Tan-Delta-Messung von Transformatoröl

Der Tan-Delta-Wert von Transformatoröl ist ein Parameter, der häufig zur Beurteilung des Zustands von flüssigen Dielektrika verwendet wird. Transformatoröle, einschließlich hochraffinierter Mineralöle, Silikonöle und naturbasierter Öle, dienen der Isolierung stromführender Teile elektrischer Geräte. Ihre Hauptfunktionen sind die dielektrischen Eigenschaften und die Wärmeableitung. Diese Öle werden häufig in Transformatoren, Kondensatoren und zur Kabelimprägnierung eingesetzt.

Dielektrische Verluste verstehen

Alle Substanzen, unabhängig von ihrer Zusammensetzung, interagieren unter bestimmten Bedingungen mit elektrischen Feldern. Materialien, die weniger als 100 Millionen freie positive und negative Ladungen pro Kubikzoll enthalten, werden als Dielektrika eingestuft. Diese Materialien bilden isolierende Bauteile in elektrischen und elektronischen Systemen. Ihre Wechselwirkung mit elektrischen Feldern wird quantitativ bewertet, um ihre Wirksamkeit in Isolationsanwendungen zu beurteilen.

Wenn ein elektrisches Feld auf ein dielektrisches Material angewendet wird, erzeugt es eine volumetrische Erwärmung innerhalb des Materials. Dieses Phänomen führt zu den sogenannten dielektrischen Verlusten, einem spezifischen Maß für die Wechselwirkung des Materials mit dem Feld. Dielektrische Verluste treten unabhängig davon auf, ob die Ladungen, die das elektrische Feld erzeugen, positiv oder negativ sind oder ob sich ihre Polarität über die Zeit ändert. Selbst bei geringer Ladungsdichte führt die Anwesenheit von Ladungen im Dielektrikum zu Leckströmen, die das Volumen des Materials durchdringen und Wärme erzeugen.

Die Beziehung zwischen dem elektrischen Feld und den Eigenschaften des dielektrischen Materials ist entscheidend für die Bewertung seiner Leistung als Isolator. Bleiben die Ladungen, die das Feld erzeugen, stabil, induziert das elektrische Feld einen Strom durch die Dielektrikumprobe. Die Größe dieses Stroms hängt vom Widerstand des dielektrischen Materials ab. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass, ähnlich wie eine Metallstange, die bei wiederholtem Biegen an derselben Stelle schließlich bricht, auch dielektrische Materialien durch wechselnde elektrische Felder beeinträchtigt werden können. Diese Felder belasten die molekulare Struktur des Dielektrikums und können im Laufe der Zeit zu einem Durchschlag führen.

Tan Delta von Transformatoröl: Was ist das und was sagt er aus?

Der Tan-Delta-Wert von Transformatoröl wird verwendet, um die dielektrischen Verluste im Transformatoröl zu messen. Dielektrische Verluste treten auf, wenn ein elektrischer Strom durch das dielektrische Material im Öl fließt, verursacht durch das angelegte elektrische Feld. Um diese Verluste genau zu quantifizieren, ist es notwendig, das Verhalten des dielektrischen Materials sowohl unter Gleichstrom- (DC) als auch Wechselstrombedingungen (AC) zu bewerten.

In diesem Zusammenhang ist das dielektrische Verhalten kapazitiv, was bedeutet, dass der Strom phasenverschoben zur Spannung ist. Diese Phasenverschiebung, dargestellt durch einen Winkel (φ), zeigt den Zeitunterschied zwischen dem Spannungssignal und dem resultierenden Stromfluss an. Die gesamte Phasenverschiebung umfasst einen zusätzlichen Winkel δ, was zu einem nicht nullwertigen Tangens des Verlustwinkels führt, bekannt als tan(δ).

In einem idealen Dielektrikum würde die Phasenverschiebung 90° betragen und der Verlustwinkel (δ) null sein, was bedeutet, dass kein Energieverlust auftritt. In realen Materialien sind dielektrische Verluste jedoch unvermeidlich, und daher ist der Verlustwinkel (δ) immer größer als null. Der Tangens dieses Winkels (tan(δ)) wird als quantitativer Maßstab für die dielektrischen Verluste verwendet und hilft, die Effizienz von Dielektrika in Anwendungen zu beurteilen, in denen elektrische Isolation und minimale Energieverluste von entscheidender Bedeutung sind.

Der dielektrische Verlustwinkel (Tan Delta) ist eine entscheidende Eigenschaft von Isoliermaterialien. Je höher der tan(δ)-Wert, desto größer sind die dielektrischen Verluste, was zu einem thermischen Durchschlag der Isolierung führen kann. Faktoren wie Feuchtigkeit, Ionisation von Gaseinschlüssen und Verunreinigungen können den dielektrischen Verlustwinkel erhöhen. Darüber hinaus wird der tan(δ)-Wert durch die Temperatur der Isolierung, die Prüfspannung und die Frequenz beeinflusst.

Dielektrische Verluste im Transformatoröl stehen in direktem Zusammenhang mit der Zusammensetzung des Öls, insbesondere mit dem Vorhandensein von Verunreinigungen wie Harzen, Seifen und Wasser. Transformatoröle arbeiten typischerweise bei Temperaturen von 20 °C bis 125 °C (68 °F bis 257 °F), und unter diesen Bedingungen bleibt der Tan-Delta-Wert relativ niedrig.

Harze, sowohl neutrale als auch saure, sind eine Hauptquelle für dielektrische Verluste im Transformatoröl. Diese Harze können im Öl verbleiben, wenn die Filtration unvollständig ist, oder sich mit zunehmendem Alter des Öls durch Oxidations- und Polymerisationsreaktionen bilden. Solche Harze sind im Öl schlecht löslich und neigen zur Bildung kolloidaler Partikel, die eine Hauptursache für elektrophoretische Leitfähigkeit sind. Beispielsweise kann bereits das Vorhandensein von nur 0,5 % Harz im Öl den Tan-Delta-Wert um den Faktor 20 erhöhen.

Seife, die durch die Reaktion von Metallen mit organischen Säuren (einschließlich während der Ölalterung) gebildet wird, kann ebenfalls zu dielektrischen Verlusten beitragen. Diese Seifen dissoziieren in Kohlenwasserstofflösungsmitteln nicht in Ionen, können jedoch bei höheren Konzentrationen katastrophale Anstiege der dielektrischen Verluste verursachen. Je nach Ölsorte und Betriebsbedingungen kann Seife entweder in echter Lösung oder in kolloidaler Form vorliegen, und in beiden Fällen beeinflusst sie den Tan-Delta-Wert. Bemerkenswerterweise können bei Ölen, die Seife enthalten, beim Erhitzen auf 100 °C (212 °F) sowohl starke Anstiege als auch Abnahmen des Tan-Delta-Werts auftreten. Wird das Öl anschließend abgekühlt, kann der Tan-Delta-Wert weiter abnehmen, und die ursprüngliche Kurve lässt sich bei erneutem Erhitzen nicht reproduzieren, was auf eine dauerhafte Veränderung des kolloidalen Zustands der Seife hinweist.

Wasser kann im Transformatoröl entweder in gelöster oder emulgierter Form vorliegen. Die dielektrischen Verluste, die durch Wasser verursacht werden, hängen nicht vom gesamten Wassergehalt, sondern von dessen Zustand ab. Wasser in echter Lösung beeinflusst die dielektrischen Verluste des Öls nicht, aber in feinen Emulsionen kann es diese Verluste stark erhöhen. Der Schwellenwert, bei dem Wasser vom gelösten in den emulgierten Zustand übergeht, hängt von der Zusammensetzung des Öls ab. In Ölen mit gleichem Wassergehalt kann das eine das Wasser lösen, während das andere eine Emulsion bildet. Letzteres erhöht den Tan-Delta-Wert erheblich.

Daher können nahezu alle sauerstoffhaltigen Verbindungen (wie Alkohole, Säuren, Phenole, Harze), Metallsalze, organische Säuren (Seifen) und Wasser den Tan-Delta-Wert spürbar erhöhen, wenn sie eine bestimmte Konzentration erreichen, insbesondere am Löslichkeitslimit, wo eine Sekundärphase in Form von Mikroemulsionen oder Kolloiden entsteht. Das Erhitzen des Öls kann diese Gebilde auflösen, was zu einer Verringerung des Tan-Delta-Werts führt.

Der FLD T Transformatoröl-Tan-Delta-Tester

Der FLD T-Tester ist dafür ausgelegt, den dielektrischen Verlustwinkel, die elektrische Permittivität und den Widerstand von Transformatorölen und anderen dielektrischen Flüssigkeiten im Frequenzbereich von 45–65 Hz zu messen. Er arbeitet gemäß Industriestandards wie IEC 60247-2004-02, VDE‑0380‑2:2005_01, ASTM D924-08 und ASTM D1169-02. Der Tan-Delta-Tester für Transformatoröl hilft dabei, die Qualität und Leistung von Transformatorölen zu beurteilen und sicherzustellen, dass sie die erforderlichen Spezifikationen für einen sicheren und effizienten Betrieb erfüllen.

Dieses Gerät ist besonders nützlich für Energieversorgungsunternehmen und Wartungsteams, die den Zustand flüssiger Dielektrika überwachen und sicherstellen müssen, dass diese sich innerhalb akzeptabler Grenzen für eine optimale Leistung befinden.

Die maximal zulässigen tgδ-Werte des Öls für neue Anlagen werden durch Normen oder technische Spezifikationen für diese Anlagen bestimmt, für in Betrieb befindliche Anlagen durch die Dokumentation des Herstellers und die geltenden regulatorischen Dokumente des Verbrauchers.