Endwicklungsentladungen mit Teilentladungsüberwachung erkannt

Die Teilentladungsüberwachung ist zu einem wichtigen Instrument für Versorgungsunternehmen geworden, die alternde Generatorflotten verwalten. Diese Fallstudie von BC Hydro veranschaulicht, wie eine kontinuierliche Online-Überwachung eine Verschlechterung des Isolationszustands erkennen und wirksame Wartungsmaßnahmen einleiten kann.

Die Herausforderung alternder Generatoren

Wasserkraftgeneratoren sind für eine lange Lebensdauer ausgelegt und arbeiten oft 40, 50 oder sogar 60 Jahre lang zuverlässig. Mit zunehmendem Alter dieser Maschinen können die Isolationssysteme der Statorwicklungen jedoch verschiedene Formen der Verschlechterung aufweisen. Die Herausforderung für Versorgungsunternehmen besteht darin, diese Probleme früh genug zu erkennen, um eine geplante Wartung durchzuführen, anstatt auf unerwartete Ausfälle zu reagieren.

Die herkömmliche regelmäßige Prüfung während geplanter Stillstände liefert nur Momentaufnahmen des Isolationszustands. Zwischen diesen Prüfungen - die im Abstand von Jahren stattfinden können - können sich die Bedingungen ändern. Die kontinuierliche Online-Überwachung schließt diese Lücke, indem sie einen ständigen Einblick in den Zustand der Statorwicklung bietet, während der Generator unter normalen Bedingungen arbeitet.

Hintergrund des Falls

Unternehmen: BC Hydro, British Columbia, Kanada

Maschinenspezifikationen:

• Typ: Luftgekühlter Stromerzeuger.
• Leistung: 239 MVA, 13,8 kV.
• Alter: 37 Jahre alt.
• Hersteller: Confidential.

Mit einem Alter von 37 Jahren war dieser Generator in der Flotte von BC Hydro bereits ein alter Hut. Obwohl die Maschine immer noch zuverlässig arbeitet, sollte sie genau überwacht werden, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und eine vorausschauende Wartungsplanung zu ermöglichen.

Das Überwachungssystem

BC Hydro stattete diesen Generator mit einem umfassenden Teilentladungsüberwachungssystem aus. Die Installation bestand aus sechs PDA-Kopplern (kapazitive Sensoren) an jeder der drei Phasen - insgesamt achtzehn Sensoren. Diese Sensoren wurden an ein HydroTrac-Dauerüberwachungsgerät angeschlossen.

Kapazitive Koppler erfassen die Hochfrequenzsignale, die durch die Teilentladungsaktivität innerhalb des Isolationssystems erzeugt werden. Durch die kontinuierliche Erfassung und Analyse dieser Signale während des normalen Generatorbetriebs kann das Überwachungssystem Veränderungen in den Entladungsmustern erkennen, die auf sich entwickelnde Probleme hinweisen.

Der Vorteil der kontinuierlichen Überwachung gegenüber periodischen Tests ist die Möglichkeit, Trends im Laufe der Zeit zu beobachten und Probleme zu erkennen, sobald sie sich zu entwickeln beginnen, anstatt auf den nächsten geplanten Ausfall zu warten.

Was die Daten enthüllten

Das HydroTrac-Überwachungssystem erkannte Teilentladungsaktivitäten speziell im Endwindungsbereich der Statorwicklung. Endwindungen (auch Endwindungen oder Überhänge genannt) sind die Teile der Spulen, die an beiden Enden der Maschine über den Statorkern hinausragen. Diese Bereiche sind besonders anfällig für bestimmte Arten von Isolationsproblemen, da sie der inneren Atmosphäre ausgesetzt sind und nicht innerhalb der Kernnuten geschützt werden.

Die Entladungsaktivität war in Phase C des Drehstromsystems am stärksten ausgeprägt. Die Analyse der Teilentladungsmuster lieferte wichtige diagnostische Informationen über die Art und Schwere des Problems.

Die diagnostische Signatur verstehen

Die Teilentladungsdaten von Phase C wurden in einem zweidimensionalen Diagramm dargestellt, das die Beziehung zwischen der Entladungsstärke und dem Wechselspannungszyklus zeigt. Diese Art der Darstellung ist ein Standard-Diagnosewerkzeug bei der Teilentladungsanalyse.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, zeigt die Darstellung ein großes Buckel bei hohen Entladungsstärken. Dieser Buckel trat sowohl im positiven als auch im negativen Teil des Wechselstromzyklus auf, was auf eine Entladungsaktivität hinweist, die während der gesamten Spannungswellenform auftritt. Die Größenordnung und das Muster dieser Aktivität wiesen auf einen Zustand hin, der Aufmerksamkeit erforderte.

_{Abbildung 1: 2D-PD-Diagramm zeigt Buckel bei hohen Beträgen - Phase C}

Die Möglichkeit, Entladungsmuster auf diese Weise zu charakterisieren, ist einer der Hauptvorteile der modernen Teilentladungsüberwachung. Anstatt einfach nur festzustellen, dass eine Entladung vorhanden ist, kann das System detaillierte Informationen über die Größe, die Häufigkeit und das Phasenverhältnis der Entladung liefern - all das hilft bei der Diagnose der zugrunde liegenden Ursache.

Wartungsreaktion

Ausgestattet mit spezifischen Informationen über den Ort und die Art der Entladungsaktivität konnte das Wartungsteam von BC Hydro einen gezielten Eingriff planen. Die Daten der PDA-Kupplungen zeigten an, dass die Entladung in der Nähe bestimmter Sensoren auftrat, so dass sich das Personal auf einen bestimmten Bereich der Wicklung konzentrieren konnte.

Der Reparaturprozess

Die Wartungsarbeiten konzentrierten sich auf die zehn Statorstäbe, die sich am nächsten an den PDA-Kupplungen befanden, die die erhöhte Entladungsaktivität festgestellt hatten. Diese Stäbe wurden einem zweistufigen Reparaturverfahren unterzogen:

1. Reinigung: Die Oberflächen der zehn identifizierten Stäbe wurden gründlich gereinigt.
2. Neubeschichtung: Nach der Reinigung wurden die Stäbe mit rotem Glyptal-Epoxid beschichtet.

Glyptal-Epoxid ist ein Standardisoliermaterial, das in elektrischen Maschinenanwendungen verwendet wird. Durch die Neubeschichtung wurde die Isolationsoberfläche dieser Stäbe wiederhergestellt.

Messbare Ergebnisse

Einer der wertvollsten Aspekte der kontinuierlichen Überwachung ist die Möglichkeit, sofort zu überprüfen, ob eine Reparatur erfolgreich war. Anstatt auf den nächsten geplanten Test oder anhaltende Probleme zu warten, können die Betreiber in Echtzeit sehen, ob die Korrekturmaßnahme die Grundursache beseitigt hat.

In diesem Fall waren die Ergebnisse eindeutig und dramatisch.

Post-Repair Performance

Nach Abschluss der Wartungsarbeiten überwachte HydroTrac weiterhin die Teilentladungswerte aller drei Phasen und erstellte Trends. Die Trenddaten für Phase C zeigten einen deutlichen Rückgang der Teilentladungsaktivität (Abbildung 2).

_{Abbildung 2: Trend der Teilentladungsaktivität - Phase C}

Das Trenddiagramm erstreckt sich von April 2005 bis Januar 2006 und zeigt deutlich die Auswirkungen der Reparatur. Vor dem Wartungseingriff im Oktober 2005 wies Phase C TE-Werte von über 2.500 mV auf. Nach der Reinigung und Neubeschichtung der zehn Stäbe sanken die Entladungswerte auf unter 500 mV - eine Verringerung um mehr als 80 %.

Wichtig ist, dass die Überwachungsdaten zeigen, dass diese Verbesserung über einen längeren Zeitraum anhielt. Die Teilentladungswerte blieben bis Januar 2006 und darüber hinaus niedrig und stabil, was bestätigt, dass die Reparatur das zugrundeliegende Problem erfolgreich angegangen ist und nicht nur vorübergehende Abhilfe geschaffen hat.

Das Wertangebot

Diese Fallstudie zeigt mehrere wichtige Vorteile, die die kontinuierliche Teilentladungsüberwachung für das Management der Generatorflotte bietet:

Frühzeitige Problemerkennung

Das Überwachungssystem identifizierte ein Isolationsproblem, während der Generator noch normal arbeitete. Es gab keine Anzeichen für einen Ausfall, keinen Alarm, keine Auslösung, sondern nur eine sich allmählich entwickelnde Entladungsaktivität, die von der kontinuierlichen Überwachung in ihrem Frühstadium erkannt wurde. Diese frühzeitige Warnung ermöglichte es, Wartungsarbeiten während eines günstigen Stromausfalls zu planen und durchzuführen, anstatt auf einen Notfall zu reagieren.

Diagnosepräzision

Die Überwachungsdaten zeigten nicht nur an, dass irgendwo etwas nicht in Ordnung ist, sondern lieferten auch spezifische Informationen darüber, wo sich das Problem befand (Phase C, Endwindungsbereich, in der Nähe bestimmter Sensoren) und welche Art von Entladungsmuster auftrat. Diese detaillierte Diagnose ermöglichte gezielte Reparaturen anstelle umfangreicher Untersuchungen oder eines umfassenden Austauschs.

Effizienter Einsatz von Wartungsressourcen

Da die Überwachungsdaten den Problembereich genau lokalisierten, konnte das Wartungspersonal seine Bemühungen auf zehn bestimmte Stäbe konzentrieren, anstatt die gesamte Wicklung zu inspizieren. Diese Effizienz schlägt sich direkt in kürzeren Ausfallzeiten und niedrigeren Wartungskosten nieder.

Objektive Reparaturüberprüfung

Die Trenddaten nach der Reparatur lieferten einen quantitativen, objektiven Nachweis, dass die Wartungsarbeiten erfolgreich waren. Anstatt sich auf eine visuelle Inspektion oder eine subjektive Beurteilung zu verlassen, bestätigte dasselbe Überwachungssystem, das das Problem entdeckt hatte, dass es behoben worden war. Diese Bestätigung gibt den Betreibern die Sicherheit, die Maschine wieder in Betrieb zu nehmen.

Langfristiges Asset Management

Über den unmittelbaren Fall hinaus liefert die kontinuierliche Überwachung wertvolle Informationen für langfristige Asset-Management-Entscheidungen. Die Daten helfen den Versorgungsunternehmen zu verstehen, bei welchen Maschinen Probleme auftreten, welche Arten von Problemen es gibt und wie schnell sich die Bedingungen ändern. Diese Informationen unterstützen eine bessere Planung für die künftige Wartung und einen eventuellen Austausch.

Breiterer Kontext: Technologie zur Überwachung von Teilentladungen

Die in diesem Fall demonstrierte Technologie wird immer häufiger in Programmen zur Zustandsüberwachung von Generatoren eingesetzt. Wenn man versteht, wie sie funktioniert, kann man erklären, warum sie so effektiv ist.

Was ist Teilentladung?

Teilentladung ist eine örtlich begrenzte elektrische Entladung, die die Isolierung zwischen Leitern nur teilweise überbrückt. Im Gegensatz zu einem vollständigen Durchschlag (der zu einem sofortigen Ausfall führen würde) sind Teilentladungen kleine Ereignisse, die wiederholt in Hohlräumen, entlang von Oberflächen oder an anderen Schwachstellen des Isolationssystems auftreten.

Einzelne Entladungen beschädigen die Isolierung zwar nicht sofort, können aber im Laufe der Zeit zu einer Verschlechterung beitragen. Noch wichtiger ist, dass das Vorhandensein von Teilentladungen als Indikator dafür dient, dass etwas mit dem Isolationssystem nicht stimmt - es gibt Hohlräume, Verunreinigungen, Verschlechterung oder andere Defekte, die nicht vorhanden sein sollten.

Warum online überwachen?

Teilentladungen können entweder offline (bei abgeschaltetem Generator und angelegter Prüfspannung) oder online (während des normalen Betriebs) gemessen werden. Jede Methode hat ihre Vorteile, aber die Online-Überwachung bietet mehrere einzigartige Vorteile:

• Reale Betriebsbedingungen: Der Generator ist den tatsächlichen Betriebsspannungen, Temperaturen und mechanischen Kräften ausgesetzt.
• Kontinuierliche Trends: Veränderungen können sofort erkannt werden, anstatt Monate oder Jahre zwischen den Tests zu warten.
• Keine Unterbrechung: Die Prüfung erfolgt, ohne dass der Generator außer Betrieb genommen werden muss.
• Betriebsverlauf: Das System erstellt einen vollständigen Verlauf des Entladungsverhaltens unter verschiedenen Betriebsbedingungen.

Anwendung auf Hydro-Generatoren

Hydro-Generatoren bieten sowohl Möglichkeiten als auch Herausforderungen für die Teilentladungsüberwachung. Einerseits arbeiten diese Maschinen typischerweise mit relativ moderaten Spannungen (im Vergleich zu großen Turbinengeneratoren), was die Entladungserkennung erleichtern kann. Andererseits sind die Maschinen oft recht alt, unterliegen unterschiedlichen Betriebsbedingungen und können eine Vielzahl von Isolationsproblemen entwickeln.

Endwicklungsprobleme, wie sie in diesem Fall festgestellt wurden, sind bei Wasserkraftgeneratoren besonders häufig, weil:

• Die Endwicklungen sind der Innenatmosphäre ausgesetzt.
• Luftströmungsmuster können Verunreinigungen auf den Isolationsoberflächen ablagern.
• Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen können die Oberflächenbeschaffenheit beeinflussen.
• Die Maschinen können jahrzehntelang in Betrieb sein, so dass sich allmählich Verunreinigungen ansammeln können.

Lektionen für das Management von Stromerzeugerflotten

Dieser Fall von BC Hydro bietet verschiedene Anhaltspunkte für Versorgungsunternehmen, die ähnliche Anlagen verwalten:

• Investieren Sie in die Überwachungsinfrastruktur: Die relativ bescheidene Investition in PDA-Kupplungen und Überwachungsinstrumente zahlte sich aus, da ein Problem frühzeitig erkannt und gezielte Reparaturen ermöglicht wurden.
• Act on the Data: Eine Überwachungstechnologie ist nur dann wertvoll, wenn die Daten überprüft, analysiert und entsprechend gehandelt wird. Das Team von BC Hydro verfügte eindeutig über Verfahren zur Überprüfung von Trenddaten und zur angemessenen Reaktion.
• Ergebnisse dokumentieren und weitergeben: Durch die Dokumentation dieses Falles (durch Veröffentlichung auf der IRMC 2006) trug BC Hydro zum Wissen der Branche bei und half anderen Versorgungsunternehmen, aus ihren Erfahrungen zu lernen.
• Betrachtung des flottenweiten Einsatzes: Der Erfolg dieser Maschine legt nahe, ähnliche Überwachungsmaßnahmen auch bei anderen Generatoren der Flotte einzusetzen, insbesondere bei älteren Anlagen.

Schlussfolgerung

Für BC Hydro hat die kontinuierliche Teilentladungsüberwachung an diesem 37 Jahre alten Wasserkraftgenerator erfolgreich Entladungsaktivitäten an den Wicklungsenden aufgedeckt, die Aufmerksamkeit erforderten. Die Überwachungsdaten ermöglichten eine gezielte Wartung - Reinigung und Neubeschichtung von zehn Statorstäben -, die zu einer erheblichen und nachhaltigen Verringerung der Entladungswerte führte.

Der Fall veranschaulicht den praktischen Wert der Online-Zustandsüberwachung für rotierende Maschinen. Indem sie einen kontinuierlichen Einblick in den Zustand der Isolierung, eine frühzeitige Warnung vor sich entwickelnden Problemen, Diagnoseinformationen zur Anleitung von Reparaturen und eine objektive Überprüfung der Wirksamkeit der Wartung bietet, hilft diese Technologie den Versorgungsunternehmen, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer kritischer Erzeugungsanlagen zu maximieren.

Da Generatorflotten immer älter werden und sich die Intervalle zwischen größeren Überholungen verlängern, werden zustandsorientierte Wartungsansätze, die durch eine kontinuierliche Überwachung unterstützt werden, immer wichtiger, um die Zuverlässigkeit der Flotte aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die Kosten zu kontrollieren.

Referenz:

S. Li and J. M. Y. Chow, "Partial Discharge Measurements on Hydro Generator Stator Windings Case Studies," IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 23, no. 3, pp. 5-15, May-June 2007, doi: 10.1109/MEI.2007.369456