Untersuchungen und Einsatz von biobasierten Ölen als Elektroisolieröle in Transformatoren

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Bertold Grosse
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1 Untersuchungen und Einsatz von biobasierten Ölen als Elektroisolieröle in Transformatoren Prof. Dr.-Ing. Stefan Tenbohlen Dipl.-Ing. Mark Jovalekic Einleitung Dielektrische Festigkeit Thermisches Verhalten Diagnostik zur Zustandsbeurteilung Alterungsverhalten 1

Isolieröl in Leistungstransformatoren Aufgaben der Öle Elektrische Isolierung spannungsführender Teile Imprägnation der Feststoffisolierung Kühlung von Wicklungen und Eisenkern Projektierte

2 Isolieröl in Leistungstransformatoren Aufgaben der Öle Elektrische Isolierung spannungsführender Teile Imprägnation der Feststoffisolierung Kühlung von Wicklungen und Eisenkern Projektierte Lebensdauer der Betriebsmittel 30 Jahre Historisch: Mineralöl (Nachteil: Flammpunkt) mit gescheitertem Versuch des Einsatzes von PCB Seit ca. 20 Jahren synthetische Ester In jüngerer Vergangenheit ausgewählte natürliche Ester, weil biologisch schnell abbaubar, nicht wassergefährdend und schwerer entflammbar. 2

3 Anforderungen an Elektroisolieröle Optimale physikalische Größen Viskosität möglichst gering für die Kühleffizienz Stockpunkt bei tiefen Minusgraden (z.b C) Flammpunkt möglichst hoch (z.b. > 250 C) Elektrische Größen Permittivität (ε r ~ 3,2) vorteilhaft Durchschlagfestigkeit > 50 kv Verlustfaktor bzw. Leitfähigkeit möglichst klein Es müssen beim Betrieb Besonderheiten von Pflanzenölen beachtet werden: Dielektrische Festigkeit Thermisches Verhalten Zustandsdiagnostik Alterungsverhalten 3

4 Untersuchte Öle gesättigt ungesättigt C18:1 mehrfach ungesättigt oxidationsstabil instabil fest flüssig HO Sojaöl: Envirotemp FR3 9% 82% 9% HO Rapsöl: Midel en 6% 85% 9% HO Sonnenblumenöl 8% 92% Synthetischer Ester: Midel 7131 Mineralöl: Nynas Nytro 3000X Angaben aus [1, 2, 3] 4

5 Dielektrische Festigkeit 5

Elektrische Festigkeit im homogenen Feld Durchschlagspannung [kv] 100 80 60 40 91,2 91,0 87,5 76,1 76,2 88,7 81,2 67,5 89,7 99,8 79,6 84,7 75,3 70,9 35,7 2,5 mm Elektrodenabstand 20 0 neu gealtert

6 Elektrische Festigkeit im homogenen Feld Durchschlagspannung [kv] ,2 91,0 87,5 76,1 76,2 88,7 81,2 67,5 89,7 99,8 79,6 84,7 75,3 70,9 35,7 2,5 mm Elektrodenabstand 20 0 neu gealtert neu gealtert neu gealtert neu gealtert neu gealtert HOSO FR3 Midel en M7131 Nynas Nytro rf = 10%, neu rf = 20%, neu rf = 20%, gealtert Die elektrische Festigkeit der Bioöle ist im homogenen Wechselfeld durchgängig sehr gut Man erkennt hier die tendenziell die Abhängigkeit vom Wassergehalt 6

7 Elektrische Festigkeit im inhomogenen Feld Elektrodenabstand, 60 mm, Stoßbeanspruchung [kv] , ,1 125,4 Withstand Voltage (1% BDV) Mean Breakdown Voltage (50% BDV) Standard Deviation Nadelelektrode ,1 7,7 0 NN3000X Mineralöl FR3 Pflanzenöl Bei inhomogenen Anordnungen gibt es bei Bioölen leichte Abstriche Auswirkungen auf die Auslegung z.b. beim Stufenschalter Ausblick: Verstehen des Phänomens und Gegenmaßnahmen ( Elektronenfänger ) 7

8 Elektrische Festigkeit im inhomogenen Feld Streamer Pro pagation Velocity [mm/µs] 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 Mode 1 Mode 2 Mode 1 0, Applied Voltage [kv] Mode 2 NN3000X NE1 Gap distance of 40 mm Point tip radius of 3 µm Average streamer propagation velocity [km/s] ,1 1,26 2, Field enhancement factor FR3 Pflanzenöl Lyra Mineralöl X 8

9 Elektrische Festigkeit bei tiefen Temperaturen Figure 4: Test cell with Midel 7131 (left) and FR3 (right) at -35 C Figure 8: Evaluated oil breakdown values for different oil conditions at -35 C. 9

10 Thermisches Verhalten 10

11 Thermische Modellierung der Wicklung Wicklungsaufbau Geschwindigkeitsverteilung eilung Barriere 11

12 Thermische Modellierung der Wicklung Wirbel blockieren horizontale Kühlkanäle 12

13 Thermische Modellierung der Wicklung Temperaturverteilung Geschwindigkeitsverteilu ng Losses at 4 A/mm2 are impressed

14 Temperaturverteilung bei eingeprägter Strömungsgeschwindigkeit Auslauf Einlauf Mineralöl Pflanzenöl Höhere Viskosität des Pflanzenöls bei eingeprägter Strömung vorteilhaft. 14

15 Diagnostik zur Zustandsbeurteilung 15

16 Diagnostik für Isoliersysteme Das Isolieröl ist ein sehr wichtiger diagnostischer Träger Gas-in-Öl Analyse diagnostiziert elektrische und therm. Fehler: Wasserstoff für Teilentladungen Wasserstoff und Ethin (Acetylen) für Entladungen Kohlenwasserstoffe (z.b. C2H4 für thermische Fehler) CO und CO2 für Abbau der Zelluloseisolation Ölkennzahlen zur Alterungsbestimmung (Auswahl) Farbzahl: grober Alterungsindikator Neutralisationszahl: Alterungsindikator Wassergehalt: Indikator für Alterung der Papierisolation 16

Elektrodenabstand: Spitze Spitze 4mm Spannung: 128kV Öle wurden

17 Experiment zur Erzeugung von Durchschlägen 4-stufiger Marxgenerator Blitzstoß 1,2/50µs Volumen der Testzelle: 1,5l Elektrodenabstand: Spitze Spitze 4mm Spannung: 128kV Öle wurden zunächst entgast und getrocknet Analyse im Gaschromatograph mit Headspace Technik 17

18 Gasungsverhalten bei elektrischen Durchschlägen Vergleich FR3, Midel en, Midel 7131 und Lyra X Gasmenge [ppm/stoß] CO2 C2H4 (Ethen) C2H2 (Ethin) CH4 (Methan) CO C3H6 (Propen) H2 Gase FR3 Midel en Midel 7131 Lyra X Untersuchte Öle: FR3, Midel en, 7131 und Lyra X Haupts. gelöste Gase: Ethin und Wasserstoff Gasungsverhalten von der Gasart sehr ähnlich Sind die bekannten Interpretationsschemen anwendbar? Dörnenburg, Rogers, MSS, Cigre Task Force, IEC 60599, Duval 18

19 DGA bei elektrischen Entladungen PD Teilentladung D1 Entladungen niedriger Energie D2 Entladungen hoher Energie T1 Thermischer Fehler, t < 300 C T2 Thermischer Fehler, 300 C < t < 700 C T3 Thermischer Fehler, t > 700 C D1 (Entladung niedriger Energie) richtig erkannt unabhängig vom Öl 19

20 DGA bei thermischen Beanspruchungen Leichte Anpassungen für thermische Fehler Elektrische Fehler sind ölunabhängig zu detektieren 20

21 Alterungsverhalten 21

22 Alterungsuntersuchungen Farbzahl Beschleunigte Alterung im Labor: z.b. modifizierter Baadertest 1 Liter mit 1000cm² Cu bei 110 C im offenen Behälter, 14 Tage Bioöl FR3 Mineralöl 22

23 Alterungsuntersuchungen Parameterstudie eingesetzer Behälter Klimaschrank Luft -HOSO (rf 30%) Öl abgedichteter Behälter 130 C - Cu, 2,5g/l -FR3 (rf 20%) - Fe, 2,5g/l -Midel 7131 (rf 8%) - Zn, 0,5g/l -Midel en (rf 9%) - Al, 0,5g/l -Nynas Nitro Papier/Pressboard (rf 40%) Test 3 = 1440h@130 C Luftzufuhr, mit Zusätzen Test 4 = 1440h@130 C Geschlossen, mit Zusätzen 23

24 Original 200 Mit Luftzufuhr Nynas 3000X Unter Luftabschluss Midel Midel en FR3 0 HOSO 2 Kin. Viskosität [mm /s] Alterungsuntersuchungen Kinematische 40 C Test 3 = 1440h@130 C Luftzufuhr, mit Zusätzen Test 4 = 1440h@130 C Geschlossen, mit Zusätzen 24

25 Alterungsuntersuchungen Polymerisationsgrad Mit Luftzufuhr 700 Unter Luftabschluss Nynas 3000X Midel en FR3 HOSO 0 Original DP-Grad 600 Midel Test 3 = 1440h@130 C Luftzufuhr, mit Zusätzen Test 4 = 1440h@130 C Geschlossen, mit Zusätzen 25

Zusammenfassung Auswirkungen auf Konstruktion der Betriebsmittel Elektrisch: Feldverdrängung in das Papier vorteilhaft, aber reduzierte Festigkeit bei langen inhomogenen Strecken Thermisch: bisher

26 Zusammenfassung Auswirkungen auf Konstruktion der Betriebsmittel Elektrisch: Feldverdrängung in das Papier vorteilhaft, aber reduzierte Festigkeit bei langen inhomogenen Strecken Thermisch: bisher unkritisch; leichte Temperaturerhöhungen Mechanisch: Hermetikbauweise absolut erforderlich bei biologisch abbaubaren Ölen wegen Alterung (Oxidation). Im Rahmen TRAFECO Entwicklung eines neuen Fluids mit verbesserten Eigenschaften: Verringerter Viskosität Größerer Alterungsbeständigkeit Niedrigerer Stockpunkt Erstmaliger Einsatz in einem Mittelleistungstransformator in 2013 geplant 26

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