Versteckter Wicklungsverbindungsfehler in einem Aufspanntransformator für einen 32 MVA Generator nach 23 Jahren Betriebszeit entdeckt
Nach mehr als zwei Jahrzehnten im Betrieb löste ein 32 MVA Aufspanntransformator bei einem großen nordamerikanischen Energieversorger sein Buchholz-Relais aus, was auf Gasansammlungen im Transformator hinwies.
Eine zwei Wochen später durchgeführte Analyse des gelösten Gases bestätigte abnormale Bedingungen im Transformatoröl. Der Wasserstoffgehalt stieg deutlich an und lag bei fast 1000 ppm. Auch die Methan- und Kohlenmonoxidkonzentrationen stiegen an. Das Gasmuster deutete auf einen Fehlermechanismus hin, der sowohl elektrische Entladungsaktivität als auch lokale Überhitzung im Transformator umfasst.
Solche Situationen stellen für Ingenieure, die für die Zustandsbewertung von Transformatoren verantwortlich sind, eine typische Herausforderung dar. Überwachungssysteme können eindeutige Hinweise darauf liefern, dass sich im Inneren eines Transformators ein abnormaler Zustand entwickelt, sie zeigen jedoch nicht zwingend den Ort oder die Schwere des Problems. Bevor die Einheit sicher wieder in Betrieb genommen werden kann, müssen Ingenieure feststellen, ob sich der Fehler weiterentwickelt, und den betroffenen Teil des Transformators identifizieren.
Um die Ursache des abnormalen Zustands zu verstehen, führte das Versorgungsunternehmen eine Reihe elektrischer Diagnoseprüfungen an Leistungstransformatoren durch.
Elektrische Diagnoseprüfungen
Während der Untersuchung wurden drei elektrische Prüfungen durchgeführt:
- Transformatorwindungsverhältnis (Transformer Turns Ratio, TTR)
- Wicklungswiderstandsprüfung (WR)
- Kurzschlussimpedanzprüfung (SCI)
Jede dieser Messungen bewertet einen anderen Aspekt des Transformatorzustands. In Kombination liefern sie Einblicke in die elektrische Integrität der Wicklungen, den Zustand interner Verbindungen und die mechanische Struktur des Transformators.
Die Prüfungen wurden mit dem Transformatorprüfsystem TAU3 durchgeführt, das es Ingenieuren ermöglicht, mehrere diagnostische Messungen an Transformatoren über eine einzige Plattform durchzuführen und die Ergebnisse innerhalb derselben Untersuchung zu vergleichen.
Die Prüfungsergebnisse des Windungszahlverhältnisses lagen über alle drei Phasen hinweg innerhalb der zulässigen Grenzen, womit bestätigt wurde, dass die elektrische Beziehung zwischen den Wicklungen korrekt blieb.
Die Messungen des Wicklungswiderstands zeigten jedoch ein anderes Bild.
Auf der Hochspannungsseite waren die Widerstandswerte gut ausgeglichen und zeigten lediglich eine Abweichung von 0,17 % zwischen den Phasen. Auf der Niederspannungsseite hingegen ergaben die Messungen eine Widerstandsunbalance von 5,39 % zwischen den Wicklungen X1 und X2.
Obwohl die IEEE-Richtlinien unter bestimmten Umständen Abweichungen von bis zu fünf Prozent zulassen, erwarten erfahrene Ingenieure bei Messungen unter gleichen Temperaturbedingungen in der Regel Phasenabweichungen näher bei zwei Prozent.
Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass der abnormale Zustand wahrscheinlich mit den Wicklungsverbindungen auf der Niederspannungsseite zusammenhängt.
Die Kurzschlussimpedanzprüfung unterstützte diese Schlussfolgerung. Auch die Impedanzmessungen zeigten abnormale Ergebnisse und verstärkten den Hinweis auf einen mechanischen Fehler oder ein Verbindungsproblem im Transformator.
In dieser Phase der Untersuchung deuteten die Überwachungsdaten und die Ergebnisse der elektrischen Prüfungen auf ein sich entwickelndes Problem im Inneren des Transformators hin, eine Bestätigung erforderte jedoch eine interne Inspektion.
Interne Untersuchung und Ursachenanalyse
Um die Quelle der anormalen Messungen zu verifizieren, wurde das Transformatoröl abgelassen und der aktive Teil des Transformators inspiziert.
Die Ursache des Problems wurde sofort ersichtlich.
Die Crimpverbindung zwischen der X1-Wicklung und der X1-Durchführung war bei der Herstellung nie ordnungsgemäß gesichert worden. Der Leiteranschluss konnte von Hand getrennt werden und zeigte deutliche Anzeichen von Überhitzung und Ölzersetzung.
Diese lose Verbindung erhöhte den Widerstand innerhalb des Wicklungskreises. Die daraus resultierende Erwärmung erzeugte das bei der Gasanalyse festgestellte Gasprofil und die Phasenungleichheit in den Wicklungswiderstandsmessungen.
Die beschädigten Leiterabschnitte wurden entfernt und Ersatzteile angebracht. Da der betroffene Wicklungsbereich durch Überhitzung geschädigt war, war für die Reparatur ein längerer Leiterabschnitt erforderlich.
Interpretation der Diagnoseergebnisse
Diese Untersuchung verdeutlicht, wie wichtig die gemeinsame Auswertung von Überwachungsdaten und elektrischen Transformatorprüfungen für die Zustandsbewertung ist.
Die Analyse gelöster Gase lieferte den ersten Hinweis darauf, dass sich im Inneren des Transformators ein abnormaler Zustand entwickelte. Die elektrischen Prüfungen ermöglichten anschließend eine Eingrenzung der wahrscheinlichen Fehlerquelle, indem eine signifikante Unbalance im Wicklungswiderstand der Niederspannungsseite identifiziert wurde.
Durch die Korrelation der Ergebnisse mehrerer Diagnoseprüfungen stellten die Ingenieure fest, dass der Fehler auf ein Verbindungsproblem in der Transformatorwicklung zurückzuführen war und nicht auf einen umfassenderen Isolationsausfall.
Erkenntnisse für die Fehleranalyse an Transformatoren
Aus dieser Untersuchung lassen sich mehrere praktische Erkenntnisse ableiten.
Überwachungssysteme wie Buchholz-Relais und Gasanalyse im Öl liefern wertvolle Frühwarnungen über sich entwickelnde interne Zustände. Diese Systeme zeigen jedoch in der Regel das Vorhandensein eines Fehlers an, ohne dessen genaue Position zu bestimmen.
Elektrische Prüfungen, insbesondere Wicklungswiderstandsmessungen, zählen weiterhin zu den effektivsten Diagnosemethoden zur Identifizierung von Verbindungsproblemen oder mechanischen Defekten in Transformatorwicklungen. Selbst relativ geringe Widerstandsungleichgewichte können auf sich entwickelnde Probleme hinweisen, die mit anderen Diagnosemethoden noch nicht erkennbar sind.
Schließlich können Ingenieure durch die Durchführung mehrerer komplementärer Prüfungen innerhalb derselben Untersuchung die Ergebnisse im Kontext interpretieren. Moderne Transformatorprüfsysteme wie das TAU3 ermöglichen effiziente Messungen des Wicklungsverhältnisses, des Wicklungswiderstands und der Impedanz sowie den direkten Vergleich der Ergebnisse bei der Untersuchung ungewöhnlichen Transformatorverhaltens.
In diesem Fall führte die Kombination aus Überwachungsdaten, elektrischer Prüfung und interner Inspektion letztlich zur Identifizierung eines Fertigungsfehlers, der über mehr als zwei Jahrzehnte im Transformator verborgen geblieben war.
Untersuchung fortsetzen
Dieser Artikel beschreibt, wie Überwachungsdaten und elektrische Tests den Ingenieuren halfen, einen versteckten Wicklungsverbindungsfehler in einem Aufspanntransformator zu identifizieren.
Für eine detaillierte Analyse der Untersuchung, einschließlich vollständiger Prüfergebnisse, Inspektionsbilder und Reparaturdetails, laden Sie die vollständige Fallstudie herunter. Sie können außerdem das Transformatorprüfsystem Megger TAU3 näher kennenlernen, um zu verstehen, wie es eine effiziente Transformator-Diagnoseprüfung im Feld unterstützt.
