Hoe transformatoren draaiende houden?

Shell lanceert nieuwe duurzame transformatorolie

In september heeft Shell een nieuw type biologisch afbreekbare olie voor transformatoren op de markt gebracht. Dit is een verbeterde versie van de transformatorolie op basis van aardgas, die het bedrijf voor het eerst in 2012 introduceerde. Met de nieuwe olie mikt het bedrijf onder andere op de toename van nieuwe transformatoren in hoogspannings- en distributienetwerken. De laatstgenoemde moeten vandaag de dag ook kunnen omgaan met tweerichtingsverkeer van stroom vanwege de opkomst van zonnepanelen.

Nieuwe transformatorolie

Shell maakt de transformatorolie op een aantal plaatsen in de wereld op basis van GTL-olie afkomstig uit zijn fabriek in Qatar. Daar zet het bedrijf aardgas met Fischer-Tropsch-synthese om in paraffine-achtige verbindingen met lange molecuulketens.
“Voor de transformatorolie voorzien we die van zijtakken, zodat de olie een laag stolpunt heeft, want de transformatoren moeten ook bij 20 of 30 graden onder nul goed kunnen functioneren. Zonder zijtakken zou er een soort kaarsvet overblijven met een stolpunt boven kamertemperatuur”, zegt Ed Van Schaik, productspecialist op het gebied van transformator- en compressoroliën.

De nieuwe Shell Diala S5 BD-olie heeft een stolpunt van -51 °C, zo’n tien graden lager dan de Shell Diala S4 ZX-I-olie die het bedrijf in 2012 introduceerde. “Dit biedt een voordeel bij het gebruik in koude gebieden, met name Noord-Scandinavië en Canada”, aldus Van Schaik.

GTL-olie als schone grondstof

Het concern begon ongeveer tachtig jaar geleden met de productie van transformatorolie op basis van aardolie. De transformatorolie dient om de geproduceerde warmte af te voeren en om onderdelen elektrisch van elkaar te isoleren. In 2012 zette het concern de stap naar olie op basis van aardgas. Deze olie heeft verschillende voordelen.

Zwavelvrij

“Uit olie op aardoliebasis moeten we eerst alle zwavel- en stikstof- en metaalhoudende verbindingen verwijderen, evenals polycyclische aromaten. Bij aardgas beginnen we meteen met een schone grondstof, namelijk GTL-olie. Aangezien de transformatorolie zwavelvrij is, kan ze ook geen koper-zwavel-corrosie veroorzaken”, legt Van Schaik uit.

Biologisch afbreekbaar

Een ander belangrijk voordeel van deze nieuwe olie is dat ze biologisch afbreekbaar is. 
“De basisolie ‘tweaken’ we een beetje, waardoor die voldoet aan de OECD 301B-test. Deze laboratoriumtest schrijft voor dat binnen 28 dagen 60% van de olie in een milieu van water en bacteriën moet zijn omgezet in biomassa.”

In deze OECD 301B-test worden traditionele naphthenische oliën binnen 28 dagen voor hooguit 10% tot 15% omgezet in biomassa. Tevens is de nieuwe olie goedkoper dan de traditionele op esters gebaseerde biologisch afbreekbare oliën, licht Van Schaik toe. Hij wijst erop, dat er steeds meer transformatoren in de buurt van open water komen te staan. Die vullen de energiemaatschappijen bij voorkeur met de biologisch afbreekbare olie. Dat voorkomt milieuproblemen bij lekkage. Dat neemt niet weg dat zij nog steeds verplicht zijn gelekte olie op te ruimen.

‘Multigrade’

De transformatorolie is net als de motorolie van auto’s van tegenwoordig een zogenoemde multigrade-olie. Het werkgebied van deze olie loopt van -50 °C en tot + 120 °C. “Bij zware belasting van de transformator kan de temperatuur van de kern oplopen tot 70 à 80 graden. Ook kunnen er hotspots van 100 à 110 graden voorkomen. Dat is allemaal geen probleem. Het vlampunt van de nieuwe olie ligt namelijk bij 160 graden Celsius. Aangezien het vlampunt twintig graden hoger ligt dan dat van standaard naphthenische transformatorolie biedt dit wat extra veiligheid”, aldus Van Schaik.

"Aangezien het vlampunt twintig graden hoger ligt dan dat van standaard naphthenische transformatorolie biedt dit wat extra veiligheid”

Ook vallen de ketenlengtes van de moleculen, anders dan bij olie op aardoliebasis, binnen een smalle bandbreedte. 
“Hierdoor kun je het gedrag van deze olie goed voorspellen. Bij de traditionele olie verschilt de samenstelling van het oliemoleculen afhankelijk van de bron van de aardolie, waardoor het gedrag van die olie minder goed te voorspellen is”, verklaart Van Schaik.

Online monitoren

“Tegenwoordig kun je de transformatoren van het begin af aan online monitoren. De online sensoren, die in opkomst zijn, richten zich vooral op ‘fout-gassen’ in de olie. Door de consistente samenstelling van de nieuwe olie, is er minder ‘ruis’ als gevolg van variatie in moleculen. Interne fouten, die in de transformatoren ontstaan en bijvoorbeeld warme plekken (hot spots) veroorzaken, kun je aan de hand van de veranderingen in de samenstelling en concentratie van de fout-gassen in de olie online detecteren”, legt Van Schaik uit.

In de transformatoren kunnen na verloop van tijd storingen ontstaan. De spoelen ervan zitten weliswaar stevig vast, maar staan bloot aan wisselende elektromechanische krachten als gevolg van veranderingen in de stroomsterkte. Dat kan op den duur tot vermoeidheid van de constructie leiden. Koelkanalen kunnen dan bijvoorbeeld door vrijkomende verontreinigingen dichtslibben, waardoor hotspots ontstaan. De nieuwe generatie onlinesensoren helpen dit probleem vroegtijdig te signaleren.

Ook kan het papier, dat samen met de olie als isolatiemateriaal tussen de koperwikkelingen fungeert, op bepaalde plaatsen verzwakken of kapot gaan met elektrische kortsluitingen en ontladingen als gevolg. De gassen die hierdoor ontstaan, kunnen in de olie worden gemeten.
“Bij een olie met een consistente samenstelling van moleculen, is er minder ruis, waardoor je de analyseresultaten beter kunt interpreteren”, aldus Van Schaik.

“Bij een olie met een consistente samenstelling van moleculen, is er minder ruis, waardoor je de analyseresultaten beter kunt interpreteren”

Online monitoring maakt het al met al mogelijk problemen tijdig te signaleren, zodat onderhoud tijdig uitgevoerd kan worden. Hierdoor vermindert het aantal onverwachte storingen en daarmee de uitvaltijd. Met al die verschillende eigenschappen voldoet de nieuwe olie volgens Shell ruimschoots aan de eisen van de dit jaar herziene internationale standaard IEC 60296 Editie 5 (2020, type A (high grade) voor transformatorolie.

Verder blijkt uit de testresultaten van oxidatietesten conform de IEC61125 methode, dat moderne gedoopte (inhibited) transformatoroliën drie keer zo lang meegaan als traditionele oliën.

“Met het oog op het sluiten van de koolstofketen in de economie zijn we ook op zoek naar een methode om de transformatorolie na bijvoorbeeld zestig jaar trouwe dienst zo te behandelen, dat die opnieuw gebruikt kan worden. Afhankelijk van de elektrische eigenschappen van de olie valt te denken aan recycling of reconditioneren, filtreren, nieuwe antioxidanten toevoegen, et cetera. Op die manier kan bijvoorbeeld de Diala S4-olie uit 2012 in 2072 in aanmerking komen voor hergebruik”, aldus Van Schaik.