Trockenhaltung der Isolierung von Transformatoren

Abstract

 Vorrichtung zur Nutzung der Zyklizität der thermischen Belastung von Transformatoren zum Zweck der Trocknung und Trockenhaltung des Isoliersystems aus Isolierflüssigkeit und imprägnierfähigen Isolierstoffen, sowie Befüllungsverfahren zur Sicherung der uneingeschränkten Funktion dieser Vorrichtung.
Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein außerhalb des Transformators in zwei kommunizierenden Gefäßen angeordnetes Stickstoffpolster durch Ausnutzung der Belastungszyklizität dazu verwendet wird, das dielektrische System trocken zu halten. Durch Verwendung eines geeigneten Befüllungsverfahrens wird die uneingeschränkte Wirkung des Prinzips gewährleistet.

Beschreibung

[0001] Vorrichtung zur Nutzung der Zyklizität der Belastung nicht atmender Transformatoren zum Zweck der Trockenhaltung des Isoliersystems durch Anordnung eines Gaspolsters, die das hin- und herströmende Gas zwingt, die darin enthaltene Feuchte an eine geeignete Trockenvorrichtung abzugeben, wodurch sich ein Feuchtekonzentrationsgefälle (Feuchteuntersättigungsgefälle) ergibt, das der Feuchteansammlung im Isoliersystem entgegenwirkt.

Stand der Technik

[0002] Nichtatmende elektrische Transformatoren werden häufig mit einem Gaspolster beaufschlagt. Dies geschieht, um die Komprimierbarkeit von Gasen zum Zweck der Druckaufnahme bei der Ausdehnung der Flüssigkeit durch Erwärmung und der Vermeidung starker Unterdrücke bei auskühlungsbedingter Volumerminderung zu nutzen. Gewöhnlich kommt als Gas Stickstoff zur Anwendung. Es hat sich jedoch gezeigt, daß starke tageszeitenzyklische Wechselbelastung des Transformators oft dazu führt, daß über kurz oder lang das Stickstoffpolster zum Luftpolster wird. Daraus wurden gegensätzliche Folgerungen gezogen: Teils kehrte man zum Transformator mit Ausdehnungsgefäß zurück, teils entschloß man sich, unter Verwendung von Stahlblechen, die sich durch hohe elastische Verformbarkeit auszeichnen, für integral befüllte Transformatoren ohne Gaspolster, obwohl bei dieser Bauart die bei Abkühlung entstehenden Unterdrücke notwendigerweise größer sind. Da auf dem Verteiltransformatorenbereich aufgrund der relativ niedrigen Oberspannungen die Beeinträchtigung der Durchschlagfestigkeit als weniger kritisch angesehen wird, hat man sich mit einer der beiden alternativen Kompromißlösungen abgefunden, zumal konstruktive Überlegungen dagegen sprachen, das Stickstoffpolster so großzügig zu bemessen, daß bei Flüssigkeitsabkühlung kein Unterdruck entsteht.

[0003] Neben den erwähnten Alternativen sind auch Hybridlösungen mit verschiedenen Anordnungen von Membranen eingesetzt worden. Die verschiedenen Spielarten haben gemeinsam, daß sie den Sauerstoff-Zugang auszuschließen oder zumindest zu reduzieren versuchen. Gegenwart von Sauerstoff im dielektrischen System ist immer nachteilig; auch wenn die verwendete Flüssigkeit nur wenig von der Gegenwart von Sauerstoff beeinflußt wird, steht die schnellere Alterung der Zellulose außer Frage. (IEEE Trans. Electr. Insul., Vol E1-13 No 5, October 1978)

[0004] Bei der Beaufschlagung mit Stickstoff nimmt man in Kauf, daß die Flüssigkeit mit Stickstoff gesättigt ist. Außer im Höchstspannungsbereich neigt man dazu, die Frage zu verneinen, ob die Sättigung der Flüssigkeit mit Stickstoff die Durchschlagfestigkeit dadurch beeinträchtigen könnte, daß Mikrobläschenbildung bei Abkühlung auftritt.

[0005] Die thermische Belastung des Transformators, insbesondere des Aktivteils, bewirkt Alterung der Zellulose, wobei neben anderen Zersetzungsprodukten auch Wasser gebildet wird. Dieses ist im dielektrischen System grundsätzlich unerwünscht, da es sich nachteilig auf die dielektrischen Eigenschaften des Gesamtsystems auswirkt. Das jeweilige Gleichgewicht zwischen Isolierflüssigkeit und flächigem Isolierstoff wird von der Hygroskopizität der Flüssigkeit mitbestimmt. Die nach IEC 1100 als K-Flüssigkeiten mit einem Brennpunkt von >300°C eingestuften Flüssigkeiten Polydimethylsiloxan 50mm²·sec^-1 und Pentaerythrit-Tetraester zeichnen sich gegenüber herkömmlichen Ölen durch höhere Hygroskopizität einerseits, andererseits jedoch sehr geringe Beeinträchtigung der Durchschlagfestigkeit bei Wasseraufnahme aus. Gegenüber Mineralöl ist diese Unempfindlichkeit sehr viel höher. Auch unter der Annahme, Zellulosealterungsfeuchte könne nicht zu Schäden führen, besteht kein Anlaß, sie nicht aus dem Isoliersystem zu entfernen.

Gegenstand der Erfindung

[0006] Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Nutzung der Möglichkeit der Wasserabführung und -bindung - gleichgültig ob dieses Wasser aus der Atmosphäre stammt und seinen Ursprung in starken Unterdrücken und gegen Gas undichten Dichtungen hat oder zwangsweise bei der Zellulosealterung anfällt - durch konstruktive Nutzung der Schaffung eines Untersättigungsgefälles vom extrem trockenen Stickstoffpolster zur Flüssigkeit bzw. zum flächigen Isolierstoff und die Nutzung der Tatsache, daß sich die meisten Transformatoren durch zyklische - gewöhnlich tageszeitenzyklische - Lastspiele auszeichnen.

[0007] Das Konstruktionsziel verfolgt bei Transformatoren, die Zellulose enthalten, also den Zweck, die Belastungszyklizität für die Trocknung nicht nur ausnahmsweise angesaugter atmosphärischer Feuchte einzusetzen sondern auch für die Unschädlichmachung der Feuchte, die ihren Ursprung in der Zellulosealterung hat.

[0008] Das Konstruktionsziel wird durch bisher nicht realisierte gleichzeitige Nutzung mehrerer Umstände verwirklicht.

[0009] Die meisten Verteiltransformatoren, aber auch viele Leistungstransformatoren, weisen eine ausgeprägte Zyklizität der Belastung auf. Die Dimensionierung des Stickstoffpolsters bestimmt die Höhe der dabei entstehenden Über- und Unterdrücke. Dabei geht das Gas, temperaturabhängig, bei Druckerhöhung langsam in Lösung und tritt bei Druckminderung wieder aus. Letzterer Vorgang verläuft rascher als ersterer.

[0010] Wird bei Unterdruck wiederholt Luft angesaugt, kommt es zur Aufnahme von Luftfeuchte bis zum Sättigungsgrad der Flüssigkeit, die insbesondere bei Abkühlung die Feuchte teilweise auf dem flächigen Isolierstoff ablädt. Die jeweils herrschende Wasseraufnahmefähigkeit des Gases, der Isolierflüssigkeit und der Zellulose hängt von der Hygroskopizität dieser drei Elemente bei den jeweiligen Bedingungen ab.

[0011] Die Tatsache, daß das Gas in der beschriebenen Anordnung, wie in der Schemazeichnung dargestellt, über einen Gastrockner, z.B. mit Silicagel als Feuchtefalle, hin- und hergeleitet wird, je nachdem, ob sich die Flüssigkeit ausdehnt oder zusammenzieht, wird dazu ausgenutzt, das Gas in einem extrem trockenen Zustand zu halten, um dadurch die mit dem extrem trockenen Gas in Berührung stehende Flüssigkeit ebenfalls trocken zu halten und damit wiederum die Feststoffisolierung zu trocknen bzw. die thermisch bedingte Alterung der Zellulose und/oder deren Folgen abzuschwächen, und insbesondere, durch mangelnde Dichtigkeit eingedrungene, atmosphärische Feuchte frühzeitig und fortwährend der Flüssigkeit zu entziehen.

[0012] Bei Anordnung einer Kapillare als Durchflußminderer in der Verbindungsleitung zwischen Transformator und Zwischengefäß (in der Schemazeichnung als V1 gekennzeichnet) ist die Öffnung der Kapillare so zu bemessen, daß weder Verstopfungen, noch Druckaufbau entstehen können. Dies geschieht durch Wahl eines Mindestdurchmessers von 1mm und durch proportionale Anpassung des Kapillarendurchmessers an das Flüssigkeitsvolumen des Transformators.

[0013] Wenn der Gastrockner so gestaltet wird, daß, bei Verwendung von Silicagel als Feuchtefalle, der Silicagelinhalt sichtbar ist, ist dieser durchaus geeignet, Undichtigkeiten des Systems sichtbar zu machen. Die sehr geringe Feuchtemenge aus der Zellulosealterung ist, bei entsprechender Silicagel-Füllmenge, nicht in der Lage, eine merkliche Verfärbung von bläulich nach rosa zu bewirken. Eine solche Verfärbung wird jedoch bei starker Luftfeuchteaufnahme bald eintreten.

[0014] Um zu vermeiden, daß sich ein signifikanter Teil des in den Behältern V1 und V2 befindlichen Stickstoffs in der Flüssigkeit, die zur Erzielung einer hohen Imprägniergute hochentgast sein muß, löst, was spätere Stickstoffzugaben oder, zur weitgehenden Kompensation des Druckabfalls, kostspieliges Überdimensionieren erfordern würde, und um das beschriebene Wirkungsprinzip nicht einzuschränken, wird beim Befüllen des beschriebenen Transformatorentyps und beliebiger anderer mit Stickstoff beaufschlagter Transformatoren so verfahren, daß zunächst der Transformator bei der Erstbefüllung mit einer zur Erzielung einer hohen Imprägniergüte hochentgasen Isolierflüssigkeit befüllt wird und diese dann, nach Befüllung des Transformators mit trockenem Stickstoff, von einer von anderen Gasen befreiten aber mit Stickstoff gesättigten Isolierflüssigkeit ersetzt wird. Die Dimensionierung von V1 und V2 wird mitbestimmt von der Flexibilität des Transformators selbst und davon, wie weit man diese Flexibilität in Anspruch nehmen will.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Trockenhaltung eines elektrischen Isoliersystems aus Isolierflüssigkeit und imprägnierfähigem Feststoff in einem elektrischen Gerät, das sich durch Gasbeaufschlagung und durch Zyklizität der Belastung auszeichnet, und dessen Belastungsspiele zu einer Vergrößerung und Verkleinerung des Flüssigkeitsvolumens bei entsprechender Verkleinerung und Vergrößerung des Gasvolumens und einer dadurch verursachten Druckbelastung und Druckentlastung führen, wobei die Vorrichtung die zyklischen Bewegungen von Gas und Flüssigkeit zur Trockenhaltung des gesamten Systems nutzbar macht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Anordnung und Aufstellung des Stickstoff-Druckkompensationsgefäßes (in der Schemazeichnung als V2 gekennzeichnet) gewährleistet wird, daß nicht, etwa durch Sonneneinstrahlung, gleichzeitig zur Ausdehnung der Flüssigkeit, eine Ausdehnung des Gases stattfindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasausgleichsgefäß, bzw. Druckkompensationsgefäß (V2), an einem Ort angeordnet wird, der seiner Funktion besser entspricht als eine Anordnung in unmittelbarer Nähe des elektrischen Geräts, z.B. unter dem Dach einer Werkhalle, unter einer Hochbühne usw.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung zwischen Transformator und Zwischengefäß (V1) eine Durchflußdrosselung vorgesehen wird, die zwar die Flüssigkeit in beiden Fließrichtungen fließen läßt, jedoch das in einer Zeiteinheit durchfließende Volumen drosseln kann, so daß bei plötzlicher Spaltgasentstehung im Transformator der dadurch bewirkte Druckanstieg leichter gemessen und ein Fehler leichter detektiert werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gastrockner so gestaltet wird, daß, bei Verwendung von Silicagel als Feuchtefalle, der Silicagelinhalt sichtbar ist und seine Farbveränderung Luftfeuchteaufnahme und damit eine Undichtigkeit im System anzeigt.

6. Verfahren der Befüllung von mit Stickstoff zu beaufschlagenden Transformatoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator nach imprägnierender, mit einer entgasten Isolierflüssigkeit erfolgten Erstbefüllung entleert und mit einer mit Stickstoff gesättigten Flüssigkeit neu befüllt wird.

Zeichnung