Gase in der Gasphase und der Konzentration der in der Flüssigkeit gelösten Gase ein. Dieses Gleichgewicht hängt ab vom Löslichkeitskoeffizienten, von der Temperatur und von dem Partialdruck des entsprechenden Gases. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Gassensoren auf ihre Eignung zum Nachweis von Transformatorschadgasen hin untersucht. Ein System zum Nachweis des Schadgases Wasserstoff, welches in Isolieröl gelöst ist, wird entwickelt. Zur Unterscheidung der Schad-gase Ethan, Ethin und Ethen im Konzentrationsbereich von 100 ppm bis 500 ppm wird untersucht, ob diese mit einem einzelnen Sensor nachgewiesen und unterschieden werden können. Ein Nachweiszyklus wird vorgestellt. Die Betriebs-temperatur eines Halbleitergassenors beeinflußt dessen Selektivität. Bei den Kohlenwasser-stoffen Ethan (Einfachbindung), Ethen (Doppelbindung) und Ethin (Dreifachbindung) resultiert aus den unterschiedlichen Bindungen eine unterschiedliche Energie, die zur Oxidation notwendig ist. Damit sollten sie durch einen einzelnen Gassensor bei verschiedenen Temperaturen nachweisbar sein. Bei Ethin ist aufgrund der Dreifachbindung die Energie zur Oxidation geringer als bei Ethan mit seiner Dreifachbindung. Eine niedrige Sensortemperatur sollte zum Ethin-Nachweis ausreichen. Die Trennung von Ethan und Ethin mit nur einem Halbleitergassensor (UST GGS3000) ist möglich. Die Ethinkonzentration wird bei einem Heizspannungswechsel von 1 V auf 2 V gemessen und anschließend die Ethankonzentration bei einem Heizspannungswechsel von 3 V auf 4 V. Für den gleichzeitigen Nachweis von Ethan/Ethen oder Ethin/Ethen muß ein zweiter Sensor (UST GGS1000) für die Messung des Ethen, bei einem Heizspannungswechsel von 3,5 V auf 4,5 V, verwendet werden. Die Konzentration des einen Gases wird über eine lineare Regression bestimmt und danach die Konzentration des anderen Gases über ein Polynomnetz. Voraussetzung für den Einsatz von Gassensoren für die Detektion von in Isolieröl gelösten Gasen ist die Trennung der Sensoren vom Öl. Hierzu wird eine Sensorkammer entwickelt, bei der die Trennung der Sensoren vom Öl über eine Teflonmembran erfolgt. Zum Nachweis muß das im Öl gelöste Gas aus dem Öl durch die Membran zu den Sensoren diffundieren. Dies führt zu einer langen Zeitkonstanten bei der Einstellung der Gaskonzentration bei den Sensoren. Deswegen muß der Aufbau so ausgelegt sein, daß nur vernachlässigbare Gasverluste durch chemischen Umsatz an den Sensoren auftreten, da diese kürzere Zeitkonstanten haben. Eine Verarmung des im Öl gelösten Gases vor der Membran wird durch den Einsatz einer Pumpe vermieden. Eine Gasdiffusion im Öl aufgrund des durch die Verarmung entstehenden Konzentrationsunterschiedes läuft nicht schnell genug ab. Eingesetzt wird eine Wärmeleitfähigkeitssensor-Halbleitersensor-Kombination. Ein mikrostrukturierter Wärmeleitfähigkeitssensor (TCS208F; Fa. Gerhard R. Wagner Sensors, Systems and Services) und ein Halbleitersensor (UST GGS1000) werden verwendet. Der Halbleitersensor wird bei Raumtemperatur betrieben. In regelmäßigen Abständen (hier z.B. 24 h) wird der Sensor für 10 min auf 250 °C erwärmt. Dabei verbrennt er allen im Gasraum vorhanden Wasserstoff. Dies dient der Nullpunkteinstellung des Wärmeleitfähigkeitssensors. Nach der Nullpunkteinstellung durch eine Betriebsphase des Halbleitersensors dauert es ca. 10 h, bis sich wieder ein Gleichgewicht zwischen den Gaskonzentrationen im Öl und in der Luft hinter der Membran eingestellt hat. Eine Messung ist erst jetzt möglich. Eine Endwertbestimmung durch die Anpassung einer Exponentialfunktion an die Meßwerte verkürzt diese Zeit auf 3-4 h. Die Wasserstoffkonzentration kann von 500 ppm bis 5 % linear nachgewiesen werden. Die H2-Konzentration [%] in Luft ergibt sich als (Meßsignal [mV]/cL) mit (cL = -1,73 mV/% H2). Eine gleichzeitig zur Messung erfolgende Gas-in-Öl-Analyse (DIN EN60567) ergibt Konzentrationen, die um einen Faktor 1,34 unter den vom Sensorsystem bestimmten liegen. Für die Bestimmung der Gaskonzentrationen sind die Löslichkeitskoeffizienten wesentlich, deren Werte in der Literatur unterschiedlich angegeben werden