Applikationsschrift OilQSens cmc101. Online-Fernüberwachung von Transformatoren und deren bedarfs- und verschleißabhängige Regelung

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1 Applikationsschrift OilQSens cmc101 Anwendung: Online-Fernüberwachung von Transformatoren und deren bedarfs- und verschleißabhängige Regelung Verfahren: Hoch empfindliches Ölsensorsystem cmc Lösung: OilQSens Bild 1: OilQSens Definition: Das neue online Ölsensorsystem OilQSens, erlaubt eine kontinuierliche Zustandsüberwachung von Transformatoren über die Bewertung des Systems Öl Transformator. OilQSens misst die Komponenten Leitfähigkeit, Dielektrizitätszahl r und die Temperatur T und berechnet die Durchschlagsspannung, Feuchte und Verlustfaktor tan im Öl. Anwender: Kraftwerke, Energieversorger, Dienstleister in der Energiewirtschaft, Trafohersteller, Transformatorbetreiber. Hintergrund: Bild 2: Transformator Details: Öle in Transformatoren haben die Aufgabe zu isolieren, Korrosion zu verhindern, durch Wärmeabfuhr zu kühlen, das Isolierpapier zu schützen und zur Geräuschminderung beizutragen. Durch Ölalterung und Überbelastung werden Ladungsträger und Ionen erzeugt, die die Leitfähigkeit des Öls erhöhen. Dazu kommen Partikel aus Fertigung und Abrieb des Kühlsystems. Feuchte in Öl reduziert die Isoliereigenschaften, mit Kupfer als Katalysator führt sie zu einer starken Versauerung und Oxydation des Öls. Die Versauerung schädigt wiederrum die Isolierung. Der Basissensor misst Komponenten der spezifischen komplexen Impedanz der Öle, insbesondere die elektrische Leitfähigkeit und die Dielektrizitätszahl hochgenau. Zudem wird die Öltemperatur zur Kompensation der starken Temperaturabhängigkeiten der elektrischen Leitfähigkeit und Dielektrizitätszahl gemessen. Da die Ölleitfähigkeit insbesondere von der Verschmutzung und vom Alterungszustand der Öle abhängig ist und deren Temperaturabhängigkeit nicht als bekannt vorausgesetzt werden kann, wurde ein adaptiver, selbstlernender Temperaturkompensationsalgorithmus entwickelt. Bild 3: Basissensor des OilQSens 1

2 Aus den temperaturkompensierten Leitfähigkeiten und Dielektrizitätszahlen werden deren Gradienten berechnet. Sehr viel früher als mit anderen Messsysteme werden so Veränderungen des Systems Öl-Transformator detektiert. Additive und Inhibitoren im Öl puffern Feuchte, Verschmutzungen und andere Ladungsträger weg mit Zeitkonstanten im Minuten- bis Stundenbereich. Das Sensorsystem misst mit Zeitkonstanten im Sekundenbereich. Die hohe Messgeschwindigkeit des OilQSens ermöglicht somit eine quasi kontinuierliche Online-Fernüberwachung und präventive zustandsorientierte Wartung von Transformatoren. Zudem kann eine dynamische bedarfs- und verschleißabhängige Regelung der Auslastung der Transformatoren realisiert werden. Die Messung der Dielektrizitätszahl erlaubt die Ermittlung des Wassergehalts bzw. der Ölfeuchte. Aus den temperaturkompensierten Leitfähigkeiten und Dielektrizitätszahlen werden der Verlustfaktors tan berechnet, aus der temperaturkompensierten Leitfähigkeit kann die Ölversauerung ermittelt werden. Das OilQSens Sensorsystem ermöglicht die Reduzierung von Stillstandzeiten und eine Erhöhung der Gesamtlebensdauer der Transformatoren! In Bild 4 ist die Messsignalerfassung und -verarbeitung im OilQSens skizziert mit den Bereichen Messsignalerfassung, Messsignalverarbeitung und Signalausgabe. Leitfähigkeit κ OilQSens Temperatur T Dielektrizitätszahl ε r Messsignalerfassung adaptive Temperaturkompensation adaptive Temperaturkompensation Messsignalverarbeitung κ 40 ε r40 Messsignalverarbeitung κ 40 Versauerung Ölzustandsän -derung Ölfeuchte Alarm Verlust faktor Belastungsereignis Durchschlagspannung ε r40 Signal zu CMS Bild 4: Datenflussgraf des OilQSens 2

3 Installation: Das nachfolgende Bild zeigt den Einbau des Sensors in die Leitung der Zwangskühlung eines Transformators. Der Sensor soll in tiefer Position mit senkrechter Einbaulage eingebaut werden und von unten nach oben durchströmt werden. Beim Einbau ist darauf zu achten, dass der OilQSens Basissensor nach dem Transformator und vor einem evtl. in der Leitung eingebauten Filter platziert wird. Ein Einbau nach dem Filter würde die Messeffekte reduzieren. Auch bei Abschaltung der Zwangskühlung soll der OilQSens komplett mit Öl gefüllt bleiben. Bei der Montage ist darauf zu achten, dass sich keine Luftblasen in der Messkammer bilden können. Die Messergebnisse sind unabhängig vom Durchfluss. Bild 5: Installation des OilQSens Basissensor in der Leitung der Zwangskühlung Beispiel: In einem Laborversuch wurde gebrauchtes und neues Transformatorenöl gemischt und die Durchschlagsspannung und elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Mischungsverhältnisse gemessen. Entsprechend normativer Vorgaben wurde die Durchschlagsspannung jeweils sechs mal gemessen. In den nachfolgenden Bildern zeigen die durchgezogenen Kurven aus den Messergebnissen ermittelte approximierende Polynome zweiten Grades. 3

4 Bild 6: Durchschlagsspannung und gemessene Leitfähigkeit in Abhängigkeit des Mischungsverhältnisses von gebrauchtem und neuem Transformatoröl Im folgenden Bild ist die Durchschlagsspannung in Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit dargestellt. Bild 7: Durchschlagsspannung in Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit ist sehr viel genauer und höher auflösend als die der Durchschlagsspannung. Daher ist die Ermittlung der Durchschlagsspannung über die Messung der Leitfähigkeit ist viel genauer als die direkte Messung der Durchschlagspannung. Während die Durchschlagspannung stark streut und sich insgesamt etwa halbiert, ändert sich die temperaturkompensierte elektrische Leitfähigkeit von 1,2 ps/m auf 250 ps/m um mehr als das 200-fache bei sehr geringer Standardabweichung. 4

5 Kleine Abweichungen vom approximierenden Polynom der Leitfähigkeit zeigen unmittelbar auch entsprechende Abweichungen bei der Spannungsfestigkeit. So zeigt z.b. der mit 1 im Diagramm gekennzeichnete Messpunkt eine etwas geringere Leitfähigkeit (wegen einer Unterbrechung der Messung und Inhibitorwirkungen) als bei einem 57 % Mischungsverhältnis erwartet, der Mittelwert der Spannungsfestigkeit ist gleichzeitig entsprechend erhöht. Gleiches gilt für Messpunkt 2. Im Messpunkt 3, bei ca. 80 % Anteil gealterten Öls, ist die elektrische Leitfähigkeit höher als erwartet, entsprechend ist auch die mittlere Durchschlagspannungsfestigkeit geringer. Bild 8 zeigt die gemessene Dielektrizitätszahl in Abhängigkeit der mit einem typischerweise in Trafos eingesetzten, kapazitiven Polymersensor gemessene relative Feuchte. Bild 8: Gemessene Dielektrizitätszahl in Abhängigkeit von der relativen Feuchte Die Messergebnisse zeigen den näherungsweise proportionalen Zusammenhang von Dielektrizitätszahl und Ölfeuchte. Die im Sensorsystem integrierte Dielektrizitätszahlmessung erlaubt eine Bestimmung der Ölfeuchte. Sensor: Das OilQSens Sensorsystem besteht aus dem Basissensor und einem Kommunikationsmodul. Im Kommunikationsmodul ist ein Webserver mit einer HTML-Seite zur Präsentation der Messdaten implementiert. Die Messdaten können zudem an ein Web-basiertes Monitoringsystem übertragen werden. Eine automatisierte Generierung von s, SMS, usw., ist im Falle von Alarmmeldungen möglich. Figure 1: OilQSens Sensorsystem Was jetzt?: Wenn der OilQSens Ihre Anforderungen erfüllt, rufen Sie cmc Instruments noch heute an. Sie erhalten ein Angebot oder können Ihre Anwendung im Detail mit uns besprechen. 5