Minderung der Alterung von Transformatoren: Die kritische Triade aus Wärme, Feuchtigkeit und Sauerstoff

Der Energiesektor hat derzeit mit einer dreifachen Bedrohung zu kämpfen: Unterbrechungen der Lieferkette für Transformatoren, steigende Kosten und alternde Transformatoren im Einsatz. Derzeit sind die Lieferzeiten für große Transformatoren auf 120 bis 210 Wochen (ca. 4 Jahre) gestiegen, was einen deutlichen Anstieg gegenüber den 30-60 Wochen vor der Pandemie darstellt. Gleichzeitig haben die Rohstoffpreise die Transformatorpreise seit Januar 60 durchschnittlich um 80-2020 % in die Höhe getrieben (je nach Größe und Anwendung).

Erschwerend kommt hinzu, dass das Durchschnittsalter von Großleistungstransformatoren (LPTs) in den USA laut einer Studie des US-Handelsministeriums aus dem Jahr 38 bei 2020 Jahren liegt – also nahe oder sogar über ihrer geplanten Lebensdauer. Vor diesem Hintergrund ist es immer wichtiger geworden, die Lebensdauer bestehender Transformatoren durch sorgfältige Überwachung und Wartung zu verlängern.

Versorgungsunternehmen und Unternehmen, die die Lebensdauer von Transformatoren verlängern möchten, um Kapitalgüter zu erhalten und das Stromnetz zu schützen, sollten drei Hauptfaktoren berücksichtigen, die die Alterung von Transformatoren beschleunigen: Hitze, Feuchtigkeit und Sauerstoff. Das Verständnis und der Umgang mit diesen Elementen kann die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Transformatoren erheblich verlängern und möglicherweise den Druck auf die angespannte Lieferkette etwas verringern.

Die Alterungstriade: Wärme, Feuchtigkeit und Sauerstoff

Wärme: Der lautlose Beschleuniger

• Die Temperatur spielt bei der Alterung von Transformatoren eine entscheidende Rolle. Laut einer akademischen Quelle, die einen Leitfaden zur angewandten Wartung von Transformatoren veröffentlicht hat, die ein halbes Jahrhundert alt sind, verdoppelt sich die Geschwindigkeit der Kohlenwasserstoffoxidationsreaktionen, wenn die obere Öltemperatur um 10 °C steigt. Diese Beschleunigung tritt unabhängig von anderen vorhandenen Faktoren auf, was die Bedeutung der Temperaturkontrolle unterstreicht.
• Hitze hat nicht nur direkte Auswirkungen auf den Isolationsdurchschlag, sondern auch indirekte Auswirkungen auf die Kühlleistung. Wenn Transformatoröl altert und oxidiert, bildet es Säuren und Schlamm, wodurch seine Viskosität zunimmt. Diese Verdickung verringert die Fähigkeit des Öls, Wärme effektiv vom Kern an die Tankwände zu übertragen, wodurch der Transformator heißer läuft und härter arbeiten muss, was den Alterungsprozess weiter beschleunigt.

Feuchtigkeit: Die allgegenwärtige Bedrohung

• Feuchtigkeit in Transformatoren ist ein ständiges Problem. Sie kann verschiedene Ursachen haben, darunter unzureichende Trocknung im Werk, unsachgemäße Installation, unzureichende Trocknung von neuem Öl während der Inbetriebnahme, Zellulosezerfall (Papierisolierung) und Eindringen von Feuchtigkeit aus der Umwelt aufgrund mangelhafter Herstellungs- oder Wartungspraktiken.
• Während des Betriebs kann Wasser freigesetzt werden, das chemisch an Öl und Papierisolierung gebunden ist. Da Öl mit der Zeit oxidiert, kann es überschüssiges Wasser und andere Oxidationsprodukte erzeugen. Die Anwesenheit von Feuchtigkeit beschleunigt Oxidationsprozesse und den Abbau von Öl und Papierisolierung.

Sauerstoff: Eine sekundäre Überlegung

• Obwohl Sauerstoff bei der Alterung von Transformatoren eine Rolle spielt, ist seine direkte Messung oft nicht so wichtig wie die Überwachung von Wärme und Feuchtigkeit. Bei einer Öltemperatur von 70 °C oder mehr kann Öl auch ohne freien Sauerstoff zu oxidieren beginnen, was zeigt, dass Wärme der Hauptkatalysator in diesem Prozess ist. Darüber hinaus ist das Eindringen von Sauerstoff oft ein Symptom für schlechte Abdichtung oder Wartungsprobleme, die normalerweise zuerst durch eine Feuchtigkeitsüberwachung erkannt werden.
• Transformatoröle enthalten natürliche Inhibitoren, die mit Sauerstoff reagieren. Regelmäßige Tests des Inhibitorgehalts während der jährlichen Ölanalyse können auf Sauerstoffeintritt hinweisen. Wenn der Inhibitorgehalt schnell abnimmt, deutet dies auf eine höhere Sauerstoffpräsenz hin.

Es bleibt die Frage, wie Versorgungsunternehmen und Energietechniker alle drei Alterungsfaktoren für ihren gesamten Transformatorbestand überwachen können.

Wasserstoffsensoren für die Wärme- und Feuchtigkeitsüberwachung

Das GRIDSCAN™ 6000 Multi-Sense-Monitor von H2scan konzentriert sich auf die Messung von Wärme und Feuchtigkeit, um eine kostengünstige und effiziente Möglichkeit zur Bewältigung sauerstoffbezogener Probleme zu bieten. Durch genaue Überwachung der Temperatur- und Feuchtigkeitsniveaus können viele der mit Sauerstoff verbundenen Probleme präventiv angegangen werden, wodurch in vielen Fällen eine direkte Sauerstoffmessung überflüssig wird.

Auch das Transformatordesign spielt beim Sauerstoffmanagement eine Rolle:

• Frei atmende Transformatoren: Mit Luft gesättigt enthalten sie typischerweise etwa 30,000 ppm Sauerstoff
• Versiegelte, mit Stickstoff überzogene Transformatoren: rund 3,000 ppm Sauerstoff
• Vakuumgefüllte Transformatoren mit kontinuierlichem N2-System: nur 300 ppm Sauerstoff

Die Konstruktion und Wartung von Transformatoren ist wichtig, um die Oxidationsrate zu begrenzen. Viele versiegelte Transformatoren sind aufgrund verschiedener Faktoren wie Lecks, unsachgemäßer Installation und beschädigter Dichtungen zu „Freiatmern“ geworden, die das Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit in den Transformator ermöglichen. Ölkonservierungssysteme wie ein kontinuierliches N2-System oder ein Ausdehnungsgefäß mit einer guten Blase helfen, das Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit zu kontrollieren.

Wartungspraktiken für eine lange Lebensdauer

Einige Tipps für Betreiber, die an einer Verlängerung der Lebensdauer ihres Transformatorbestands interessiert sind, lauten wie folgt:

• Regelmäßige Sichtkontrollen sind entscheidend, um potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen. Diese Inspektionen sollten das Prüfen auf Risse in Schweißnähten, insbesondere an Heizkörpern, das Überprüfen und Ersetzen von Dichtungen bei Bedarf sowie das sofortige Erkennen und Beheben von Lecks umfassen.
• Ölqualitätsmanagement ist ein weiterer wichtiger Aspekt der Transformatorwartung. Regelmäßige Ölqualitätstests (Säuregehalt, Grenzflächenspannung, Farbe, Partikelanzahl) sollten durchgeführt werden. Wenn die Qualität nachlässt, sollte eine Ölrückgewinnung in Betracht gezogen werden. In schweren Fällen, wie z. B. bei Vorhandensein von korrosivem Schwefel, kann ein Ölwechsel in Betracht gezogen werden.
• Lastmanagement ist wichtig, um eine Überhitzung zu vermeiden. Die Belastung des Transformators muss überwacht und gesteuert werden. Bei dauerhaft hohen Temperaturen sollte eine Reduzierung der Belastung in Betracht gezogen werden.
• Inhibitor-Management beinhaltet das Testen und Aufrechterhalten angemessener Mengen an Oxidationsinhibitoren wie 2,6-Ditertiärbutylparacresol (DBPC). Das Hinzufügen von Inhibitoren und ggf. erneutes Inhibieren kann die Isolierung vor sauerstoffbedingter Verschlechterung schützen, indem sie mit dem im Öl enthaltenen Sauerstoff reagiert.
• Feuchtigkeitskontrolle ist von entscheidender Bedeutung und umfasst die umgehende Behebung von Lecks und Eintrittspunkten sowie die Durchführung von Trocknungsverfahren, wenn der Feuchtigkeitsgehalt akzeptable Grenzen überschreitet.

Angesichts der dreifachen Bedrohung, der die Energiebranche in diesem anspruchsvollen Umfeld ausgesetzt ist, kann der GRIDSCAN 6000 Multi-Sense Monitor helfen, diese Bedenken auszuräumen. Durch die Konzentration auf die beiden kritischsten Faktoren – Temperatur und Feuchtigkeit – ermöglicht dieses System den Versorgungsunternehmen, mehr Transformatoren in ihrem gesamten Bestand zu den gleichen oder ähnlichen Kosten zu überwachen wie bei der Überwachung eines einzelnen Transformators mit umfassenderen Systemen. Diese breitere Abdeckung ist insbesondere angesichts des Durchschnittsalters großer Leistungstransformatoren (38 Jahre) und der Notwendigkeit, ihre Betriebslebensdauer zu verlängern, von entscheidender Bedeutung. Zwar sind umfassende Gasanalyselösungen einschließlich Sauerstoffmessung verfügbar, ihre unerschwinglichen Kosten können jedoch einen weit verbreiteten Einsatz verhindern, sodass kritische Anlagen möglicherweise unbeaufsichtigt bleiben.

Für ein effektives Transformatormanagement ist nicht unbedingt die direkte Messung aller drei Alterungsfaktoren (Hitze, Feuchtigkeit und Sauerstoff) erforderlich. Durch strategisches Überwachen von Temperatur und Feuchtigkeit mit dem GRIDSCAN 6000 Multi-Sense Monitor in Kombination mit proaktiven Wartungspraktiken und indirekter Sauerstoffmessung können Versorgungsunternehmen und Energietechniker die Lebensdauer von Transformatoren erheblich verlängern. Dieser Ansatz ermöglicht in Verbindung mit umfassenden Wartungsstrategien eine effektive Sicherung der Langlebigkeit und Zuverlässigkeit dieser kritischen Anlagen über die gesamte Flotte hinweg und verbessert letztendlich die allgemeine Netzstabilität und -leistung.

H2scan ist ein führender Entwickler und Hersteller von Hochleistungs-Wasserstoffsensoren für das Transformatorflottenmanagement, die Wasserstoffverarbeitung und die Sicherheitsüberwachung.