Wie erkennt man einen gefährlichen Anstieg der Wasserstoffkonzentration in einem Transformator?

Wasserstoff ist einer der frühesten Indikatoren dafür, dass mit der Isolierung eines Transformators etwas nicht stimmt. Er erscheint im Isolieröl früher als die meisten anderen Fehlergase und weist häufig auf Prozesse hin, die schließlich zu schwerwiegenden Schäden am Betriebsmittel führen können. Das Problem besteht darin, dass viele Energieversorger und Industriebetriebe steigende Wasserstoffwerte erst dann erkennen, wenn eine Analyse der im Öl gelösten Gase (DGA) kritische Werte aufzeigt – in der Regel auf Grundlage von Laboruntersuchungen, die vierteljährlich oder sogar nur einmal pro Jahr durchgeführt werden. Bis dahin kann sich der Defekt bereits so weit entwickelt haben, dass Reparaturen wesentlich kostspieliger sind als vorbeugende Wartungsmaßnahmen.

Dieser Artikel erläutert, warum Wasserstoff besondere Aufmerksamkeit verdient, und stellt die praktischsten Methoden zu seiner Überwachung vor.

Warum Wasserstoff wichtiger ist als andere Gase

Wenn sich Isolieröl aufgrund erhöhter Temperaturen oder elektrischer Entladungen zersetzt, ist Wasserstoff in der Regel das erste entstehende Gas – und häufig auch das mengenmäßig bedeutendste. Er beginnt sich bei Temperaturen von etwa 150 °C (302 °F) zu bilden und kann bis zu 59 % des gesamten Gasvolumens ausmachen, das bei der Ölzersetzung entsteht.

Wasserstoff entsteht auch bei Teilentladungen, bei denen die Ionisation die schwächsten Kohlenwasserstoffbindungen im Isolieröl aufbricht und so zu einer allmählichen Anreicherung von Wasserstoff führt.

Einer der größten Vorteile von Wasserstoff als Diagnoseindikator ist sein physikalisches Verhalten. Obwohl seine Löslichkeit im Isolieröl relativ gering ist, diffundiert er sehr schnell durch das Öl. Dadurch verteilt sich selbst eine geringe Menge, die an einer lokalen Fehlerstelle – beispielsweise in der Nähe einer Teilentladung – entsteht, rasch im gesamten Öl und kann erkannt werden, lange bevor der Defekt einen kritischen Zustand erreicht.

Methode 1: Regelmäßige Expressmessungen vor Ort

Wenn eine kontinuierliche Online-Überwachung nicht erforderlich oder nicht praktikabel ist, besteht die empfohlene Mindestlösung in der regelmäßigen Messung von Wasserstoff- und Feuchtigkeitsgehalt direkt vor Ort, ohne Ölproben an ein Labor senden zu müssen.

Dies kann mit dem tragbaren Expressmessgerät TOR-2 erfolgen, das den Wasserstoff- und Feuchtigkeitsgehalt (ppm) in Transformatorenöl sowie in anderen mineralischen und Ester-Isolierflüssigkeiten misst.

Der größte Vorteil dieser Methode liegt in ihrer Schnelligkeit und Wiederholbarkeit. Eine Messung dauert nur wenige Minuten statt mehrerer Tage oder sogar Wochen, wie sie für Laboranalysen erforderlich sind. Dadurch können Prüfungen so häufig durchgeführt werden, wie es erforderlich ist – wöchentlich, monatlich oder im Rahmen geplanter Wartungsinspektionen.

Noch wichtiger als ein einzelner Messwert ist jedoch dessen Entwicklung. Steigt die Wasserstoffkonzentration von einer Inspektion zur nächsten kontinuierlich an, wird eine weiterführende Diagnose empfohlen, auch wenn der absolute Wert noch keinen kritischen Bereich erreicht hat.

Methode 2: Kontinuierliche Online-Überwachung

Bei besonders kritischen Transformatoren – wenn sich ein Defekt innerhalb weniger Stunden entwickeln kann, sich das Betriebsmittel in einer abgelegenen Umspannanlage befindet oder bereits der Verdacht auf Teilentladungen besteht – hinterlassen selbst wöchentliche manuelle Messungen erhebliche Zeiträume ohne Informationen.

In solchen Fällen ist die kontinuierliche Überwachung mit dem System TOR-5 die geeignetere Lösung. Der Wasserstoffsensor ist als optionale Erweiterung der Standardkonfiguration zur Feuchtigkeitsüberwachung erhältlich.

Im Vergleich zu Laboranalysen oder regelmäßigen Messungen mit dem TOR-2 bietet die kontinuierliche Überwachung mehrere praktische Vorteile:

• Die Messwerte werden rund um die Uhr im Minutentakt erfasst und nicht nur einmal pro Woche oder Monat. Ein schneller Anstieg der Wasserstoffkonzentration wird dadurch bereits am selben Tag sichtbar und nicht erst Wochen später.
• Die Daten werden über eine Mobilfunkverbindung direkt in die Cloud übertragen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, die Anlage vor Ort aufzusuchen, um den Zustand des Transformators zu überprüfen. Trends der Wasserstoffkonzentration können jederzeit aus der Ferne eingesehen werden.
• Das System berechnet auf Basis der Sensordaten zusätzliche Diagnoseparameter, darunter den Zustand der Isolierung sowie die geschätzte Durchschlagspannung des Öls. Dadurch wird eine umfassendere Bewertung ermöglicht als durch die alleinige Messung der Wasserstoffkonzentration.
• Überschreitet der Feuchtigkeitsgehalt die voreingestellten Grenzwerte, kann die angeschlossene Ölentfeuchtungs- und Filtrationseinheit automatisch starten – ohne Eingreifen des Bedienpersonals und unabhängig von Tageszeit oder Anwesenheit von Mitarbeitern vor Ort.

Der entscheidende Vorteil gegenüber periodischen Messungen liegt nicht in einer höheren Messgenauigkeit, sondern in der schnelleren Erkennung sich verändernder Trends. Anstatt ein sich entwickelndes Problem erst Tage oder Wochen später festzustellen, können Betreiber ungewöhnliches Verhalten nahezu unmittelbar nach dessen Beginn erkennen.

Die richtige Vorgehensweise wählen

Ist ein Transformator relativ neu, arbeitet unter stabilen Bedingungen und zeigt keine Anzeichen einer aktiven Fehlerentwicklung, sind regelmäßige Messungen mit dem TOR-2 im Rahmen der planmäßigen Wartung in der Regel ausreichend. Diese Lösung ist kosteneffizient, einfach umzusetzen und liefert dennoch wertvolle Informationen über die langfristige Entwicklung.

Ist der Transformator hingegen älter, von entscheidender Bedeutung für den Produktionsprozess, weit entfernt vom Wartungspersonal installiert oder bestehen bereits Hinweise auf Teilentladungen oder Überhitzung, ist die kontinuierliche Überwachung mit dem TOR-5 und optionalem Wasserstoffsensor die bessere Wahl. Sie ermöglicht es, gefährliche Veränderungen sofort zu erkennen, anstatt sie erst im Nachhinein festzustellen.

Ein gefährlicher Anstieg der Wasserstoffkonzentration lässt sich nur selten anhand einer einzelnen Messung erkennen. Entscheidend ist vielmehr, wie schnell sich die Wasserstoffwerte im Laufe der Zeit verändern.

Die wichtigste praktische Regel lautet: Steigt die Wasserstoffkonzentration zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen deutlich an, sollte unverzüglich eine weiterführende Untersuchung eingeleitet werden – selbst dann, wenn der gemessene Wert noch unter den herkömmlichen Alarmschwellen liegt.

Das Ziel besteht nicht darin, Wasserstoff nur einmal zu messen, sondern eine Überwachungsstrategie zu etablieren, bei der sich ein sich entwickelnder Trend nicht übersehen lässt – sei es durch regelmäßige Messungen mit einem tragbaren Analysegerät oder durch eine kontinuierliche Online-Überwachung in Echtzeit.