Gasanalyse van transformatoren

Inleiding

In Nettransformatoren werd bij het deel Beveiliging gewezen op het verschijnsel: Gasvorming bij met olie gevulde transformatoren. Dit fenomeen geldt echter niet alleen voor deze speciale groep transformatoren, maar geldt ook voor de step-up transformatoren achter de generatoren in de centrales en de transformatoren van 380 kV en 220 kV in het koppelnet en transformatoren in de transportnetten. Ook met olie gevulde meettransformatoren kunnen dergelijke verschijnselen vertonen.
Door temperatuurverhogingen en door veroudering van het gebruikte isolatiemateriaal lossen deeltjes van dit materiaal op - degradatie van cellulose genaamd - en gaan over als gasbelletjes in de transformatorolie. Dit oplossen door veroudering is een normaal verschijnsel en levert als zodanig geen groot bezwaar op. Anders wordt het, als zich in de transformator fouten gaan ontwikkelen waardoor voor die fouten karakteristieke gassen in de olie gaan oplossen.

Sinds de jaren ’70 wordt periodieke controle van transformatorolie uitgevoerd

Sinds de jaren ’70 wordt periodieke controle van de transformatorolie uitgevoerd door het nemen van oliemonsters en het maken van gasanalyses. Dit wordt uitgevoerd met behulp van een gaschromatograaf, waardoor afwijkingen van het normale patroon onmiddellijk worden waargenomen. Zo’n afwijking - meestal in de vorm van toename van opgeloste gassen - kan wijzen op een acute of een sluimerende fout in de transformator. Op het moment dat er zo’n stijging van opgeloste gassen wordt vastgesteld, wordt als regel de frequentie van de gasanalyses opgevoerd, om een eventuele fout niet te laten escaleren.

Inwendige fouten

In de praktijk kunnen zowel thermische als elektrische fouten aanwezig zijn. De soort afgescheiden gassen geeft een indicatie over de richting, aan wat soort fout moet worden gedacht.
De opgeloste gassen ontstaan voor een deel door veroudering van het isolatiemateriaal en door luchtinsluitingen of andere verontreinigingen, maar vooral door op de olie inwerkende energie, afkomstig van elektrische of thermische invloeden. Hierbij worden de volgende processen onderscheiden:

• Deelontladingen van geringe energie geven hoofdzakelijk Waterstof ( H₂ ) en in geringe mate Methaan ( CH₄ ) en Ethaan ( C₂H₆ ).
• Elektrische ontladingen, als lichtbogen en vonkontladingen leiden tot vorming van Waterstof en Ethyn ( C₂H ) en in geringe mate Methaan en Etheen ( C₂H₄ ).
• Thermische belastingen tussen 300⁰ C en 700⁰ C leveren Etheen, Propeen ( C₃H₆ ), Waterstof en Methaan op. Bij thermische belastingen > 1000⁰ C wordt bovendien nog Ethyn gevormd.
• Elektrische of thermische overbelasting leidt tot vorming van Koolmonoxide ( CO ) en Kooldioxide ( CO₂ ).

In Tabel 1 zijn de opgeloste gassen opgenomen die bij de diverse processen in de transformatorolie ontstaan en die gedetecteerd zijn met behulp van gaschromatografie.

Bij de interpretatie van een mogelijke fout in een transformator, worden wél alle aangetroffen gassen beschouwd, maar voor de foutanalyse worden hiervan slechts enkele specifieke gassen als leidraad genomen. Voor de interpretatie van fouten, gaat men gewoonlijk uit van de verhoudingen tussen bepaalde, karakteristieke gassen.

Tabel van opgeloste gassen in transformatorolie
Waterstof H2
Zuurstof O2
Stikstof N2
Koolmonoxide CO
Kooldioxide CO2
Methaan CH4
Ethaan C2H6
Etheen C2H4
Ethyn C2H2
Propaan C3H8
Propeen C3H6

De gevormde hoeveelheden gedetecteerd gas worden uitgedrukt in parts per million (ppm).

Hoeveelheden

Om een idee te geven, om welke hoeveelheden opgeloste gassen het ongeveer bij een fout handelt, is in de tabel een lijst opgenomen van aangetroffen, in de olie opgeloste gassen in een aantal bemonsterde transformatoren.

Hoeveelheden opgeloste gassen in transformatorolie	ppm
Waterstof H2	150-500
Zuurstof O2	1000-25000
Stikstof N2	600-70000
Koolmonoxide CO	50-1000
Kooldioxide CO2	1000-90000
Methaan CH4	10-500
Ethaan C2H6	5-500
Etheen C2H4	15-2500
Ethyn C2H2	1-80
Propaan C3H8	2-500
Propeen C3H6	5-5000

Interpretatie

Gesteld werd, dat voor een algemene interpretatie van de fouten wél wordt gekeken naar de hoeveelheden opgeloste gassen, maar dat in de praktijk men uitgaat van de verhoudingen tussen enkele karakteristieke gassen, rekening houdend met bepaalde, gestelde drempelwaarden. In bijgaande tabel zijn voor vier belangrijke quotiënten deze drempelwaarden gegeven ¹⁾.

Om het inzicht nog wat te verdiepen, is in de volgende tabel een uitwerking uitgevoerd van in vier transformatoren gevonden gassen

Transformator	1	2	3	4
Aangetroffen gas	ppm	ppm	ppm	ppm
Waterstof H2	300	360	930	4890
Koolmonoxide CO	658	210	140	110
Kooldioxide CO2	6130	5200	1320	430
Methaan CH4	1740	260	3630	290
Ethaan C2H6	1190	40	1570	30
Etheen C2H4	3500	440	10940	0
Ethyn C2H2	0	380	230	0
Propaan C3H8	239	6	410	10
Propeen C3H6	300	130	5860	0
Foutanalyse	- Oververhitting - Degradatie van cellulose	- Deelontladingen - (Plaatselijke) oververhitting - Degradatie van cellulose	- Oververhitting - Degradatie van cellulose	- Deelontladingen - Degradatie van cellulose

Door een verdere kwalitatieve en kwantitatieve benadering van de gevonden gassen kan een nadere interpretatie van de aanwezige fout volgen. Bij een duidelijke toename van de fout - gekenmerkt door een sterke stijging van de opgeloste gashoeveelheden - kunnen maatregelen worden getroffen om de fout nader te lokaliseren en wordt nagegaan of herstel van de transformator mogelijk is.
Als de analyse bijvoorbeeld aangeeft dat er sprake is van ontladingen of deelontladingen, kan een ontladingsmeting aan de transformator worden uitgevoerd. De uitkomst hiervan geeft dan extra zekerheid over de te nemen maatregelen.

Principe van de gaschromatografie

Een gaschromatograaf wordt gebruikt voor de scheiding van gassen en vloeistoffen, en is opgebouwd uit een injectiepoort, een kolom en een detector, zoals in de afbeelding is weergegeven.
Het principe van de gaschromatografie berust op een selectieve verdeling van componenten tussen de stationaire en de mobiele fase, en is ontdekt door de Russische bioloog Michail Tsvet. In 1906 probeerde hij verschillende plantpigmenten van elkaar te scheiden. Dit zijn gekleurde verbindingen, zodat voor dit soort metingen de naam chromatografie werd gekozen. Deze naam werd voortaan gehandhaafd voor alle metingen volgens dit principe.

Stationaire fase

In de stationaire fase vindt de daadwerkelijke scheiding plaats. In deze fase wordt de te onderzoeken vaste stof of vloeistof geïnjecteerd, waarna een hechting met een draaggas tot stand komt.
De te scheiden stoffen die door het draaggas worden meegenomen, gaan een interactie aan, die bestaat uit een 'tijdelijke' binding van het molecuul, waardoor deze vertraagd wordt. Aangezien ieder molecuul zijn eigen bindingssterkte heeft voor de stationaire fase, vinden er verschillende vertragingen plaats voor de diverse stoffen, waardoor men ze van elkaar kan scheiden. De stoffen die vertraagd zijn, zullen dus ook vertraagd worden geanalyseerd door de detector. Dit resulteert in gescheiden pieken voor de diverse gassen in de output; het chromatogram.

Gaschromatogram

Mobiele fase

In de mobiele fase stroomt het draaggas continu door een lange buis - de kolom - en bestaat uit een inert gas - zoals Waterstof of Stikstof - dat onoplosbaar is in de stationaire fase. Dit inerte gas wordt door poreus, korrelvormig dragermateriaal in de kolom vastgehouden. Het te onderzoeken monster - bijvoorbeeld een oliemonster - wordt vervolgens met het draaggas naar de kolom gevoerd die zich op een bepaalde temperatuur bevindt. De kolom heeft een zekere diameter en een lengte die kan variëren. Afhankelijk van de lengte is de kolom U-vormig of spiraalvormig.
Een detector stelt vast welk gas passeert en in welke hoeveelheid. Dit wordt vervolgens door het chromatogram weergegeven.

Bronvermelding

Bronnen, noten en/of referenties:

¹⁾In de praktijk wordt ook nog met andere quotiënten gewerkt. Bij de interpretatie van een fout ontstaan hierdoor soms kleine verschillen, zoals bij de quotiënten van CO en CO₂, waar veroudering van het isolatiemateriaal aan de orde kan zijn.

Literatuur:

• E. Dörnenburg: Überwachung von Öltransformatoren durch Gasanalysen
• H. J. Knab: Die Betriebsüberwachung von Transformatoren
• R. Rogers: IEEE and IEC codes to interpret incipient faults in transformers, using gas in oil analyses