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Biobasierte Öle in TransformatorenProf. Dr.-Ing S. Tenbohlen

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Untersuchungen und Einsatz vonbiobasierten Ölen als Elektroisolieröle

in Transformatoren

Prof. Dr.-Ing. Stefan TenbohlenDipl.-Ing. Mark Jovalekic

EinleitungDielektrische FestigkeitThermisches Verhalten

Diagnostik zur ZustandsbeurteilungAlterungsverhalten


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Isolieröl in Leistungstransformatoren

Aufgaben der Öle– Elektrische Isolierung spannungsführender Teile– Imprägnation der Feststoffisolierung– Kühlung von Wicklungen und Eisenkern

Projektierte Lebensdauer der Betriebsmittel30 Jahre

Historisch: Mineralöl (Nachteil: Flammpunkt) mitgescheitertem Versuch des Einsatzes von PCB

Seit ca. 20 Jahren „synthetische Ester”

In jüngerer Vergangenheit ausgewählte natürliche Ester, weil– biologisch schnell abbaubar,– nicht wassergefährdend und– schwerer entflammbar.


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Anforderungen an Elektroisolieröle

Optimale physikalische Größen– Viskosität möglichst gering für die Kühleffizienz– Stockpunkt bei tiefen Minusgraden (z.B. - 40°C)– Flammpunkt möglichst hoch (z.B. > 250°C)

Elektrische Größen– Permittivität (εr ~ 3,2) vorteilhaft– Durchschlagfestigkeit > 50 kV– Verlustfaktor bzw. Leitfähigkeit möglichst klein

Es müssen beim Betrieb Besonderheiten von Pflanzenölenbeachtet werden:– Dielektrische Festigkeit– Thermisches Verhalten– Zustandsdiagnostik– Alterungsverhalten


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Untersuchte Öle

Angaben aus [1, 2, 3]

gesättigtungesättigt

C18:1mehrfach

ungesättigt

9%

6%

8%

82%

85%

92%

9%

9%

oxidationsstabil instabil

fest flüssig

HO – Sojaöl: Envirotemp FR3

HO – Rapsöl: Midel eN

HO – Sonnenblumenöl

Synthetischer Ester: Midel 7131

Mineralöl: Nynas Nytro 3000X


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Dielektrische Festigkeit


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Elektrische Festigkeit im homogenen Feld

67,5

79,6

70,9

88,787,5

76,276,1

0

20

40

60

80

100

Du

rch

schl

agsp

ann

ung

[kV

]

HOSO FR3 Midel eN M7131 Nynas Nytroneu gealtert neu gealtert neu gealtert neu gealtert neu gealtert

84,789,7

35,7

rF = 10%, neurF = 20%, neurF = 20%, gealtert

91,2 91,0

81,2

99,8

75,3

Die elektrische Festigkeit der Bioöle ist im homogenen Wechselfelddurchgängig sehr gut

Man erkennt hier die tendenziell die Abhängigkeit vom Wassergehalt

2,5 mm Elektrodenabstand


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Elektrische Festigkeit im inhomogenen FeldElektrodenabstand, 60 mm, Stoßbeanspruchung

Nadelelektrode

Bei inhomogenen Anordnungen gibt es bei Bioölen leichte Abstriche Auswirkungen auf die Auslegung z.B. beim Stufenschalter Ausblick: Verstehen des Phänomens und Gegenmaßnahmen

(„Elektronenfänger“)

123,3108,1

139125,4

7,1 7,7

0

20

40

60

80

100

120

140

160

NN3000X FR3

[kV

]

Withstand Voltage(1% BDV)Mean BreakdownVoltage (50% BDV)Standard Deviation

Mineralöl Pflanzenöl


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Elektrische Festigkeit im inhomogenen Feld

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

50 100 150 200 250 300 350 400 450

Applied Voltage [kV]

Str

eam

erP

rop

aga

tio

nV

elo

cit

y[m

m/µ

s]

NN3000XNE1

Mode 1

Mode 2

Mode 1

Mode 2 Gap distance of 40 mm

Point tip radius of 3 µm

0

10

20

30

40

50

60

1,1 1,26 2,8 77 2800

Field enhancement factor

Ave

rag

es

tre

amer

pro

pag

atio

nv

elo

city

[km

/s]

FR3Lyra X

PflanzenölMineralöl


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Elektrische Festigkeit bei tiefen Temperaturen

Figure 8: Evaluated oil breakdown values for different oil conditions at -35 °C.

Figure 4: Test cell with Midel 7131 (left) and FR3 (right) at -35°C


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Thermisches Verhalten


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Thermische Modellierung der Wicklung

Wicklungsaufbau GeschwindigkeitsvertWicklungsaufbau Geschwindigkeitsverteilungeilung

Barriere


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Wirbel blockieren horizontale Kühlkanäle


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Temperaturverteilung GeschwindigkeitsverteiluTemperaturverteilung Geschwindigkeitsverteilungng

70

96

Losses at 4 A/mm2 are impressed


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Einlauf

Auslauf

Mineralöl Pflanzenöl

Temperaturverteilung bei eingeprägterStrömungsgeschwindigkeit

Höhere Viskosität des Pflanzenöls bei eingeprägter Strömung vorteilhaft.


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Diagnostik zur Zustandsbeurteilung


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Diagnostik für Isoliersysteme

Das Isolieröl ist ein sehr wichtiger diagnostischer Träger

Gas-in-Öl Analyse diagnostiziert elektrische und therm. Fehler:– Wasserstoff für Teilentladungen– Wasserstoff und Ethin (Acetylen) für Entladungen– Kohlenwasserstoffe (z.B. C2H4 für thermische Fehler)– CO und CO2 für Abbau der Zelluloseisolation

Ölkennzahlen zur Alterungsbestimmung (Auswahl)– Farbzahl: grober Alterungsindikator– Neutralisationszahl: Alterungsindikator– Wassergehalt: Indikator für Alterung der Papierisolation


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Experiment zur Erzeugung von Durchschlägen

4-stufiger Marxgenerator Blitzstoß 1,2/50µs Volumen der Testzelle: 1,5l Elektrodenabstand: Spitze – Spitze 4mm Spannung: 128kV

Öle wurden zunächst entgast und getrocknet Analyse im Gaschromatograph mit Headspace Technik


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Gasungsverhalten bei elektrischen Durchschlägen

Vergleich FR3, Midel eN, Midel 7131 und Lyra X

0

5

10

15

20

25

CO2 C2H4 (Ethen) C2H2 (Ethin) CH4 (Methan) CO C3H6 (Propen) H2

Gase

Gas

men

ge[p

pm/S

toß]

FR3 Midel eN Midel 7131 Lyra X

Untersuchte Öle: FR3, Midel eN, 7131 und Lyra X Haupts. gelöste Gase: Ethin und Wasserstoff Gasungsverhalten von der Gasart sehr ähnlich

Sind die bekannten Interpretationsschemen anwendbar?Dörnenburg, Rogers, MSS, Cigre Task Force, IEC 60599, Duval

Sind die bekannten Interpretationsschemen anwendbar?Dörnenburg, Rogers, MSS, Cigre Task Force, IEC 60599, Duval


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DGA bei elektrischen Entladungen

D1 (Entladung niedriger Energie) richtig erkannt unabhängig vom Öl

PD TeilentladungD1 Entladungen niedriger EnergieD2 Entladungen hoher EnergieT1 Thermischer Fehler, t < 300°CT2 Thermischer Fehler, 300°C < t < 700°CT3 Thermischer Fehler, t > 700°C


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DGA bei thermischen Beanspruchungen

Leichte Anpassungen für thermische Fehler Elektrische Fehler sind ölunabhängig zu detektieren


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Alterungsverhalten


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AlterungsuntersuchungenFarbzahl

Bioöl FR3

Mineralöl

Beschleunigte Alterung im Labor: z.B. modifizierter Baadertest 1 Liter mit 1000cm² Cu bei 110°C im offenen Behälter, 14 Tage


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Alterungsuntersuchungen Parameterstudie

Luft ÖlabgedichteterBehälter

- Cu, 2,5g/l

- Fe, 2,5g/l

- Zn, 0,5g/l

- Al, 0,5g/l

- Papier/Pressboard

130°C-HOSO (rF 30%)

-FR3 (rF 20%)

-Midel 7131 (rF 8%)

-Midel eN (rF 9%)

-Nynas Nitro 3000

(rF 40%)

eingesetzerBehälterKlimaschrank

Luft ÖlabgedichteterBehälter

- Cu, 2,5g/l

- Fe, 2,5g/l

- Zn, 0,5g/l

- Al, 0,5g/l

- Papier/Pressboard

- Cu, 2,5g/l

- Fe, 2,5g/l

- Zn, 0,5g/l

- Al, 0,5g/l

- Papier/Pressboard

130°C-HOSO (rF 30%)

-FR3 (rF 20%)

-Midel 7131 (rF 8%)

-Midel eN (rF 9%)

-Nynas Nitro 3000

(rF 40%)

-HOSO (rF 30%)

-FR3 (rF 20%)

-Midel 7131 (rF 8%)

-Midel eN (rF 9%)

-Nynas Nitro 3000

(rF 40%)

eingesetzerBehälterKlimaschrank

Test 3 = 1440h@130°C Luftzufuhr, mit Zusätzen

Test 4 = 1440h@130°C Geschlossen, mit Zusätzen


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AlterungsuntersuchungenKinematische Viskosität @ 40°C

39 34 37 289

271

76

22 2037 33 39 23 20

2249

0

50

100

150

200

250

300

HO

SO

FR

3

Mid

eleN Mid

el71

31

Nyn

as30

00X

Kin

.Vis

kosi

tät[

mm

2 /s]

Original

Mit Luftzufuhr

Unter Luftabschluss




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AlterungsuntersuchungenPolymerisationsgrad

715

395

295366

193150

715

341250

288226 199

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Orig

inal

HO

SO

FR

3

Mid

eleN

Mid

el71

31

Nyn

as30

00X

DP

-Gra

d

Mit Luftzufuhr

Unter Luftabschluss




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Zusammenfassung

Auswirkungen auf Konstruktion der Betriebsmittel– Elektrisch: Feldverdrängung in das Papier vorteilhaft, aber

reduzierte Festigkeit bei langen inhomogenen Strecken– Thermisch: bisher unkritisch; leichte Temperaturerhöhungen– Mechanisch: Hermetikbauweise absolut erforderlich bei biologisch

abbaubaren Ölen wegen Alterung (Oxidation).

Im Rahmen TRAFECO Entwicklung einesneuen Fluidsmit verbesserten Eigenschaften:– Verringerter Viskosität– Größerer Alterungsbeständigkeit– Niedrigerer Stockpunkt

Erstmaliger Einsatz in einemMittelleistungstransformatorin 2013 geplant

untersuchungen und einsatz von biobasierten Ölen als ... · microsoft powerpoint - ppt0000017...

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