Einsatz von natürlichen Estern in Hochspannungs-Messwandlern - "Application of natural ester fluids in high-voltage instrument transformers"
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Einsatz von natürlichen Estern in Hochspannungs-Messwandlern «Application of natural ester fluids in high-voltage instrument transformers» © Trench France 2014 Seite 1 Graz, 27. Juni 2014
Einsatz von natürlichen Estern in
Hochspannungs-Messwandlern
T. Judendorfer, G. Adamietz W. Beck
D. Fredrich TransnetBW Netze BW GmbH
Trench France GmbH
K. Rapp R. Badent
Cargill Karlsruher Institut für
Technologie
Eigenschaften von (natürlichen)
Esterflüssigkeiten
Umweltfreundliches Isolations-
system für Messwandler
Typenprüfung und Pilotprojekte
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Seite 2 Graz, 27. Juni 2014
Übersicht Esterflüssigkeiten
Vorteilhafte Eigenschaften: Umweltverträglichkeit, Flammpunkt, Brennpunkt,
Wasseraufnahmevermögen, Alterungsstabilität, etc.
Mittlerweile große Anzahl von installierten, mit natürlichen Estern gefüllten
Betriebsmitteln (über 600.000) in allen Spannungsebenen bis 420 kV
Standardisierung
Synthetische Ester → IEC 61099: 1992
Natürliche Ester → ASTM D6871: 2003
IEEE C57.147: 2008
IEC 62770: 2013
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Seite 3 Graz, 27. Juni 2014
Natürliche Esterflüssigkeiten als Isolationsmedium
Typische Rohstoffe für natürliche Esterflüssigkeiten:
Soja
Sonnenblumenöl
Rapsöl
Envirotemp™ FR3™: natürlicher Ester auf Sojabasis
VAwS1 (Deutschland): Kategorien für wassergefährdende Flüssigkeiten,
insbesondere für Betreiber interessant bei Mengen >100 Liter
Kategorie 0 / NWG •Nicht wassergefährdend
Kategorie WGK1 •Schwach Wassergefährdend
Kategorie WGK2 •Wassergefährdend
Kategorie WGK3 •Stark Wassergefährdend
1 “Verordnungdes Umweltministeriums über Anlagen zum Umgang mit
© Trench France 2014 wassergefährdenden Stoffen und über Fachbetriebe (Anlagenverordnung
wassergefährdende Stoffe – VAwS)
Seite 4 Graz, 27. Juni 2014
Aufgaben und ausgewählte Anforderungen an
Isolierflüssigkeiten
Hohe elektrische Festigkeit
Geringer dielektrischer Verlustfaktor
Wärme-
Diagnose Alterungsstabilität Zuverlässigkeit
abfuhr
Geringe elektrische Leitfähigkeit
Hohe thermische Leitfähigkeit
Hohe Wärmekapazität
Isolieröl Geringe Viskosität
Materialkompatibilität
Umweltverträglichkeit
Isolation Wirtschaftlichkeit
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Seite 5 Graz, 27. Juni 2014
Grundlagen der Dimensionierung
Source: [Moser]
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Seite 6 Graz, 27. Juni 2014
Elektrische Festigkeit: Wechselspannung
Elektrische Festigkeit von Mineralöl und natürlichem Ester
600 kV
Durchschlagsspannung in kV (50%)
500 kV
400 kV
300 kV
200 kV
Source: [Lick, Rapp]
100 kV
0 kV
10 mm 20 mm 50 mm 100 mm 125 mm 150 mm
Abstand in mm Mineralöl Natürlicher Ester
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Seite 7 Graz, 27. Juni 2014
Elektrische Festigkeit: Impulsspannungsfestigkeit (BIL)
Rising voltage (1 shot per step) Rising voltage (3 shots per step)
Mineral Oil Synthetic Ester Natural ester
Up-and-down method Multiple-level method
300 kV
Kugel-Kugel-Anordnung (Messing, d=12,5 mm),
3,8 mm Abstand
Durchschlagsspannung in kV (50%)
-7%
-8%
-14%
-14%
-4%
-19%
-10%
-20%
200 kV
100 kV
Source: [Liu]
Source: [Liu]
0 kV
Mineral Oil Synthetic Natural ester Rising voltage Rising voltage Up-and-down Multiple-level
(1 shot per step) (3 shots per step) method method
Ester
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Seite 8 Graz, 27. Juni 2014
Tieftemperaturverhalten
Synthetischer Ester bei -35ºC:
Source: [Jovalekic]
Natürlicher Ester bei -35ºC:
Source: [Supplier Datasheet]
Source: [Jovalekic]
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Seite 9 Graz, 27. Juni 2014
Diagnose
Methoden und Prozeduren zur Zustandsanalyse und –bewertung müssen für Ester-
flüssigkeiten adaptiert werden aufgrund von unterschiedlichen/m:
Materialeigenschaften: Feuchteaufnahme, Verlustfaktor,…
Alterungsverhalten: Säurezahl, Viskosität,…
Gesamtsystemverhalten: Materialkompatibilität,…
Gasungsverhalten: Interpretation von DGA bspw. mittels Duval-Dreiecken
Mineralöl FR3 (Natürlicher Ester) Midel (Synth. Ester)
Source: [Duval]
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Seite 10 Graz, 27. Juni 2014Viskosität von verschiedenen Isolierflüssigkeiten
Source: [Fritsche]
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Seite 11 Graz, 27. Juni 2014Leistungstransformator vs. Messwandler
Räumlich verteiltes Kompaktes Isolationssystem,
Isolationssystem
isolationssystem verschiedene Papiertypen
Leiterisolation Isolationsdicke hoch
Isolationsdicke
verhältnismäßig dünn (insbes. Stromwandler)
Großes Ölvolumen (Tonnen) Ölvolumen Geringes Ölvolumen (Liter)
Kühlkanäle, Keine Kühlkanäle,
Bauart
Luftabschluss optional hermetisch abgeschlossen
Temperatur („Top oil“) Erwärmung i.d.R. unkritisch,
bestimmt Design, Materialien Betriebstemperatur keine Zwangskühlung
und Lebensdauer notwendig
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Seite 12 Graz, 27. Juni 2014Fertigung von Hochspannungs-Messwandler mit
natürlichem Ester als Isolierflüssigkeit
Herstellung des Aktivteils (Bandagier-
Aktivteil prozess) bleibt prinzipiell unverändert
Sorgfältiger Trocknungsprozess not-
Trocknung wendig, die Anforderungen sind aber
identisch wie bei Einsatz von Mineralöl
Source: Micafluid
Anforderungen ähnlich wie bei
Fluid-
handling Mineralöl → Anforderungen bspw.
hinsichtlich Luftabschluss
Imprägnierung muss mit erhöhter
Impräg-
nierung Temperatur durchgeführt und Stand-
zeiten verlängert werden
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Seite 13 Graz, 27. Juni 2014Pilotprojekt mit EnBW / Netze BW
Kooperation mit Kunden und Lieferanten als Innovationstreiber
Sicherheitsvorkehrungen bei Mineralöl notwendig (Regulativ)
Umweltfreundliches Isoliersystem mit natürlichem Ester als
Isolationsflüssigkeit → deutlicher Vorteil für den Betreiber
Kombiwandler aufgrund Kundenanforderung
Pilotbetrieb (123 kV) ab 2014
Kombiwandler
Typ IVOKT
72,5…300 kV
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Seite 14 Graz, 27. Juni 2014Routine-, Typen- und Sonderprüfungen
Routineprüfung (Stückprüfung laut IEC 61869-1):
Power-frequency voltage withstand tests on primary terminals
Partial discharge measurement
Power-frequency voltage withstand tests on secondary terminals
Test for accuracy
Verification of markings
Enclosure tightness test at ambient temperature
Type testing (acc. to IEC 61869-1) – Here: Individual piece testing with:
Impulse voltage withstand on primary terminals
“Special tests” auf Kundenwunsch:
Beispielsweise Tieftemperaturprüfungen
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Seite 15 Graz, 27. Juni 2014Zusammenfassung
Der Einsatz von (natürlichen) Esterflüssigkeiten als Imprägnier- und
Isolationsmedium für Hochspannungs-Messwandler ist technisch möglich und
sinnvoll
Die Kombination von (natürlichem) Ester und Isolierpapier (Zellulose) führt zu
einem verbessertem und effizientem Isolationssystem
Für den Kunden / Betreiber können sich Vorteile im Einsatz ergeben,
insbesondere was Umweltanforderungen betrifft
Auf Herstellerseite müssen Fertigungsprozesse angepasst werden, um
derartige Geräte in größeren Stückzahlen effizient herstellen zu können
(Natürliche) Esterflüssigkeiten könnten auch für Messwandler in höheren
Spannungsebenen (beispielsweise 245 oder 420 kV) eingesetzt werden,
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Seite 16 Graz, 27. Juni 2014Ausblick
Für 2014 ist die Installation und der
Pilotbetrieb von 3 Kombiwandlern
(IVOKT 123) in einem Umspannwerk in
Deutschland eingeplant
Gute Zusammenarbeit zwischen
Hersteller, Lieferanten und Kunden
notwendig und auch sehr hilfreich um
Innovationen in den Markt zu bringen
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Seite 17 Graz, 27. Juni 2014Literaturstellen / Quellenverzeichnis [Moser] H.P. Moser: “Transformerboard” , 1979 [Lick] W. Lick, M. Muhr, M. Stössl, R. Schwarz, G. Pukel: “Behavior of alternative insulating liquids at cold temperatures” Electrical Insulation (ISEI), Conference Record of the 2012 IEEE International Symposium on, San Juan, 2012, pp. 487-489, ISBN 978-1-4673-0486-3 [Rapp] K. J. Rapp, C. P. McShane, J. Vandermaar, D. Vukovic, S. Tenbohlen : “Long Gap Breakdown of Natural Ester Fluid” High Voltage Engineering and Application (ICHVE), 2010 International Conference on, New Orleans, 2010, pp. 104-107, ISBN 978-1-4244-8283-2 [Rapp] K. J. Rapp, J. Vandermaar, M. A. Franchek: “Switching Impulse of Long Oil Gaps of Natural Ester Fluid” 2012 International Conference on High Voltage Engineering and Application, Shanghai, 2012, pp. 638 – 642, ISBN 978-1-4673-4746-4 [Rapp] K.J. Rapp, J. Corkran, C. P. Mcshane, T. A. Prevost: “Lightning Impulse Testing of Natural Ester Fluid Gaps and Insulation Interfaces” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2009, Vol.16, pp. 1595-1603, ISSN: 1070-9878 [Liu] Q. Liu, Z.D. Wang, F. Perrot: “Impulse Breakdown Voltages of Ester-based Transformer Oils Determined by Using Different Test Methods” Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2009 (CEIDP 2009) IEEE Conference on, Virginia Beach, 2009, pp. 608-612, ISBN 978-1-4244-4559-2 [Jovalekic] M. Jovalekic, S. Tenbohlen, C. Perrier, J. Harthun: “Performance of alternative insulating liquids at low temperature” 4. ETG-Fachtagung: Grenzflächen in elektrischen Isoliersystemen, Dresden, 2013 [Duval] “The Duval Triangle for Load Tap Changers, Non-Mineral Oils and Low Temperature Faults in Transformers “, IEEE Electrical Insulation Magazine, 2008 [Fritsche] R. Fritsche: “Ein Meilenstein zur “grünen” Übertragungstechnologie, EW 06/2014, S.60-65 © Trench France 2014 Seite 18 Graz, 27. Juni 2014
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! © Trench France 2014 Seite 19 Graz, 27. Juni 2014
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