Transiente Öldruckmessung zur Diagnose der Wicklungseinspannkräfte von Leistungstransformatoren

Das Verfahren der transienten Öldruckmessung ist prinzipiell geeignet, die
Wicklungseinspannkräfte von Transformatoren einzuschätzen und kann zu einer
Bewertung der Kurzschlussfestigkeit herangezogen werden. Dies wurde mit der
vorliegenden Arbeit nachgewiesen. Die durchgeführten Arbeiten gliederten sich in die
Komplexe: Vor-Ort-Messungen an Leistungstransformatoren, Untersuchungen im
Hochleistungsprüffeld sowie Modelluntersuchungen im Labor. Die Forschungsaktivitäten
wurden synchron durchgeführt.
Im Verlauf der Arbeiten wurden transiente Öldruckmessungen an 40 Transformatoren
vorgenommen, wobei auf eine große Breite bezüglich Hersteller, Alter, Bauform,
Alterungszustand, Spannungsebene und Leistungsklasse geachtet wurde. Die für die
praktische Verwertbarkeit des Messverfahrens relevante Reproduzierbarkeit der
Drucksignale wurde für Transformatoren mit fest verspannten als auch mit gelockerten
Wicklungen nachgewiesen. In diesem Kontext wurden auch Untersuchungen an
baugleichen und bauartähnlichen Transformatoren durchgeführt. Aufgrund der dabei
festgestellten Ergebnisse erscheint es praktikabel, baugleiche Transformatoren zur
Zustandsbewertung bei Messungen heranzuziehen, bei denen Referenzwerte des zu
testenden Transformators (Fingerprint-Daten) nicht vorliegen. Der Einfluss der Ausführung
der Kühlanlagen auf die Ergebnisse wurde untersucht. Die Konfiguration der Kühlanlage
beeinflusst die Kurvenform des Öldrucksignals und damit die Auswertung der Messdaten
im Frequenzbereich, ohne jedoch die Öldruckamplituden wesentlich zu verändern.
Als weiterer wichtiger Einflussfaktor wurde der Aufbau des Buchholzrelais identifiziert.
Dieser Einfluss kommt zum Tragen, wenn die Messung des Öldrucks, wie in dieser Arbeit
beschrieben, am Entlüftungsventil des Buchholzschutzes erfolgt. Alternative Möglichkeiten
des Anbringens des Sensors am Transformator, insbesondere am Ölablassventil des
Kessels, wurden vorgeschlagen und in Einzelfällen erfolgreich erprobt. Sie sollten bei
zukünftigen Arbeiten auf dem Gebiet der transienten Öldruckmessung auf ihre
Praxistauglichkeit untersucht werden.
Ein erster Vorschlag zur Zustandsbewertung von Transformatoren auf Basis des
Mittelwertes der bezogenen Drücke wurde angegeben. Die dabei vorgeschlagenen
Grenzwerte können jedoch nicht als allgemeingültig angesehen werden, da sie auf
Grundlage der Ergebnisse abgeleitet wurden, die mit dem Drucksensor HBM PD 1
gemessen wurden. Die für diesen Sensortyp festgestellte relative Unabhängigkeit von der
Temperatur des Öls erwies sich als nicht auf andere Sensortypen übertragbar. Zudem
wird der mit diesem Sensortyp gemessene Öldruck von der Charakteristik des im
Trägerfrequenzverstärker integrierten Filters beeinflusst. Dies ist bei anderen
Drucksensoren nicht der Fall. Bei den im Labor durchgeführten Untersuchungen an
Modellaufbauten wurde überdies festgestellt, dass aufgrund dominierender
Sensoreigenfrequenzen die Messung dynamischer Drücke mit verschiedenen
Drucksensoren auch bei gleicher Anregung nicht zu identischen Ergebnissen führte. Mit
geeigneten Filteralgorithmen konnten die Unterschiede in den Drucksignalen deutlich
verringert werden. Die Amplituden wiesen jedoch auch weiterhin Unterschiede in einem
Maße auf, dass sie zu einer allgemein gültigen quantitativen Bewertung derzeit als nur
ungenügend geeignet angesehen werden müssen. Zur Verbesserung dieses Missstandes
ist die Etablierung einer verbindlichen Norm zur dynamischen Kalibrierung derartiger
Drucksensoren notwendig. Die Analyse von Frequenzverschiebungen in Abhängigkeit von
den Einspannkräften wie auch die Oberwellenanalyse bei netzfrequenter Anregung kann
hingegen zur Zustandsdiagnose genutzt werden. Beide Möglichkeiten der Auswertung
wurden am Modellaufbau erfolgreich untersucht und sollten bei weiteren Arbeiten auch vor
Ort getestet werden. Für weitere Laboruntersuchungen sollte von einem einphasigen auf
ein dreiphasiges Modell übergegangen werden.
Ein Online-Monitoringsystem auf Basis der transienten Öldruckmessung wurde vorgestellt.
Eine derartige permanente Überwachung der Wicklungseinspannkräfte erscheint
insbesondere für Transformatoren angebracht, die auch im normalen Betrieb großen
mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, wie etwa Kurzschlussprüf- oder
Ofentransformatoren. Der hierfür einzusetzende Drucksensortyp ist von nur
untergeordneter Relevanz, da die Überwachungsfunktion des Systems primär auf einer
trendanalytischen Auswertung der Öldruckamplituden basiert. Zusätzliche Informationen
zum mechanischen Aktivteilzustand könnten jedoch bei Verwendung von Sensoren
gewonnen werden, die auch Frequenzbereiche bis zu ca. 1 kHz zu erfassen in der Lage
sind. Die Messdaten stünden dann auch für Frequenzanalysen zur Verfügung.