Entwicklung eines innovativen Sensorsystems zur Alterungsanalyse von Papierisolierungen in Leistungstransformatoren

verfasst von

Tobias Münster

betreut von

Peter Werle

Abstract

Für eine zuverlässige Versorgung mit elektrischer Energie sind Transformatoren als Schnittstelle zwischen Energieerzeuger und -verbraucher essentiell. Ein Großteil dieser Geräte, vor allem der kostenintensiven Leistungstransformatoren, ist mit einem Mischdielektrikum aus Flüssigkeit und Papier elektrisch isoliert. Bei diesen Materialien handelt es sich um organisches Material, welches während des Betriebs einem stetigen Alterungsprozess und einer damit einhergehenden Verschlechterung der isolierenden und mechanischen Eigenschaften unterliegt. Im Hinblick auf das zunehmend steigende durchschnittliche Betriebsalter von Transformatoren und der voranschreitenden alternierenden Energieeinspeisung durch die Energiewende, ist eine zuverlässige Überwachung des Alterungszustands zur Erhöhung der Betriebssicherheit sowie der Wirtschaftlichkeit von zunehmender Bedeutung. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit verschiedene Alterungsuntersuchungen sowie die Entwicklung eines innovativen optischen Sensors zur Verbesserung der Zustandsbewertung von Transformatoren vorgestellt.

Bezüglich der flüssigkeits-feststoffisolierten Leistungstransformatoren wird zwischen freiatmenden mit einem Ölausdehnungsgefäß und hermetisch verschlossenen Transformatoren mit einem Gaspolster unterschieden. Zur Nachbildung der Lebensdauer dieser Geräte wurden thermisch beschleunigte Alterungsuntersuchungen mittels verschiedener Isolierflüssigkeiten durchgeführt, wobei eine Nachbildung des typischen Isoliersystems dieser Transformatoren erfolgte. Hierbei wurden zu verschiedenen Zeitpunkten Proben des Isolierpapiers als auch der Isolierflüssigkeit untersucht, wobei verschiedene Alterungsmarker evaluiert wurden. Es zeigte sich, dass einige Marker bzw. eine Kombination aus diesen geeignet sind, um eine indirekte Abschätzung des Alterungszustands zu ermöglichen.

Als weiterer Schritt fand im Hinblick auf die voranschreitende Digitalisierung die Entwicklung eines neuartigen patentierten und kostengünstigen optischen Sensors zur genauen Alterungsbestimmung des Isolierpapiers statt, welcher sowohl im Labor als auch als Monitoringsystem einsetzbar ist. Mittels einer Lichtquelle und der Verwendung von Lichtwellenleitern ist über die Aufnahme von Reflexionsspektren des Isolierpapiers die Ermittlung des Alterungsfortschritts möglich, was mit diversen Isolierpapierproben von realen Transformatoren bestätigt werden konnte. Durch die gezielte Auswertung charakteristischer Wellenlängen des reflektierten Lichts ist eine präzise Messung zerstörungsfrei und innerhalb von Sekunden realisierbar, was im Vergleich zu bisherigen Verfahren den Stand der Technik zur Alterungsbewertung erheblich erweitert und verbessert. Die in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse sowie das entwickelte Sensorsystem erweitern die bisherigen Diagnosemethoden nachhaltig und leisten somit letztlich einen Beitrag zu einer zuverlässigen Energieversorgung.

Organisationseinheit(en)

Fachgebiet Hochspannungstechnik und Asset Management (Schering-Institut)

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

285

Publikationsdatum

02.06.2025

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/19063 (Zugang: Offen)