Zusammenfassung: Dieser Artikel analysiert die Entstehung interner Fehler in Transformatoren und schlägt die Notwendigkeit und Möglichkeit der Früherkennung von Teilentladungen durch Online-Überwachung von Wasserstoff und Feuchtigkeit im Öl vor. Die grundlegenden Funktionen, die ein Online-Überwachungsgerät für Gase im Öl aufweisen sollte, werden ebenfalls diskutiert. Schlüsselwörter: Transformator, Früherkennung von Teilentladungen, Wasserstoff und Feuchtigkeit im Öl, Online-Überwachungsgerät . 1. Einleitung: Transformatoren sind kritische Komponenten in Stromversorgungssystemen, und ihr Zustand beeinflusst direkt den sicheren Betrieb des Stromnetzes. Daher ist die Online-Überwachung von Leistungstransformatoren zur frühzeitigen Erfassung ihres Zustands seit jeher ein Ziel und eine Herausforderung für Energieversorger. Die Zustandsüberwachung von Transformatoren umfasst die Erfassung und Analyse relevanter Parameter und Signale zur Erkennung beginnender interner Fehler und ihrer Entwicklungstendenzen. Die Produktionsleitung organisiert daraufhin umgehend Personal für eine umfassende Analyse, Diagnose des Anlagenzustands, Reduzierung von Verlusten, Vermeidung schwerwiegender Unfälle und Umstellung der traditionellen periodischen Wartung auf zustandsorientierte Wartung. Dadurch werden der sichere und wirtschaftliche Betrieb des Stromnetzes verbessert und die Servicequalität für die Nutzer erhöht. Aufgrund von Fehlern in der Transformatorisolierung, die durch Konstruktion, Fertigung, Installation sowie Betrieb und Wartung verursacht werden, verringert sich die Kurzschlussfestigkeit. Daher kam es in den letzten Jahren vermehrt zu Unfällen mit Haupttransformatoren, wobei Teilentladungen in den Wicklungen die größte Sicherheitsgefahr darstellen. Laut einer Untersuchung der State Power Corporation zu Unfällen mit Haupttransformatoren ab 110 kV im ganzen Land im Jahr 2001 waren Wicklungsunfälle für 74,6 % aller Unfälle verantwortlich [1] (80 % in der Provinz Fujian). Die wichtigste Aufgabe zur Verbesserung des sicheren Betriebs von Transformatoren ist daher die frühzeitige Erkennung von Teilentladungen in den Wicklungen. Die Öl-Gas-Analyse ist eine geeignete Methode zur Erkennung interner Transformatorfehler. In der vom ehemaligen Ministerium für Elektrizität herausgegebenen Norm DL/T596-1996 „Vorbeugende Prüfverfahren für elektrische Betriebsmittel“ ist sie als erster Prüfpunkt für Transformatoren aufgeführt. Vorläufigen Statistiken zufolge können in China jährlich etwa 300 fehlerhafte oder anormale Geräte mithilfe der Öl-Gas-Analyse erkannt werden, was einen wichtigen Beitrag zum sicheren und wirtschaftlichen Betrieb des Stromnetzes leistet. Die konventionelle Öl-Gas-Analyse ist jedoch eine Offline-Überwachungsmethode. Gemäß den Überwachungsvorschriften beträgt der Probenahmezyklus in der Regel drei Monate bis ein Jahr. Solche intermittierenden Prüfungen reichen zwar aus, um Überhitzung und Potentialausgleichsfehler zu erkennen, jedoch lassen sich Teilentladungen zwischen den Windungen und in der Wicklungsabschirmung, die die Anlagensicherheit ernsthaft gefährden, nur schwer rechtzeitig detektieren. Aus diesem Grund widmen sich Wissenschaftler im In- und Ausland seit vielen Jahren der Forschung zur Online-Überwachung von Öl- und Gasentladungen sowie Teilentladungen. In den 1980er Jahren wurde in China das „Kooperationsnetzwerk für die Online-Überwachung der Isolation von Hochspannungsanlagen“ gegründet. Im Mai 2002 fand in Fuzhou die Jahrestagung statt. Im Dezember 2002 veranstalteten das Hochspannungsinstitut des Staatlichen Forschungsinstituts für elektrische Energie und das Nationale Fachkomitee für Hochspannung in Beihai ein Seminar und erarbeiteten die „Richtlinien für das Management der Online-Überwachung“. Dies wird die Entwicklung der Online-Isolationsüberwachung in China maßgeblich fördern und eine rechtliche Grundlage für die Zustandsüberwachung von Anlagen schaffen. Aktuell lassen sich Projekte zur Online-Überwachung von Transformatoren in zwei Kategorien einteilen: Öl- und Gasüberwachung, Feuchtigkeitsüberwachung und Isolationsüberwachung. Isolationsüberwachungsprojekte umfassen hauptsächlich dielektrische Verluste, Leckströme und Teilentladungen. Dielektrische Verluste und Leckströme geben jedoch nur den Gesamtzustand der Isolation wieder und sind schwer zu erkennen, da lokale Defekte nur schwer detektiert werden können. Die Technologie zur Störungsunterdrückung bei der Online-Überwachung von Teilentladungen ist zudem noch nicht ausgereift [2]. Daher basiert die Online-Überwachung von Transformatoren derzeit weitgehend auf der Online-Überwachung von Öl, Gasen und Feuchtigkeit. Ich beschäftige mich seit Langem mit der Detektion von Gasen und Feuchtigkeit in Öl sowie der Diagnose interner Fehler. In den 1980er Jahren entwickelte ich in Zusammenarbeit mit Energieforschungsinstituten in den Provinzen Peking, Jilin, Shaanxi, Anhui und Guizhou ein Online-Überwachungsgerät für Wasserstoff in Öl mithilfe wasserstoffsensitiver Sensoren. Obwohl landesweit über 200 Geräte eingesetzt wurden, scheiterte das Projekt letztendlich an der damals unzureichenden Stabilität der Sensoren. Mit der Entwicklung der Energiewirtschaft steigen die Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Stromnetzes, und es besteht der Wunsch, schrittweise von der derzeitigen periodischen Wartung auf die zustandsorientierte Wartung umzusteigen. Dies erfordert die zustandsorientierte Überwachung von Transformatoren. In den letzten Jahren haben sich Sensortechnik, Mikrocomputertechnik und Öl-Gas-Trenntechnik rasant weiterentwickelt und damit die Voraussetzungen für die Online-Überwachung von Transformatoren geschaffen. 2. Charakteristika von Teilentladungen in Transformatoren Interne Fehler in Transformatoren lassen sich in zwei Hauptkategorien unterteilen: Überhitzung und Entladung. Überhitzungsfehler entwickeln sich relativ langsam und führen nicht innerhalb kurzer Zeit zu Unfällen. Teilentladungsfehler hingegen, insbesondere Teilentladungen zwischen Windungen, Lagen und dem umgebenden Schirm, verhalten sich ganz anders. Bei Beschädigung der Isolation dieser Teile sinkt die Oberflächenentladungsspannung. Nach Einwirkung interner oder externer Überspannungen verschlechtert sich die Isolationsleistung rapide, was zu Teilentladungen und im schlimmsten Fall zu Lichtbogenentladungen und Durchbrennen führen kann. Dies verursacht schwere Schäden am Stromnetz und gefährdet Menschenleben! Daher sollte die Online-Überwachung von Transformatoren dazu dienen, Teilentladungsfehler vor dem Auftreten von Lichtbogenentladungen zu erkennen und wirksame Maßnahmen zur Unfallverhütung zu ergreifen. Manche vertreten die Ansicht, dass sich Entladungsfehler schnell und plötzlich entwickeln und dass Gase im Öl nicht frühzeitig erkannt werden können. Wie wir alle wissen, durchläuft jeder Unfall einen Entstehungs- und Entwicklungsprozess, d. h. einen Prozess von quantitativer zu qualitativer Veränderung. Auch Teilentladungen in einem Transformator durchlaufen einen Entwicklungsprozess von Koronaentladung über Kriechentladung und Funkenentladung bis hin zur Lichtbogenentladung. Ihre Entwicklungsgeschwindigkeit hängt vom Fehlerort und der Größe der Fehlerenergie ab. Eine Analyse von Transformatorunfällen des letzten Jahrzehnts zeigt, dass eine beträchtliche Anzahl von Unfällen einen Entwicklungsprozess von mehreren Stunden aufwies. Beispiele hierfür sind der Unfall im Januar 1987 am Transformator Houshan Nr. 1 (220 kV, 90 MVA) in Sanming, Fujian, verursacht durch eine dendritische Entladung im Hochspannungs-B-Phasenschirm; der Unfall am 31. Juli 2000 am Transformator Songyu Nr. 2 (220 kV, 370 MVA) in Xiamen, verursacht durch einen Isolationsfehler in der horizontalen Holzstütze der Niederspannungs-Winkelverbindung; Der Unfall vom 22. August 2001 am Transformator Nr. 1 (220 kV, 150 MVA) des Wasserkraftwerks Chitan in Fujian, verursacht durch einen Blitzeinschlag nach vollständiger axialer Verformung der 110-kV-Mittelspannungs-C-Phasenwicklung, und der Kurzschlussunfall vom 22. März 2002 am Transformator Nr. 2 des Kernkraftwerks Daya Bay in Guangdong, zeigten jeweils einen mehrstündigen Entwicklungsprozess. Der Einsatz von Überwachungsgeräten mit schneller Reaktion auf fehlerhafte Gase, die eine Detektion während der Funkenentladungsphase ermöglichen, könnte potenziell katastrophale Unfälle verhindern. 3. Notwendigkeit und Möglichkeit der Online-Überwachung von Teilentladungsfehlern mittels Wasserstoff im Öl. Bekanntermaßen bestehen die Isoliermaterialien in Transformatoren, wie Isolieröl, Papier, Gewebe, Farbe und Holz, aus Kohlenwasserstoffen bzw. Kohlenhydraten. Diese Materialien weisen die meisten Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen (CH) in ihrer Molekularstruktur und die niedrigste Bindungsenergie auf, wodurch sie sich bei der Zersetzung am leichtesten aufbrechen lassen. Wasserstoff besitzt die niedrigste Bildungsenthalpie und entsteht daher am leichtesten nach dem Aufbrechen von Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen. Da Wasserstoff zudem den kleinsten Molekülradius und die geringste Löslichkeit in Öl aufweist, kann er am leichtesten aus dem Öl entweichen, die Polymermembran durchdringen und sich in der Detektionskammer am schnellsten anreichern. Daher ist Wasserstoff als Messziel das ideale Fehlergas für die Früherkennung von Teilentladungen. Acetylen (C₂H₂) gilt zwar als repräsentativstes Fehlergas für Entladungen, ist aber aufgrund seiner C-C-Bindungen, die eine erhebliche Energieaufnahme für seine Bildung erfordern, nicht in den frühen Stadien einer Teilentladung zu erzeugen. Lediglich in späteren Phasen einer Funkenentladung tritt eine geringe Menge C₂H₂ auf. Diese Phasen ähneln jedoch einer Lichtbogenentladung, wodurch es schnell zu einem schweren Unfall kommen kann. Selbst bei rechtzeitiger Erkennung bleibt nicht genügend Zeit für präventive Maßnahmen. Manche argumentieren, dass die alleinige Überwachung von Wasserstoff und Feuchtigkeit für eine umfassende Diagnose nicht ausreicht und die Überwachung mehrerer Komponenten notwendig ist. Dieser Gedanke ist nachvollziehbar. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass die Online-Überwachung den Betrieb von Anlagen erfordert. Die Abschaltung von Anlagen kann nicht allein auf Basis des Gasgehalts im Öl entschieden werden! Selbst mit den heutigen chromatographischen Laboranalysen, die zahlreiche Komponenten erfassen und hochentwickelte Methoden einsetzen, kann ein anormaler Gasgehalt im Öl keinen sofortigen Stromausfall auslösen! Die Hauptaufgabe der Online-Überwachung besteht darin, als „Wächter“ für interne Transformatorfehler zu fungieren, Fehler im Frühstadium präzise zu erkennen und Alarme auszulösen. Daher müssen Online-Überwachungsgeräte nicht nur kontinuierlich betriebsbereit sein, sondern auch schnell auf fehlerhafte Gase reagieren. Die Erfassung mehrerer Komponenten ist nur mit zwei Methoden möglich: Zum einen mit Chromatographie, die Probenahme, Injektion und Säulentrennung erfordert und somit eine intermittierende Überwachung zur Folge hat; zum anderen mit mehreren Sensoren zur separaten Überwachung jeder Komponente, was aufgrund der derzeit unzureichenden Sensorqualität in naher Zukunft nicht realisierbar ist. Aus der obigen Analyse geht hervor, dass die kontinuierliche Überwachung von Wasserstoff im Öl die beste Methode zur Früherkennung von Teilentladungsfehlern ist. 4. Online-Überwachung der Ölfeuchtigkeit: Transformatorenöl ist das wichtigste interne Isoliermaterial, und Wasser ist der entscheidende Faktor für die Isolationsleistung. Steigt der Feuchtigkeitsgehalt im Öl über einen bestimmten Wert, verschlechtert sich die Isolationsleistung rapide, was sogar zu Unfällen führen kann. Durch die Überwachung des Feuchtigkeitsgehalts im Transformatorenöl lässt sich daher nicht nur ein gefährlicher Abfall der Isolationsfestigkeit verhindern, sondern auch der Gesamtisolationszustand des Transformators beurteilen [4]. In den letzten Jahren kam es in China zu mehreren Unfällen durch Wassereintritt in Transformatoren, die erhebliche Schäden verursachten. Daher ist die Echtzeit-Feuchtigkeitsmessung im Transformatorenöl besonders wichtig für wichtige Transformatoren in Gebieten mit starker Öl-Wasser-Kühlung und hoher Luftfeuchtigkeit. Das Gerät muss nicht nur schnell reagieren, sondern auch stabil und genau arbeiten. Dies erfordert die Installation des Feuchtigkeitssensors im Bereich starker Ölzirkulation oder im geschlossenen Ölkreislauf der Umwälzpumpe. 5. Funktionen des Online-Öl-Gas-Überwachungsgeräts: Da die Online-Öl-Gas-Überwachung der Früherkennung von Teilentladungen dient, lassen sich die wichtigsten Funktionen dieses Geräts mit Genauigkeit, Geschwindigkeit und einfacher Bedienung zusammenfassen. Genauigkeit bedeutet, dass das ausgewählte Überwachungsziel das charakteristische Hauptgas im Frühstadium der Teilentladung sein sollte. Wie bereits erwähnt, ist Wasserstoff im Öl das erste charakteristische Gas, das bei verschiedenen Störungen entsteht, und das Hauptcharakteristikgas von Teilentladungen. Es ist jedoch zu beachten, dass Wasserstoff bei der derzeitigen Offline-Chromatographie leicht während der Probenahme, Lagerung, des Transports, der Entgasung und der Injektion verloren geht, was häufig zu erheblichen Streuungen der Analyseergebnisse führt und die Effektivität der Wasserstoffüberwachung in Frage gestellt hat. Geschwindigkeit bedeutet, dass die Reaktionsgeschwindigkeit auf Fehlergase so schnell wie möglich sein sollte! Da sich Teilentladungen schnell entwickeln, sollte das Überwachungsgerät 20 Minuten nach dem Auftreten des Fehlergases einen Alarm auslösen. Die Bediener sollten die zuständigen Stellen umgehend informieren, eine umfassende Analyse durchführen und wirksame und entschlossene Maßnahmen ergreifen, um schwere Unfälle zu verhindern. Dies erfordert nicht nur die Installation der Probenahme- und Detektionseinheiten im starken Ölkreislauf oder den Besitz einer eigenen Ölumwälzpumpe, sondern auch eine ausreichend große Öl-Gas-Trennmembran, um einen schnellen Gaseintritt in die Detektionskammer zu gewährleisten. Einfachheit bedeutet, dass das Gerätesystem einfach, leicht zu installieren und wartungsarm sein sollte. Online-Überwachungsgeräte können daher nur dann als Frühwarnsysteme für interne Fehler dienen, wenn sie präzise und schnell arbeiten; ihre breite Anwendung ist nur möglich, wenn sie einfach sind und den Anwendern Komfort und Wirtschaftlichkeit bieten. 6. Fazit Aus dieser Diskussion lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: Der Hauptzweck der Online-Gasüberwachung im Öl besteht darin, als Frühwarnsystem für Teilentladungen in Transformatoren zu fungieren und nicht in der umfassenden Analyse. Nach Erhalt eines präzisen Alarms durch das Online-Überwachungsgerät sollte die Produktionsleitung unverzüglich entschiedene und wirksame Maßnahmen ergreifen, um Verluste zu minimieren und schwere Unfälle zu vermeiden. Wasserstoff ist das erste charakteristische Gas, das bei Teilentladungen in Transformatoren entsteht. Der Einsatz eines Online-Wasserstoffüberwachungsgeräts mit stabiler Leistung und schneller Reaktionszeit auf Fehlergase ermöglicht die Erkennung von Defekten mit sich langsam entwickelnden Teilentladungen in Transformatoren während der Funkenentladungsphase. Dadurch lassen sich Verluste reduzieren und schwere Unfälle vermeiden. Bei der Auswahl eines Online-Gasüberwachungsgeräts für Öl darf der Irrglaube, Chromatographie sei zur Detektion mehrerer Komponenten geeignet, nicht aufkommen. Stattdessen sollten Genauigkeit, Geschwindigkeit und einfache Bedienung im Vordergrund stehen. Die Funktionen des Geräts müssen umfassend bewertet werden, und es muss ein Gerät installiert werden, das sowohl sicher als auch wirtschaftlich ist.