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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
Biobasierte Öle in TransformatorenProf. Dr.-Ing S. Tenbohlen
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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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Thermische Modellierung der Wicklung
Wirbel blockieren horizontale Kühlkanäle
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Thermische Modellierung der Wicklung
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
Test 3 = 1440h@130°C Luftzufuhr, mit Zusätzen
Test 4 = 1440h@130°C Geschlossen, mit Zusätzen
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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
Test 3 = 1440h@130°C Luftzufuhr, mit Zusätzen
Test 4 = 1440h@130°C Geschlossen, mit Zusätzen
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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