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bulletin.ch 8/2017 49
ENERGIENETZE | PANORAMA
S
eit Ende der 60er-Jahre sind bei
verschiedensten Elektrizitäts-
versorgungsunternehmen in der
Schweiz vermehrt unkontrollierte Aus-
fälle von Giessharzspannungswand-
lern, insbesondere bei Spannungsrei-
hen über 24 kV, zu verzeichnen. Die
Ausfälle, häufig begleitet von Kolla-
teralschäden (Bild 1), stellen eine
potenzielle Gefahr für das Betriebsper-
sonal dar, wirken sich negativ auf die
Versorgungssicherheit aus und führen
zu hohen Sanierungskosten.
Auch die BKW war in der Ver-
gangenheit von solchen Ausfällen
betroffen. Sie hat daher beschlossen,
entsprechende Sanierungsmassnah-
men einzuleiten. Anstelle eines flä-
chendeckenden Ersatzes sämtlicher
50-kV-Giessharzspannungswandler
wurden jedoch durch ein nicht-norm-
konformes Diagnoseverfahren die
Giessharzspannungswandler mit
Gefährdungspotenzial identifiziert
und im Rahmen eines Sanierungs-
programmes unter Berücksichtigung
der Gesamtwirtschaftlichkeit gezielt
ersetzt.
Induktive Strom- und Spannungs-
wandler (sogenannte Messwandler)
sind bei den Elektrizitätsversorgungs-
unternehmen auf allen Spannungsebe-
nen für die Schutzfunktionen sowie für
die Lastfluss- und Verrechnungsmes-
sungen weit verbreitet. Die Bauweise,
Fehlerklasse und Auslegung richten
sich nach den Anforderungen der
Betriebs- respektive Bemessungsspan-
nung. So werden für Spannungsreihen
grösser 72,5 kV meistens Messwandler
mit Öl-Papier-Isolation oder SF6-Isola-
tion verwendet, während bei tieferen
Spannungsreihen (kleiner 72,5 kV),
häufig Giessharzwandler eingesetzt
werden.
Die Vorteile von Giessharzspan-
nungswandlern liegen in ihrer öko-
nomischen Bauweise, Robustheit,
Wartungsfreiheit und der leichten
Transportierbarkeit. Im 50-kV- und
16-kV-Verteilnetz der BKW werden seit
Mitte der 60er-Jahre vorwiegend solche
Wandler eingesetzt. Während sich die
16-kV-Giessharzspannungswandlermit
wenigen Ausnahmen bewährt haben,
fälltbeiderBKWzurzeittypischerweise
ein 50-kV-Giessharzspannungswandler
pro Jahr aus (die jährlichen Ausfallraten
lagen in der Vergangenheit höher).
ObschonSchadensstatistikenausder
Schweiz und weltweit verfügbar sind
[1], lassen sich daraus nur bedingt Aus-
sagen über die potenziellen Gründe der
Ausfälle machen.[2] Mögliche Gründe
(nicht abschliessend) können sein:
z Thermische Alterung der Isolation
z Elektrische Alterung der Isolation
z Fremdeinwirkung durch Blitzein-
schläge, Überspannungen
z Ferroresonanz oder Resonanzer-
scheinungen
z Qualitätsmangel bei der Produktion
In den Schadensberichten der
70er-Jahre verweisen die Hersteller oft
auf Ferroresonanzen oder Fremdein-
wirkung als Hauptgründe für Ausfälle.
Gemäss einer breit abgestützten
Umfrage [3] durch die Fachkommis-
sion für Hochspannungsfragen (FKH)
bei den Elektrizitätsversorgungsunter-
nehmen in der Schweiz sind bei 723 ins-
tallierten Messwandler (50–65 kV) ins-
gesamt 27 Ausfälle dokumentiert. Die
meisten dieser defekten Wandler wie-
sen ein Betriebsalter von 10–20 Jahren
auf und waren in den Jahren 1985 bis
1995 hergestellt worden. Eine Heraus-
forderung bei der Erhebung der Scha-
densfälle stellen die grosse Variation
der statistisch relevanten Parameter
(Wandlertyp, Hersteller, Betriebsspan-
nung,Netzkonfigurationenusw.)sowie
die kleine Fallzahl dar. Unter diesen
Voraussetzungen ist eine statistisch
gesicherte Aussage zu den Gründen für
diese Ausfälle schwierig.
Grundlagen zu Giessharz
und Teilentladungen
Die Giessharzmesswandler bestehen zu
einem grossen Teil aus organischem
Epoxidharz,welchembiszu50%Quarz-
sand(SiO2)beigemischtwird.Durchdie
anorganische Komponente werden die
mechanische Festigkeit und Wärmeleit-
fähigkeit sowie die Widerstandsfähig-
keit gegenüber inneren Teilentladungen
verbessert. Teilentladungen (TE) sind
«kleine» elektrische Entladungen, zum
Beispiel in Rissen oder Lunkern inner-
halb des Isolationssystems (Bild 2).
Die Hohlräume können beispiels-
weise aufgrund mechanischer Span-
nungen durch Materialschwund wäh-
rend der Gelierungsphase und/oder
Lufteinschlüssen während des Herstel-
lungsprozesses entstehen. Da Grösse
und Lage des Defektes im Isolations-
system von aussen nicht bestimmt wer-
den können, ist die im Defekt umge-
setzte Ladung nicht direkt messbar.
Stattdessen können die Ausgleich-
ströme i(t) im äusseren Messkreis über
eine Messimpedanz erfasst und im
Zeit- oder üblicherweise im Frequenz-
raumintegriertwerden.Diese«schein-
bare Ladung» wird vor der Messung
durchdieEinspeisungeinerbekannten
Ladung in [pC] normiert.
Charakteristischerweise sind die TE
nicht unmittelbar in der Lage, die
gesamte Isolationsstrecke zwischen
Hochspannungspotenzial und Masse
auf einmal zu überbrücken, sondern
können mit der Zeit die organische Iso-
50-kV-Giessharzspannungswandler | Betriebsgealterte 50-kV-Giessharzspan-
nungswandler im Verteilnetz der BKW Energie AG werden bis Ende Jahr systema-
tisch ersetzt. Das Sanierungskonzept basiert auf dem Komponentenzustand unter
Berücksichtigung der Gesamtwirtschaftlichkeit.
Zustandserfassung von
Spannungswandlern
TEXT LARS NILSSON ET AL.
50 bulletin.ch 8/2017
PANORAMA | ENERGIENETZE
lation angreifen, zersetzen und karbo-
nisieren. Epoxidharz besitzt eine
geringe Widerstandsfähigkeit gegen-
über TE und die dadurch entstandenen
Schädensindirreversibel.Letztendlich
kann dies zu einer kontinuierlichen
Abnahme der Isolationsstrecke und
finalzueinemkomplettenDurchschlag
und somit Versagen des Betriebsmit-
telsführen.DieZeitbiszumAusfallder
Komponente ist aufgrund des komple-
xen, stochastischen Alterungsprozes-
ses nicht vorhersehbar.
Sanierungskonzept der BKW
DerErsatzsämtlicher50-kV-Giessharz-
spannungswandler, unabhängig ihres
Zustandes und ausserhalb der Investiti-
onsplanung der Unterwerke, kam unter
anderem auch unter Berücksichtigung
der Gesamtwirtschaftlichkeit nicht in
Frage. Auch eine normkonforme
TE-Messung an sämtlichen in Betrieb
stehenden Giessharzspannungswand-
lern zur Erfassung des Gefährdungspo-
tenzials, sei es vor Ort oder im Labor
gemäss IEC 60270, wurde aus wirt-
schaftlichen Gründen nicht weiterver-
folgt. Die Vor-Ort-Prüfung mit einer
Resonanzanlage oder primärseitiger
Anregung ist logistisch anspruchsvoll
und entsprechend kostenintensiv.
Stattdessen wurde in einer Pilotstu-
die der BKW ein nicht-normkonformes
TE-Messverfahren entwickelt und
erfolgreicheingesetzt.[4]Anstelleeiner
primärseitigenEinspeisungwurdendie
50-kV-Giessharzspannungswandler,
Typ VKE 52 (Moser&Glaser), mit einer
frequenzvariablen Stromquelle von der
Sekundärseite angeregt (Bild 3). Mit
dem nominalen Übersetzungsverhält-
nis 1:450 wurde die Hochspannung
durch die Prüflinge selbst erzeugt und
dieTE-Signaleübereinen1-nF-Koppel-
kondensator auf der Primärseite ausge-
koppelt. Nach Freischaltung, Sicher-
heitserdung des Schaltfeldes und
Trennung des Primäranschlusses von
der Sammelschiene kann die Messaus-
rüstung neben dem Prüfling aufgebaut
werden (Bild 4). Der wirtschaftliche
Vorteil dieser Schaltung liegt in der
hohen Mobilität der Prüfausrüstung.
Diese kann von einer Person in einem
normalen PW transportiert und inner-
halb kürzester Zeit aufgebaut werden.
Entwicklung Messverfahren
Neben den logistischen Vorteilen
ergeben sich aufgrund der sekundär-
seitigen Speisung auch eine Reihe
technischer Herausforderungen, wel-
che in dieser Pilotstudie gelöst wer-
den mussten. Beispielsweise bildet
der Ausgangstransformator der Spei-
sung zusammen mit der nicht-linea-
ren Induktivität des Prüflings und
dem Koppelkondensator einen
schwingungsfähigen Kreis, dessen
Resonanzfrequenz stromabhängig
ist. Dadurch besteht die Möglichkeit
der thermischen Zerstörung des
Prüflings oder aber auch der Spei-
sung.
Bilder:BKW
a b
Wechselrichter
Prüfling
VKE 52
Koppel-
Kondensator
Externer
Kalibrator
~ ~
~
LWL
V
PD
CPL
542
Transmitter
MI-600
mit Batterie
Empfänger
MCU 502
Bild 1 Zerstörte 50-kV-Giessharzwandler des Typs VKE 52 (Moser & Glaser) in einem
Unterwerk der BKW mit Kollateralschaden an benachbarten Komponenten.
Bild 2 Vereinfachtes Ersatzschaltbild einer TE-Messung. Ein Defekt (Lunker) im Isola-
tionssystem wird als Kapazität C1 nachgebildet. Die Ausgleichströme i(t) können über
einen Koppelkondensator Ck und eine Messimpedanz ZM erfasst werden.
Bild 3 Frequenzvariable Erregung von der Sekundärseite eines Giessharzwandlers mit
TE-Messung auf der Primärseite.
bulletin.ch 8/2017 51
ENERGIENETZE | PANORAMA
Weiter ist zu beachten, dass der Kop-
pelkondensator zusammen mit der
internen Streukapazität des Prüflings
zu einer zusätzlichen Spannungserhö-
hung führt (Ferranti-Effekt). Bei der
gewählten Schaltung lag diese Span-
nungserhöhung bei rund 1,5% gegen-
überdemnominalenÜbersetzungsver-
hältnis.[4] Dank der sinusförmigen
Prüfspannung mit einer Frequenz
von 55 bis 65 Hz konnten allfällige
50-Hz-Störungendifferenziertwerden.
(Der Störpegel in den ländlich gelege-
nen Unterwerken lag in der Regel im
Bereich weniger pC und stellte somit
kein Problem dar.)
Bewertung Messergebnisse
Gemäss Norm sollten Messwandler
in Netzen mit isoliertem Sternpunkt
bis über die verketteten Spannungen
100
80
60
40
20
0
66.00096(1966)
66.3924(1967)
67.3494(1968)
69.0301(1969)
70.1721(1970)
70.3663(1971)
70.3666(1971)
71.0584(1971)
72.0545(1972)
72.1863(1972)
72.0546(1973)
76.489(1976)
76.2468(1976)
76.1361(1977)
77.1445(1977)
78.1890(1978)
78.3281(1979)
79.2056(1980)
79.2966(1979)
79.0414(1980)
81.0169(1981)
81.2615(1981)
81.2890(1981)
81.3608(1981)
82.0135(1982)
83.0972(1984)
84.0149(1984)
84.0484(1985)
84.2152(1985)
87W1630(1987)
86W1519(1987)
87W0921(1988)
87W0925(1988)
88W2477(1988)
89W1411(1990)
90W0976(1990)
90W260(1991)
91W1206(1992)
93W0236(1993)
94W0255(1995)
Produktionslos VKE 52 (Baujahr)
Zustandsverteilung/%
Sehr schlecht (sofortige Massnahmen notwendig)
Leicht beschädigt (Weiterbetrieb bedingt möglich)
Schlecht (Weiterbetrieb mit erheblichem Risiko)
Gut (keine Massnahmen notwendig)
Tendenziell schlecht (Weiterbetrieb nicht empfohlen)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
1
2
3
4
5
66.00096(1966)
66.3924(1967)
67.3494(1968)
69.0301(1969)
70.1721(1970)
70.3663(1971)
70.3666(1971)
71.0584(1971)
72.0545(1972)
72.1863(1972)
72.0546(1973)
76.489(1976)
76.2468(1976)
76.1361(1977)
77.1445(1977)
78.1890(1978)
78.3281(1979)
79.2056(1980)
79.2966(1979)
79.0414(1980)
81.0169(1981)
81.2615(1981)
81.2890(1981)
81.3608(1981)
82.0135(1982)
83.0972(1984)
84.0149(1984)
84.0484(1985)
84.2152(1985)
87W1630(1987)
86W1519(1987)
87W0921(1988)
87W0925(1988)
88W2477(1988)
89W1411(1990)
90W0976(1990)
90W260(1991)
91W1206(1992)
93W0236(1993)
94W0255(1995)
AnzahlWandler
Klassendurchschnitt
Produktionslos VKE 52 (Baujahr)
Klassendurchschnitt (Note)
Anzahl Wandler
Bild 4 Die frequenzvariable Erregung eines Wandlers und Erfassung der TE mittels eines Koppelkondensators vor Ort in einem Unter-
werk der BKW. Der Schaltwagen ist ausgefahren, die Primäranschlüsse sind gelöst und die Sekundärklemmen geöffnet.
Bild 5 Schadensstatistik der VKE-52-Giessharzwandler für verschiedene Produktionslose ab 1966 bis 1995. Die Zahlenwerte beziehen
sich auf die Anzahl geprüfte Wandler.
Bild 6 Der Klassendurchschnitt wurde pro Produktionslos gebildet und stellt eine Durch-
schnittsnote dar (5 = sehr schlecht; 1 = gut). Die Fehlerbalken geben die Unsicherheit des
Klassendurchschnitts wieder.
a b
52 bulletin.ch 8/2017
PANORAMA | ENERGIENETZE
(Leiter-Erde 1,2 Um) auf TE geprüft
werden. Stattdessen wurde die Span-
nungstufenweiseauf1,1×50kV/√3(Lei-
ter-Erde) erhöht und die TE-Signale als
defektspezifische Punktwolken in pha-
senaufgelösten TE-Muster dargestellt.
Die Bewertung des Gefährdungspo-
tenzials basiert auf der Entladungs-
amplitude und -Intensität sowie den
Ein- und Aussetzspannungen der TE
und wird einer Zustandsklasse 1 (gut)
bis 5 (sehr schlecht) zugeordnet.
Grundsätzlich sollen Messwandler
aus Giessharz im Betrieb keine TE
aufweisen, da diese ein potenzielles
Risiko für die Integrität des Isolati-
onssystems darstellen. Die Erfahrung
aus der Praxis zeigt jedoch, dass ein-
zelne Giessharzspannungswandler
auch mit geringfügiger bis mittlerer
TE-Aktivität im Betrieb über Jahr-
zehnte einwandfrei funktionieren
können. Trotzdem versagen biswei-
len auch Giessharzspannungswand-
ler mit einer geringen TE-Aktivität
nach Jahren im Betrieb. Entsprechend
wären in diesem Fall mehrere aufei-
nanderfolgende Messungen in zeitli-
chen Abständen erforderlich, um eine
fortschreitende Verschlechterung des
Isolationszustandes nachweisen zu
können.
Statistische Auswertung
Insgesamt wurden im Rahmen der
BKW-Messkampagne 292 VKE-52-
Giessharzspannungswandler in 26
Unterwerken gemessen. Davon wur-
den knapp 42% als «leicht beschädigt»
(Klasse 2) bis «sehr schlecht» (Klasse 5)
klassifiziert. Bei 170 Giessharzspan-
nungswandlern konnte keine TE bis
110% Überspannung nachgewiesen
werden (Klasse 1).
Die nicht-normierte Zustandsver-
teilung (Bild 5) zeigt die Defektraten
aufgetragen gegenüber Baujahr und
Produktionslos. Die Zahlenwerte
innerhalb der Balken geben die Anzahl
ausgewerteter Giessharzspannungs-
wandler wieder. Da die Anzahl ausge-
werteter Wandler pro Produktionslos
stark variiert (1 bis 17 Wandler), ist die
statistische Signifikanz entsprechend
unterschiedlich.
In Bild 6 werden die Durchschnitts-
noten 1–5 als Klassendurchschnitt wie-
dergegeben. Die Fehlerbalken stellen
die Standardabweichung der Durch-
schnittsnoten dar und sollen die Unsi-
cherheit des Klassendurchschnittes
wiedergeben. Zunächst fallen die
hohen Defektraten (bis 100% defekte
Wandler der Klasse 5) in den Produkti-
onsjahren1970–1973auf.DieDefektra-
ten sowohl vor 1970 als auch nach 1976
sind eindeutig tiefer und können mehr-
heitlich als konstant angesehen wer-
den. Des Weiteren fällt auf, dass auch
die Wandler, die zwischen 1976 und
1995 produziert wurden, keineswegs
defektfrei sind. Im Hinblick auf die
potenziellen Ursachen der Ausfälle
erlaubt nun diese Schadensstatistik
gewisse Aussagen.
Zunächst erscheinen Fremdeinwir-
kungendurchBlitzeinschlägeoderFer-
roresonanzen als eher unwahrschein-
lich, da in diesem Fall eine relativ
konstante Defektrate in den Jahren
1966–1995 zu erwarten wäre. Bei der
Auslegung der Lagenisolation und der
maximal zulässigen Feldstärke in der
Isolation strebten die Hersteller in der
Regel eine Lebensdauer von rund 30
Jahren an. Bei einer kontinuierlichen
thermisch-elektrischen Alterung der
Komponenten durch Zersetzung des
Giessharzes wären somit ältere Wand-
ler erwartungsgemäss deutlich häufi-
ger von Defekten betroffen, was hier
jedoch nicht nachgewiesen werden
konnte (die durchschnittlichen Defekt-
raten in den 60er-Jahren sind ver-
gleichbar mit den Defektraten in den
80er- und 90er-Jahren).
Die Messergebnisse stützen viel-
mehr die These, dass betriebsgealterte
Wandler ohne TE-Defekte auch nach
40–50JahrenBetriebszeitkeineAlters-
erscheinungen aufweisen und somit
problemlosimBetriebbelassenwerden
können. In den 60er-Jahren, als PC-ge-
stützte, numerische Auslegung und
Berechnung der Wandler kaum mög-
lich und dadurch die exakte Feldvertei-
lung nicht bekannt war, wurden die
Wandler mit entsprechenden Isolati-
onsreserven gebaut, was ihre Robust-
heit erklärt. Anfang der 70er-Jahre
begannen einige Hersteller, neue Pro-
zesse und Materialien (giessharzim-
prägnierte Folien) einzusetzen. Im
ZugedieserNeuerungenwurden,unter
anderem auch aufgrund der verbesser-
ten Isolationsmaterialien, Design- und
Materialoptimierungen eingeführt,
welche zu höheren Feldstärken und
somiteinerhöherenAnfälligkeitfürTE
führten.
Depuis la fin des années 1960, un nombre croissant de
pannes incontrôlées ont été enregistrées en Suisse, chez dif-
férents EAE, sur les transformateurs de potentiel en résine
moulée,enparticulierpourlestensionssupérieuresà24 kV.
Cespannes,fréquemmentaccompagnéesdedommagescol-
latéraux, constituent un risque potentiel pour le personnel
d’exploitation, se répercutent négativement sur la sécurité
d’approvisionnement et entraînent des coûts de rénovation
élevés.ÉtantdonnéqueBKWaégalementétéconcernéepar
lepassépardetelsincidents,elleadécidédeprendredesme-
sures de rénovation ad hoc. Toutefois, au lieu de remplacer
touslestransformateursdepotentielenrésinemoulée50 kV
sur l’ensemble du territoire suisse, il a été procédé à un pro-
cessusdediagnosticnonconformeàlanormeetlesappareils
présentant un danger potentiel ont été identifiés, puis chan-
gés de manière ciblée dans le cadre d’un programme de ré-
novationtenantcomptedelarentabilitétotaledel’opération.
Actuellement, les transformateurs de potentiel en résine
moulée 50 kV obsolètes présentant des défauts ont été sys-
tématiquement remplacés conformément au concept de
rénovation. Des appareils de substitution pouvant être ins-
tallés à moindre frais dans les installations en locaux exis-
tantes ont été trouvés. Le projet «Rénovation des transfor-
mateurs de potentiel en résine moulée 50 kV» s’achèvera
d’ici la fin 2017. Par la suite, tous les transformateurs poten-
tiellement critiques seront renouvelés. MR
État des lieux des transformateurs de potentiel en résine moulée
Projet de rénovation pour les transformateurs de potentiel en résine moulée
50 kV obsolètes dans le réseau de distribution de BKW
RÉSUMÉ
bulletin.ch 8/2017 53
ENERGIENETZE | PANORAMA
Aus diesem Grund liegt die Ver-
mutung nahe, dass die relativ hohen
Defektraten Anfang der 70er-Jahre
mit der Umstellung der Material- und
Prozesstechnologie zusammenhän-
gen. Später (ab 1974), als die Giess-
harz-Rezepturen weiter verbessert
wurden und die Prozesstemperaturen
präziser kontrolliert werden konnten
(auf Bruchteile eines Grades), sanken
die Defektraten wieder. Zum gleichen
Zeitpunkt wurde die TE-Messtech-
nik vermehrt in der Qualitätssiche-
rung eingesetzt. 1976 wurde sie zum
Industrie-Standard. In der Folge
konnten Qualität und Prozesstechnik
besser gesteuert werden, was sich in
der Statistik ab Mitte der 70er-Jahre
bis heute niederschlägt. Trotzdem ist
nicht auszuschliessen, dass vereinzelt
auch Wandler neueren Produktions-
datums (vgl. beispielsweise den Klas-
sendurchschnitt Produktionslos 1990
[Bild 6]) bereits signifikante Mängel
(Zustandsklasse 3–4) aufweisen kön-
nen.
Umsetzung Sanierungskonzept
Zurzeit werden die betriebsgealterten
50-kV-Giessharzspannungswandler
der Defektklassen 3–5 gemäss Sanie-
rungskonzept systematisch ersetzt.
FürdenWandlerersatzwurdenErsatz-
produkte gefunden, welche sich mit
möglichst geringem Aufwand in die
bestehenden Innenraumanlagen ein-
bauen lassen. In Abweichung zur
Stückprüfung gemäss IEC 61869-3
wurde eine verschärfte TE-Prüfung
verlangt: 55 kV während 600 s: TE <
2pC; 87kV: TE < 25pC. Das Projekt
«Sanierung 50-kV-Giessharz-Span-
nungswandler» wird bis Ende 2017
abgeschlossen. Dann werden sämtli-
che potenziell kritischen Wandler
ersetzt sein.
Referenzen
[1] «Cigré Brochure 512: International Enquiry on Relia-
bility of high Voltage Equipment Part 4 Instrument
transformers.
[2] «Elektrisches und dielektrisches Verhalten von
Epoxidharz», M. Bayer, Schering-Institut, Universität
Hannover 1991.
[3] «Umfrage über Ausfälle von giessharzisolierten
Messwandlern durch Isolationsversagen, Betriebs-
spannungsbereich 10 kV ... 65 kV», Fachkommission
für Hochspannungsfragen, Zürich, 28. Juni 2005.
[4] Die entsprechende BKW-Publikation befindet sich
noch in Arbeit.
Autoren
Dr. Lars Nilsson ist Ingenieur Diagnostik bei BKW Energie AG.
J BKW Energie AG, 3072 Ostermundigen
J lars.nilsson@bkw.ch
Daniel Riesen ist Fachstellenleiter Primärtechnik bei BKW
Energie AG.
J daniel.riesen@bkw.ch
Stephan Gafner ist Netzanlagenmanager bei BKW Energie AG.
J stephan.gafner@bkw.ch
Thomas Gränicher ist Leiter Hochspannungstechnik und
Diagnostik bei BKW Energie AG.
J thomas.graenicher@bkw.ch
Die Autoren bedanken sich für die freundliche Unterstützung
durch Markus Freiburghaus (Pfiffner Messwandler, Hirschtal),
Dr. Michael Freiburg, (Omicron, Klaus), Dr. Reinhold Bräunlich
(FKH, Zürich) und Dr. Holger Däumling (Ritz Messwandler).

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Zustandserfassung von betriebsgealterten Spannungswandlern

  • 1. bulletin.ch 8/2017 49 ENERGIENETZE | PANORAMA S eit Ende der 60er-Jahre sind bei verschiedensten Elektrizitäts- versorgungsunternehmen in der Schweiz vermehrt unkontrollierte Aus- fälle von Giessharzspannungswand- lern, insbesondere bei Spannungsrei- hen über 24 kV, zu verzeichnen. Die Ausfälle, häufig begleitet von Kolla- teralschäden (Bild 1), stellen eine potenzielle Gefahr für das Betriebsper- sonal dar, wirken sich negativ auf die Versorgungssicherheit aus und führen zu hohen Sanierungskosten. Auch die BKW war in der Ver- gangenheit von solchen Ausfällen betroffen. Sie hat daher beschlossen, entsprechende Sanierungsmassnah- men einzuleiten. Anstelle eines flä- chendeckenden Ersatzes sämtlicher 50-kV-Giessharzspannungswandler wurden jedoch durch ein nicht-norm- konformes Diagnoseverfahren die Giessharzspannungswandler mit Gefährdungspotenzial identifiziert und im Rahmen eines Sanierungs- programmes unter Berücksichtigung der Gesamtwirtschaftlichkeit gezielt ersetzt. Induktive Strom- und Spannungs- wandler (sogenannte Messwandler) sind bei den Elektrizitätsversorgungs- unternehmen auf allen Spannungsebe- nen für die Schutzfunktionen sowie für die Lastfluss- und Verrechnungsmes- sungen weit verbreitet. Die Bauweise, Fehlerklasse und Auslegung richten sich nach den Anforderungen der Betriebs- respektive Bemessungsspan- nung. So werden für Spannungsreihen grösser 72,5 kV meistens Messwandler mit Öl-Papier-Isolation oder SF6-Isola- tion verwendet, während bei tieferen Spannungsreihen (kleiner 72,5 kV), häufig Giessharzwandler eingesetzt werden. Die Vorteile von Giessharzspan- nungswandlern liegen in ihrer öko- nomischen Bauweise, Robustheit, Wartungsfreiheit und der leichten Transportierbarkeit. Im 50-kV- und 16-kV-Verteilnetz der BKW werden seit Mitte der 60er-Jahre vorwiegend solche Wandler eingesetzt. Während sich die 16-kV-Giessharzspannungswandlermit wenigen Ausnahmen bewährt haben, fälltbeiderBKWzurzeittypischerweise ein 50-kV-Giessharzspannungswandler pro Jahr aus (die jährlichen Ausfallraten lagen in der Vergangenheit höher). ObschonSchadensstatistikenausder Schweiz und weltweit verfügbar sind [1], lassen sich daraus nur bedingt Aus- sagen über die potenziellen Gründe der Ausfälle machen.[2] Mögliche Gründe (nicht abschliessend) können sein: z Thermische Alterung der Isolation z Elektrische Alterung der Isolation z Fremdeinwirkung durch Blitzein- schläge, Überspannungen z Ferroresonanz oder Resonanzer- scheinungen z Qualitätsmangel bei der Produktion In den Schadensberichten der 70er-Jahre verweisen die Hersteller oft auf Ferroresonanzen oder Fremdein- wirkung als Hauptgründe für Ausfälle. Gemäss einer breit abgestützten Umfrage [3] durch die Fachkommis- sion für Hochspannungsfragen (FKH) bei den Elektrizitätsversorgungsunter- nehmen in der Schweiz sind bei 723 ins- tallierten Messwandler (50–65 kV) ins- gesamt 27 Ausfälle dokumentiert. Die meisten dieser defekten Wandler wie- sen ein Betriebsalter von 10–20 Jahren auf und waren in den Jahren 1985 bis 1995 hergestellt worden. Eine Heraus- forderung bei der Erhebung der Scha- densfälle stellen die grosse Variation der statistisch relevanten Parameter (Wandlertyp, Hersteller, Betriebsspan- nung,Netzkonfigurationenusw.)sowie die kleine Fallzahl dar. Unter diesen Voraussetzungen ist eine statistisch gesicherte Aussage zu den Gründen für diese Ausfälle schwierig. Grundlagen zu Giessharz und Teilentladungen Die Giessharzmesswandler bestehen zu einem grossen Teil aus organischem Epoxidharz,welchembiszu50%Quarz- sand(SiO2)beigemischtwird.Durchdie anorganische Komponente werden die mechanische Festigkeit und Wärmeleit- fähigkeit sowie die Widerstandsfähig- keit gegenüber inneren Teilentladungen verbessert. Teilentladungen (TE) sind «kleine» elektrische Entladungen, zum Beispiel in Rissen oder Lunkern inner- halb des Isolationssystems (Bild 2). Die Hohlräume können beispiels- weise aufgrund mechanischer Span- nungen durch Materialschwund wäh- rend der Gelierungsphase und/oder Lufteinschlüssen während des Herstel- lungsprozesses entstehen. Da Grösse und Lage des Defektes im Isolations- system von aussen nicht bestimmt wer- den können, ist die im Defekt umge- setzte Ladung nicht direkt messbar. Stattdessen können die Ausgleich- ströme i(t) im äusseren Messkreis über eine Messimpedanz erfasst und im Zeit- oder üblicherweise im Frequenz- raumintegriertwerden.Diese«schein- bare Ladung» wird vor der Messung durchdieEinspeisungeinerbekannten Ladung in [pC] normiert. Charakteristischerweise sind die TE nicht unmittelbar in der Lage, die gesamte Isolationsstrecke zwischen Hochspannungspotenzial und Masse auf einmal zu überbrücken, sondern können mit der Zeit die organische Iso- 50-kV-Giessharzspannungswandler | Betriebsgealterte 50-kV-Giessharzspan- nungswandler im Verteilnetz der BKW Energie AG werden bis Ende Jahr systema- tisch ersetzt. Das Sanierungskonzept basiert auf dem Komponentenzustand unter Berücksichtigung der Gesamtwirtschaftlichkeit. Zustandserfassung von Spannungswandlern TEXT LARS NILSSON ET AL.
  • 2. 50 bulletin.ch 8/2017 PANORAMA | ENERGIENETZE lation angreifen, zersetzen und karbo- nisieren. Epoxidharz besitzt eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen- über TE und die dadurch entstandenen Schädensindirreversibel.Letztendlich kann dies zu einer kontinuierlichen Abnahme der Isolationsstrecke und finalzueinemkomplettenDurchschlag und somit Versagen des Betriebsmit- telsführen.DieZeitbiszumAusfallder Komponente ist aufgrund des komple- xen, stochastischen Alterungsprozes- ses nicht vorhersehbar. Sanierungskonzept der BKW DerErsatzsämtlicher50-kV-Giessharz- spannungswandler, unabhängig ihres Zustandes und ausserhalb der Investiti- onsplanung der Unterwerke, kam unter anderem auch unter Berücksichtigung der Gesamtwirtschaftlichkeit nicht in Frage. Auch eine normkonforme TE-Messung an sämtlichen in Betrieb stehenden Giessharzspannungswand- lern zur Erfassung des Gefährdungspo- tenzials, sei es vor Ort oder im Labor gemäss IEC 60270, wurde aus wirt- schaftlichen Gründen nicht weiterver- folgt. Die Vor-Ort-Prüfung mit einer Resonanzanlage oder primärseitiger Anregung ist logistisch anspruchsvoll und entsprechend kostenintensiv. Stattdessen wurde in einer Pilotstu- die der BKW ein nicht-normkonformes TE-Messverfahren entwickelt und erfolgreicheingesetzt.[4]Anstelleeiner primärseitigenEinspeisungwurdendie 50-kV-Giessharzspannungswandler, Typ VKE 52 (Moser&Glaser), mit einer frequenzvariablen Stromquelle von der Sekundärseite angeregt (Bild 3). Mit dem nominalen Übersetzungsverhält- nis 1:450 wurde die Hochspannung durch die Prüflinge selbst erzeugt und dieTE-Signaleübereinen1-nF-Koppel- kondensator auf der Primärseite ausge- koppelt. Nach Freischaltung, Sicher- heitserdung des Schaltfeldes und Trennung des Primäranschlusses von der Sammelschiene kann die Messaus- rüstung neben dem Prüfling aufgebaut werden (Bild 4). Der wirtschaftliche Vorteil dieser Schaltung liegt in der hohen Mobilität der Prüfausrüstung. Diese kann von einer Person in einem normalen PW transportiert und inner- halb kürzester Zeit aufgebaut werden. Entwicklung Messverfahren Neben den logistischen Vorteilen ergeben sich aufgrund der sekundär- seitigen Speisung auch eine Reihe technischer Herausforderungen, wel- che in dieser Pilotstudie gelöst wer- den mussten. Beispielsweise bildet der Ausgangstransformator der Spei- sung zusammen mit der nicht-linea- ren Induktivität des Prüflings und dem Koppelkondensator einen schwingungsfähigen Kreis, dessen Resonanzfrequenz stromabhängig ist. Dadurch besteht die Möglichkeit der thermischen Zerstörung des Prüflings oder aber auch der Spei- sung. Bilder:BKW a b Wechselrichter Prüfling VKE 52 Koppel- Kondensator Externer Kalibrator ~ ~ ~ LWL V PD CPL 542 Transmitter MI-600 mit Batterie Empfänger MCU 502 Bild 1 Zerstörte 50-kV-Giessharzwandler des Typs VKE 52 (Moser & Glaser) in einem Unterwerk der BKW mit Kollateralschaden an benachbarten Komponenten. Bild 2 Vereinfachtes Ersatzschaltbild einer TE-Messung. Ein Defekt (Lunker) im Isola- tionssystem wird als Kapazität C1 nachgebildet. Die Ausgleichströme i(t) können über einen Koppelkondensator Ck und eine Messimpedanz ZM erfasst werden. Bild 3 Frequenzvariable Erregung von der Sekundärseite eines Giessharzwandlers mit TE-Messung auf der Primärseite.
  • 3. bulletin.ch 8/2017 51 ENERGIENETZE | PANORAMA Weiter ist zu beachten, dass der Kop- pelkondensator zusammen mit der internen Streukapazität des Prüflings zu einer zusätzlichen Spannungserhö- hung führt (Ferranti-Effekt). Bei der gewählten Schaltung lag diese Span- nungserhöhung bei rund 1,5% gegen- überdemnominalenÜbersetzungsver- hältnis.[4] Dank der sinusförmigen Prüfspannung mit einer Frequenz von 55 bis 65 Hz konnten allfällige 50-Hz-Störungendifferenziertwerden. (Der Störpegel in den ländlich gelege- nen Unterwerken lag in der Regel im Bereich weniger pC und stellte somit kein Problem dar.) Bewertung Messergebnisse Gemäss Norm sollten Messwandler in Netzen mit isoliertem Sternpunkt bis über die verketteten Spannungen 100 80 60 40 20 0 66.00096(1966) 66.3924(1967) 67.3494(1968) 69.0301(1969) 70.1721(1970) 70.3663(1971) 70.3666(1971) 71.0584(1971) 72.0545(1972) 72.1863(1972) 72.0546(1973) 76.489(1976) 76.2468(1976) 76.1361(1977) 77.1445(1977) 78.1890(1978) 78.3281(1979) 79.2056(1980) 79.2966(1979) 79.0414(1980) 81.0169(1981) 81.2615(1981) 81.2890(1981) 81.3608(1981) 82.0135(1982) 83.0972(1984) 84.0149(1984) 84.0484(1985) 84.2152(1985) 87W1630(1987) 86W1519(1987) 87W0921(1988) 87W0925(1988) 88W2477(1988) 89W1411(1990) 90W0976(1990) 90W260(1991) 91W1206(1992) 93W0236(1993) 94W0255(1995) Produktionslos VKE 52 (Baujahr) Zustandsverteilung/% Sehr schlecht (sofortige Massnahmen notwendig) Leicht beschädigt (Weiterbetrieb bedingt möglich) Schlecht (Weiterbetrieb mit erheblichem Risiko) Gut (keine Massnahmen notwendig) Tendenziell schlecht (Weiterbetrieb nicht empfohlen) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 1 2 3 4 5 66.00096(1966) 66.3924(1967) 67.3494(1968) 69.0301(1969) 70.1721(1970) 70.3663(1971) 70.3666(1971) 71.0584(1971) 72.0545(1972) 72.1863(1972) 72.0546(1973) 76.489(1976) 76.2468(1976) 76.1361(1977) 77.1445(1977) 78.1890(1978) 78.3281(1979) 79.2056(1980) 79.2966(1979) 79.0414(1980) 81.0169(1981) 81.2615(1981) 81.2890(1981) 81.3608(1981) 82.0135(1982) 83.0972(1984) 84.0149(1984) 84.0484(1985) 84.2152(1985) 87W1630(1987) 86W1519(1987) 87W0921(1988) 87W0925(1988) 88W2477(1988) 89W1411(1990) 90W0976(1990) 90W260(1991) 91W1206(1992) 93W0236(1993) 94W0255(1995) AnzahlWandler Klassendurchschnitt Produktionslos VKE 52 (Baujahr) Klassendurchschnitt (Note) Anzahl Wandler Bild 4 Die frequenzvariable Erregung eines Wandlers und Erfassung der TE mittels eines Koppelkondensators vor Ort in einem Unter- werk der BKW. Der Schaltwagen ist ausgefahren, die Primäranschlüsse sind gelöst und die Sekundärklemmen geöffnet. Bild 5 Schadensstatistik der VKE-52-Giessharzwandler für verschiedene Produktionslose ab 1966 bis 1995. Die Zahlenwerte beziehen sich auf die Anzahl geprüfte Wandler. Bild 6 Der Klassendurchschnitt wurde pro Produktionslos gebildet und stellt eine Durch- schnittsnote dar (5 = sehr schlecht; 1 = gut). Die Fehlerbalken geben die Unsicherheit des Klassendurchschnitts wieder. a b
  • 4. 52 bulletin.ch 8/2017 PANORAMA | ENERGIENETZE (Leiter-Erde 1,2 Um) auf TE geprüft werden. Stattdessen wurde die Span- nungstufenweiseauf1,1×50kV/√3(Lei- ter-Erde) erhöht und die TE-Signale als defektspezifische Punktwolken in pha- senaufgelösten TE-Muster dargestellt. Die Bewertung des Gefährdungspo- tenzials basiert auf der Entladungs- amplitude und -Intensität sowie den Ein- und Aussetzspannungen der TE und wird einer Zustandsklasse 1 (gut) bis 5 (sehr schlecht) zugeordnet. Grundsätzlich sollen Messwandler aus Giessharz im Betrieb keine TE aufweisen, da diese ein potenzielles Risiko für die Integrität des Isolati- onssystems darstellen. Die Erfahrung aus der Praxis zeigt jedoch, dass ein- zelne Giessharzspannungswandler auch mit geringfügiger bis mittlerer TE-Aktivität im Betrieb über Jahr- zehnte einwandfrei funktionieren können. Trotzdem versagen biswei- len auch Giessharzspannungswand- ler mit einer geringen TE-Aktivität nach Jahren im Betrieb. Entsprechend wären in diesem Fall mehrere aufei- nanderfolgende Messungen in zeitli- chen Abständen erforderlich, um eine fortschreitende Verschlechterung des Isolationszustandes nachweisen zu können. Statistische Auswertung Insgesamt wurden im Rahmen der BKW-Messkampagne 292 VKE-52- Giessharzspannungswandler in 26 Unterwerken gemessen. Davon wur- den knapp 42% als «leicht beschädigt» (Klasse 2) bis «sehr schlecht» (Klasse 5) klassifiziert. Bei 170 Giessharzspan- nungswandlern konnte keine TE bis 110% Überspannung nachgewiesen werden (Klasse 1). Die nicht-normierte Zustandsver- teilung (Bild 5) zeigt die Defektraten aufgetragen gegenüber Baujahr und Produktionslos. Die Zahlenwerte innerhalb der Balken geben die Anzahl ausgewerteter Giessharzspannungs- wandler wieder. Da die Anzahl ausge- werteter Wandler pro Produktionslos stark variiert (1 bis 17 Wandler), ist die statistische Signifikanz entsprechend unterschiedlich. In Bild 6 werden die Durchschnitts- noten 1–5 als Klassendurchschnitt wie- dergegeben. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung der Durch- schnittsnoten dar und sollen die Unsi- cherheit des Klassendurchschnittes wiedergeben. Zunächst fallen die hohen Defektraten (bis 100% defekte Wandler der Klasse 5) in den Produkti- onsjahren1970–1973auf.DieDefektra- ten sowohl vor 1970 als auch nach 1976 sind eindeutig tiefer und können mehr- heitlich als konstant angesehen wer- den. Des Weiteren fällt auf, dass auch die Wandler, die zwischen 1976 und 1995 produziert wurden, keineswegs defektfrei sind. Im Hinblick auf die potenziellen Ursachen der Ausfälle erlaubt nun diese Schadensstatistik gewisse Aussagen. Zunächst erscheinen Fremdeinwir- kungendurchBlitzeinschlägeoderFer- roresonanzen als eher unwahrschein- lich, da in diesem Fall eine relativ konstante Defektrate in den Jahren 1966–1995 zu erwarten wäre. Bei der Auslegung der Lagenisolation und der maximal zulässigen Feldstärke in der Isolation strebten die Hersteller in der Regel eine Lebensdauer von rund 30 Jahren an. Bei einer kontinuierlichen thermisch-elektrischen Alterung der Komponenten durch Zersetzung des Giessharzes wären somit ältere Wand- ler erwartungsgemäss deutlich häufi- ger von Defekten betroffen, was hier jedoch nicht nachgewiesen werden konnte (die durchschnittlichen Defekt- raten in den 60er-Jahren sind ver- gleichbar mit den Defektraten in den 80er- und 90er-Jahren). Die Messergebnisse stützen viel- mehr die These, dass betriebsgealterte Wandler ohne TE-Defekte auch nach 40–50JahrenBetriebszeitkeineAlters- erscheinungen aufweisen und somit problemlosimBetriebbelassenwerden können. In den 60er-Jahren, als PC-ge- stützte, numerische Auslegung und Berechnung der Wandler kaum mög- lich und dadurch die exakte Feldvertei- lung nicht bekannt war, wurden die Wandler mit entsprechenden Isolati- onsreserven gebaut, was ihre Robust- heit erklärt. Anfang der 70er-Jahre begannen einige Hersteller, neue Pro- zesse und Materialien (giessharzim- prägnierte Folien) einzusetzen. Im ZugedieserNeuerungenwurden,unter anderem auch aufgrund der verbesser- ten Isolationsmaterialien, Design- und Materialoptimierungen eingeführt, welche zu höheren Feldstärken und somiteinerhöherenAnfälligkeitfürTE führten. Depuis la fin des années 1960, un nombre croissant de pannes incontrôlées ont été enregistrées en Suisse, chez dif- férents EAE, sur les transformateurs de potentiel en résine moulée,enparticulierpourlestensionssupérieuresà24 kV. Cespannes,fréquemmentaccompagnéesdedommagescol- latéraux, constituent un risque potentiel pour le personnel d’exploitation, se répercutent négativement sur la sécurité d’approvisionnement et entraînent des coûts de rénovation élevés.ÉtantdonnéqueBKWaégalementétéconcernéepar lepassépardetelsincidents,elleadécidédeprendredesme- sures de rénovation ad hoc. Toutefois, au lieu de remplacer touslestransformateursdepotentielenrésinemoulée50 kV sur l’ensemble du territoire suisse, il a été procédé à un pro- cessusdediagnosticnonconformeàlanormeetlesappareils présentant un danger potentiel ont été identifiés, puis chan- gés de manière ciblée dans le cadre d’un programme de ré- novationtenantcomptedelarentabilitétotaledel’opération. Actuellement, les transformateurs de potentiel en résine moulée 50 kV obsolètes présentant des défauts ont été sys- tématiquement remplacés conformément au concept de rénovation. Des appareils de substitution pouvant être ins- tallés à moindre frais dans les installations en locaux exis- tantes ont été trouvés. Le projet «Rénovation des transfor- mateurs de potentiel en résine moulée 50 kV» s’achèvera d’ici la fin 2017. Par la suite, tous les transformateurs poten- tiellement critiques seront renouvelés. MR État des lieux des transformateurs de potentiel en résine moulée Projet de rénovation pour les transformateurs de potentiel en résine moulée 50 kV obsolètes dans le réseau de distribution de BKW RÉSUMÉ
  • 5. bulletin.ch 8/2017 53 ENERGIENETZE | PANORAMA Aus diesem Grund liegt die Ver- mutung nahe, dass die relativ hohen Defektraten Anfang der 70er-Jahre mit der Umstellung der Material- und Prozesstechnologie zusammenhän- gen. Später (ab 1974), als die Giess- harz-Rezepturen weiter verbessert wurden und die Prozesstemperaturen präziser kontrolliert werden konnten (auf Bruchteile eines Grades), sanken die Defektraten wieder. Zum gleichen Zeitpunkt wurde die TE-Messtech- nik vermehrt in der Qualitätssiche- rung eingesetzt. 1976 wurde sie zum Industrie-Standard. In der Folge konnten Qualität und Prozesstechnik besser gesteuert werden, was sich in der Statistik ab Mitte der 70er-Jahre bis heute niederschlägt. Trotzdem ist nicht auszuschliessen, dass vereinzelt auch Wandler neueren Produktions- datums (vgl. beispielsweise den Klas- sendurchschnitt Produktionslos 1990 [Bild 6]) bereits signifikante Mängel (Zustandsklasse 3–4) aufweisen kön- nen. Umsetzung Sanierungskonzept Zurzeit werden die betriebsgealterten 50-kV-Giessharzspannungswandler der Defektklassen 3–5 gemäss Sanie- rungskonzept systematisch ersetzt. FürdenWandlerersatzwurdenErsatz- produkte gefunden, welche sich mit möglichst geringem Aufwand in die bestehenden Innenraumanlagen ein- bauen lassen. In Abweichung zur Stückprüfung gemäss IEC 61869-3 wurde eine verschärfte TE-Prüfung verlangt: 55 kV während 600 s: TE < 2pC; 87kV: TE < 25pC. Das Projekt «Sanierung 50-kV-Giessharz-Span- nungswandler» wird bis Ende 2017 abgeschlossen. Dann werden sämtli- che potenziell kritischen Wandler ersetzt sein. Referenzen [1] «Cigré Brochure 512: International Enquiry on Relia- bility of high Voltage Equipment Part 4 Instrument transformers. [2] «Elektrisches und dielektrisches Verhalten von Epoxidharz», M. Bayer, Schering-Institut, Universität Hannover 1991. [3] «Umfrage über Ausfälle von giessharzisolierten Messwandlern durch Isolationsversagen, Betriebs- spannungsbereich 10 kV ... 65 kV», Fachkommission für Hochspannungsfragen, Zürich, 28. Juni 2005. [4] Die entsprechende BKW-Publikation befindet sich noch in Arbeit. Autoren Dr. Lars Nilsson ist Ingenieur Diagnostik bei BKW Energie AG. J BKW Energie AG, 3072 Ostermundigen J lars.nilsson@bkw.ch Daniel Riesen ist Fachstellenleiter Primärtechnik bei BKW Energie AG. J daniel.riesen@bkw.ch Stephan Gafner ist Netzanlagenmanager bei BKW Energie AG. J stephan.gafner@bkw.ch Thomas Gränicher ist Leiter Hochspannungstechnik und Diagnostik bei BKW Energie AG. J thomas.graenicher@bkw.ch Die Autoren bedanken sich für die freundliche Unterstützung durch Markus Freiburghaus (Pfiffner Messwandler, Hirschtal), Dr. Michael Freiburg, (Omicron, Klaus), Dr. Reinhold Bräunlich (FKH, Zürich) und Dr. Holger Däumling (Ritz Messwandler).