Online-Teilentladungsprüfung für wasserstoffgekühlte Turbinengeneratoren

Turbinengeneratoren in Kernkraft-, Kohle-, Öl- und einigen Gaskraftwerken haben in der Regel eine Leistung von mehr als ein paar hundert Megawatt. Solche Maschinen sind in der Regel wasserstoffgekühlt (und ab 500 MW oder so, sowohl direkt wasser- als auch wasserstoffgekühlt). Wasserstoffgekühlte Turbinengeneratoren haben viele Vorteile. Aufgrund der geringen Masse des Wasserstoffmoleküls ist der Wirkungsgrad einer wasserstoffgekühlten Maschine höher als der einer luftgekühlten Maschine, da der durch den sich drehenden Rotor entstehende "Windverlust" geringer ist.

Das Fehlen von Sauerstoff in der Maschine bedeutet auch, dass Alterungsprozesse, zu denen auch die Oxidation gehört, nicht stattfinden und somit die thermische Alterung viel langsamer verläuft. Hochdruck-Wasserstoff ist auch viel effektiver als Luft bei der Abfuhr von Wärme aufgrund von I2R-Verlusten im Rotor und Stator.

Ein wichtiger Nebeneffekt des Einsatzes von Hochdruck-Wasserstoff (15 - 60 psi-g, oder 100 - 400 kPa-g) in Turbinengeneratoren ist, dass er Teilentladungen stark unterdrückt. Die elektrische Durchschlagsfestigkeit von Luft und Wasserstoff ist sehr ähnlich. Was die Durchschlagsfestigkeit des Wasserstoffs so viel höher macht, ist der Druckeffekt.

Seit mehr als einem Jahrhundert ist bekannt, dass die elektrische Durchschlagsfestigkeit stark vom Druck des Gases beeinflusst wird. Die meisten Gase haben in trockenem Zustand und bei 100 kPa eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von etwa 3 kV/mm. Ist der Druck dagegen dreimal so hoch, beträgt die Durchschlagsfestigkeit 9 kV/mm. Die dramatische Auswirkung des Drucks auf den Durchschlag führt dazu, dass Teilentladungen in wasserstoffgekühlten Hochdruckmaschinen unterdrückt werden.

Die häufig gestellten Fragen lauten also:

1. Ist Teilentladung eine Ursache für Isolationsausfälle?
2. Ist eine Online-Teilentladungsüberwachung sinnvoll?

Die kurze Antwort lautet Nein bzw. Ja.

Teilentladungen treten in wasserstoffgekühlten Turbinengeneratoren trotz des Druckeffekts manchmal noch auf. Ein Grund für das Auftreten von Teilentladungen ist die Tatsache, dass solche Maschinen oft für eine höhere Betriebsspannung (bis zu 27 kV) und eine höhere durchschnittliche elektrische Belastung (typischerweise >3 kV/mm im Vergleich zu luftgekühlten Maschinen) ausgelegt sind.

Das heißt, die Hersteller machen sich die teilentladungshemmenden Eigenschaften von Hochdruckwasserstoff zunutze und verringern die Abstände im Vergleich zu luftgekühlten Maschinen. Außerdem führen bestimmte Arten von Degradation immer noch zu den elektrischen Feldern, die zum Brechen von Hochdruckwasserstoff erforderlich sind. Aber anders als bei luftgekühlten Maschinen wird die Isolierung durch die Teilentladung selbst nicht nennenswert beeinträchtigt.

Die größeren Teilentladungen, die normalerweise in luftgekühlten Maschinen gemessen werden, können Epoxidharz langsam zersetzen (auch wenn es Jahrzehnte dauern kann) - wichtiger ist jedoch, dass die Teilentladung in Luft Salpetersäure erzeugt, die die Isolierung chemisch angreifen kann. Dieses Phänomen des chemischen Angriffs gibt es bei wasserstoffgekühlten Maschinen nicht. Meiner Erfahrung nach waren Teilentladungen noch nie die direkte Ursache für Ausfälle in wasserstoffgekühlten Maschinen.

Ist also eine TE-Überwachung in wasserstoffgekühlten Maschinen sinnvoll? Über 50 Jahre Erfahrung haben gezeigt, dass die Online-Teilentladungsprüfung zwei wichtige Fehlerprozesse in wasserstoffgekühlten Turbinengeneratoren aufdecken kann:

1. Lockere Wicklungen in der Nut, die zu einer Nutentladung führen
2. Verunreinigung der Statorendwicklungen durch teilweise leitfähige Materialien, wie z.B. Öl gemischt mit Staub/Schmutz, was zu einer elektrischen Kriechstrombildung führt.

In diesen Fällen ist die Teilentladung nur ein Symptom dafür, dass lose Wicklungen und Verunreinigungen vorhanden sind. Insbesondere ist die Teilentladung nur ein Symptom und kein Faktor, der zur Verschlechterungsrate beiträgt.

Diese Fähigkeit, lose Wicklungen in der Nut und Verschmutzung zu erkennen, wurde in Dutzenden von Fallstudien nachgewiesen, die seit den 1970er Jahren veröffentlicht wurden. Die Teilentladung, die ein Symptom dieser beiden Verschlechterungsprozesse ist, ist der Grund dafür, dass alle großen Turbinengeneratorhersteller Online-Teilentladungstests anbieten (ebenso wie Iris-Qualitrol).

Es ist jedoch anzumerken, dass die Online-Teilentladung nicht in der Lage zu sein scheint, kleine Wasserlecks in der Isolierung oder Vibrationen der Endwicklung zu erkennen - zwei weitere wichtige Ursachen für die Alterung oder den Ausfall der Startwicklung.