Die Bedeutung von Genauigkeit, Präzision und Vorhersehbarkeit in der Analyse gelöster Gase
Autoren:
Kate Vacca – Produktmanagerin, Auflösungsgasanalysatoren
Mark Gross – Regionaldirektor NAM, DGA-Fachexperte
In modernen Transformatorüberwachungsprogrammen hängt der Wert der Analyse gelöster Gase (DGA) von einer grundlegenden Anforderung ab: Genauigkeit. Diagnosemethoden und Trendanalysen stützen sich auf präzise, wiederholbare Gasmessungen, um zwischen normalem Betriebsverhalten und potenziellen Fehlermodi im Zusammenhang mit sich entwickelnden elektrischen oder thermischen Belastungen zu unterscheiden. Fehlt es an Messgenauigkeit, wird die diagnostische Sicherheit erheblich verringert und die Entscheidungsfindung erschwert.
DGA ist nicht einfach nur eine "Mehrgas"-Analyse; es handelt sich um einen vollständigen Satz wichtiger und einzigartiger Einzelgasmessungen, die kohärent sein müssen. Diese Datenpunkte werden als eigenständige Referenzen und in Verhältnissen zueinander verwendet, weshalb die Messsicherheit entscheidend ist. Bei vielen Anwendungen umfasst die DGA acht Gase, die mit spezifischen Fehlermodi verbunden sind, plus Stickstoff. Diese Werte müssen durch eine einzige, konsistente Messkette erzeugt werden, um Korrelation und Gesamtmessintegrität zu gewährleisten. Die Kombination mehrerer Messtechnologien kann die Interpretation der Ergebnisse erschweren.
Aus diesem Grund bleibt Genauigkeit ein kritischer Maßstab für alle DGA-Technologien, und deshalb ist die Gaschromatographie (GC) allgemein als Referenzmethode zur Messung gelöster Gase anerkannt. Dies liegt daran, dass sie jedes Gas vor der Messung auf der Grundlage fundamentaler Prinzipien physisch trennt und dann stabile und bewährte Sensoringtechnologien verwendet. Diese Trennung reduziert Querinterferenzen und unterstützt präzise Konzentrationswerte, die für eine zuverlässige Diagnostik unerlässlich sind. Aus diesem Grund ist GC die Messmethode, die in den am häufigsten verwendeten Branchenrichtlinien (CIGRE, IEEE, IECi) neben der Labor-DGA referenziert wird, und es ist die einzige Methode, die in Laboratorien für die Analyse gelöster Gase verwendet wird.
Präzision ist nicht nur für die primären Gase wichtig, die mit Fehlermodi verbunden sind, sondern auch für Sauerstoff und Wasserstoff. Wasserstoff ist ein wichtiges Indikatorgas, das bei den ersten Anzeichen abnormaler elektrischer oder thermischer Aktivität auftritt. Obwohl es nicht in Verhältnissen oder Dreiecken verwendet wird, ist es ein wichtiger Frühindikator, der in der Zustandsüberwachung von Anlagen weit verbreitet ist. Sauerstoff (und Stickstoff) liefert ebenfalls wichtige Einblicke in die Dichtungsintegrität und den Lufteintrag. Obwohl sie keine direkten Indikatoren für Fehlermodi sind, können sie die diagnostische Interpretation beeinflussen und Unsicherheit einführen, wenn Sauerstoff und Stickstoff nicht ordnungsgemäß berücksichtigt werden.
Hier beginnen technologische Unterschiede eine Rolle zu spielen. Infrarot- und IR-ähnliche Ansätze, die in der Online-DGA verwendet werden, einschließlich PAS-, NDIR- und FTIR-Familien, messen Gase durch optische Absorption anstatt durch physische Trennung. Bei allen IR-basierten Architekturen kann nur eine Teilmenge der mit Fehlermodi verbundenen Gase gemessen werden, da zweiatomige Moleküle keine Infrarotenergie absorbieren. Infolgedessen können Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff nur mit separaten Sensortechnologien wie Festkörper- oder elektrochemischen Sensoren erfasst werden.
Systeme, die auf festen optischen Filtern oder breiten Absorptionsbändern beruhen, sind auch anfälliger für Querinterferenzen durch andere Gase und ölgebundene Verbindungen, insbesondere wenn Hintergrundgase, die Infrarotenergie absorbieren, in erhöhten Konzentrationen vorhanden sindii. Es gibt keine Möglichkeit, diese interferierenden Verbindungen ohne vorherige und laufende Öltests vorherzusagen.
Im Gegensatz zur GC messen alle Infrarotverfahren überlappende Absorptionsmerkmale, anstatt jedes Gas unabhängig zu isolieren. Infolgedessen sind IR-basierte Systeme stärker auf Kompensationsalgorithmen, mehrere Kalibrierungspfade und Annahmen über Hintergrundbedingungen angewiesen. Dies macht eine sorgfältige Validierung und Genauigkeitssicherung besonders wichtig, wenn IR-Technologien in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine präzise Fehlermodus-Identifikation und -Differenzierung erforderlich sind.
Im Gegensatz dazu ist GC die einzige DGA-Technologie, bei der alle mit Fehlermodi verbundenen Gase zusammen mit Wasserstoff und Sauerstoff durch einen einzigen chromatographischen Trennungs- und Detektionsrahmen gewonnen werden. Stickstoff wird separat als berechneter Wert auf der Grundlage der kombinierten gemessenen Gaszusammensetzung innerhalb desselben kohärenten Messsystems bestimmt. Die Messung des vollständigen Gassatzes innerhalb eines kohärenten Messsystems unterstützt die Korrelation, Konsistenz und Genauigkeit aller in der DGA-Diagnostik verwendeten Gase.
In vielen Diskussionen über Online-DGA wird die Leistung manchmal eher in Bezug auf Trendanalysen als auf Genauigkeit beschrieben. Dies liegt oft daran, dass relative Veränderungen über die Zeit nützlich erscheinen können, auch wenn die absolute Messgenauigkeit unsicher ist. Trendanalysen allein bestätigen jedoch nicht, dass die gemeldeten Gaskonzentrationen nahe an ihren wahren Werten liegen. Ohne validierte Genauigkeit kann eine konsistente Datenbewegung Sensorfehler, Offsets oder Querinterferenzen widerspiegeln und keine tatsächlichen Veränderungen im Transformator widerspiegeln.
Industriestandards und Laborpraxis machen hier eine klare Unterscheidung. Genauigkeit, wie in ISO 5725-1iii definiert, bezieht sich auf die Nähe zum wahren Wert und umfasst sowohl Richtigkeit als auch Präzision. Richtigkeit kann nur durch Vergleich mit einer anerkannten Referenzmethode festgestellt werden. Für die Analyse gelöster Gase verwendet die Laborprüfung die Gaschromatographie als Referenzmethode, die ausdrücklich in den Leitlinien von IEC, IEEE und CIGRE referenziert wird und weltweit die Grundlage für die DGA-Diagnostik bildet. Infolgedessen erfordert die Validierung der Online-DGA-Genauigkeit letztlich eine Korrelation mit Labor-GC-Ergebnissen.
Trendanalysen können zwar eine Richtungsanzeige liefern, aber nur validierte Genauigkeit stellt sicher, dass Diagnoseschwellenwerte, Fehlermodus-Identifikation und Wartungsentscheidungen auf zuverlässigen Messungen basieren und nicht auf relativen Bewegungen allein. Wenn Offsets und Drift bei anderen Überwachungsinstrumenten wie Temperatur, Strom oder Leistungsfaktor nicht akzeptabel sind, ist es vernünftig, dieselbe Erwartung an kalibrierte, konsistente Gasmessungen zu stellen.
Der Zweck der DGA besteht grundlegend darin, Fehlermodi frühzeitig zu identifizieren, weshalb Genauigkeit so wichtig ist. Ohne ausreichende Genauigkeit können sich die Ergebnisse innerhalb diagnostischer Werkzeuge wie der Duval-Dreiecke und -Pentagonen verschieben, was die gemeldete Fehlermodus-Klassifizierung verändern kann. Dies ist mit den neuesten Verbesserungen von Dr. Duval noch kritischer geworden, wobei Bereiche, die mit bestimmten Fehlermodi verbunden sind, in Teilbereiche unterteilt wurden. Dies hat den Gesamtbereich jedes Fehlermodus reduziert und macht Genauigkeit noch wichtiger, um Fehlinterpretationen zu vermeiden. Beispielsweise wurde die Karbonisierung in die Bereiche C1, C2 und C3 unterteilt.
Darüber hinaus erfordern alle DGA-Systeme Wartung, um die Messintegrität zu erhalten, sei es ein Trägergas, ein Kalibrierungssystem, ein mechanischer Lüfter, Lichtfilter oder Sensorteile. Der entscheidende Unterschied liegt nicht darin, ob Wartung stattfindet, sondern wie sie gehandhabt wird. Wenn Wartung zustandsbasiert und durch strukturierte Serviceprogramme durchgeführt wird, wird sie planbar und transparent anstatt reaktiv. Planbarkeit ermöglicht es Versorgungsunternehmen, Wartungsaktivitäten mit Zuversicht zu planen, unnötige Eingriffe zu vermeiden und eine konsistente Messqualität zu garantieren. Wie bei allen präzisen Systemen werden Wartung und Kalibrierung erwartet, aber die besten Systeme bieten eine frühzeitige Sichtbarkeit, um reaktive und kostspielige Entscheidungen und Mobilisierungen zu vermeiden.
In der Praxis sind Genauigkeit und planbare Wartung keine Kompromisse. Sie sind wesentliche Elemente einer zuverlässigen Transformatordiagnostik und eines langfristigen Anlagenvertrauens. Zusammengenommen ist dies der Grund, warum GC der Referenzstandard für Gasmessungen in Lösung war und weiterhin ist, sowohl im Feld als auch im Labor.
i Einige Beispiele sind CIGRE Technical Brochure 783, XXVIII SNPTEE Technical Paper, IEEE Std C57.104, IEC 60567
ii Infrarotbasierte DGA-Techniken beruhen auf überlappenden Absorptionsmerkmalen und sind inhärent anfällig für Querinterferenzen durch Hintergrundgase und ölgebundene Verbindungen, deren Vorhandensein und Konzentration von der Transformatorölchemie und -alterung abhängen. See Dai et al., Frontiers in Physics (2025); Tang et al., Energies (2018); Valaskivi, Aalto University (2025).
iii ISO 5725-1:2023, Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results — Part 1: General principles and definitions. [iso.org]
