{"id":8249,"date":"2021-04-30T18:32:47","date_gmt":"2021-04-30T18:32:47","guid":{"rendered":"https:\/\/polywaterv2.wpengine.com\/so-beeinflussen-sauerstoff-und-saeuren-die-alterung-von-transformatoren\/"},"modified":"2026-01-08T09:50:19","modified_gmt":"2026-01-08T15:50:19","slug":"so-beeinflussen-sauerstoff-und-saeuren-die-alterung-von-transformatoren","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.polywater.com\/de\/knowledge-hub\/so-beeinflussen-sauerstoff-und-saeuren-die-alterung-von-transformatoren\/","title":{"rendered":"So beeinflussen Sauerstoff und S\u00e4uren die Alterung von Transformatoren"},"content":{"rendered":"
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1. Einf\u00fchrung<\/strong><\/h2>\n

Wie wir bereits in unserem Artikel zum Alterungsverhalten von Transformatoren mit \u00d6l-Zellulose-Systemen, So beeinflussen die Temperatur und Wasser die Alterung von Transformatoren<\/em><\/a>, behandelt hatten, kann die Alterung von Transformatoren durch eine Reihe von Faktoren beschleunigt werden. In diesem Fachbeitrag werden wir die Auswirkungen von Sauerstoff und S\u00e4uren auf die Leistung von Transformatoren behandeln. Es gibt Verfahren zur Verringerung der Auswirkungen dieser Beschleunigungsfaktoren und zur Verlangsamung des Alterungsprozesses Ihres Transformatorenbestands. Es gibt Verfahren, mit denen Sie den Sauerstoff zum Vorteil Ihres Transformators einsetzen k\u00f6nnen, und es gibt Ma\u00dfnahmen, mit denen Sie die beschleunigte Alterung von Transformatoren sogar ganz verhindern k\u00f6nnen.<\/p>\n

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    Verwandte Inhalte: <\/strong>Geschichte des Leckreparatursystems f\u00fcr Transformatoren von Polywater\u00ae<\/a><\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

    2. Der Einfluss von Sauerstoff<\/strong><\/h2>\n

    Sowohl O2<\/sub> als auch Stickstoff (N2<\/sub>) gelangen aus der Atmosph\u00e4re in den Transformator. Der Sauerstoff wird im Inneren des Transformators verbraucht und liefert wichtige Informationen \u00fcber den Zustand und die Alterungsrate des Transformators. Die alterungsbeschleunigende Wirkung von Sauerstoff wurde 1976 in einem Fachbeitrag des CIGRE (The oxygen-free transformer, reduced aging by continuous degassing<\/em>, Der sauerstofffreie Transformator, Verz\u00f6gerung der Alterung durch kontinuierliche Entgasung) beschrieben*. Es gibt viele Stellen, an denen Sauerstoff in den Transformator eintreten kann, doch in erster Linie erfolgt dies durch die \u00c4nderungen des \u00d6lvolumens aufgrund von Temperaturschwankungen und Lastwechseln.<\/p>\n

    Wenn sich die Betriebstemperatur des Transformators erh\u00f6ht, dehnt sich das \u00d6l aus und sein Volumen erh\u00f6ht sich. Das gr\u00f6\u00dfere \u00d6lvolumen funktioniert wie ein Kolben, der atmosph\u00e4rische Gase aus dem Transformator dr\u00fcckt. Wenn die Temperatur sinkt, verringert sich das \u00d6lvolumen wieder und die atmosph\u00e4rischen Gase werden wieder in den Transformator zur\u00fcck gesaugt. Es wurden verschiedene Abdichtungssysteme f\u00fcr Transformatoren entwickelt, um den Eintritt von O2<\/sub> in den Transformator w\u00e4hrend dieser Ver\u00e4nderungen des Volumens zu verhindern. Bei der Beurteilung des Gasgehalts im Transformatoren\u00f6l mit der Gas-in-\u00d6l-Analyse (Dissolved Gas Analysis, DGA) muss auch das Abdichtungssystem des Transformators ber\u00fccksichtigt werden, weil die Analyse des O2<\/sub>-Gehalts auch von der Auslegung des Abdichtungssystems abh\u00e4ngt.<\/p>\n

    Die folgenden Abdichtungssysteme werden in der Branche verwendet:<\/p>\n

    \"\"<\/p>\n

    O2<\/sub> wird im Inneren des Transformators verbraucht, somit befindet sich der O2<\/sub>-Gehalt in einem Gleichgewichtszustand zwischen Verf\u00fcgbarkeit und Verbrauch. Der O2<\/sub>-Gehalt in hermetisch geschlossenen Systemen ist normalerweise niedriger als in frei atmenden Systemen.\u00a0Die Beurteilung des Gasgehalts in frei atmenden Systemen ist schwierig, da die Gasaustauschrate zwischen dem Transformatorkessel und der Atmosph\u00e4re sich um einen Faktor von 1:10 unterscheiden kann. Dies h\u00e4ngt von der Bauform und der Konfiguration des Ausdehnungsgef\u00e4\u00dfes ab.<\/p>\n

    In frei atmenden Systemen werden auch Konzentrationen von ca. 22.000\u201325.000\u00a0ppm als normal erachtet. Wenn der O2<\/sub>-Gehalt unter 20.000\u00a0ppm betr\u00e4gt, kann man davon ausgehen, dass der Sauerstoff <\/em>verbraucht wird und eine beschleunigte Alterung stattfindet. Der Kohlendioxidgehalt (CO2)<\/sub> kann ebenso verwendet werden. Ein CO2<\/sub>-Gehalt \u00fcber 6.000\u00a0ppm ist ein klares Anzeichen f\u00fcr eine beschleunigte Alterung. Wenn der O2<\/sub>-Gehalt um 10.000\u00a0ppm betr\u00e4gt, k\u00f6nnen in extremen F\u00e4llen CO2<\/sub>-Werte \u00fcber 12.000\u00a0ppm erreicht werden. Die Grenzwerte des IEEE gelten nicht f\u00fcr frei atmende Transformatoren, und das Verh\u00e4ltnis von CO zu CO2<\/sub> gilt nur in begrenztem Rahmen.<\/p>\n

    Die Werte in hermetisch geschlossenen Systemen mit Lufts\u00e4cken oder Membranen werden ganz anders ausfallen als die in frei atmenden Systemen. Transformatoren mit hermetisch geschlossenen Systemen weisen normalerweise einen Restsauerstoffgehalt von 2.000\u20134.000\u00a0ppm auf, in Kombination mit 1.500\u20132.000\u00a0ppm CO2<\/sub> in geschlossenen Systemen. Wenn der O2<\/sub>-Gehalt jedoch \u201e0\u201c betr\u00e4gt und das CO2<\/sub> \u00fcber 4.000 liegt, kann man wiederum von einer beschleunigten Alterung des Transformators ausgehen.<\/p>\n

    \"Biografie<\/p>\n

    3. Der Einfluss von S\u00e4uren<\/strong><\/h2>\n

    Die Wechselwirkung von O2<\/sub> und Hitze mit dem Isolier\u00f6l im Transformator f\u00fchrt zur S\u00e4urebildung im \u00d6l. S\u00e4uren werden mit der S\u00e4urezahl gemessen, die in \u201emg\u00a0KOH\/g\u201c angegeben wird. Diese Zahl gibt an, wie viel Kalium-Hydroxid (KOH) ben\u00f6tigt wird, um die S\u00e4uren im \u00d6l zu neutralisieren.\u00a0Die S\u00e4urezahl ist eine Messgr\u00f6\u00dfe f\u00fcr den S\u00e4uregehalt und die wichtigste Methode, um den Zustand des Isolier\u00f6ls im Transformator zu beurteilen.<\/p>\n

    Die Grenzfl\u00e4chenspannung ist ein weiterer n\u00fctzlicher Indikator f\u00fcr die \u00d6lqualit\u00e4t. Es handelt sich dabei um den Unterschied zwischen der Oberfl\u00e4chenspannung von \u00d6l, das nichtpolar ist, und der Oberfl\u00e4chenspannung von Wasser, einem stark polaren Element. Die Grenzfl\u00e4chenspannung zwischen zwei Materialien mit \u00e4hnlicher Polarit\u00e4t ist gering. Bei der Zersetzung der Isolierfl\u00fcssigkeit Mineral\u00f6l durch den Kontakt mit O2<\/sub> entstehen hydrophile (\u201ewasserliebende\u201c) S\u00e4uren wie Carbons\u00e4ure. Diese sind stark polar und wegen der geringen Polarit\u00e4t des \u00d6ls nicht gut in \u00d6l l\u00f6slich. Durch die hydrophilen S\u00e4uren im \u00d6l erh\u00f6ht sich dann dessen Polarit\u00e4t, und dies f\u00fchrt zu einer niedrigeren Grenzfl\u00e4chenspannung. Eine niedrigere Grenzfl\u00e4chenspannung zeigt an, dass sowohl S\u00e4ure als auch Wasser vorhanden ist. Dies kann sich auf die dielektrischen Eigenschaften des \u00d6ls auswirken und zu Schlammbildung im Transformator f\u00fchren.<\/p>\n

    Die S\u00e4urezahl und die Grenzfl\u00e4chenspannung m\u00fcssen zusammen betrachtet werden.\u00a0 Eine hohe S\u00e4urezahl, z.\u00a0B. 0,2\u00a0mg\u00a0KOH\/g, f\u00fchrt normalerweise zu einer Grenzfl\u00e4chenspannung von unter 20\u00a0N\/m. In den Normen werden Grenzwerte von 0,1\u00a0mg\u00a0KOH\/g f\u00fcr Transformatoren \u00fcber 70\u00a0kV und 0,25 f\u00fcr Transformatoren unter 70\u00a0kV vorgegeben. Der letztere Wert ergibt keinen Sinn, da die chemische Wirkung nicht mit der Betriebsspannung zusammenh\u00e4ngt. Abgesehen davon beginnt die Schlammablagerung bereits unter dem Wert von 0,1. Dadurch k\u00f6nnen die K\u00fchlkapazit\u00e4t und die Betriebssicherheit des Transformators verringert werden. Es ist deshalb sinnvoll, bereits bei einem Wert von 0,1 Abhilfema\u00dfnahmen zu ergreifen.<\/p>\n

    Das Ausma\u00df des S\u00e4uregehalts kann f\u00fcr die Beurteilung der Auslegung des internen K\u00fchlsystems des Transformators und der Alterungsrate verwendet werden. Ein hoher S\u00e4uregehalt bedeutet eine thermische Belastung des \u00d6ls, die zu einer schnelleren Zersetzung des \u00d6ls f\u00fchrt. Das kann ein Anzeichen f\u00fcr eine unzureichende K\u00fchlung sein, die auf eine unzureichende Auslegung zur\u00fcckzuf\u00fchren ist.\u00a0 Das \u201eDelta (\u0394) der S\u00e4urebildung\u201c kann als Indikator f\u00fcr die richtige Auslegung des internen K\u00fchlsystems und die Alterungsrate des Transformators herangezogen werden. S\u00e4ure greift auch die Zellulose-Isolierung an und beschleunigt ihre Zersetzung. Das ist an einem h\u00f6heren O2<\/sub>-Verbrauch beim Zersetzungsprozess erkennbar, wenn s\u00e4urehaltiges \u00d6l vorhanden ist.<\/p>\n

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      4. Kombination von Sauerstoff und S\u00e4ure<\/strong><\/h2>\n<\/li>\n
    2. <\/li>\n<\/ol>\n

      Sauerstoff und S\u00e4ure arbeiten im Einklang miteinander und m\u00fcssen zusammen beurteilt werden. Das hei\u00dft, dass bei der Wartung von \u00e4lteren Transformatoren beide Produkte gepr\u00fcft werden m\u00fcssen. Sowohl O2<\/sub> als auch S\u00e4uren zersetzen das Isolierpapier (Feststoff) im Inneren des Transformators. Der O2<\/sub>-Verbrauch ist sogar ein sehr guter Indikator f\u00fcr die Alterungsrate des gesamten Systems. Ein hoher O2<\/sub>-Verbrauch bedeutet eine schnellere Zersetzung des Isolierpapiers. Der O2<\/sub>-Verbrauch erh\u00f6ht sich normalerweise nach der \u00d6laufbereitung, also w\u00e4re zu erwarten, dass sich die Zersetzung des Papiers dadurch verlangsamt.<\/p>\n

      Die \u00d6laufbereitung f\u00fchrt jedoch oft zu einer weiteren Zersetzung des Isolierpapiers durch die S\u00e4ureeinwirkung. Wie schnell die Zellulose durch die S\u00e4ureeinwirkung zersetzt wird, h\u00e4ngt von der Wasserkonzentration und von der Konzentration der von der S\u00e4ure abgespaltenen H+-Ionen ab. Viele der S\u00e4uren, die sich im Transformatoren\u00f6l und bei der Zersetzung der Zellulose bilden, werden vom Papier absorbiert. Auch wenn also O2<\/sub> bei der \u00d6laufbereitung aus dem System entfernt wird, werden die bereits im Isolierpapier vorhandenen S\u00e4uren die Zellulose weiter zersetzen und, wie in Abschnitt 6.2 dargestellt, den Weg f\u00fcr eine schnellere Oxidation bereiten. Es ist auch wichtig, die S\u00e4urebildung wie in Beispiel 6.1 gezeigt zusammen mit dem CO2<\/sub>– und dem O2<\/sub>-Gehalt zu bewerten.<\/p>\n

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        Verwandte Inhalte: <\/strong>Kosteneffiziente Vor-Ort-Leckreparatur von Transformatoren<\/a><\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

        5. Welche Abhilfema\u00dfnahmen sind n\u00fctzlich und wann?<\/strong><\/h2>\n<\/li>\n
      2. <\/li>\n<\/ol>\n

        5.1. F\u00fcr das O2<\/sub>-Problem:<\/h3>\n

        Es ist hilfreich, Transformatoren mit Abdichtungssystemen, die das Eindringen von Sauerstoff verhindern, mit einem Luftsack im \u00d6lausdehnungsgef\u00e4\u00df oder mit vorgelagerten Abdichtungen zwischen dem \u00d6lausdehnungsgef\u00e4\u00df und der Atmosph\u00e4re auszustatten. Teilentgasungssysteme haben sich bei der Umr\u00fcstung und Erhaltung von \u00e4lteren, frei atmenden Transformatoren ebenfalls als n\u00fctzlich erwiesen, da sie den Anteil von atmosph\u00e4rischen Gasen (N2<\/sub>, O2<\/sub>) auf etwa 30\u00a0% der S\u00e4ttigungswerte reduzieren.<\/p>\n

        Die oben genannten Systeme entfernen auch Wasser aus der Zellulose. Die Aufgabenstellung lautet jetzt, dieses Problem aus technischer und wirtschaftlicher Sicht zu l\u00f6sen. Bei \u00e4lteren, frei atmenden Transformatoren haben sich Bypass- oder Aufbereitungsanlagen bei der Reduzierung des O2<\/sub>-Gehalts im \u00d6l bew\u00e4hrt. Das \u00d6l wird aus dem unteren Teil des Transformators entnommen, entgast, getrocknet und wieder in den oberen Teil geleitet. Da das Aufbereitungssystem mit Hilfe von Standard-Anschl\u00fcssen wie \u00d6lprobeh\u00e4hnen auf andere Transformatoren umger\u00fcstet werden kann und dadurch keine Abschaltung erforderlich ist, kann eine Aufbereitungsanlage zwei bis vier Transformatoren mittlerer Gr\u00f6\u00dfe in einem Abstand von drei bis sechs Monaten versorgen. Das hat zur Folge, dass weniger Sauerstoff verf\u00fcgbar ist, und f\u00fchrt zu einer Verz\u00f6gerung der Alterung. Die Wartungskosten werden somit minimiert, da am Transformator keine Reparaturen wie etwa das Auswechseln des \u00d6lausdehnungsgef\u00e4\u00dfes erforderlich sind. Da das \u00d6l getrocknet wird, wird im System vorhandenes Wasser ganz aus dem Transformator entfernt.<\/p>\n

        5.2. Es gibt drei M\u00f6glichkeiten, um das Problem des S\u00e4uregehalts anzugehen:<\/h3>\n

        \u2013 Transformator ausschlie\u00dflich mit inhibiertem \u00d6l f\u00fcllen. Nicht inhibiertes \u00d6l sollte keinesfalls verwendet werden. Der Inhibitor wirkt wie eine anodische Korrosionsschutzschicht auf Stahlkonstruktionen.\u00a0Er sch\u00fctzt das \u00d6l vor oxidativer Zersetzung und verhindert dadurch die S\u00e4urebildung im \u00d6l. Die meisten \u00d6linhibitoren enthalten 2,6-Di-tert-butyl-P-kresol (DBPC; BHT) und 2,6-Di-tert-butylphenol (DBP). \u00d6le ohne diese Inhibitoren zersetzen sich schneller und erfordern h\u00e4ufigere \u00d6lwechsel, die zeit- und kostenaufw\u00e4ndig sein k\u00f6nnen.<\/p>\n

        \u2013 Sobald 0,1\u00a0mg\u00a0KOH\/g erreicht ist, muss das \u00d6l aufbereitet und ein Inhibitor zugef\u00fcgt werden, falls es sich urspr\u00fcnglich um ein nicht inhibiertes \u00d6l handelte. Nach den bew\u00e4hrten Verfahren muss<\/em> dem \u00d6l nach der Aufbereitung ein Inhibitor hinzugef\u00fcgt werden, da das neu aufbereitete \u00d6l keinen Stabilisator mehr enth\u00e4lt, der der Alterung entgegenwirkt.<\/p>\n

        \u2013 Korrekte Bauform des Transformators, um die thermische Belastung des \u00d6ls zu verhindern. In unserem vorhergehenden Fachbeitrag, So beeinflussen die Temperatur und Wasser die Alterung von Transformatoren<\/em><\/a>, haben wir besprochen, dass die korrekte thermische Auslegung wie folgt aussehen muss: Bei Transformatoren, bei denen h\u00e4ufige Lastwechsel zu erwarten sind, muss das interne K\u00fchlsystem Temperaturspitzen bei einer schnellen Erh\u00f6hung der Last verhindern. Das bedeutet eine \u00d6lk\u00fchlung durch gerichtete Konvektion (Oil Directed \u2013 OD). Bei Transformatoren, bei denen das \u00d6l gepumpt werden muss, z.\u00a0B. \u00d6l-\/Wasserk\u00fchlung durch erzwungene Konvektion (Oil Forced Water Forced \u2013 OFWF), oder bei separat aufgestellten \u00d6l-zu-Luft-Radiatoren muss die K\u00fchlung in den Wicklungen nach dem Prinzip ON (\u00d6l nat\u00fcrlich) ausgelegt sein, damit die \u00d6ltemperatur so gleichm\u00e4\u00dfig wie m\u00f6glich im Wicklungssystem verteilt wird.<\/p>\n

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          Verwandte Inhalte: <\/strong>Mapping von Transformatorbest\u00e4nden<\/a><\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

          6. Beispiele<\/strong><\/h2>\n<\/li>\n
        2. <\/li>\n<\/ol>\n

          6.1<\/h3>\n

          Im folgenden Fall ist der sehr niedrige Sauerstoffgehalt auff\u00e4llig. Er wurde sofort nach der Inbetriebnahme erreicht. Ab 2004 wurde er in das Schutzprogramm des Transformatorbestandes aufgenommen, obwohl sich der Transformator in einem ausgezeichneten Zustand befand. Wie unten gezeigt scheint sich der S\u00e4uregehalt schnell zu erh\u00f6hen und hat die Aufbereitungsschwelle (0,1 mg KOH\/g) nach nur 9 Jahren erreicht. Das bedeutet, dass die thermische Belastung in diesem Transformator zu einem schnellen Verlust der \u00d6lqualit\u00e4t gef\u00fchrt hat.<\/p>\n

          \"\"<\/p>\n

          6.2 Beispiel f\u00fcr die Wechselwirkung zwischen S\u00e4ure und Sauerstoff<\/h3>\n

          Netzkoppler 250 MVA, 220\/110 kV<\/p>\n

          \"\"<\/p>\n

          Dieser Transformator ist ein gutes Beispiel f\u00fcr die Wechselwirkung zwischen S\u00e4ure und Sauerstoff. Die beschleunigte Alterung des Transformators begann im Jahr 2000 und er erreichte das Ende seiner Lebensdauer 2007. Bis 1993 wies er einen O2<\/sub>-Gehalt von >>20.000 auf, ein typischer Wert f\u00fcr einen frei atmenden Transformator, der ordnungsgem\u00e4\u00df funktioniert. Trotzdem war der CO2<\/sub>-Gehalt hoch, ein Anzeichen f\u00fcr einen hohen O2<\/sub>-Verbrauch. 1996 ging der O2<\/sub>-Gehalt zur\u00fcck; der S\u00e4uregehalt betrug 0,109\u00a0mg\u00a0KOH\/g und lag damit an der obersten Grenze. Ab 2000 verringerte sich der O2<\/sub>-Gehalt weiter, w\u00e4hrend der S\u00e4uregehalt anstieg. Dazu wurden 2003 Furan-Werte \u00fcber 5\u00a0ppm festgestellt.<\/p>\n

          Im Jahr 2007 wiesen alle Indikatoren darauf hin, dass der Transformator das Ende seiner Lebensdauer erreicht hatte, darunter auch folgende Werte:<\/p>\n