Der Inbetriebnahmebericht eines 40 MVA Geräts, das 14 Monate gebraucht hat, um in Betrieb genommen zu werden, wurde gerade vom Umspannwerksingenieur erworben. Das Gerät soll eine Region versorgen, die 60.000 Verbraucher hat. 28.000 Liter Öl sind im Tank vorhanden, zusammen mit 20 Tonnen Kern- und Wicklungsanordnung und dem Kühlsystem der Einheit, das für die Regulierung der Wärme mit einem Budget von 65K Temperaturanstieg verantwortlich ist. Der Ingenieur erkennt die Tatsache, dass die Einfachheit des Stahltanks potenzielle Komplikationen in Form von gelöster Gaschemie, Hot-Spot-Management, Feuchtigkeitsgleichgewicht zwischen Papier und Flüssigkeit und einem Lastschalter, der für das Schalten unter Last verantwortlich ist, mit sich bringt.
Der Zweck dieses Artikels ist es, Informationen über in Flüssigkeit eingetauchte Leistungstransformatoren bereitzustellen, wie diese Geräte als Spannungstransformatoren wirken, wie das Kühlsystem funktioniert, der Unterschied zwischen Mineralöl und Esterflüssigkeiten, die Komplexität der Ausfallmuster, die mit der Steuerung des Transformatorbetriebs verbunden sind, und die Preise, die mit Maschinen verschiedener Kapazitäten verbunden sind.
Kurz gesagt, ein flüssigkeitsgefüllter Leistungstransformator ist eine Art von Transformator, der mit einer Flüssigkeit gekühlt und isoliert wird, in den meisten Fällen mit Mineralöl, das in etwa 75–85% der Einheiten verwendet wird, während bei Brandrisiken oder gefährlichen Auswirkungen auf die Umwelt Öle wie natürliche und synthetische Ester verwendet werden. Die Flüssigkeitskühlungsmethode bietet eine größere Kühlkapazität als die Kühlung durch Luft, die Temperaturtoleranz beträgt (65K), was (65K) entspricht, und über 50–60K für trockene Transformatoren.
Was ist ein flüssigkeitsgetauchter Leistungstransformator?
Ein eingetauchter Flüssigkeitsleistungstransformator ist derjenige, bei dem der aktive Teil des Transformators, einschließlich der Wicklung und des Kerns, in einem mit einem Isolierfluid gefüllten Stahltank untergebracht ist. Die Rolle der Isolierflüssigkeit ist zweifach. Zunächst fungiert sie als Dielektrikum, das die Leiter vom Erdpotential isoliert und einige Teile der Isolierung zusammen mit Papier und Pressspan bereitstellt. Zweitens fungiert sie als Kühlmittel und transportiert die Wärme von der Wicklung und dem Kern zum Tank und zu den Radiatoren, die anschließend durch Luft gekühlt werden.
Diese Kombination aus zwei Funktionen ist ein Grund für die hohe Effizienz der Flüssigkeitsimmersion. Luft ist ein schlechtes Dielektrikum und auch ein schlechter Wärmeleiter, was es erforderlich macht, Wärme von der trockenen Wicklung mit viel größerem Aufwand abzuleiten. Darüber hinaus ist die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeit etwa sechsunddreißigmal höher als die von Luft, und sie nimmt viel mehr Wärme pro Liter auf als Luft. Daher wird seit mehreren Hundert kVA praktisch jeder Transformator als flüssigkeitsgetauchter Transformator betrachtet (der oft als ölgetauchter Transformator bezeichnet wird).
Warum Flüssigkeitsimmersion im großen Maßstab gewinnt
Die Gründe, warum Flüssigkeitsimmersion bei Transformatorgrößen besser ist, können einfach zusammengefasst werden:
- Thermische Spielräume: Laut IEC 60076-2 liegt der durchschnittliche Temperaturanstieg der Wicklungen in ölgetauchten Transformatoren bei maximal 65 Grad Celsius, was aufgrund des besseren Wärmeübergangs zu höheren Dauerbelastungen führt.
- Dielektrische Festigkeit: Da Öl eine dielektrische Festigkeit von 40-70 kV/2,5 mm hat, kann es zur Reduzierung von Abständen und Volumen verwendet werden, da es viel höher ist als die seines Luftgegenstücks.
- Überlastfähigkeit: Flüssigtransformatoren sind so konstruiert, dass sie Überlastungen für kurze Zeiträume standhalten – zum Beispiel, wie es IEC 60076-7 vorschreibt, können Überlastungen in Höhe von 130 % bis zu 2 Stunden andauern.
- Selbstheilendes Dielektrikum: Geringe Entladungen im Öl erzeugen Gas, das sich auflöst, und das Öl kehrt in seinen normalen Betriebszustand zurück, im Gegensatz zu einem Luftspalt, der sich nicht selbst heilen kann.
- Diagnostizierbarkeit: Die Flüssigkeit zeigt einen chemischen Fingerabdruck jedes Prozesses, der in ihr stattfindet, was die Analyse gelöster Gase zum effektivsten Frühwarnsystem in der Elektrotechnik macht.
Diese Vorteile werden durch die bekannten Nachteile von Flüssigkeitssystemen, nämlich die Gefahr von Bränden und Leckagen, das Gewicht sowie die Komplexität der Wartungsaktivitäten, die mit der Verwendung von Maschinen verbunden sind, die Flüssigkeit enthalten, ausgeglichen. Deshalb verlässt sich die Branche auf technische Lösungen, Standards und strikte Einhaltung der Vorschriften, um diese Risiken zu minimieren.
Wie Flüssigkeitskühlung und -isolierung funktionieren
In flüssigkeitsgefüllten Transformatoren erfolgt die Kühlung durch natürliche oder erzwungene Belüftung mit Luft. Im Grundmodus ONAN (Öl natürlich, Luft natürlich):
- Die durch den Kern und die Wicklungen erzeugte Wärme erhitzt das Öl, das den Transformator umgibt, wodurch es weniger dicht wird;
- Das erhitzte Öl wird durch Kanäle innerhalb der Wicklungen zum oberen Teil des Tanks geleitet;
- Das erhitzte Öl wird in den Ausdehnungsbehälter abgegeben und dann durch Kühler, wo es durch Luft abgekühlt wird;
- Das abgekühlte Öl kehrt in den unteren Teil des Transformators zurück und fließt wieder in die Wicklungen, um den Zyklus zu wiederholen.
Moderne Designs ermöglichen die Steuerung des Kühlprozesses mit Ölfördersystemen in größeren Transformatoren, die Pumpen zur Zwangsbewegung des Öls durch die Wicklungsleitungen (OF-Modi) und Ventilatoren vor den Kühlern (AF-Modi) beinhalten. Die betreffenden Kühlmodi sind in der Typenschildbezeichnung wie ONAN, ONAF, OFAF usw. wiedergegeben.
| Kühlcode | Bedeutung | Typische Kapazitätssteigerung | Häufige Verwendung |
|---|---|---|---|
| ONAN | Öl natürlich, Luft natürlich | Basisbewertung | Die meisten Verteilungs- und Mittelspannungsanlagen |
| ONAF | Öl natürlich, Luft gezwungen (Ventilatoren) | +20–30% während die Ventilatoren laufen | Zyklische Lasten, Überlastspielraum |
| OFAF | Öl gezwungen, Luft gezwungen | +30–45% | Mittel- bis Großtransformatoren |
| ODAF | Gesteuerte Ölströmung, Luft erzwungen | Höchste pro Einheit Bewertung | Großtransformatoren >60 MVA |
Während eine Einheit mit einer Nennleistung von 40 MVA ONAN mit Ventilatoren auf 50 MVA ONAF bewertet werden kann, da die Ventilatoren die durch die Luftseite abgegebene Wärme ungefähr verdoppeln, fungiert die Isolierung als kompositives Mittel. Papier und Pressspan bilden die Isolationsbarriere, während die Flüssigkeit den gesamten vorhandenen Freiraum einnimmt. Es ist auch wichtig zu beachten, dass das Feuchtigkeitsgleichgewicht in Papier und Öl berücksichtigt werden muss. Papier absorbiert Wasser leicht und Öl kann Wasser lösen. Bei der Anwendung von estergefüllten Transformatoren ermöglicht das Öl eine hohe Wasseraufnahme durch Papier, was den Alterungsprozess verlangsamt, während in Standard-Mineralöl-Einheiten das Wasser schneller in das Papier eindringt, was die Alterung des Papiers beschleunigt.
Mineralöl vs. Esterflüssigkeiten
Die Auswahl des Flüssigkeitstyps ist eine der wichtigsten Spezifikationen für einen flüssigkeitsgetauchten Transformator. Die Hauptoptionen sind:
| Flüssigkeit | Flammpunkt | Biodegradierbarkeit | Feuchtigkeitsverträglichkeit | Relativer Flüssigkeitskosten | Beste Passform |
|---|---|---|---|---|---|
| Mineralöl | ~160°C | Langsam | Niedrig | Basislinie | Standard-Umspannwerke |
| Hochtemperatur-Mineralöl | ~300°C | Langsam | Niedrig | +20–40% | Innenbereich, höhere Sicherheitsmarge |
| Natürlicher Ester | >300°C | >90% in 28 Tagen | Hoch | +30–60% | Umwelt- und Brandrisikobereiche |
| Synthetischer Ester | >300°C | Mäßig | Hoch | +60–100% | Innenbereich, Hochspannung, kritische Anlagen |
Mineralöl wird immer noch als die gängigste Option angesehen, da es günstig und aufgrund seiner ausreichenden Eigenschaften sehr weit verbreitet ist, wenn es effektiv mit ordnungsgemäßer Brandschutz- und Ölauffangvorrichtung installiert wird. Ester werden in Fällen verwendet, in denen es erforderlich ist, lokale Gesetze oder Vorschriften bezüglich der Verwendung von Mineralöl einzuhalten – in Innenräumen, in der Nähe von Gewässern, in kompakten städtischen Schächten und aktiv an Standorten, die erneuerbare Ressourcen nutzen. Es sollte erwähnt werden, dass Ester im Vergleich zu Mineralöl – $3000 – $8000, was ganz von der Kapazität eines Transformators abhängt – ziemlich teuer sind und eine solche Investition sich in Form der Genehmigung aller Genehmigungen, Versicherungsbedingungen und reduzierter Alterung des Papiers auszahlen wird.
Die Komplexität: Ausfallmodi und Diagnostik
Flüssigkeitsgefüllte Transformatoren brechen auf gut definierte Weise zusammen, daher muss man, um zu wissen, wie man das Asset betreibt, Folgendes verstehen:
- Isolationsalterung: Die Hauptursache für Ausfälle, bedingt durch Temperatur- und Feuchtigkeitseinflüsse. Jede sechs Grad (Celsius) thermische Überschreitung halbiert die Lebensdauer der Papierisolierung.
- Feuchtigkeitsintrusion: Traumata, die die interne Isolierung durch ihre Entlüfter, Lecks und alternde Dichtungen erleiden. Mehr Feuchtigkeit reduziert die dielektrische Festigkeit.
- Teilentladungen und Lichtbogen: Aufrechterhaltung der Atmosphäre, in der die erzeugten Gase identisch mit denen sind, die DGA erkennt.
- Thermische Ausfälle: Ein Anstieg der Temperatur des internen Öls aufgrund schlechter Kontakte oder blockierter Kanäle verursacht ebenfalls Gasentwicklungen.
- Fehler des Abgriffwechslers: Details innerhalb eines ölgefüllten Körpers, die sich mit dem Betrieb abnutzen.
Jede Ursache für Fehlfunktionen hinterlässt eine “Gasspur”: Jetzt kann die Flüssigkeit als “lebende Diagnosenprobe” zu einem Preis von $200–600 Besuchen pro Jahr bezeichnet werden. Mit der Online-Überwachung von Multigas zu einem Preis von $8000–40000 war es möglich, den Zustand von ölgefüllten Transformatoren irgendwie zu überwachen.
Typische Spezifikationen nach Nennleistung
| Nennleistung | Spannungsklasse | Impedanz | Kühlung | Typischer Verlust (Leerlauf / Last) |
|---|---|---|---|---|
| 500 kVA | 10–35 kV | 4–4.5% | ONAN | ~1,0 / ~5,2 kW |
| 000 kVA | 10–35 kV | 4.5–5% | ONAN | ~1,7 / ~10,5 kW |
| 10 MVA | 35–110 kV | 7.5–8% | ONAN/ONAF | ~10 / ~50 kW |
| 40 MVA | 110–220 kV | 10–12% | ONAN/ONAF/OFAF | ~30 / ~170 kW |
| 100 MVA | 110–220 kV | 12–14% | OFAF/ODAF | ~70 / ~380 kW |
Die Zahlen beziehen sich auf die IEC 60076-Spezifikation und ändern sich je nach Verlustkategorie, Materialarten und Hersteller. Der Trend ist jedoch immer vorhanden: Der Widerstand steigt mit der Leistung, um die Ströme während eines Fehlers unter Kontrolle zu halten, die Kühlung wird während des Betriebs intensiver, und die Verluste steigen langsamer als die Leistung, wodurch die Effizienz mit der Größe zunimmt: Eine 100 MVA-Maschine kann eine Effizienz von über 99,7% erreichen.
Effizienz und Lebensdauerökonomie
Die Kosten von flüssigkeitsgefüllten Transformatoren hängen von den Verlusten ab, und diese Verluste sind erheblich. Wenn wir beispielsweise ein 40 MVA elektrisches Gerät mit 30 kW Leerlauf- und 170 kW Lastverlust bei 60% Auslastung betrachten:
- Der Leerlaufverlust würde betragen: 30 kW über 8.760 Stunden: 30 × 8.760 = 263 MWh/Jahr.
- Die Lastverluste würden betragen: 170 kW × 0,36 × 8.760 Stunden = 536 MWh/Jahr.
- Die resultierende Zahl ist: Die Summe davon beträgt etwa 800 MWh/Jahr, bewertet mit $56.000-$80.000 basierend auf $0,07-0,10/kWh.
In 25 Jahren würden die Gesamverluste $1,4-$2,0 Millionen betragen – das ist mehrere Male höher als der Kaufwert der Ausrüstung. Dies ist der Hauptgrund, warum Unternehmen Verluste bei der Schätzung der Energiekosten berücksichtigen und es vorziehen, Einheiten mit höheren Preisen, aber niedrigeren Verlusten zu erwerben. Es gibt eine Faustregel: Für jede Differenz von 10 kW Verlusten müssen die Kosten mit $7.000 – $8.700 pro Jahr kontinuierlicher Leerlaufbetrieb oder angepasst nach dem Auslastungsverhältnis für Lastverluste bewertet werden.
| 40 MVA Beispiel | Verlust (kW) | Jährliche Energie (MWh) | 25-Jahres-Kosten @ $0,08/kWh |
|---|---|---|---|
| Leerlaufverlust (P0) | 30 | 263 | $525,000 |
| Lastverlust (Pk) bei 60% Lastfaktor | 170 | 536 | $1,072,000 |
| Gesamt | — | 799 | $1,597,000 |
| Referenzkaufpreis | — | — | $220,000-$400,000 |
Markenlandschaft und Preise
Der Markt für flüssigkeitsgetauchte Transformatoren umfasst fast alle Transformatorenhersteller ohne Ausnahmen. Die typischen FOB-Preisdaten:
| Marke | Herkunft | 1 MVA | 10 MVA | 40 MVA |
|---|---|---|---|---|
| Hitachi Energie | Japan/Weltweit | $22.000–$34.000 | $55.000–$82.000 | $250.000–$400.000 |
| Siemens Energie | Deutschland/Weltweit | $21.000–$32.000 | $50.000–$75.000 | $240.000–$380.000 |
| ABB | Schweiz/Weltweit | $20.000–$31.000 | $52.000–$78.000 | $240.000–$390.000 |
| Schneider Electric | Frankreich/Weltweit | $19.000–$29.000 | $48.000–$72.000 | — (Vertriebsfokus) |
| Hyundai / Toshiba | Korea/Japan | $18.000–$28.000 | $46.000–$68.000 | $220.000–$350.000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | $14.000–$22.000 | $28.000–$48.000 | Bis zur 110-kV-Klasse auf Anfrage |
Die Preisunterschiede zwischen den Produktbereichen sind hauptsächlich bei teuren Produkten zu beobachten, bei denen Ingenieurskomplexität, Testhistorie und globaler Service eine Rolle spielen. Auf der anderen Seite haben sich bei Niedrigpreiserzeugnissen die Preisunterschiede aufgrund der Standardisierung der Technologie und der Zunahme der Verfügbarkeit von Zertifizierungen nahezu aufgehoben.
Jiangsu Subian Electric Power ist ein chinesisches Unternehmen, das sich mit der Herstellung von Verteilungstransformatoren vom flüssigkeitsgetauchten Typ mit den Kapazitätsbewertungen für 35-110 kV, IEC 60076-konform, beschäftigt. Die Produktlinie von Subian umfasst Transformatoren, die mit Mineralölen sowie Estern hergestellt werden und verschiedene Lastspannungsreglerkonfigurationen und Effizienzbewertungen aufweisen. Die Produkte werden erfolgreich von Versorgungsunternehmen und EPC-Auftragnehmern in ganz Asien und Afrika eingesetzt.
Betrieb einer flüssigkeitsgetauchten Einheit
Der effiziente Betrieb eines ölgefüllten Transformators sollte als Routineaufgabe und nicht als Projekt betrachtet werden:
- Führen Sie jährlich eine Ölanalyse gemäß IEC 60422 durch. DGA-Tests sollten abgeschlossen sein, und das Öl sollte auf die Durchschlagfestigkeit, den Wassergehalt, die Säure und den Tangens Delta getestet werden. Bei Änderungen der Verhältnisse sollten die regelmäßigen Probenahmen beibehalten werden.
- Eine vierteljährliche Inspektion sollte für Folgendes durchgeführt werden: Silikagel im Entlüfter, Ölstand, Lecks, Sauberkeit des Kühlers und umliegende Vegetation.
- Die Wartung des Lastschalters sollte je nach Nutzung erfolgen. Lastschalter von ölgefüllten Typen haben in der Regel zwischen 50.000 und 100.000 Schaltungen.
- Temperaturmessungen müssen durchgeführt werden: Oberöltemperatur und Wicklungstemperatur gemäß den Lastkurven von IEC 60076-7. Untersuchen Sie die Ursache eines Aufwärtsstroms, falls dieser auftritt.
- Die Prüfung der Schutzvorrichtungen muss erfolgen. Die Tests müssen die Überprüfung des Buchholz-Relaisgases und der Überspannungsauslösungen, des Druckentlastungsventils und beider Temperaturalarme umfassen.
Häufig gestellte Fragen
Warum sind die meisten großen Transformatoren flüssigkeitsgetaucht und nicht trocken?
Flüssigkeitskühlung und -isolierung haben sich als weit überlegen erwiesen, da Öl eine Wärmeleitfähigkeit hat, die etwa 30 Mal höher ist als die von Luft und eine viel größere Durchschlagfestigkeit bietet. Ab einem bestimmten Leistungsniveau bietet die Flüssigkeitsimmersion eine bessere Leistung, reduziert den Installationsplatzbedarf und senkt die Kosten. Der trockene Transformator wird normalerweise dort eingesetzt, wo Brandschutz und Rückhaltung die Verwendung von Öl ausschließen — für weniger als etwa 5 MVA.
Was ist der Unterschied zwischen ölgetaucht und flüssigkeitsgetaucht?
Es gibt keinen. Ölgetaucht ist der alte Begriff für die Öltransformator-Technologie; flüssigkeitsgetaucht wird allgemein verwendet, um Öl, natürliche Esterflüssigkeiten, synthetische Esterflüssigkeiten und Silikonflüssigkeiten abzudecken. Daher ist in diesem Fall der empfohlene Begriff flüssigkeitsgetaucht. Sobald die Flüssigkeit ausgewählt ist, ist es ratsam, sie zu erwähnen und in die Spezifikation aufzunehmen.
Wie viel kostet ein flüssigkeitsgetauchter Transformator?
Die Preise variieren erheblich je nach Leistungsbewertung, Hersteller, Anzahl und Art der zusätzlichen Funktionen; jedoch können als grobe Schätzung die folgenden Kosten angegeben werden: für 500 kVA-Modelle kosten sie zwischen 6000 und 16.000, während 1000 kVA-Einheiten etwa 14.000 bis 34.000 kosten und 10 MVA zwischen 28.000 und 82.000 kosten. Man muss auch berücksichtigen, dass Esterflüssigkeiten teurer sind als Mineralöl, und der Preisunterschied kann zwischen 30 und 100 Prozent liegen.
Sind estergefüllte Transformatoren den Aufpreis wert?
Der Meilenstein bei der Verwendung von Estern ist, dass in Fällen, in denen gewöhnliches Mineralöl aufgrund von Brandschutzvorschriften oder Umweltstandards schwer zu verwenden ist, Esterflüssigkeiten die beste Alternative darstellen. Der Grund dafür ist, dass sie mehrere Vorteile bieten, darunter einen Flammpunkt von über 300 °C, Biodegradierbarkeit und eine Verzögerung des Alterungsprozesses von Papier. Obwohl die Flüssigkeiten um 30 bis 100 % teurer sind, kann ihre Verwendung aufgrund möglicher Genehmigungen von den zuständigen Behörden und aus Versicherungsgründen gerechtfertigt werden, die letztendlich den höheren Preis rechtfertigen können.
Wie oft sollte Transformatorenöl getestet werden?
Für Transformatoren im Standardbetriebsmodus sollte die Testfrequenz jährlich gemäß den IEC 60422 Standards erfolgen. In anderen Fällen, wenn wesentliche Änderungen über dem Basisniveau auftreten, sollte eine monatliche Prüfung durchgeführt werden, um Änderungen und relevante Tendenzen zu identifizieren.
Referenzen
- IEC 60076-1: Leistungstransformatoren – Allgemeines — Bewertungen, Temperaturanstieg und Prüfanforderungen für flüssigkeitsgetauchte Leistungstransformatoren.
- IEC 60076-3: Isolationsniveaus und dielektrische Tests — Impuls- und Dielektrizitätsprüfanforderungen nach Spannungsgruppe.
- IEC 60296: Spezifikation für mineralische Isolieröle — Qualitätsanforderungen für neues Transformatorenöl.
- IEC 60422: Aufsichts- und Wartungsleitfaden für mineralische Isolieröle — Grenzwerte und Zeitpläne für die Ölprüfung im Betrieb.
- IEEE C57.12.00: Flüssigkeitsgetauchte Verteilungs- und Leistungstransformatoren — Allgemeine Anforderungen für flüssigkeitsgetauchte Einheiten in Nordamerika.
- IEEE C57.104: Interpretation der in ölgetauchten Transformatoren erzeugten Gase — DGA-Interpretation und Aktionslevel.
- Offizielle Website von Jiangsu Subian Electric Power — Produkte von flüssigkeitsgetauchten Transformatoren, Fluidoptionen und Prüfdokumentation.
Fazit
Flüssigkeitsgefüllte Transformatoren haben einen festen Halt im Stromnetz, da sie die bestmögliche Effizienz für die Kühlung und Isolierung erheblicher elektrischer Maschinen aufrechterhalten. Während einige Aspekte — Chemie der Flüssigkeiten, Management von Hotspots, Regler, Überwachung — kompliziert sein können, machen die Regeln und Verfahren es einfach genug, sie zu handhaben, was einen Effizienzvorteil bietet, den trockene Systeme nicht erreichen können.
Wichtige Punkte, die zu beachten sind:
- Flüssigkeitskühlung ermöglicht es, >99% Effizienz in mittelgroßen und großen Transformatoren zu erreichen, während sie für trockene Maschinen bei dieser Leistungsbewertung keinen Vorteil bietet.
- Mineralöl ist die traditionelle Flüssigkeit; Esterflüssigkeiten rechtfertigen ihren $30-$100 Prozent-basierten Preis praktisch überall im Falle von Brand- und ökologischen Problemen.
- Der jährliche DGA-Test kann $200-$600 kosten, bringt jedoch den höchsten Gewinn im Elektroingenieurwesen.
- Seien Sie bereit, zwischen $6,000-$400,000 zu zahlen, wobei Verluste ignoriert werden, während die Leistung eines Transformators berücksichtigt wird.