Analyse und Abhilfemaßnahmen für Isolierungsfehler in Starkstromtransformern

Die am häufigsten verwendeten Starkstromtransformatorarten: Ölgetränkte und Trockenharz-Transformator

Die beiden am häufigsten verwendeten Starkstromtransformatoren heute sind ölgetränkte Transformatoren und Trockenharz-Transformatoren. Das Isolationssystem eines Starkstromtransformators, bestehend aus verschiedenen Isoliermaterialien, ist grundlegend für dessen ordnungsgemäße Funktion. Die Lebensdauer eines Transformators wird hauptsächlich durch die Lebensdauer seiner Isoliermaterialien (Öl-Papier oder Harz) bestimmt.

In der Praxis resultieren die meisten Transformatorausfälle aus Schäden am Isolationssystem. Statistiken zeigen, dass isolationsbedingte Ausfälle mehr als 85% aller Transformatorunfälle ausmachen. Mit sorgfältiger Wartung und Aufmerksamkeit auf die Isolationspflege können Transformatoren außergewöhnlich lange Dienstleistungen erreichen. Daher kann das Schützen des normalen Transformatorbetriebs und die Stärkung einer vernünftigen Wartung des Isolationssystems weitgehend dafür sorgen, dass die Transformatorlebensdauer verlängert wird, wobei präventive und prädiktive Wartung entscheidend zur Verbesserung der Transformatorlebensdauer und der Versorgungsreliabilität beitragen.

1. Fehlschläge bei fester Papierisolierung

Bei ölgetränkten Transformatoren sind die Hauptisoliermaterialien Isolieröl und feste Isoliermaterialien, einschließlich Isolierpapier, Pressspäne und Holzblöcke. Das Altern der Transformatorisolation bezieht sich auf die Zersetzung dieser Materialien infolge von Umweltfaktoren, was zu einem Rückgang oder Verlust der Isolierstärke führt.

Feste Papierisolierung ist eine der primären Komponenten des Isolationssystems von ölgetränkten Transformatoren, einschließlich Isolierpapiere, Platten, Polster, Wickel und Bindeschnüre. Ihr Hauptbestandteil ist Cellulose mit der chemischen Formel (C6H10O5)n, wobei n den Grad der Polymerisation (DP) darstellt. Neues Papier hat in der Regel einen DP von etwa 1300, welcher auf etwa 250 sinkt, wenn die mechanische Festigkeit um mehr als die Hälfte abnimmt.

Wenn das Material extrem gealtert ist und einen DP von 150-200 hat, erreicht es sein Lebensende. Während das Altern des Isolierpapiers fortschreitet, nimmt seine DP und Zugfestigkeit allmählich ab, während Wasser, CO, CO2 und Furfural (Furanaldehyd) produziert werden. Diese Alterungsnebenerzeugnisse sind größtenteils schädlich für elektrische Ausrüstungen, da sie die Durchschlagspannung und Volumenwiderstand des Isolierpapiers reduzieren, die di-elektrischen Verluste erhöhen und die Zugfestigkeit verringern, wodurch möglicherweise Metallkomponenten korrodiert werden.

Feste Isolierung zeigt irreversible Alterungseigenschaften, wobei die Degradation der mechanischen und elektrischen Festigkeit nicht wiederherstellbar ist. Da die Transformatorlebensdauer hauptsächlich von der Lebensdauer der Isoliermaterialien abhängt, müssen feste Isoliermaterialien von ölgetränkten Transformatoren exzellente elektrische Isolierungseigenschaften und mechanische Charakteristika aufweisen, mit langsamer Leistungsabnahme über Jahre hinweg – was gute Alterungseigenschaften anzeigt.

1.1 Eigenschaften von Papierfasermaterialien

Isolierpapierfasermaterial ist die wichtigste Isolierkomponente in ölgetränkten Transformatoren. Papierfaser ist der grundlegende feste Gewebekomponente von Pflanzen. Im Gegensatz zu metallischen Leitern mit reichlich freien Elektronen haben Isoliermaterialien praktisch keine freien Elektronen, wobei der minimale Leitungsstrom hauptsächlich aus ionischer Leitung stammt. Cellulose besteht aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Aufgrund der Hydroxylgruppen in ihrer molekularen Struktur hat Cellulose das Potenzial, Wasser zu bilden, was Papierfasern feuchtigkeitsabsorbierende Eigenschaften verleiht.

Darüber hinaus können diese Hydroxylgruppen als Zentren betrachtet werden, die von verschiedenen polaren Molekülen (wie Säuren und Wasser) umgeben sind, die durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind, was Fasern anfällig für Schäden macht. Papierfasern enthalten normalerweise etwa 7% Unreinheiten, einschließlich Feuchtigkeit. Aufgrund der kolloidalen Natur der Fasern kann diese Feuchtigkeit nicht vollständig entfernt werden, was die Leistung von Papierfasern beeinflusst.

Polare Fasern absorbieren Feuchtigkeit leicht (Wasser ist ein stark polarer Medium). Wenn Papierfasern Wasser absorbieren, schwächt sich die Wechselwirkung zwischen den Hydroxylgruppen, was unter instabilen Faserstrukturbedingungen zu einem raschen Verfall der mechanischen Festigkeit führt. Daher werden Papierisolationskomponenten normalerweise vor der Verwendung getrocknet oder im Vakuum getrocknet und dann mit Öl oder Isolierlack imprägniert.

Das Ziel der Imprägnierung ist, die Fasern feucht zu halten, um eine höhere Isolierung und chemische Stabilität sowie eine verbesserte mechanische Festigkeit sicherzustellen. Darüber hinaus reduziert das Versiegeln des Papiers mit Lack die Feuchtigkeitsabsorption, verhindert die Oxidation des Materials und füllt Hohlräume, um Blasen zu minimieren, die die Isolierleistung beeinträchtigen und partielle Entladungen und elektrische Durchschläge verursachen könnten. Allerdings glauben einige, dass eine Lackimprägnierung gefolgt von Ölimprägnierung dazu führen kann, dass sich ein Teil des Lackes langsam im Öl löst, was die Ölperformance beeinflusst, sodass bei solchen Anwendungen sorgfältige Beachtung erforderlich ist.

Natürlich haben verschiedene Fasermaterialzusammensetzungen und unterschiedliche Qualitätsgrade derselben Faserzusammensetzung unterschiedliche Auswirkungen und Eigenschaften. Zum Beispiel hat Baumwolle den höchsten Faseranteil, Hanf die stärksten Fasern und bestimmte importierte Isolierpressplatten mit besserer Bearbeitung weisen erheblich überlegene Leistungen im Vergleich zu einigen inländischen Pappdeckeln auf. Die meisten Transformatorisoliermaterialien verwenden verschiedene Formen von Papier (wie Papierband, Pressplatte und Druckformpapierkomponenten) zur Isolierung.

Daher ist die Auswahl qualitativ hochwertiger faserverbundener Isolierpapier-Materialien während der Herstellung und Wartung von Transformatoren entscheidend. Faserpapier bietet besondere Vorteile, wie Praktikabilität, niedrige Kosten, einfache Bearbeitung, einfaches Formen und Behandeln bei moderaten Temperaturen, geringes Gewicht, moderate Festigkeit und einfache Absorption von Imprägnierungsmaterialien (wie Isolierlack und Transformatoröl).

1.2 Mechanische Festigkeit von Papierisoliermaterialien

Für ölgetränkte Transformatoren, die Papierisoliermaterialien auswählen, sind neben der Faserzusammensetzung, Dichte, Permeabilität und Gleichmäßigkeit, die wichtigsten Faktoren die Anforderungen an die mechanische Festigkeit, einschließlich Zugfestigkeit, Stichfestigkeit, Reißfestigkeit und Zähigkeit:

• Zugfestigkeit: Der maximale Spannungszustand, den Papierfasern ohne Bruch unter Zugbelastung aushalten können.

• Stichfestigkeit: Ein Maß für die Fähigkeit von Papierfasern, Druck ohne Rissbildung zu widerstehen.

• Reißfestigkeit: Die Kraft, die erforderlich ist, um Papierfasern zu zerreißen, muss den relevanten Standards entsprechen.

• Zähigkeit: Die Festigkeit von Papier beim Falten oder Pressspanplatten beim Biegen muss den entsprechenden Anforderungen entsprechen.

Die Leistung der festen Isolierung kann durch Probenahme zur Messung des Polymerisationsgrades von Papier oder Pressspanplatten oder durch die Verwendung von Hochleistungsflüssigkeitschromatographie zur Messung des Furfuralgehalts im Öl bewertet werden. 

Dies hilft bei der Analyse, ob interne Transformatorfehler feste Isolierstoffe betreffen oder ob Niedertemperaturüberhitzung zu einer lokalen Alterung der Wickelisolierung führt, oder um den Alterungsgrad der festen Isolierung zu bestimmen. Bei der Inbetriebnahme und Wartung von Papierfaser-Isoliermaterialien sollte darauf geachtet werden, die Nennlast des Transformators zu kontrollieren, eine gute Luftzirkulation und Wärmeabfuhr in der Betriebsumgebung sicherzustellen, einen übermäßigen Temperaturanstieg des Transformators und einen Mangel an Öl im Tank zu verhindern. Maßnahmen sollten auch dazu beitragen, Ölverschmutzung und -verfall zu verhindern, die das schnelle Altern der Fasern beschleunigen und die Isolierleistung, die Lebensdauer und den sicheren Betrieb des Transformators beeinträchtigen könnten.

1.3 Degradation von Papierfaser-Materialien

Dies umfasst hauptsächlich drei Aspekte:

• Faserembrittlement: Übermäßige Hitze, die Feuchtigkeit aus den Fasermaterialien trennt, beschleunigt das Embrittlement der Fasern. Brittle, abblätterndes Papier kann unter mechanischer Vibration, elektrodynamischem Stress und Betriebswelleneinwirkung zu Isolierfehlern und elektrischen Unfällen führen.

• Verringerte mechanische Festigkeit der Fasermaterialien: Die mechanische Festigkeit der Fasermaterialien nimmt mit zunehmender Heizzeit ab. Wenn die Transformatorenerwärmung erneut Feuchtigkeit aus den Isoliermaterialien austreibt, können die Isolationswiderstandswerte zwar steigen, aber die mechanische Festigkeit wird signifikant abnehmen, wodurch das isolierende Papier nicht mehr in der Lage ist, mechanische Kräfte von Kurzschlussströmen oder Impulsbelastungen zu widerstehen.

• Kontraktion der Fasermaterialien: Nach dem Embrittlement kontrahieren die Fasermaterialien, was die Klammerkraft verringert und potenziell zu Verschiebungen führen kann. Dies kann unter elektromagnetischer Vibration oder Impulsspannung zu Verschiebung und Reibung der Transformatorwicklungen führen, was die Isolierung beschädigt.

2. Flüssige Ölisolierfehler

Der ölgetränkte Transformator wurde 1887 vom amerikanischen Wissenschaftler Thompson erfunden und 1892 von General Electric und anderen für die Anwendung in Energie-Transformatoren gefördert. Die hier beschriebene flüssige Isolierung bezieht sich auf die Isolierung mit Transformatoröl.

2.1 Merkmale von ölgetränkten Transformatoren:

① Verbesserung der elektrischen Isolationsstärke, Verkürzung der Isolationsdistanz und Reduzierung des Gerätevolumens; ② Signifikante Verbesserung der effektiven Wärmeübertragung und -abfuhr, Erhöhung der zulässigen Stromdichte in den Leitern, Reduzierung des Gerätegewichts. Die Wärme vom arbeitenden Transformatorkern wird durch die thermische Zirkulation des Transformatoröls zum Transformatorgehäuse und Radiator abgeführt, was die effektive Kühlung verbessert; ③ Ölgetränktheit und Abdichtung reduzieren die Oxidation bestimmter internen Bauteile und Komponenten, was die Lebensdauer verlängert.

2.2 Eigenschaften von Transformatoröl

Betriebsfähiges Transformatoröl muss stabile, ausgezeichnete Isolier- und Wärmeleitfähigkeiten aufweisen. Schlüsseleigenschaften sind die Isolationsstärke (tan δ), die Viskosität, der Tropfpunkt und der Säurewert. Isolieröl, das aus Erdöl raffiniert wird, ist eine Mischung verschiedener Kohlenwasserstoffe, Harze, Säuren und anderer Verunreinigungen mit nicht vollständig stabilen Eigenschaften. Unter Temperatur, elektrischem Feld und Lichteffekten oxidiert das Öl ständig. Unter normalen Bedingungen verläuft dieser Oxidationsprozess langsam; mit ordnungsgemäßer Wartung kann das Öl bis zu 20 Jahre ohne Alterung die erforderliche Qualität aufrechterhalten. Metalle, Verunreinigungen und Gase, die ins Öl gemischt werden, beschleunigen jedoch die Oxidation, verschlechtern die Ölqualität, verdunkeln die Farbe, trüben die Transparenz und erhöhen den Feuchtigkeitsgehalt, den Säurewert und den Aschegehalt, was die Oeleigenschaften verschlechtert.

2.3 Ursachen für die Verschlechterung von Transformatoröl

Die Verschlechterung von Transformatoröl kann je nach Schwere in Kontamination und Degradation eingeteilt werden.

Kontamination bezieht sich auf die Vermischung von Feuchtigkeit und Verunreinigungen mit dem Öl—diese sind keine Oxidationsprodukte. Kontaminiertes Öl erlebt eine verschlechterte Isolierleistung, eine reduzierte Durchschlagsfestigkeit des elektrischen Feldes und einen erhöhten dielektrischen Verlustwinkel.

Degradation resultiert aus der Oxidation des Öls. Diese Oxidation bezieht sich nicht nur auf die Oxidation von Kohlenwasserstoffen im reinen Öl, sondern umfasst auch Verunreinigungen im Öl, die den Oxidationsprozess beschleunigen, insbesondere Kupfer-, Eisen- und Aluminiumpartikel.

Sauerstoff stammt aus der Luft innerhalb des Transformators. Selbst in vollständig abgedichteten Transformatoren bleibt etwa 0,25% Sauerstoff vorhanden. Sauerstoff hat eine hohe Löslichkeit und nimmt daher einen hohen Anteil an den in Öl gelösten Gasen ein.

Während der Oxidation von Transformatoröl wirken Feuchtigkeit als Katalysator und Wärme als Beschleuniger, was zur Bildung von Schlämmen führt. Dies beeinflusst die Leistung hauptsächlich durch: große Niederschlagspartikel unter dem Einfluss des elektrischen Feldes; Verunreinigungsniederschläge, die sich in Bereichen des stärksten elektrischen Feldes konzentrieren und leitfähige "Brücken" über die Transformatorisolierung bilden; ungleichmäßige Niederschläge, die sich in separaten, länglichen Streifen ausbilden, die sich möglicherweise entlang der elektrischen Feldlinien ausrichten, die Wärmeabfuhr behindern, das Altern der Isoliermaterialien beschleunigen und zu einem Abfall der Isolationswiderstände und niedrigeren Isolationsniveaus führen.

2.4 Prozess der Degradation von Transformatoröl

Während der Degradation des Öls sind die Hauptnebenprodukte Peroxide, Säuren, Alkohole, Ketone und Schlämme.

Frühe Degradationsphase: Das Öl bildet Peroxide, die mit den Isolierfaserstoffen reagieren, um oxidiertes Cellulose zu bilden, was die mechanische Festigkeit der Isolierfasern verringert, zu Embrittlement und Isolierschrumpfung führt. Die gebildeten Säuren sind viskose Fettsäuren. Obwohl sie weniger korrosiv als Mineraliensäuren sind, haben ihre Wachstumsrate und ihr Einfluss auf organische Isolierstoffe einen bedeutenden Effekt.

Spätere Verwitterungsstufe: Bei der Korrosion von Kupfer, Eisen, Isolierlack und anderen Materialien durch Säuren bildet sich Schlick – ein zähflüssiges, asphaltartiges polymeres leitfähiges Substrat. Es löst sich mäßig in Öl und bildet sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes schnell, haftet an Isoliermaterialien oder den Rändern des Transformatorgehäuses, sammelt sich in Ölleitungen und Kühlrippen, erhöht die Betriebstemperatur des Transformators und reduziert die Dielektrizitätsstärke.

Der Oxidationsprozess des Öls besteht aus zwei Hauptreaktionsbedingungen: Erstens, ein zu hoher Säurewert im Transformator, was das Öl sauer macht; zweitens, Oxide, die im Öl gelöst sind, wandeln sich in Stoffe um, die im Öl unlöslich sind, wodurch sich langsam die Qualität des Transformatoröls verschlechtert.

2.5 Analyse Bewertung und Wartung von Transformatoröl

① Verschlechterung des Isolieröls: Beide, physikalische und chemische Eigenschaften ändern sich, was die elektrische Leistungsfähigkeit verringert. Durch die Prüfung des Säurewerts des Öls, der Grenzflächenspannung, der Abscheidung von Schlick und des wasserlöslichen Säurewerts kann festgestellt werden, ob dieser Defekttyp vorhanden ist. Regenerierende Behandlungen können Verschlechterungsprodukte beseitigen, der Prozess könnte jedoch auch natürliche Antioxidantien entfernen.

② Wasserverunreinigung von Isolieröl: Wasser ist eine stark polare Substanz, die sich leicht ionisiert und unter elektrischem Feld zerfällt, was den leitenden Strom im Isolieröl erhöht. Selbst minimale Feuchtigkeit kann die Dielektrikverluste im Isolieröl erheblich erhöhen. Durch die Prüfung des Feuchtigkeitsgehaltes des Öls kann dieser Defekttyp identifiziert werden. Druck-Vakuum-Ölfiltration beseitigt in der Regel Feuchtigkeit.

③ Mikrobiologische Verunreinigung von Isolieröl: Während der Installation oder des Kernhebens des Haupttransformators können Insekten auf Isolierkomponenten oder Schweißrückstände von Menschen Bakterien tragen, die das Isolieröl verunreinigen; oder das Öl selbst könnte bereits mit Mikroorganismen infiziert sein. Haupttransformatoren arbeiten in der Regel in Umgebungen von 40-80°C, was sehr förderlich für das Wachstum und die Vermehrung von Mikroorganismen ist. Da Mineralien und Proteine in Mikroorganismen und ihren Ausscheidungen weitaus geringere Isolationseigenschaften als Isolieröl haben, erhöhen sie die Dielektrikverluste des Öls. Dieser Defekt lässt sich mit vor Ort durchgeführter Zirkulationsbehandlung schwer beheben, da einige Mikroorganismen immer auf fester Isolation verbleiben. Nach der Behandlung kann die Isolation des Transformators temporär wiederhergestellt werden, aber die Betriebsumgebung begünstigt das Wiederauftreten von Mikroorganismen, was zu einem jährlichen Verschlechterung der Isolation führt.

④ Alkydharzlack mit polaren Substanzen, die sich im Öl auflösen: Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes unterliegen polare Substanzen einer Dipolrelaxationspolarisation, bei der Energie während AC-Polarisationsprozessen verbraucht wird, was die Dielektrikverluste des Öls erhöht. Obwohl der Isolierlack vor dem Verlassen des Werks gehärtet wird, kann eine unvollständige Behandlung bestehen bleiben. Nach einiger Zeit im Betrieb lösen sich unvollständig behandelte Lacke allmählich im Öl auf, wodurch sich die Isolationsleistung stufenweise verschlechtert. Der Auftretungszeitpunkt dieses Defekts hängt von der Vollständigkeit der Lackbehandlung ab; eine oder zwei Adsorptionsbehandlungen können eine bestimmte Effektivität erzielen.

⑤ Öl, das nur mit Wasser und Unreinheiten kontaminiert ist: Diese Kontamination ändert nicht die grundlegenden Eigenschaften des Öls. Feuchtigkeit kann durch Trocknen entfernt werden; Unreinheiten können durch Filtration entfernt werden; Luft im Öl kann durch Vakuumpumpen entfernt werden.

⑥ Mischung von zwei oder mehr verschiedenen Quellen von Isolieröl: Die Öl Eigenschaften sollten den relevanten Spezifikationen entsprechen; die spezifische Dichte, der Gefrierpunkt, die Viskosität und der Flammpunkt sollten ähnlich sein; und die Stabilität des gemischten Öls sollte den Anforderungen entsprechen. Für degradiertes gemischtes Öl sind chemische Regenerationsmethoden erforderlich, um Verschlechterungsprodukte zu trennen und die Eigenschaften wiederherzustellen.

3. Trockenisoliertransformator Isolierung und Eigenschaften

Trockenisoliertransformatoren (hier bezogen auf Epoxyharz isolierte Transformatoren) werden hauptsächlich in Orten mit hohen Brandsicherheitsanforderungen eingesetzt, wie Hochhäusern, Flughäfen und Tanklagern.

3.1 Arten der Harzisolierung

Epoxyharz isolierte Transformatoren können aufgrund ihrer Herstellungsprozesseigenschaften in drei Typen unterteilt werden: Vakuumspritze von Epoxy-Quarzsand-Mischungen, Vakuum-Differenzdruckspritze von Epoxy-alkalifreie Glasfaser verstärkt, und alkalifreie Glasfaser Wicklung und Imprägnierung.

① Vakuumspritze von Epoxy-Quarzsand-Mischungen: Diese Transformatoren verwenden Quarzsand als Füllstoff für Epoxyharz. Wicklungen, die mit Isolierlack behandelt wurden, werden in Gussformen platziert und mit einer Mischung aus Epoxyharz und Quarzsand unter Vakuum gegossen. Aufgrund der Herausforderungen des Gussprozesses, wie Restblasen, lokale Ungleichmäßigkeiten der Mischung und potentielle lokale thermische Spannungsrissbildung, sind diese isolierten Transformatoren nicht geeignet für feuchte, heiße Umgebungen und Gebiete mit signifikanten Lastschwankungen.

② Vakuum-Differenzdruckspritze von Epoxy-alkalifreie Glasfaser verstärkt: Dies verwendet kurze alkalifreie Glasfasern oder Glasmatten als äußere Isolierung zwischen den Wicklungen. Die äußerste Isolierungsschichtdicke beträgt in der Regel 1-3mm. Nach dem Mischen mit Epoxyharz-Gussmaterial in angemessenen Verhältnissen werden Luftblasen unter hohem Vakuum entfernt, bevor das Gussmaterial eingefügt wird. Da die Wickelisolierungsdicke dünn ist, können bei schlechter Impregnierung leicht partielle Entladungspunkte entstehen. Daher muss die Mischung des Gussmaterials vollständig sein, die Vakuum-Entgasung gründlich durchgeführt werden, und die Niederviskosität und die Gussgeschwindigkeit kontrolliert werden, um eine hochwertige Impregnierung der Wickelpakete während des Gusses sicherzustellen.

③ Alkalifreie Glasfaser Wicklung und Imprägnierung: Diese Transformatoren vollenden die Schichtisolierungsbearbeitung und die Wickelimpregnierung gleichzeitig während des Wickelns. Sie erfordern keine Wickelformen, die in den beiden vorherigen Imprägnierungsprozessen benötigt werden, aber ein Niederviskositätsharz, das während des Wickelns und der Imprägnierung keine Mikroblasen aufweisen sollte.

3.2 Isolationsmerkmale und Wartung von Harztransformatoren

Die Isolationsstufe von Harztransformatoren unterscheidet sich nicht erheblich von ölgetränkten Transformatoren; die wesentlichen Unterschiede liegen in der Temperaturerhöhung und der Messung partieller Entladungen.

① Temperaturanstiegseigenschaften: Harztransformator haben im Durchschnitt höhere Temperaturanstiegsniveaus als ölgetränkte Transformator und erfordern Isoliermaterialien mit höherer Wärmebeständigkeit. Allerdings spiegelt der durchschnittliche Temperaturanstieg nicht die höchste Spotttemperatur in den Wicklungen wider. Wenn das Isoliermaterial nur aufgrund des durchschnittlichen Temperaturanstiegs ausgewählt wird oder falsch ausgewählt wird, oder wenn Harztransformator unter langanhaltender Überlast betrieben werden, wird die Lebensdauer des Transformators beeinträchtigt.

Da der gemessene Temperaturanstieg des Transformators oft nicht die höchste Spotttemperatur widerspiegelt, sollten Infrarotthermometer, sofern möglich, die heißesten Stellen von Harztransformator unter maximaler Last überprüfen. Die Richtung und Winkel der Kühlventilatoren sollten entsprechend angepasst werden, um den lokalen Temperaturanstieg zu kontrollieren und einen sicheren Betrieb des Transformators sicherzustellen.

② Teilentladungseigenschaften: Die Größe der Teilentladung bei Harztransformator hängt mit der elektrischen Feldverteilung, der Homogenität der Harzmischung und der Existenz von Restblasen oder Harzrissen zusammen. Die Größe der Teilentladung beeinflusst die Leistung, Qualität und Lebensdauer von Harztransformator. Daher dient die Messung und Akzeptanz der Teilentladungsgrade als umfassende Bewertung des Fertigungsprozesses und der Qualität. Teilentladungsmessungen sollten während der Übergabeakzeptanz von Harztransformator und nach großen Reparaturen durchgeführt werden, wobei Änderungen der Teilentladung zur Bewertung der Qualitäts- und Leistungsstabilität verwendet werden.

Da trockengekühlte Transformator zunehmend verbreitet werden, sollten beim Auswählen von Transformator der Fertigungsprozess, die Isolierungsauslegung und die Isolierungskonfiguration gründlich verstanden werden. Produkte von Herstellern mit vollständigen Fertigungsprozessen, strengen Qualitätsicherheitssystemen, rigoroser Produktionsführung und zuverlässiger technischer Leistung sollten ausgewählt werden, um die Qualität und thermische Lebensdauer der Transformatorprodukte sicherzustellen, was wiederum die sichere Betriebsführung und die Versorgungsreliabilität verbessert.

4. Hauptfaktoren, die die Isolationsausfälle von Transformator beeinflussen

Die Hauptfaktoren, die die Isolierleistung von Transformator beeinflussen, sind: Temperatur, Feuchtigkeit, Öl-Schutzmethoden und Überspannungswirkungen.

4.1 Temperaturwirkungen

Stromtransformator verwenden eine Öl-Papier-Isolation mit unterschiedlichen Gleichgewichtsbeziehungen zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt im Öl und im Papier bei verschiedenen Temperaturen. Im Allgemeinen wandert bei steigender Temperatur Feuchtigkeit aus dem Papier ins Öl; umgekehrt nimmt das Papier Feuchtigkeit aus dem Öl auf. Daher ist der Mikrowasseranteil im Isolieröl bei höheren Temperaturen größer; umgekehrt ist der Mikrowasseranteil kleiner.

Verschiedene Temperaturen führen zu unterschiedlichen Graden von Zellulose-Ringöffnung, Kettenbruch und begleitender Gasbildung. Bei einer bestimmten Temperatur bleiben die CO- und CO2-Bildungsraten konstant, was bedeutet, dass der CO- und CO2-Gehalt im Öl linear mit der Zeit ansteigt. Bei ständig steigender Temperatur nehmen die CO- und CO2-Bildungsraten oft exponentiell zu. Daher steht der CO- und CO2-Gehalt im Öl in direkter Beziehung zur thermischen Alterung des Isolierpapiers und kann als ein Kriterium für die Beurteilung von Anomalien in den Papierschichten abgedichteter Transformator dienen.

Die Lebensdauer eines Transformators hängt vom Alterungsgrad der Isolation ab, der wiederum von der Betriebstemperatur abhängt. Zum Beispiel hat ein ölgetränkter Transformator bei Nennlast einen durchschnittlichen Wicklungstemperaturanstieg von 65°C und einen höchsten Spotttemperaturanstieg von 78°C. Bei einem durchschnittlichen Umgebungstemperatur von 20°C erreicht die höchste Spotttemperatur 98°C, was 20-30 Jahre Betrieb ermöglicht. Wenn der Transformator unter Überlast und erhöhter Temperatur betrieben wird, verkürzt sich die Lebensdauer entsprechend.

Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) erklärt, dass für Klasse A isolierte Transformator, die zwischen 80-140°C betrieben werden, bei jedem 6°C Temperaturanstieg die Rate der effektiven Lebensdauerreduktion der Transformatorisolation verdoppelt wird – bekannt als die 6°C-Regel, was striktere thermische Einschränkungen als die früher akzeptierte 8°C-Regel darstellt.

4.2 Feuchtigkeitseinflüsse

Die Anwesenheit von Feuchtigkeit beschleunigt die Zellulosenabbau. Daher hängt die CO- und CO2-Produktion mit dem Feuchtigkeitsgehalt des Zellulosematerials zusammen. Bei konstanter Feuchtigkeit produziert ein höherer Feuchtigkeitsgehalt mehr CO2; umgekehrt produziert ein niedrigerer Feuchtigkeitsgehalt mehr CO.

Spurenfeuchtigkeit im Isolieröl ist ein wichtiger Faktor, der die Isolationscharakteristiken beeinflusst. Spurenfeuchtigkeit im Isolieröl schadet stark sowohl den elektrischen als auch den physikalisch-chemischen Eigenschaften des Isoliermediums. Feuchtigkeit kann die Funkenentladungsspannung im Isolieröl reduzieren, den Verlustfaktor (tan δ) erhöhen, die Alterung des Isolieröls beschleunigen und die Isolierleistung verschlechtern. Die Feuchtigkeitsexposition von Geräten reduziert nicht nur die Betriebssicherheit und Lebensdauer der Stromversorgungsgeräte, sondern kann auch zu Geräteschäden und sogar zur Gefährdung der Personensicherheit führen.

4.3 Wirkungen der Öl-Schutzmethoden

Sauerstoff im Transformatoröl beschleunigt die Isolierzerfallsreaktionen, wobei der Sauerstoffgehalt mit den Ölschutzmethoden zusammenhängt. Darüber hinaus führen verschiedene Schutzmethoden zu unterschiedlichen Löslichkeits- und Diffusionsbedingungen für CO und CO2 im Öl. Zum Beispiel hat CO eine geringe Löslichkeit, wodurch es sich leicht in den Raum oberhalb des Öls in offenen Transformator diffundieren kann, wobei der CO-Volumenanteil in der Regel nicht mehr als 300×10-6 beträgt. In abgedichteten Transformator, da die Ölfläche von Luft getrennt ist, verdampfen CO und CO2 nicht leicht, was zu höheren Gehalten führt.

4.4 Überspannungswirkungen

① Transiente Überspannungswirkungen: Dreiphasige Transformator, die normal arbeiten, erzeugen eine Spannung zwischen Phase und Erde, die 58% der Spannung zwischen den Phasen beträgt. Während eines Einphasenfehlers jedoch steigt die Hauptisolationsspannung in neutral geerdeten Systemen um 30% und in ungeerdeten neutralen Systemen um 73%, was die Isolation potenziell beschädigen kann.

② Blitzüberspannungswirkungen: Blitzüberspannungen haben steile Wellenfronten, die zu einer sehr ungleichmäßigen Spannungsverteilung entlang der Längsinsulation (Wicklung zu Wicklung, Schicht zu Schicht, Scheibe zu Scheibe) führen, was Entladungsspuren auf der Isolation hinterlassen und feste Isolation beschädigen kann.

③ Schaltüberspannungseffekte: Schaltüberspannungen haben relativ flache Wellenfronten, was zu einer fast linearen Spannungsverteilung führt. Wenn Schaltüberspannungswellen von einer Wicklung zur anderen übertragen werden, ist die Spannung etwa proportional zum Verhältnis der Windungszahlen zwischen den beiden Wicklungen, was leicht zu einer Verschlechterung und Beschädigung der Haupt- oder Phasen-zu-Phasen-Isolierung führen kann.

4.5 Kurzschluss-Elektrodynamische Effekte

Elektrodynamische Kräfte bei ausgehenden Kurzschlüssen können Transformatorwicklungen verformen und Führungen verschieben, wodurch die ursprünglichen Isolierabstände verändert, die Isolierung erhitzt, das Alterungsprozess beschleunigt oder Beschädigungen hervorgerufen werden, die zu Entladungen, Bögen und Kurzschlussfehlern führen.

5. Schlussfolgerung

Zusammengefasst hat das Verständnis der Isolierleistung von Starkstromtransformatoren und die Umsetzung vernünftiger Betriebs- und Wartungsmaßnahmen einen direkten Einfluss auf die Sicherheit, die Lebensdauer und die Versorgungsreliabilität der Transformatoranlagen. Als kritisches Hauptgerät in Stromversorgungssystemen müssen Betriebs-, Wartungs- und Verwaltungspersonal den Aufbau, die Materialien, die Prozessqualität, die Wartungsmethoden und die wissenschaftlichen Diagnosetechnologien der Transformatorisolierung verstehen und beherrschen. Nur durch optimierte und vernünftige Betriebsführung kann die Effizienz, die Lebensdauer und die Versorgungsreliabilität der Starkstromtransformatoren gewährleistet werden.