Tata Steel nutzt EOS Ölaufbereitungsprozess zur Verlängerung der Transformatorenlebensdauer

Der Electrical Oil Service (EOS) Artikel wurde im Transformer Magazin Ausgabe 4 2017 veröffentlicht. Um den vollständigen Artikel zu lesen, klicken Sie hier: Electrical Oil Services (EOS) Ölregeneration bei Tata Steel

Transformatorenöl aufbereiten, nicht ersetzen

Stahlwerke in Großbritannien und Nordirland haben turbulente Jahre hinter sich. Nun aber stellt sich eine gewisse Stabilität ein, da die dortigen und die weltwei­ten Märkte wieder attraktiver werden. Doch wenngleich wieder investiert wird, so ist das Geld mit Bedacht auszugeben. Für die Ingenieure von Tata Steel im südwalisischen Port Talbot hatte daher die technische Aufbereitung von Transformatoren mit dem Fokus auf den Erhalt des Isoliersystemzustands (Öl und Papier) Priorität. Die Ingenieure sind für die Hochspannung auf der gut 800 Hektar großen Anlage zuständig.

Tom Larney, EOS Vice President, ist überzeugt, dass die Wiederaufbereitung von Isolieröl eine technisch und wirtschaftlich sinnvolle Option darstellt, bedingt durch den allgemeinen Druck, die CO₂-Bilanz bei allen Wartungs- und Austauscharbeiten zu verbes­sern sowie Transformatoren nicht einfach nur wegen ihres zu­nehmenden Alters zu ersetzen. Schon frühzeitig wandte sich Tata Steel, einer der größten Stahlproduzenten in Europa, an Electrical Oil Services (EOS). Sie wollten wissen, wie sich die Aufbereitung des Isoliersystems in ihr allgemeines Programm zur Überho­lung der Transformatoren einbinden lassen könnte. EOS ist eine starke Marke der HCS Group und in Großbritannien und Teilen Europas der führende Anbieter sowohl von wiederaufbereitetem als auch neuem, ungebrauchtem Isolieröl und dazugehörigen Dienstleistungen.

Auf dem Prüfstand – Zustandsanalyse der Transformatoren

Angesichts der 17 Versorgungstransformatoren, je 66 kV und zum Großteil verantwortlich für die Versorgung wichtiger Bereiche des Stahlwerks, war ein großangelegter Transformatorenaus­tausch für Tata Steel keine tragfähige Option. Stattdessen wurde jeder einzelne Transformator mithilfe der EOS-Ingenieure überprüft. Zudem führte das in Großbritannien führende Labor TJ|H2b Analytical Services Limited ein sogenanntes ‚Transformer Condition Assessment‘ (TCA) durch, eine Prüfung des Transformatorenzustands. Dank dieser eingehenden Analysen verfügten die EOS-Ingenieure und Glen Evans, Engineering Manager für Hochspannungssysteme bei Tata Steel, über umfangreiche und grundlegende Untersu­chungsergebnisse hinsichtlich des Zustands des Isoliersystems, allem voran des vorhandenen Öls und – was noch wichtiger war – der Papierisolierung.

 Die Untersuchungsergebnisse der 17 Transformatoren sowie die jeweilige Prüfung des physischen Zustands jedes einzelnen Transformators waren die Voraussetzung für Tata Steel, einen risikobasierten Wiederaufberei­tungsplan zu erstellen. Der Fokus wurde dabei auf die für die Stahl­produktion in Port Talbot wichtigsten Transformatoren gelegt.

Nutzen der Ölaufbereitung im Vergleich zum Ölwechsel

Nachdem die detaillierten TCA-Ergebnisse, Ausfallzeitenübersicht sowie Testergebnisse über Kritikalitätsstufen der einzelnen Transformatoren vorlag, konzentrierten sich die Ingenieure von EOS und Tata Steel auf die Öltestergebnisse und physikalische Beschaffenheit der Papierisolierung. Es galt, einen maßgeschneiderten Wartungsplan für die Vor-Ort-Aufbereitung zu erarbeiten, dessen Vorteil darin besteht, den gesamten Transformator zu behandeln und nicht nur das Isolieröl. Im laufenden Betrieb werden bei ordnungsgemäßer Durchführung Säuren und Ölschlamm aus den Kühlkanälen und Isolierpapieren alternder Transformatoren effizient entfernt. Diese „Tiefenreinigung“ stellt sicher, dass zum Abschluss des Regenerations­prozesses nur noch ein minimaler Anteil von „saurem Öl“ im Papier zurückbleibt.

Vorteile der Ölaufbereitung gegenüber Ölwechsel:

1. Tiefgreifende Reinigung des Isoliersystems – abhängig von Zeit und Tem­peratur und verstärkt durch die Vibrationen des arbeitenden Transformators
2. Behandlung ohne Ölablass und ohne Beschädigung der Papierisolierung
3. Stetige Verfügbarkeit des Transformators – nur beim Herstellen bzw. Trennen von Verbindungen kurze Unterbrechungen erforderlich
4. Erheblich geringerer Verbleib von (verschmutztem) Öl in der Papierisolierung als bei einem Ölwechsel (es wird erheblich mehr Öl gereinigt)
5. Kostenersparnis im Vergleich zum Ölaustausch
6. Weniger ökologische Risiken als durch Ölwechsel bzw. -entsorgung per LKW anfallen könnten
7. Geringerer CO₂ Ausstoß aufgrund der reduzierten Lkw-Einsätze

 Optimaler Zeitpunkt für die Ölaufbereitung

Bei der Erstbefüllung eines Transformators, und zwar mit neuem, ungebrauchtem Öl, beträgt der Wert der Säureneutralisation <0,01 mg KOH/g. Mit zunehmender Transformatorenlebensdauer führen die Einwirkungen von Hitze und Sauerstoff zur Oxidation des Öls und gleichzeitig erschöpfen sich die „natürlichen“ Inhibitoren des Öls. Es entstehen polare Bestandteile des Öls wie beispielsweise Säuren und anfängliche Formen von Schlamm. Diese vielschichtigen Bestand­teile greifen die Papierisolierung des Transformators an, was zur Beeinträchtigung der Isolation führt. Kurzschlüsse und Fehlerströme können damit nicht mehr sicher vermieden werden. Ist das Papier erst einmal beschädigt, lässt es sich nicht mehr reparieren. Aus diesem Grund empfiehlt es sich, das vollständige Ölaufbereitungsprogramm zum frühestmöglichen Zeitpunkt durchzuführen.

Die Norm IEC 60422:2013 „Isolieröle auf Mineralölbasis in elektrischen Betriebs­mitteln – Leitlinie zur Überwachung und Wartung“, unterscheidet nach „gutem“, „ausreichendem“ und „ungenügendem“ Ölzustand – für 132-kV-Transformatoren oder solche, die sich in einem kritischen Zustand befinden. Die Leitlinien zur Überwachung und Wartung, die der langjährigen Forschung Rechnung tragen, empfehlen Öl ab einem Säuregrad von 0,15 mg KOH/g wiederaufzubereiten.

Ein weiterer wichtiger Aspekt, dem vor der Ölbehandlung Rechnung getragen werden muss, ist der Wassergehalt des Isolieröls. In Zusammenarbeit mit den Ingenieuren von Tata Steel gingen die EOS-Spezialisten jeden einzelnen Bewertungsbereich sorgfältig durch, bevor die Maßnahmen schließlich eingeleitet wurden.

Versorgungstransformator ST9

Auf Grundlage des gemeinschaftlich durchgeführten „Gesundheitschecks“ entschied man sich bei Tata Steel, mit dem Versorgungstransformator ST9 zu beginnen, einem 1959er Trafo (10 MVA, 66 kV) mit 17.000 Liter Ölvolumen.

 Öltestergebnisse:

• Säure: 0,18 mg KOH/g
• Grenzflächenspannung (IFT): 20
• Dielektrischer Verlustfaktor (DDF): 0,22

IFT und DDF sind gute Indikatoren für das Ausmaß an polaren Ölverunreinigungen, die normalerweise mit der Verschlechterung des Ölzustands einhergehen. Die Entfernung von Verunreinigungen aus dem Papier und dem Isolieröl gibt Aufschluss über die Effizienz der Vor-Ort-Aufbereitung.

 Technik der Ölaufbereitung

Die mobile EOS-Wiederaufbereitungseinheit (Mobile Regeneration Unit – MRU) umfasst zwei spezifische Lastfahrzeuge: Auf einem befindet sich die Ausstattung zur Ölbehandlung wie Heizung, Filter und Vakuumkammern. Das andere enthält Säulen mit aktiviertem Bauxit. Diese absorbieren die aus dem Öl gelösten Verunreinigungen wie Säuren und Schlamm, die im Verlauf des Ölalterungsprozesses durch Hitze und Sauerstoff im Zusammenwirken mit Kupfer und Eisen verursacht werden. Indem das Isolieröl beide Anlagen in Reihe durchläuft, erreicht es einen neuwertigen Zustand. Zugleich wird durch diesen Prozess auch ein deutlich größerer Anteil des Öls erfasst, das tief in die Papierisolierung eingedrungen ist, als es bei einem gewöhnlichen Ölwechsel der Fall wäre.

Die Säuremenge, die der Papierisolierung entzogen wird, steht in einem direkten proportionalen Verhältnis zu Zeit und Temperatur. Die Vibrationen und Bewegun­gen, die durch die Regeneration während des Transformator­betriebs entstehen, unterstützen den Säureentzug ebenfalls.

Entscheidend für den Erfolg der Säure- und Schlammentfernung aus dem Transformator ist, die Temperatur seines Kerns auf etwa 70 °C zu steuern. Je nach Außentemperaturen und Wetterlage, aber auch je nach Kühleffekt von Radiatoren und Pumpen ist der Temperaturanstieg in manchen Fällen allerdings begrenzt.

Hinsichtlich der Aufbereitung an Transformatoren, die unter Spannung stehen bzw. unter Last arbeiten, hat EOS eng mit einem führenden Verteilnetzbetreiber zu­sammengearbeitet. Zweck dieser Kooperation war es, Arbeitssicherheitssysteme zu entwickeln, die einschlägige Risiken minimieren.

ST9-Testergebnisse

EOS hat seine umfangreichen Erfahrungen im Bereich der Ölaufbereitung aus seiner eigenen Produktionsanlage in Großbritannien in das Verfahren der „Vor-Ort-Aufbereitung“ übertragen. So können Prüfungen von Säuren, Grenzflächenspannung, dielektrischem Verlustfaktor, Wider­standsfestigkeit, Durchschlagspannung und gelöstem Wasser von den langjährig erfahrenen EOS-Spezialisten direkt an Bord der mobilen Einheiten durchgeführt werden.

Weitere Schritte und Schlussfolgerungen

Mit Abschluss des sechsten Tages wurde dem Isolieröl über die Aufbereitungsanlage ein künstlicher Inhibitor hinzugefügt, und zwar bis der Wert von 0,4 Prozent bzw. der Punkt „vollständig inhibitiert“ erreicht war. Der Inhibitorgehalt, der jährlich gemessen wird, erforderte seitdem kein Nachfüllen. Der Befund nach sechs Jahren: Der Farbwert liegt bei 1,0 und der Säurewert stabil bei 0,02 mg KOH/g, der dielektrische Verlustfaktor und die Grenzflächenspannung bewe­gen sich im Rahmen der BS-148:2009-Vorgaben und erfüllen die Anforderungen der IEC 60296:2012 für neues, ungebrauchtes Isolieröl.

Glen Evans formuliert Tata Steels Einschätzung so: „Die EOS-Arbeiten am ST9 zeigen den vielfachen Nutzen von Ölregeneration als Teil eines weitreichenden Programms zur Verbesserung der ‚Trafogesundheit‘. Wir haben vor, wei­tere Transformatoren in den kommenden Jahren auf die gleiche Wei­se zu behandeln. Das bedeutet für uns geringere Kapitalinvestitionen, eine bessere CO₂-Bilanz und ganz allgemein einen sinnvollen Umgang mit gut gebau­ten Transformatoren, die uns hoffentlich noch viele Jahre treu zu Diensten sein werden.“

 Andrew Bartram, Sales Manager von EOS, erklärt: „Unsere mobile Wiederaufbereitungs­einheit hat sich in Großbritannien gut etabliert. Nun, da wir als EOS zur HCS Group gehören, bietet es sich an, wei­tere MRU-Einheiten von unseren Standorten in Deutschland aus zu betreiben. So sind wir in der Lage, unsere Dienstleis­tungen auch verstärkt in Kontinentaleuropa anzubieten, um die Leistungsfähigkeit von Transformatoren zu erhalten und ihre Lebensdauer zu erhöhen.“

 Autor: Andrew Bartram, Sales Manager EOS

Über EOS
Electrical Oil Services (EOS) ist ein starke Marke der HCS Group GmbH und ein führender Anbieter für neues und wiedergewonnenes Isolieröl sowie begleitende Serviceleistungen in Großbritannien und Kontinentaleuropa. Die EOS-Spezialisten verfügen über 60 Jahre Erfahrung in der Aufbereitung und Vermarktung von Isolieröl und versorgen sowohl große als auch kleine Kunden der Stromversorgungsbranche mit maßgeschneiderten Lösungen.