Warum ist Wasserstoff ein Schlüsselgas für die Transformatorenüberwachung?

PDF öffnen

Eine der häufigsten Fragen, die uns gestellt werden, lautet: „Warum ist Wasserstoff das Schlüsselgas für die Transformatorenüberwachung? Was macht ihn so besonders?“ Die Antwort ist gleichermaßen einfach wie komplex und liegt im Verhalten von Isolierflüssigkeiten unter internen Fehlerbedingungen im Transformator begründet.

Die meisten Transformatorausfälle treten nicht plötzlich auf. Sie geschehen nicht über Nacht. Sie verlaufen allmählich und unbemerkt¹ ^, und es gibt selten äußere Anzeichen für einen beginnenden² ^Fehler , was ihre Erkennung erschwert.

Treten Fehler im Haupttank auf, entstehen lokale Wärmequellen. Diese Hitze zersetzt die Moleküle der Isolierflüssigkeit und setzt brennbare Gase, sogenannte Kohlenwasserstoffe, frei. Wasserstoff ist das erste Gas, das bei nahezu jeder Art von Transformatorfehler entsteht: Teilentladungen, Überhitzung, Lichtbogenbildung und sogar Fehler mit geringer Energie.

Seine Anwesenheit deutet daher auf beginnende Isolationsverschlechterungen hin und tritt auf, bevor andere Fehlergase nachweisbar sind. Eine Übersichtsarbeit von Bustamante aus dem Jahr 2019 bestätigt dies und stellt fest: „Wasserstoff ist in höheren oder geringeren Mengen bei allen elektrischen und thermischen Fehlern im Öl vorhanden.“

In diesem Review teilt Bustamante eine Tabelle, die in der Zeitschrift IEEE Transactions on Dielectric and Electrical Insulation (Band: 2, Ausgabe: 6, Dezember 2015) veröffentlicht wurde und die die Gase identifiziert, die beim Auftreten eines Fehlers entstehen.

Wie aus der Tabelle hervorgeht, ist Wasserstoff der wichtigste Fehlerindikator für nahezu alle Fehlerarten in Transformatoren mit Öl-Papier-Isolierung. Er entsteht stets als Nebenprodukt bei Isolationsdurchschlägen sowohl bei elektrischen als auch bei thermischen Fehlern.

Dies macht Wasserstoff zu einem zuverlässigen und breit anwendbaren Schlüsselindikator für Fehler, im Gegensatz zu anderen Gasen, die nur bei bestimmten Fehlertypen entstehen oder mit diesen in Verbindung gebracht werden.

Die kontinuierliche Messung des Wasserstoffgehalts ist daher das fehlende Diagnosewerkzeug für Transformatoren und somit der Schlüssel zur Vermeidung katastrophaler Ausfälle.

Wie aus der nebenstehenden Grafik ersichtlich ist, geht einer plötzlichen oder beschleunigten Wasserstofferzeugung ein größerer Transformatorausfall voraus. In diesem Fallbeispiel konnte der Netzbetreiber ein katastrophales Ereignis an seinem 24-MVA-Transformator verhindern.

Die kontinuierliche Wasserstoffüberwachung hat weitere Vorteile.

Die Vorteile von Wasserstoff beschränken sich nicht nur auf die Früherkennung von Fehlern; er hilft auch dabei, thermische Ereignisse zu erkennen, die häufig übersehen werden.

1. Es erkennt Transformatoren mit funktionierenden, aber nur grenzwertigen Kühlsystemen. Transformatoren verfügen zwar über einen Übertemperaturschutz, ein dauerhafter Betrieb knapp unterhalb der Auslöseschwelle kann jedoch unentdeckt bleiben.
2. Ein weiteres, oft übersehenes thermisches Phänomen ist der hohe Oberwellengehalt, der Transformatorkerne erhitzt. Mit der zunehmenden Verbreitung von Wechselrichtern für erneuerbare Energien und Energiespeichersysteme sowie von Frequenzumrichtern (FU) arbeiten Transformatoren in Netzabschnitten mit hohem Oberwellengehalt heißer als vorgesehen, und ohne Überwachung ist dieses Phänomen schwer zu erkennen.

Aufgrund der frühen Entstehung während der elektrischen Degradation ist eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Teilentladungen und eine schnelle Erkennung bei der Öl- und Wasserstoffüberwachung weiterhin unerlässlich, um Transformatorfehler zu identifizieren, bevor sie zu einem katastrophalen Ausfall führen.

Quellen:

1. Neil Probert, Johnson & Phili
2. Ein beginnender Fehler bezeichnet einen Fehler in einem frühen Stadium, der sich oft durch subtile oder geringfügige, nicht sofort erkennbare Symptome äußert. Diese Fehler verschlimmern sich mit der Zeit und können, wenn sie nicht frühzeitig erkannt und behoben werden, zu schwerwiegenderen Problemen oder einem Totalausfall führen.

Über den Autor

Traci Hopkins

Traci Hopkins begann ihre Laufbahn im Bereich der Zuverlässigkeit elektrischer Energieversorgungsanlagen im Juni 2012 als Dozentin in verschiedenen Schulungs- und Weiterbildungsabteilungen für Transformatorentechnologien. Kurz darauf übernahm sie die Rolle der Koordinatorin für diagnostische Analytik im internationalen Markt und unterstützte weiterhin Schulungen und Weiterbildungen durch internationale Veranstaltungen. 2022 trat sie H2scan als Vertriebsleiterin für Lateinamerika bei und verantwortete dort die Förderung der Wasserstoffsensorik in verschiedenen Branchen. Traci ist zertifizierte CRL-, MTMP-, MTRP- und DPS-Trainerin. Sie ist außerdem Senior Member von IEEE PES, der Association of Asset Management Professionals und WIRAM (Women in Reliability and Asset Management).