Wie Gasgesetze helfen, DGA zu verstehen und Probleme vorherzusagen, bevor Rauch auftritt (buchstäblich)

Tauchen Sie ein in eine Welt, in der Gase die Wahrheit über den Zustand millionenschwerer Investitionen erzählen. Lernen Sie Gesetze kennen, die weder Magie noch Kunst sind – sondern reine Physik.

Wenn Sie sich mit der Diagnostik von Transformatoren beschäftigen, Umspannwerke planen oder Energieinfrastrukturen verwalten, kann das Verständnis grundlegender Gasgesetze Ihren Umgang mit der DGA grundlegend verändern – von einer intuitiven zu einer wissenschaftlich präzisen Methode.

Und dieser Unterschied kann Millionen sparen – nicht durch „Kostensenkung“, sondern durch fundiertere technische Entscheidungen.

Warum sprechen wir über Gasgesetze?

DGA (Dissolved Gas Analysis, also Analyse gelöster Gase) ist mehr als nur „Gefühl und Glaube“. Es handelt sich um die Analyse von Gasen, die im Transformatoröl gelöst sind, und die mikroskopisch kleine Veränderungen erkennen kann – noch bevor ein Ausfall eintritt.

Doch um wirklich zu verstehen, was uns diese Gase sagen wollen, lohnt es sich, bei den physikalischen Gesetzen zu beginnen, die ihr Verhalten bestimmen.

Das ideale Gas ist kein Mythos. Auch wenn die Realität komplexer ist, bieten die Gleichungen des idealen Gases einen Einstieg, um Diffusion, Partialdruck und Gleichgewicht im Öl-Gas-System zu verstehen.

Was genau ist die Analyse gelöster Gase (DGA)?

Die Analyse gelöster Gase – kurz DGA – ist eine Diagnosetechnik, die bei in Öl getauchten Transformatoren eingesetzt wird. Ihr Ziel ist es, Spuren von Gasen zu erkennen, die durch thermische oder elektrische Defekte entstehen.

Diese Gase lösen sich im Isolieröl und fungieren als eine Art „Fingerabdruck“ verschiedener Degradationsprozesse – lange bevor mit bloßem Auge etwas sichtbar wird.

Welche Gase werden bei der DGA untersucht?

Die am häufigsten überwachten sieben Schlüsselgase sind:

• Wasserstoff (H₂) – weist auf frühe Teilentladungen oder Korona-Effekte hin

• Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂) – entstehen bei der Zersetzung von Isolierpapier

• Methan (CH₄) und Ethan (C₂H₆) – Anzeichen für Ölüberhitzung

• Ethylen (C₂H₄) – typischerweise bei hohen Temperaturen, oft an Hot-Spots

• Acetylen (C₂H₂) – ein klarer Indikator für Lichtbögen (die gefährlichste Fehlerart)

Welche Normen und Tests gibt es für Gasanalyse?

ASTM D3612 ist ein internationaler Standard, der Methoden zur Extraktion und Messung von Gasen im Transformatoröl beschreibt. Ergänzt wird er durch Normen wie IEC 60567 und IEC 60599, die Fehlerarten anhand von Gasverhältnissen klassifizieren.

Häufig wird auch von den „drei Gas-Tests“ im Rahmen der DGA gesprochen:

• Gasverhältnis-Test (z. B. Rogers oder Dornenburg) – Vergleich bestimmter Gasverhältnisse

• Duval-Dreieck – eine visuelle Methode zur Fehlerklassifikation anhand von drei dominanten Gasen

• Grenzwert-Test – Bewertung, ob die Konzentration eines bestimmten Gases vordefinierte Alarmschwellen überschreitet

1. Das ideale Gasgesetz – die Grundlage von allem

In der Welt der Transformatoren, in der Präzision Millionen entscheiden kann, ist das ideale Gasgesetz nicht nur eine Formel aus der Schule – es ist das Fundament, auf dem die gesamte Logik der DGA (Dissolved Gas Analysis) aufbaut.

Die Zustandsgleichung:

PV = nRT

kann als das mathematische „DNA“ des Gasverhaltens im Inneren eines Transformators betrachtet werden. Und obwohl ein Transformator kein Vakuum-Laborgefäß ist, funktioniert sein Inneres – insbesondere das Öl-Gas-System – nach denselben physikalischen Prinzipien.

Was bedeuten die einzelnen Symbole?

• P – Gasdruck: wie stark das Gas auf seine Umgebung „drückt“.

  Im Transformator bezieht sich das auf den Partialdruck einzelner Gase im gelösten Zustand oder im Raum oberhalb des Öls.

• V – das Volumen, das das Gas einnimmt. Auch wenn es im Öl gelöst ist.

  Das molare Volumen spielt eine wichtige Rolle bei der Abschätzung der entstandenen Gasmenge.

• n – Stoffmenge in Mol.

  Der Schlüssel zum Verständnis, wie viel Wasserstoff, Methan, Acetylen oder Kohlenstoffoxide durch eine Reaktion entstanden sind.

• R – Gaskonstante. Konstant, aber keineswegs zu vernachlässigen.

  Ein universeller Wert, der alle Variablen logisch miteinander verknüpft.

• T – Temperatur. Im Transformator oft nicht gleichmäßig verteilt.

  „Hot Spots“ können lokal bis zu 200 °C erreichen.

Wie funktioniert das in der Praxis?

Nehmen wir an, durch einen Kurzschluss entsteht eine mikroskopisch kleine Menge Acetylen. Die gemessene Konzentration im Öl ist das eine. Erst mit der Kenntnis der Temperatur in dem betroffenen Bereich sowie der Druckverhältnisse kann man berechnen, wie viel Gas tatsächlich entstanden ist.

Und noch wichtiger: Deutet die Menge auf eine kurzzeitige Überhitzung hin, oder auf einen langfristigen Abbau von Zellulose?

Die ideale Gasgleichung ermöglicht es, „in der Zeit zurückzugehen“ – also aus den detektierten Gasen Rückschlüsse auf die Ursache zu ziehen.

Der Transformator als chemischer Reaktor

Stellen Sie sich den Transformator als ein geschlossenes System vor, in dem jede Änderung von Temperatur oder Volumen den Zustand der Gase beeinflusst.

Erhöhte Temperatur bedeutet ein Anstieg von T, was – bei konstantem Volumen – zu einem Anstieg von P führt.

Deshalb müssen Gasmessungen immer mit Temperaturdaten abgeglichen werden. Ohne diesen Zusammenhang wäre die Interpretation der DGA wie eine Wettervorhersage anhand von Wolken – zu viele Unbekannte.

2. Henry – wie gern löst sich ein Gas?

Stellen Sie sich eine kalte Cola direkt aus dem Kühlschrank vor.

Beim Öffnen zischt es – das ist Kohlendioxid, das aus der Flüssigkeit entweicht. Wenn Sie dieselbe Flasche nun in die Sonne stellen, geschieht Folgendes: Das Gas entweicht schneller, das Getränk wird „schal“.

Genau derselbe Mechanismus wirkt in Transformatoren. Dahinter steckt das Henry-Gesetz – eines der meist unterschätzten, aber entscheidenden physikalischen Prinzipien für die Interpretation der DGA.

Was besagt das Henry-Gesetz?

In seiner einfachsten Form:

C = kH ⋅ P

C – Konzentration des im Öl gelösten Gases (mol/m³)
kH – Henry-Konstante, abhängig von Gasart und Temperatur
P – Partialdruck des Gases über der Flüssigkeit

In der Praxis heißt das: Je höher der Gasdruck, desto mehr Gas löst sich im Öl. Aber – das ist nur die halbe Wahrheit. Denn die Henry-Konstante sinkt mit steigender Temperatur, was bedeutet: Je wärmer es wird, desto weniger Gas kann im Öl verbleiben.

Wie funktioniert das im Transformator?

Angenommen, es kommt zu einer lokalen Überhitzung der Zellulose-Isolierung – es entstehen CO und CO₂. Ein Teil dieser Gase löst sich im Öl, ein anderer steigt in den Gasraum über dem Öl auf. Wenn die Temperatur des Transformators steigt, selbst nur leicht, nimmt die Löslichkeit des Öls ab. Mehr CO entweicht in den Gasraum und die Konzentration im Öl sinkt scheinbar – auch wenn der Degradationsprozess weiter zunimmt.

Achtung! Das ist eine Interpretationsfalle. Die Abwesenheit eines Gases bedeutet nicht zwangsläufig, dass keine Störung vorliegt – möglicherweise ist das Gas bereits entwichen.

Jedes Gas „verhält“ sich anders

Verschiedene Gase haben unterschiedliche kH-Werte:

• Wasserstoff (H₂) – sehr schlecht löslich, entweicht schnell

• Kohlendioxid (CO₂) – relativ gut löslich, bleibt länger im Öl

• Acetylen (C₂H₂) – wenig stabil, aber bei Lichtbögen gut nachweisbar

Dank dieses Wissens können Ingenieure besser beurteilen, ob ein Gas neu entstanden ist oder verzögert gemessen wurde.

Physikalisches Hintergrundwissen für die Interpretation

Im Alltag der DGA reicht es nicht, nur Grenzwerte zu kennen – entscheidend ist auch das Verständnis des physikalischen Kontexts:

• War die Öltemperatur in den letzten Tagen stabil?

• Wie viel Zeit ist seit dem Ereignis vergangen – hatte das Gas Zeit, sich zu lösen oder zu entweichen?

• Unterscheidet sich die Online-Messung deutlich von der Laborprobe?

Das Henry-Gesetz liefert keine fertige Antwort, aber es zeigt: Gase sind keine Zahlen – sie sind physikalische Phänomene, die auf Umweltveränderungen reagieren. Und genau dieses Verständnis verschafft einen echten Vorteil bei der Bewertung des Transformatorzustands.

3. Was passiert, wenn die Temperatur steigt?

Temperatur ist nicht nur der Hintergrund von Prozessen im Transformator – sie ist ihr Hauptkatalysator. Sie bestimmt, ob chemische Reaktionen in Gang kommen oder inaktiv bleiben. Für die Interpretation der DGA ist das Verständnis der Temperaturwirkung absolut essenziell. Denn sie entscheidet darüber, wie viele Gase entstehen, wie schnell sie sich bewegen und wie lange sie im Öl gelöst bleiben.

Wärme als Auslöser gasbildender Reaktionen

Im Inneren eines Transformators herrschen unterschiedliche thermische Bedingungen. Besonders wichtig sind die sogenannten Hot Spots – lokal begrenzte Bereiche mit erhöhter Temperatur, die bis zu 200 °C erreichen können. Dort kommt es zu:

• Pyrolyse von Zellulose-Isolierung (CO, CO₂)

• Thermischer Zersetzung des Öls (CH₄, C₂H₆)

• Bildung von Ethylen und Acetylen bei extremen Temperaturen (über 500 °C bei Lichtbögen)

Ein Temperaturanstieg löst diese Reaktionen nicht nur aus – er verstärkt sie auch.

Nach der Arrhenius-Gleichung gilt:

k = A ⋅ e − Ea/RT

gwobei:
k – Reaktionsgeschwindigkeit
A – Frequenzfaktor
Ea – Aktivierungsenergie
R – Gaskonstante
T – Temperatur in Kelvin

Je höher die Temperatur, desto kleiner der Exponent – und desto schneller die Reaktion. Ein Temperaturanstieg von nur 120 °C auf 150 °C kann also die Gasbildung deutlich beschleunigen.

Temperatur beeinflusst auch die Gaslöslichkeit

Hohe Temperatur erzeugt nicht nur Gas – sie beeinflusst auch sein Verhalten im Öl. Zurück zum Henry-Gesetz: Höhere Temperaturen bedeuten geringere Löslichkeit. In der Praxis heißt das:

• Mehr Gas entweicht aus dem Öl in den Gasraum

• Die Konzentration gelöster Gase sinkt – was fälschlicherweise eine „Beruhigung“ suggerieren kann

• Der Partialdruck über der Flüssigkeit steigt – was weitere Reaktionen beeinflusst

Tücken bei der Interpretation

Ein DGA, das bei laufendem Betrieb des Transformators (z. B. an einem heißen Tag) durchgeführt wird, kann zu anderen Ergebnissen führen als dasselbe DGA nach Abkühlung. Deshalb sollte jede Messung mit Temperaturdaten abgeglichen werden: Online-Sensoren, Temperaturhistorie oder – am besten – Hot-Spot-Temperaturschätzungen (HST).

Andernfalls drohen Fehldeutungen:

• Eine niedrige Gaskonzentration bei hoher Temperatur bedeutet nicht unbedingt Entwarnung

• Ein plötzlicher Gasanstieg bei sinkender Temperatur kann auf zuvor verborgene Prozesse hinweisen

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Zusammenhänge, die Sie kennen sollten

Für eine praxisgerechte DGA-Diagnostik ist nicht nur die Kenntnis von Normen notwendig, sondern auch das Verständnis physikalischer Zusammenhänge:

• Gasbildungsrate – steigt exponentiell mit der Temperatur

• Löslichkeit – nimmt mit der Temperatur ab

• Partialdruck – steigt bei gleichbleibendem Volumen mit der Temperatur

Diese drei Phänomene bilden ein dynamisches System, das nicht allein durch Alarmgrenzwerte erfasst werden kann.

Nur wer die Temperatur als Variable berücksichtigt, sieht das vollständige Bild – und kann mögliche Fehlerentwicklungen rechtzeitig erkennen.

4. Dalton und das Gasgemisch

Im Gegensatz zum Labor haben wir es im Transformator niemals nur mit einem Gas zu tun. Abbauprozesse erzeugen eine ganze Bandbreite an Verbindungen – von leichtem Wasserstoff bis zu komplexen Kohlenwasserstoffen.

Deshalb lohnt es sich, nicht jeden Gasbestandteil einzeln zu betrachten, sondern zu verstehen, wie sie gemeinsam wirken. Genau hier kommt das Dalton-Gesetz ins Spiel – eines der entscheidenden Gasgesetze im Kontext der DGA.

Was besagt das Dalton-Gesetz?

Ptotal = P1 + P2+ ⋯ + Pn

Das bedeutet: Der Gesamtdruck des Gases über der Flüssigkeit (z. B. im Gasraum eines Transformators) ist die Summe der Partialdrücke aller einzelnen Bestandteile.

Jedes Gas trägt entsprechend seiner Molanzahl einen Teil zum Gesamtdruck bei.

Warum ist das wichtig?

Weil es im Transformator gerade das Gasgemisch und seine wechselnden Verhältnisse sind, die Informationen über Art und Intensität eines Defekts liefern.

Das Gemisch als Fingerabdruck des Fehlers

Durch die Analyse der Gaszusammensetzung lassen sich dominante Degradationsmechanismen erkennen:

• Überwiegender Anteil von Wasserstoff (H₂) und Methan (CH₄) – Hinweis auf Teilentladungen

• Vorhandensein von Acetylen (C₂H₂) – klarer Indikator für Lichtbögen

• Hohe CO- und CO₂-Werte – Zeichen für den Abbau von Zellulose-Isolierung

• Erhöhter Ethylengehalt (C₂H₄) – typisch für Überhitzung

Das Dalton-Gesetz erlaubt es, die Dynamik der Partialdrücke im Zeitverlauf zu modellieren.

So lässt sich erkennen, ob ein bestimmtes Gas auffällig schnell zunimmt – ein mögliches Frühwarnsignal für die Eskalation eines Schadens, noch bevor dieser in Gesamtwerten sichtbar wird.

Dynamik der Gasfreisetzung

Jedes Gas im Gemisch hat gemäß dem Henry-Gesetz eine eigene Löslichkeit, aber das Dalton-Gesetz bestimmt, welches Gas zuerst aus dem Öl entweicht.

Gase mit höherem Partialdruck (z. B. Wasserstoff) erreichen schneller das Gleichgewicht zwischen Flüssigkeits- und Gasphase – und verschwinden zuerst aus dem System.

Das erklärt, warum Laborproben nicht immer das vollständige Gasspektrum enthalten, das kurz zuvor noch vorhanden war.

Die Abwesenheit eines Gases in der Probe bedeutet nicht zwangsläufig, dass es im Transformator fehlt – es könnte sich bereits verflüchtigt haben.

Veränderungen in den Gasverhältnissen richtig interpretieren

In der Praxis werden häufig Gasverhältnis-Tests eingesetzt, z. B. nach Dornenburg oder Rogers. Dank des Dalton-Gesetzes ergeben diese Methoden Sinn: Sie ermöglichen, nicht nur die Menge, sondern das Verhältnis der Gaskomponenten zu bewerten.

Eine auffällige Änderung des Verhältnisses von z. B. C₂H₂ zu CH₄ kann auf eine Verlagerung des Fehlercharakters hinweisen – etwa von Überhitzung zu Lichtbogen.

Bleiben die Gasverhältnisse hingegen stabil, steigen aber die Gesamtwerte gleichmäßig – spricht das für eine fortschreitende Entwicklung desselben Defekts.

Praktische Schlussfolgerungen

• Analysieren Sie Gase nicht isoliert – der Kontext des Gemisches ist entscheidend

• Achten Sie auf Veränderungen in den Verhältnissen – sie sind aussagekräftiger als absolute Werte

• Wenn ein Gas „verschwindet“ – prüfen Sie Druck, Temperatur und die Historie der Messung. Es könnte einfach entwichen sein

Das Dalton-Gesetz liefert den ganzheitlichen Blick auf das Gassystem – nicht als Aneinanderreihung von Werten, sondern als dynamisches System, in dem jede Veränderung ihre Ursache und Wirkung hat.

5. Diffusion – Gase schlafen nie

Gase im Transformator sind keine passiven Indikatoren für Defekte. Sie sind aktive, bewegliche Teilchen, die – selbst nach dem Ende einer Gasreaktion – weiterhin „ihr eigenes Leben“ führen: sie verteilen sich im System, erreichen Gleichgewicht, verschwinden aus Proben oder tauchen dort auf, wo sie vorher nicht waren.

Das Verhalten wird von der Diffusion bestimmt, die sich mit dem ersten Fick’schen Gesetz beschreiben lässt.

Was sagt das Fick’sche Gesetz?

J = −D ⋅ dc/dx

wobei:
J – Diffusionsstrom (Mol pro Fläche und Zeit)
D – Diffusionskoeffizient (gas- und medienabhängig)
dc/dx – Konzentrationsgradient (Unterschied der Konzentration im Raum)

Kurz gesagt: Gase bewegen sich von Bereichen höherer zu niedrigerer Konzentration – und je größer dieser Unterschied, desto schneller geschieht dies.

Was bedeutet das in der Praxis?

In einem Transformator gibt es keine konstante Gasverteilung – besonders bei großen Ölvolumina. Auch wenn ein Defekt nur an einer Stelle auftritt (z. B. ein lokaler Kurzschluss), verteilen sich die entstehenden Gase langsam im gesamten System.

• Eine Probe aus einem anderen Bereich als dem Ort des Defekts kann zu niedrige Werte liefern

• Eine zu späte Probenahme kann bedeuten, dass sich das Gas bereits verflüchtigt oder verteilt hat – der Alarmschwellensignal kann „verwässert“ sein

Zeitfaktor – DGA ist nicht immer Echtzeit

Was wir messen, ist ein momentanes Abbild. Aber die Diffusion bedeutet: Das System ändert sich ständig, selbst nachdem die Gasbildung gestoppt ist.

Daraus ergeben sich wichtige Empfehlungen:

• Eine Messung direkt nach dem Defekt liefert ein anderes Bild als eine, die eine Woche später erfolgt

• Kleinere Transformatoren gleichen die Konzentrationen schneller aus

• Online-Systeme ermöglichen dynamische Verfolgung – klassische Laboranalysen zeigen nur den Mittelwert

Warum ist Diffusion entscheidend für die Interpretation?

Stellen Sie sich einen Transformator vor, in dem durch Überhitzung Ethylen (C₂H₄) entstanden ist. Nach dem Temperaturabfall endet die Gasbildung – aber das Ethylen verteilt sich weiterhin im Öl. Wird die Messung später vorgenommen, ist das Gas möglicherweise bereits verdünnt oder entgast.

Der Effekt? Die Messung zeigt eine niedrigere Konzentration als zum eigentlichen Zeitpunkt der Schädigung.

Dasselbe gilt für Wasserstoff – extrem leicht, schlecht löslich, diffundiert sehr schnell. Ohne rechtzeitige Messung kann er fälschlicherweise als nicht vorhanden gewertet werden – obwohl er einer der frühesten Indikatoren war.

Praktische Schlussfolgerungen

• Interpretieren Sie DGA immer im zeitlichen und räumlichen Kontext der Probenahme

• Verwenden Sie Online-Systeme, wenn möglich – sie zeigen die Dynamik

• Verstehen Sie: Keine Gasanwesenheit ≠ Kein Problem – sie kann durch Diffusion oder Entweichung erklärt sein

Das Fick’sche Gesetz hilft zu verstehen, wie sich das System von Gasen reinigt – und wie schnell sich Hinweise auf Fehler zerstreuen können.

Es ist Physik, die ständig wirkt – selbst wenn alles wieder „normal“ erscheint.

Lassen Sie uns die Daten interpretieren, die wirklich zählen

In einer Welt, in der die Geschwindigkeit von Entscheidungen wichtiger ist als deren Anzahl, wird der Zugang zu verlässlichen Daten zu einem der größten Wettbewerbsvorteile. Aber Daten allein genügen nicht.

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Quelle:
Transformers Magazine vol.12