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Grundlagen und Empfehlung / Wartung von

Transformatoren. Zeit und Kosten sparen mit

multifunktionalem Transformatorprüfgerät

Lutz Hulka

Megger GmbH

10.08.2016

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Prüfkategorien Werksprüfungen/Abnahmeprüfungen

• Überprüfen Sie, ob der Transformator entsprechend der Bestellung gebaut ist und so funktioniert

Vor-Ort-Prüfungen • Inbetriebnahme

– Überprüfen Sie, dass kein Transportschaden aufgetreten und die Montage korrekt erfolgt ist

• Fingerabdruck/Zustandsbeurteilung

– Tatsächlicher Zustand für Wartungsentscheidungen und Basislinie für spätere Vergleiche

Routineprüfungen

• Schadensfeststellung

– Transformator beschädigt oder kann er in den Betrieb zurück?

– Falls beschädigt

o Reparieren oder Schrott?

o Falls reparieren ... Vor Ort oder in Werkstatt

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Prüfempfehlungen & Normen CIGRE

• CIGRE Brochure 342 (SFRA-FRAX)

• CIGRE Brochure 414 (DFR-IDAX)

• CIGRE Brochure 445 (Guide for Transformer Maintenance)

IEC, TC 14

• IEC 60076-1, Power Transformers

• IEC 60076-2, Temperature rise

• IEC 60076-3, Insulation levels, dielectric tests etc

• IEC 60076-18, (SFRA-FRAX)

ANSI, IEEE Transformer Committee

• IEEE C57.152 (Guide for Diagnostics Field Testing)

• IEEE C57.12.00-2006

• IEEE C57.12.90-2006

• IEEE PC57.149 (SFRA-FRAX)

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Wartungsstrategie DIN VDE 0109

• Vorbeugende Instandhaltung (Zeitbasierte Wartung)

• Ereignisorientierte Instandhaltung

• Zustandsorientierte Instandhaltung (Zustand bestimmen)

• Prioritätenorientierte Instandhaltung (Zustands-

bestimmung und Asset Management kombiniert)

Instandhaltungsaufgaben:

• Inspektion – Begehung, Sichtprüfung,

Funktionskontrolle Zustandsermittlung

• Wartung

• Instandsetzung

• Verbesserung

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Cigré Technical Brochure 445, 2011 Richtlinien für Transformator-Wartung

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Cigré Technical Brochure 445, 2011 Richtlinien für Transformator-Wartung

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Transformator-Fingerabdruck Zustandsbeurteilung

Folgende Prüfungen/Aktivitäten sollten berücksichtigt werden:

• Trafo-Historie wird gesammelt und vor Vor-Ort-Arbeiten ausgewertet

• Inspektion

• Wicklungsübersetzungsverhältnis

• Wicklungswiderstand

• Isolationsprüfungen von Wicklungen und Durchführungen (Tanδ, DFR usw.)

• Kapazitätsprüfungen der Wicklungen und Durchführungen

• Erregerstrom

• SFRA

• Stufenschalter-Messungen (Widerstand, Make-Before-Break usw.)

• DGA und Ölprüfungen

• Überprüfen der Nebenaggregate (Pumpen, Ventilatoren usw.)

• Auswertung und Protokollierung

Blau: ”Arbeiten im Büro”

Grün: ”Arbeiten vor Ort”

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Transformator-Fehler :

Cigré, IEEE, Hartford S&B

Univ of Queensland, ZTZService

Canadian El Assosiation, Etc...

Resultate: Was war der

Grund für den Fehler?

Elektrische Gründe im

Netz

Isolations-gründeBlitzschlag

Wartungs-gründe

Kontakte Anschlüsse

usw.

Feuchtigkeit

Überlast

Sabotage

Ausführungs-mängel

Andere Gründe

Auslösesignale

Elektrische Gründe im

Netz

Isolations-gründeBlitzschlag

Wartungs-gründe

Kontakte Anschlüsse

usw.

Feuchtigkeit

Überlast

Sabotage

Ausführungs-mängel

Andere Gründe

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Fehlererkennung – Prüfmethoden Annahme:

Wir denken, im Transformator ist

ein Fehler!

Wie wurde er gefunden?

Quelle:

Cigré, IEEE, Hartford S&B

Univ of Queensland, ZTZService

Canadian El Assosiation, Etc...

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Stress-Faktoren Thermische Belastungen

• Überhitzung, zyklisch

Chemische Belastungen

• Zerfall der Zellulose - - Dipolaristaions-Faktor (DP)

• Ölzusätze können die Festisolation beinflussen.

Elektrische Belastungen

• Normal- und Überspannungen

Mechnische Belastungen

• Transport, Kurzschlüsse,

Umgebung

• Wassereintritt

• Salze und korrosive Substanzen an Oberflächen (Tank).

Hohe Betriebstemperatur und Feuchte reduzieren die Lebenserwartung des Trafos!

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Übersicht Transformator-Prüfungen MEGGER PRÜFGERÄTE

Komponente Prüfung Delta IDAX MIT FRAX MLR TTR MTO LTC 135 MoM TRAX OTS KF

Wicklung

Widerstand X X X Übersetzung / Polarität X X

Erregerstrom X X X X

Kurzschluß Impedanz X X X

Frequency response analysis X

Isoaltionswiderstand X

Kapazität X X X Verlustfaktor (tan delta) X X X

Dielektrische Frequenzantwort X X

Durchführung

Kapazität X X X

Verlsutfaktor (tan delta) X X X Dielektrische Frequenzantwort X X

Isolationsöl Wassergehalt X

Dielektrische Festigkeit X

Verlustfaktor (tan delta) X X X

Zellulose Isolierung Feuchtigkeit X

Stufen-schalter

Last

Widerstand X X X

Übersetzungsverhältnis X X

Continuity (make before break) X X X Dynamischer Widerstand (DRM) X X

Umschalter Widerstand X X X

Übersetzungsverhältnis X X

Kern/Kessel

Isoaltionswiderstand X X

Frequency response analysis X

Erdüberprüfung X X

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TRAX - Multifunktionsprüfgerät für Transformatoren & Schaltanlagen

Flexible Quellen zur Prüfgrößenerzeugung

Strom AC bis 800 A (2000A)

Spannung AC bis 2200V (12kV)

Variable Frequenz 1 - 500 Hz

Spez. DC-Stromausgänge

Mehrkanalige, Flexible Messungen

Intern, extern

Hochflexible Berechnungen

Modernes Bedieninterface

10,4“ Touchscreen

Prüf-APPs

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Vorteile von Mulitfunktionalität

Einfachere Logistik

Einfachere Bedienung - weniger Anwendertraining nötig

Zeitersparnis

Alle Prüfungen an einem Gerät

Logistik

Bedienung

-> Geringere Kosten bei Anschaffung und im Betrieb

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Ausgänge, seitliche Anschlusstafel

200 A AC

800 A AC

100 A DC

16 A DC

300 V DC

2200V AC

250 VAC / 10 A AC

Verbindung zu

externen

Erweiterungen

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TRAX Draufsicht

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Optionale Systemerweiterungen

TDX 120

TAN DELTA BOX 12 kV-Hoch-

spannungseinheit

TSX 300

SWITCH BOX Multiplexer für

Trafoprüfung

TCX 200

CURRENT BOX Hochstromeinheit 2 kA

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Bedienung und APPs • Bedienung erfolgt über Apps auf integriertem Display oder

von externem Windows-Tablet oder PC

• Apps stellen nur die für die Prüfung relevanten Funktionen

bereit (keep it simple)

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Anwendungsbereiche Leistungstransformatoren

Wandler

Strom

Spannung

Schaltanlagen

Sekundärprüfung einphasig

Primärprüfung

Schalterprüfung

… z.B. rotierende Maschinen

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Fehler-Erkennung mit Übersetzungsmessung

Abweichung der Übersetzung zwischen Typenschild und gemessenen Werten kann auf folgendes hindeuten:

• Herstellungsdefekt in der Wicklung – Inkorrekte Windungszahl

– Inkorrekte Polarität

– Inkorrekte Windungskonfiguration

• Isolationsfehler – Zerstörte Zwischenwindungsisolation, die zu Kurzschluß geführt hat

– Großfehler: zwischenphasig oder Phase-Erde

• Stufenschalterdefekt – Inkorrekte Montage von Wicklungszuleitungen

– Inkorrekte Stufenschalter-Stellung

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Innovation in TTR-Prüfung

Höherer Komfort durch einfachere Benutzerführung

• Schaltgruppe angeben

• Nenngrößen angeben

• Verdrahtungshinweise bekommen

• Prüfung starten

• Automatische Bewertung de Messergebnisse

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Übersetzungsverhältnis - TTR

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Nenngrößen gemäß Typenschild

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Anschlußinformationen TTR

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Prüfergebnisse TTR

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Wicklungswiderstandsmessung – Wie? Entscheiden ob der Strom ein- oder zweikanalig eingespeist wird

(Simulatane Wicklungsmagentisierung - SWM).

Anschluss von Strom- und Spannungmessleitungen an die

entsprechenden Wicklungen.

Prüfstrom einstellen

Test starten

Warten auf Stabilisierung der Ergebnisse

Bei stabilen Werten die Messung stoppen, damit wird automatisch

entladen

Warten bis Entladung beendet ist, bevor Messleitungen abtrennen!

Nächste Messung…

Am Ende - Entmagnetisieren

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Auswahl des richtigen Prüfstroms Der Kern muss gesättigt werden. Dafür reicht etwa 1% des

Nennstroms (oder 2x facher Leerlaufstrom) aus

Man darf 10% des Nennstroms nicht überschreiten. Das führt

zu Wicklungserwärmung und damit zu verfälschten

Messwerten

Typische Prüfströme sind im Bereich 0.1-1% der Nennstroms

Wenn der Prüfstrom zu klein ist, wird der gemessene

Widerstandswert nicht konstant

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Temperaturabhängigkeit Gemessener Widerstand ist

eine Funktion der

Wicklungstemperatur

Korrektur des Widerstands:

• R(initial)[1+ alpha (T(final) -

T(initial)],

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Entmagnetisierung Nach Deaufschlagung mit DC sollte Kern entmagnetisiert werden

Dies erfolgt durch Polaritätsumschaltung des DC-Stroms. Die

Prozedur wird mehrfach wiederholt mit immer kleiner werdender

Stromstärke

Es gegügt nur eine OS-Wicklung dafür anzuschließen (mit dem

höchsten Erregerstrom)

Wichtig vor den SFRA- and Erregerstrommessungen durchzuführen

Wird auch im IEEE C57.102 (former IEEE 62) vor der

Inbetriebnahme (um in-rush Ströme zu Vermeiden) empfohlen

+100% of

Test

current

-100%

+10%

-1%

-0.01%

+0.1%

Positive

polarity

Negative

polarity

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Simulatane Wicklungs-Magnetisierung Problem:

• Bei US-Wicklung von großen Yd-Trafos (Maschinentrafo) benötigt man

viel Zeit zum Stabilisieren

Lösung:

• Starke Quelle, die neben hohem Strom (>50A) auch ausreichend

Spannung (z.B. 50V) liefert

• Simultane Wicklungs- Magnetisierung (SWM); Stromeinspeisung in

beide Wicklungen (OS/US) gleichzeitig!

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SWM – Verstärken der Magnetisierung

H1 H0

x1 x0

H1 H0

x1 x0

Strom

Magnet-Fluß

Elektrischer

Strom

OS=1000 Wind.

US=100 Wind.

Verhältnis=10

Magnetisierung steigt mit Faktor des Wicklungsverhältnis

10A Prüstrom X 10 Wicklungsverhältnis= 110 A ”effektiver Magnetisierungsstrom” für die US-

Messung!

Einwicklungs-

Einspeisung

Simultane-

Wicklungseinspeisung

Strom

10

A

”110A”!

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Praxisbeispiel SWM 1100 MVA YNd5, US u-v, TTR=14.8, 8 A Prüfstrom (0.03% des Nennstrom)

Müller et. al, ”Optimized Tool for the

Measurement of Winding Resistance

in Power Transformers”, ISH 2011

Einfache Einspeisung

Stabilisierungszeit > 25 min

SWM Eispeisung

Stabilisierungszeit 5 min

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Wicklungswiderstandsmessung mit TRAX

Echter DC bis zu 100A bei 50V

Integrierte Stufenschaltersteuerung

Adaptiver Algorithmus zur schnellen Entmagnetisierung

Viele Sicherheitsfunktionen schützen den Benutzer , das

Prüfobjekt und das Prüfgerät (z.B. automatische Entladung

trotz )

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Wicklungswiderstandsmessung mit TRAX

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Dynamische Widerstandsmessung Stufenschalter Diagnose

Spannung und Strom werden

während Schaltprozess

aufgezeichnet

Dynamischer Widerstand sowie

Schaltzeiten werden

automatisch berechnet

Ein von Megger patentiertes

Verfahren wird angewendet

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DRM - Stufenschalterdiagnose

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Isolationsprüfung am Trafo 2-Wickler 3-Wickler

CHL

CH CL

CHL

CH CL CT

CLT

CHT

3 Isolationen

CH, CL

CHL

6 Isolationen

CH, CL, CT

CHL, CLT, CHT

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Leistungsfaktor, Verlustfaktor

Verlustfaktor

Leistungsfaktor

φ

δ ~

U

U

I

I

IC IR

IC

IR

C

R

I

Itan

I

Icos

R

2cos1

costan

2tan1

tancos

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Verlustfaktormessung mit TRAX (tan δ) Verlustfaktor und Kapazität bis 12 kV an

Trafo und Durchführung

Frequenzbereich von 1 bis 500 Hz

Analyse

• Isolations Parameter mit benutzerdefinierten Limits

• ITC, Individual temperature correction (Megger patent)

• VDD, Voltage dependence detection (Megger patent)

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Übersicht TRAX Apps für Trafo

Basis Erweitert

Übersetungsverhältnis Verlustfaktor tanδ

Wicklungswiderstand Dynamische Widerstandsmessung

OLTC - Stufenschalter

Entmagnetisierung Magnetisches Gleichgewicht

Erregerstrom FRSL – Frequenzgang von Streuverlusten

Kurzschlußimpedanz

Manuelle Steuerung

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Übersicht TRAX Apps für Wandler

Stromwandler Spannungswandler

Übersetungsverhältnis (Methode I) Übersetungsverhältnis

Bürde Bürde

Magnetisierungskurve Polarität

Polarität

Übersetungsverhältnis (Methode U)

Wicklungswiderstand

Übersetzungsverhältnis Rogowski

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Übersicht TRAX Apps für Schaltanlagen

Schaltanlagen

Leistungsschalter Analysator (Schaltzeiten, Spulenströme,…)

Kontaktwiderstand

LS Auslösezeitmessung

Einphasige Relaisprüfung

Zeitmessung

Phasenwinkelmessgerät

Erdimpedanz, Leitungsimpedanz / K-Faktor

Leistungsmessgerät

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Manuelle Steuerung TRAX

43

Manuelle Steuerung TRAX Messungen und Quelle

44

Manuelle Steuerung TRAX Berechnung

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46

TRAX - Multifunktion

47

Praxisteil am Nachmittag

Dank an

AEW

Energie AG

48

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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Isolationsprüfung - Geschichte 1870er Jahre; Erste systematische Untersuchungen dielektrischer Eigenschaften (Clausius und

Mosotti)

1885; Ottó Bláthy erfindet den Transformator

1927; Erstes Megger-Instrument für die Gleichstrom-Isolationsprüfung wird patentiert und vorgestellt

1990; ABB stellt erste Ergebnisse zu dielektrischen Reaktionsmessungen an Isolationsmaterialien (NORD-IS 1990)

1993; Entwicklung des ersten Feldinstruments für Frequenzreaktionsmessungen wird von Dr. Peter Werelius begonnen

1995; Erstes Feldinstrument für DFR (IDA) ist verfügbar

1995–2005; Das Interesse an der Nutzung von DFR/FDS für die Untersuchung von Isolationseigenschaften nimmt rapide zu, und auf internationalen Tagungen werden zahlreiche Vorträge zur Methode und Technologie gehalten

2004; CIGRE-Report 254 „Dielectric Response Methods for Diagnostics of Power Transformers“ (Dielektrische Reaktionsmethoden für die Diagnose von Transformatoren) wird veröffentlicht

2006; Projekt REDIATOOL bei CIGRE berichtet; DFR wird als Methode der Wahl für die Feuchtigkeitsprüfung an Transformatoren empfohlen

2010; CIGRE-Report 414 „Dielectric response diagnoses for transformer windings“ (Dielektrische Reaktionsprüfung für Transformatorwicklungen) wird veröffentlicht

Auswertung Leistungstransformatoren

IEEE 62-1995 stellt fest: “Die für Routine-Gesamtprüfungen bei älteren

Betriebsmitteln aufgezeichneten Leistungsfaktoren liefern Informationen

hinsichtlich Allgemeinzustand der Erdungs- und Zwischenwicklungsisolation

von Transformatoren und Drosseln. Während die Leistungsfaktoren für die

meisten älteren Transformatoren auch <0,5 % (20 °C) sein werden, können

Leistungsfaktoren zwischen 0,5 % und 1,0 % (20 °C) akzeptiert werden;

jedoch sollten Leistungsfaktoren >1,0 % (20 °C) nachgeprüft werden.”

Typische Leistungsfaktorwerte bei 20 °C

"Neu" “Alt" Warn-/Alarmgrenze

Leistungstransforma-

toren, ölisoliert 0,2 - 0,4 % 0,3 - 0,5 % > 0,5 %

Durchführungen 0,2 - 0,3 % 0,3 - 0,5 % > 0,5 %

Einflussfaktoren

Messergebnis ist stark temperaturabhängig

Vergleichbarkeit ist nur bei gleicher Temperatur gegeben

Umrechnung auf Bezugstemperatur erforderlich

• Umrechnungstabellen

• Basieren auf statistischen Mittelwerten Standard temperature correction values (IEEE)

ITC: Intelligente Temperaturkompensation Gute Isolation ist weniger temperaturabhängig als

eine schlechte / feuchte Isolation

• tanδ = f(T); temperaturabhängig

• tanδ = f(f); frequenzabhängig

Die Messung einer Isolation bei gleicher

Temperatur aber verschiedenen Frequenzen kann

genutzt werden um die Temperaturabhängigkeit

eines Materials bei konstanter Frequenz zu

bestimmen.

Intelligent temperature correction (ITC)

for typical transformers at various age/condition

Einflussfaktoren

Bei ölgefüllten Transformatoren ist der Verlustfaktor

normalerweise nicht bzw. kaum spannungsabhängig

Spannungsabhängigkeiten können aber auftreten

• Ionisierung (TE)

Wird nur mit einer Spannung (z.B. 10 kV) geprüft fällt diese

Abnormität nicht auf.

Prüfung mit verschiedenen Spannungen ist nicht Standard

Eine zum Patent angemeldete, auf Oberschwingungsanalyse

basierende Methode (VDD) kann Spannungsabhängigkeit

erkennen und melden.

Damit wird dem Anwender eine genauere Untersuchung, die

automatische Stufenprüfung (Tip-up Test) empfohlen.

Fehlererkennung

Erhöhte Verlustfaktoren und mögliche Ursachen:

• Kontamination

• Chemische Alterung

• Schäden durch Überhitzung

• Feuchtigkeit

• Spannungsabhängigkeit, kann Ionisierung (TE) indizieren

Kapazitätsänderungen kann folgende Ursachen haben:

• Mechanische Deformation in Kern-/Windungsstruktur

• Feuchtigkeit

Veränderungen im Erregerstrom kann folgendes anzeigen:

• Wicklungsschlüsse

• Mechanische Deformation in Kern-/Windungsstruktur

• Kernerdungsprobleme