Wie fit ist die Isolierung in Transformatoren?

Karlsruher Uni-Institut analysiert Trafos mit mathematischem Modell

Ein Großteil der Transformatoren in Kraft- und Umspannwerken kommt in die Jahre: Rund 30 Prozent aller in der deutschen Energietechnik verwendeten Leistungstransformatoren sind bereits über 30 Jahre alt – und damit nahezu am Ende ihrer Nutzungsdauer. Das Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik (IEH) der Universität Karlsruhe optimiert deshalb eine Methode, mit der die Wissenschaftler ins Innere eines Transformators „schauen“ können, ohne das Gerät auf teure Art und Weise zu öffnen. Das Zauberwort, das Tür und Tor aufmacht, heißt „dielektrische Analyse“, genauer „Polarisationsstrom“.

Einer der Schwachpunkte der Transformatoren: das Isolationssystem, das im Innern des Geräts dafür sorgt, dass die hohen Spannungen von mehreren hundert Kilovolt sicher beherrscht werden. Ein Teil der Isolierung besteht aus komprimierten Cellulose-Fasern. Saugt sich dieses Material mit Wasser voll, erfüllt es seine Funktion nicht mehr. Doch wie kann der Betreiber feststellen, wann die Zeit für eine Wartung gekommen ist? „Eine Probe aus dem Transformator zu entnehmen ist sehr aufwändig“, erklärt Professor Dr. Thomas Leibfried, Leiter des IEH. Deshalb feilt sein Team an einer Methode, die bereits erfolgreich in der Praxis eingesetzt wird: Anstatt den Transformator zu öffnen, ein Stückchen Zellulose zu entnehmen und dessen Wassergehalt zu bestimmen, gehen die Karlsruher Wissenschaftler den „Umweg“ über ein mathematisches Modell.

Dazu sind detaillierte Informationen zum inneren Aufbau des zu untersuchenden Transformators nötig: zu den Abmessungen des Isolationssystems und den Materialien, aus denen es besteht. Das Herzstück der Untersuchung jedoch ist die Messung des Polarisations- und Depolarisationsverhaltens (PDC-Messung) des Transformators vor Ort. Bei diesem Verfahren legen die Forscher an das abgeschaltete Gerät eine Gleichspannung von 500 Volt an. Dadurch entsteht in der Isolierung ein Strom, der exponentiell abklingt.

Der zeitliche Verlauf und die Größe dieses Stroms, der in der Regel zwischen 10-6 und 10-9 Ampère liegt, lassen Schlussfolgerungen über den Wassergehalt im Isolationssystem zu. Der Grund: Das Polarisationsverhalten der Cellulose hängt vom darin eingelagerten Wasser ab. Leibfried: „Stark vereinfacht kann man sagen, je stärker der Strom exponentiell abklingt, desto weniger Wasser ist in der Cellulose.“ Für die Berechnung verwenden die Wissenschaftler ein mathematisches Modell.

Erreicht ein Transformator im Laufe seiner Betriebszeit einen Wassergehalt von mehr als drei Prozent, rät das Institut dazu, das Gerät zu trocknen – ein Vorgang, der den Betreiber rund 50.000 Euro kostet. Dass die Genauigkeit dieser Modellierungstechnik „nur“ bei +/- 0,5 Prozent liegt, stört Leibfried nicht: „Um zu entscheiden, ob eine Trocknung nötig ist, reicht diese Genauigkeit aus.“ Ein Problem allerdings gilt es noch zu beseitigen: In rund 20 Prozent der Fälle sind die Messergebnisse „unrealistisch“, das heißt die Werte des Wassergehalts sind deutlich zu hoch oder zu niedrig. Hier möchte das Karlsruher Team Abhilfe schaffen und arbeitet mit Hochdruck an einer Verbesserung der Modellierung. Eine mögliche Schwachstelle der Methode verrät Leibfried schon vor Abschluss der Untersuchungen, die Siemens finanziert: Das Modell geht von der Annahme aus, dass die Materialien im Transformator neu sind. Der Grund dafür ist, dass die Wissenschaftler zu Beginn der Untersuchung glaubten, der Unterschied im Verhalten dieser Stoffe im neuen oder gealterten Zustand sei vernachlässigbar klein. „In vielen Fällen funktioniert das, aber es gibt offensichtlich immer wieder Transformatoren, bei denen diese Annahme so nicht getroffen werden darf“, betont Leibfried.

Wie funktionieren Transformatoren?

Mit einem Transformator – kurz: Trafo – werden ein- oder dreiphasige Wechselspannungen erhöht oder reduziert. Diese Änderung der Spannung führt auch zu einer Änderung des maximal zulässigen Stroms am Ausgang des Transformators. Wird die Spannung hinunter transformiert, steigt der maximal zulässige Strom an. Wird die Spannung hinauf transformiert, sinkt der maximal entnehmbare Strom.