Trockentransformatoren sind mit Öl gefüllt, um Überhitzung zu reduzieren — Wahr oder Falsch?

Die Autoren hinterfragen ihre eigenen Behauptungen. Ihre Ansichten zu trockenen Transformatoren können nicht gerechtfertigt werden. Da diese Arten von Transformatoren keine Flüssigkeit enthalten, besteht der Transformator aus Wicklungen und einem Kern, der von Umgebungsluft gestützt wird. Die Isoliermaterialien, die im Fall von trockenen Transformatoren verwendet werden, sind fest, was bedeutet, dass es sich um Epoxid-, harzimprägnierte Materialien oder vakuumdruckimprägnierte Wicklungen handelt. Bei ölgetauchten Transformatoren gibt es das Vorhandensein von Flüssigkeiten, und daher können die Entwurfsanforderungen für trockene Transformatoren nicht auf ölgetauchte Transformatoren angewendet werden. Infolgedessen ist die Hauptaussage des Papiers, dass der im Artikel verwendete Prozess für die Art von Ausrüstung, auf die er angewendet wird, nicht geeignet ist.

Zusammenfassend ist das Ergebnis ungünstig. Daher wird ein trockener Transformator mit der Einbeziehung eines ölbasierenden Kühlsystems in einen flüssigkeitsgefüllten umgewandelt. Die Kühlung erfolgt durch Luft, entweder natürlich (d.h. atmosphärisch) oder mechanisch (d.h. erzwungen). Laut IEC 60076-11 gibt es verschiedene Arten von thermischer Isolierung (Klasse A (105 °C), Klasse E (120 °C), Klasse B (130 °C), Klasse F (155 °C), Klasse H (180 °C), Klasse N (200 °C) und Klasse C (220 °C)), deren Grenzen von den Umgebungsbedingungen der Klasse abhängen.

Die Behauptung und warum sie falsch ist

Das Wort “trocken” hat nichts mit Marketingformulierungen zu tun, sondern betrifft Transformatoren, bei denen Kühl- und Isolierelemente nicht flüssig sind. Die IEC hat die IEC 60076 -11 herausgegeben, die sich auf trockene Transformatoren bezieht und die Einheiten angibt, die bei einer Leistung von 2500 kVA und einer Spannung von 36 kV arbeiten können. Der hier verwendete Begriff “trocken” impliziert nichts Flüssiges.

Die Verwirrung in dieser Angelegenheit entsteht, weil beide Arten von Transformatoren in Bezug auf ihr Aussehen, ihren Standort in Umspannwerken und die gleichen Hersteller beobachtet werden können. Beide Arten von Transformatoren sind in der Lage, elektrische Energie von einer Form in eine andere durch den aus Metall und Kupferwicklungen bestehenden Kern umzuwandeln. Was die beiden unterscheidet, ist die Tatsache, dass die Leistungstransformatoren Öl nutzen, während der trockene Transformator nur Luft als Isolations- und Kühlmittel verwendet.

Die beiden Familien werden normalerweise genau nach den Kriterien verglichen, die dieser Mythos falsch interpretiert, und wo sich trockene und ölgetauchte Transformatoren tatsächlich unterscheiden kommt auf das Kühlmedium, die Brandlast, den Platzbedarf, das Wartungsregime und den Installationsort an — nicht darauf, welcher Öl enthält.

Was tatsächlich einen trockenen Transformator kühlt

Luft ist hauptsächlich dafür verantwortlich, dass trockene Typen in Bezug auf die maximale Temperaturerhöhung im Vergleich zu ölgefüllten Gegenstücken mit identischen Kapazitätsbewertungen unterlegen sind.

• Thermische Leistung. Die Wärmeleitfähigkeit von Luft wird auf etwa 0,026 W/m·K geschätzt. Im Gegensatz dazu beträgt die Wärmeleitfähigkeit von Transformatorenöl etwa 0,12 W/m·K, was bedeutet, dass Öl eine vier- bis fünfmal höhere thermische Leistung als Luft hat. Diese einzelne Zahl beleuchtet die Unterschiede zwischen den Arten.
• Kühlmethoden. Luft natürlich (AN) führt die Kühlung ausschließlich durch Konvektion durch, während Luft gezwungen (AF) die Installation von Ventilatoren erfordert, die eine erhöhte kurzfristige Kühlleistung erzeugen. Eine weitere Alternative, die als Hybridtyp bekannt ist, wird als ANAF bezeichnet und bedeutet natürliche Luftkühlung bei Normalbelastung und Kühlung durch den Einsatz von Ventilatoren bei Volllast. Beachten Sie, dass die Installation von Ventilatorensets diesen Typ lauter macht und die Wartung erhöht, was hervorgehoben werden muss, wenn jemand angibt, dass er nur wegen der vermeintlichen Vorteile auf AF abzielt.
• Abstand und Luftzirkulation. Die meisten Hersteller empfehlen, mindestens 300 mm Abstand zu Wänden für die natürliche Luftkühlung sicherzustellen oder den Mindestabstand auf etwa 150 mm zu reduzieren, wenn die Luft gezwungen gekühlt wird. Die oben genannte Zahl muss bei der Planung der Installation von Geräten berücksichtigt werden, da die Herstellervorgaben klare Einschränkungen formulieren.
• Sauberkeit ist entscheidend für die Kühlwirksamkeit, da das Vorhandensein von Staub auf Wicklungen und in Kühlkanälen zu Wirksamkeitsverlusten von bis zu 15-30% führen kann. Aus diesem Grund berücksichtigen regelmäßige Wartungsprogramme für Trockenbauarten die regelmäßige Reinigung, während ölgefüllte Gegenstücke weder Empfehlungen noch Anforderungen bereitstellen.
• Höhe und Umweltparameter haben negative Auswirkungen auf die Kühlfunktion.

Die Kühlmethode wird auch zur Benennungskonvention auf dem Datenblatt, und Nass-Typ-Einheiten verwenden dieselben Buchstaben anders — der Vergleich der Kühltechnologien über Transformatorarten, einschließlich ölgezwungener Varianten, wird in dieser Übersicht über Transformator-Kühlmethoden, dargestellt, die ein nützliches Referenzdokument ist, wenn eine Spezifikation ONAN, ONAF oder OFAF zitiert und Sie wissen müssen, wozu die Buchstaben den Anbieter verpflichten.

Isolierklassen und Temperaturerhöhungsgrenzen

Hier wird die Bewertung eines Trockenbau-Transformators relevant, daher ist Präzision entscheidend. Es gibt kein Öl, das helfen würde, die Wärme abzuleiten, daher muss das feste Isolationssystem die Temperaturen aushalten, für die es ausgelegt ist; IEC 60076-11 beschreibt sowohl die Isolierklasse als auch die maximal zulässige Temperaturerhöhung in Bezug auf die Umgebungstemperatur.

• Klasse A (105 °C) — 60 K Wickeltemperaturerhöhung. Ältere Geräte.
• Klasse E (120 °C) — 75 K. Dies ist heute nicht sehr verbreitet.
• Klasse B (130 °C) — 80 K. Oft in allgemeinen Anwendungen verwendet.
• Klasse F (155 °C) — 100 K. Dies ist typischerweise für Verteilungsanwendungen verwendet.
• Klasse H (180 °C) — 125 K. Wird unter anspruchsvolleren Betriebsbedingungen mit höheren Lasten eingesetzt.
• Klasse N (200 °C) — 135 K. Diese Klasse wird in speziellen Anwendungen verwendet.
• Klasse C (220 °C) — 150 K. Weit verbreitet in Nordamerika in Trockenbau-VPI-Installationen; bei der Temperatur von 150 K überschreitet die Hotspot-Temperatur bei Nennlast 210 °C.

Im Vergleich dazu hält ein ölgetauchtes Transformator, das den IEC 60076-2 und ANSI Standards entspricht, bei einer maximalen Temperaturerhöhung von 65 K und einem durchschnittlichen Anstieg des oberen Öls, der nicht mehr als 55 K betragen soll, eine Hot-Spot-Temperatur von 78 °C über dem Umgebungsniveau. Das Öl dient nicht dazu, den Transformator zu kühlen, sondern um eine ausreichend hohe Effizienz im Wärmeabfuhrprozess zu erreichen und eine dielektrische Isolierung zwischen den führenden Wicklungen und den nachfolgenden Wicklungen bereitzustellen.

Dies ist im Kontext der thermischen Alterung wichtig für das Geschäft. Die Arrhenius-Gleichung besagt, dass die Lebensdauer der Isolierung sich bei jedem Anstieg der Temperatur um 10 °C halbiert. Daher würde ein Trockentransformator, der den Hot-Spot um 20 °C überschreitet, nicht nur einen Teil seiner Lebensdauer verlieren, sondern den Großteil davon, wobei sich seine Fehlfunktion in einem Isolationsausfall weit nach dem Versagen manifestiert, anstatt vorherige Hinweise zu geben. Das ist auch der Grund, warum die Wicklungsbauweise und das Isolationssystem, nicht das Gehäuse, entscheiden, was ein Trockentransformator tatsächlich aushalten kann, und die Details auf Komponentenebene dahinter werden in was sich in einem Trockentransformator befindet und warum jedes Teil wichtig ist.

Drei Bauweisen, drei verschiedene Produkte

Da “Trockenbauweise” keine eigenständige Unterscheidung ist, sondern mehr ein Überbegriff, können wir sehen, dass sich die drei Hauptvarianten ausreichend unterschiedlich verhalten, um nicht austauschbar verwendet zu werden.

• Gießharz. Grundsätzlich kapseln wir die Wicklungen unter Vakuum in Harz ein, wodurch ein fester Isolationskörper entsteht, der gute mechanische Eigenschaften und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Wasser, Staub und chemische Aggression aufweist. Teilentladungen werden hier zu einem großen Problem, da der Ausfall typischerweise in Feststoffen aufgrund von Hohlräumen beginnt, und das ist der Grund, warum die Organisation IEC 60076-11 Teilentladungstests obligatorisch macht. Dies ist typisch für Innenverteilungsnetze.
• Harz-gekapselt und VPI-Methode. Bei dieser Technik imprägnieren wir die Wicklung zunächst mit Harz in einer Hochdruck-Vakuumkammer, anstatt sie mit der Gießmethode zu wickeln, und erhalten ein robustes Isolationssystem der Klasse H oder Klasse C mit guter Überlasttoleranz. Diese Methode wurde in den USA recht verbreitet, insbesondere bei Nachrüstarbeiten.
• Offene oder belüftete Bauweise. Hier ist die Wicklung einfach in einer Abdeckung eingeschlossen, während sie auf Luftstrom und in der Regel eine höhere Isolationsklasse angewiesen ist. Diese Methode ist normalerweise nicht so teuer und die Schutzstufen erreichen IP20 oder IP23.

Die Bewertung des Gehäuses hängt nicht von den Vorlieben der Eigentümer ab, sondern davon, in welcher Art von Umgebung das Gerät verwendet wird: Zum Beispiel würde die Bewertung IP00 verwendet werden, wenn offene Wicklungen in einem speziell vorgesehenen Raum platziert werden, IP20 würde im Falle einer Installation in einem geschlossenen Raum verwendet werden. Ein repräsentatives Produkt in diesem Bereich ist der SCB-Serie Gießharz-Trockenverteilungstransformator für 6–10 kV Systeme, wo die epoxidharzvergossene Wicklung, die angegebene Isolierklasse und der verlustarme Kern die Parameter sind, die die Eignung entscheiden, und nicht allein die kVA-Zahl.

Wo Trockenarten verwendet werden und warum der Mythos bestehen bleibt

Der Grund, warum Trockentransformatoren verwendet werden, ist die Sicherheit. Das Fehlen von Flüssigkeit bedeutet, dass es keine Öllecks, keine gebündelte Auffangvorrichtung, keine Ölauffanggrube, keine Brandlast von hundert Litern Flüssigkeit im Brandfall im Gebäude und keine Notwendigkeit für regelmäßige Öltests gibt. Das macht es möglich, sie in Innenräumen, in der Nähe von Arbeitsbereichen, in Tunneln, auf Offshore-Plattformen sowie in Rechenzentren zu verwenden.

Die Anwendungsbeispiele umfassen:

• Rechenzentren und IT-Einrichtungen einschließlich Mittelspannungsräume, UPS-Trennschalter und PDU-Transformatoren, Orte, an denen keine Chance besteht, sich von einem Ölleckvorfall zu erholen.
• Krankenhäuser, Flughäfen, Einkaufszentren, Hochhäuser usw., wo aufgrund von Einschränkungen der Brandschutzstrategie keine Möglichkeit besteht, ölgefüllte Transformatoren in der Nähe von Menschen zu verwenden.
• Erneuerbare Energien, wo die Nabe, der Turm oder die Wechselrichter-Hochspannung Anwendungen rechtfertigen könnten, aufgrund der teuren Wartungszugänge und des begrenzten Gehäusevolumens.
• Industrieanlagen und Versorgungsunternehmen, wo die Folgen von Ölverlusten als gefährlich angesehen werden könnten und wo Sicherheitsmaßnahmen erforderlich wären.
• Städtische und unterirdische Umspannwerke, wo der Platzbedarf und das Brandrisiko eine wesentliche Rolle spielen und Trockentransformatoren dort eingesetzt werden können, wo ölgefüllte Transformatoren einen speziell ausgestatteten brandschutztechnischen Raum mit Feuerwiderstand benötigen würden.

Echte Projekte in diesem Bereich werden normalerweise nach derselben Logik spezifiziert, und eine gelieferte Installation vermittelt ein besseres Gefühl dafür als ein Datenblatt — zum Beispiel, die gelieferten Trockentransformatoren für ein duales Stromversorgungsprojekt in Pakistan zeigen das Muster: duale Versorgungen, Inneninstallation, keine Ölauffangvorrichtung und ein Schutzschema, das um den Transformator herum aufgebaut ist, anstatt um das Risiko des Transformators selbst.

Der Mythos stammt aus drei Quellen.

• Synonymprodukte. Fast alle Hersteller vermarkten beide Typen, und ölgekühlte Produkte nehmen oft den ersten Platz im Katalog ein, da sie sich als kostengünstiger in der Nutzung erweisen. Daher würde die Person, die durch den Katalog blättert, den Begriff Öl darin sehen und annehmen, dass alle darin vorgestellten Produkte ölgekühlte sind.
• Verwirrung über den richtigen Begriff. Wörter wie ONAN und ONAF beschreiben Kühlarten, und dieselben Buchstaben sind bei trockenen Transformatoren mit einer anderen Bedeutung vorhanden. Zum Beispiel bedeutet “AN” Luft natürlich im Fall von trockenen Transformatoren.
• Die Verwirrung ist funktional und nicht kosmetisch. Ölgekühlte Transformatoren schneiden in der Tat besser in Bezug auf die Überhitzungsprävention ab, was die Aussage “Öl verhindert Überhitzung” wahr macht, wenn sie auf die andere Familie von Transformatoren angewendet wird. Der Fehler hier besteht darin, dass diese Aussage dem falschen Typ von Transformator zugeschrieben wird.

Was Sie vor dem Kauf überprüfen sollten

Fünf Faktoren tragen erheblich dazu bei und sollten alle im Datenblatt zu finden sein, anstatt während der Verkaufsgespräche im Detail besprochen zu werden.

• Isolierklassifizierung und Temperaturerhöhung. Klasse F mit 100 K und Klasse H mit 125 K Ergebnisse sind zwei verschiedene Produkte, während sie die gleiche kVA besitzen. Stellen Sie die Existenz sowohl der Klasse als auch des Temperaturerhöhungsniveaus sicher und achten Sie auf die Umgebungsbedingungen.
• Kühlbedingungen und Vorhandensein von Lüftern. AN, AF oder ANAF sind enthalten, ebenso wie der Geräuschpegel für ein Gerät, das sich in der Nähe des besetzten Bereichs befindet.
• Gehäuse-IP-Klassifizierung und deren Auswirkungen auf die Dauerbewertung an den Standortanlagen.
• Verluste und Effizienzbewertung. Leerlaufverluste und Lastverluste bilden die Betriebskosten während der gesamten Betriebszeit. Sie unterliegen zusätzlich den Vorschriften in bestimmten Ländern, da beispielsweise GB/T 10228-2023 die Definitionen von Effizienzklassen in China festlegt, während die ErP Tier 2-Vorschriften die Produktqualität auf dem europäischen Markt kontrollieren.
• Zertifizierungsanforderungen. IEC 60076-11 ist ein international akzeptierter Standard und UL 1562 ist ein Standard für trockene allgemeine und Leistungstransformatoren, die in Nordamerika verwendet werden.

Ein wichtiges Wort zum Preis: Trockene Transformatoren sind in der Regel teurer als ölgefüllte Transformatoren desselben Typs, und der Grund dafür. Es ist nicht auf eine bessere Leistung dieser Einheiten zurückzuführen, sondern ihr Preis liegt daran, dass sie kein Öl verwenden. Im Allgemeinen sind sie für die gesamte Installationsdauer viel günstiger und in der Anfangsphase teurer.

Häufig gestellte Fragen

Sind trockene Transformatoren mit Öl gefüllt?

Nein. Es gibt keine flüssigen Medien in trockenen Transformatoren zur Kühlung oder Isolierung. Stattdessen verlassen sich trockene Transformatoren auf Luft zur Kühlung, entweder durch natürliche Kühlung wie bei AN-Typ-Transformatoren oder künstlich wie bei AF-Typ-Transformatoren. Sie verwenden auch feste Isoliermaterialien wie Gießharzisolierung oder harzimprägnierte Wicklungen. Der Standard IEC 60076-11 befasst sich mit trockenen Transformatoren, der für Transformatoren mit einer Leistung von 2500 kVA und einer Spannungsbewertung von 36 kV gültig ist.

Warum haben trockene Transformatoren niedrigere Temperaturerhöhungsgrenzen als ölgetauchte?

Es ist bekannt, dass Luft ein viel schlechterer Wärmeleiter im Vergleich zu Öl ist. Mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,026 W/m·K für Luft im Vergleich zu etwa 0,12 W/m·K für Isolieröl kann der trockene Transformator überschüssige Wärme aus den Wicklungen nicht schnell abführen. Damit die Isolierung während der gesamten 30-jährigen Nutzungsdauer ausreichend bleibt, darf die Temperatur der Wicklungen nicht zu steil ansteigen – 60 K im Falle von Klasse A-Isolierung und 150 K von Klasse C-Isolierung, die in IEC 60076-11 festgelegt sind. Bei dem ölgefüllten Transformator wurde beobachtet, dass die Temperatur der Wicklungen auf 65 K anstieg, während die Temperatur des Öls um 55 K stieg.

Wie kühlt sich ein trockener Transformator ohne Öl?

Die Energieübertragung erfolgt durch drei Formen. Die Übertragung von der Spule zur festen Isolierung kann durch Wärmeleitung, vom Gehäuse zur Umgebungsluft durch Konvektion und durch Strahlung vom Gehäuse stattfinden. Natürliche Konvektion (AN) ist für fast alle Anwendungen ausreichend, bei denen genügend Platz für diesen Prozess vorhanden ist, etwa 300 mm von jeder Wand oder 150 mm, wenn Zwangskühlung verwendet wird. Um den erhöhten Kapazitätsanforderungen gerecht zu werden und gleichzeitig die gleiche Grundgröße der Einheit beizubehalten, werden entweder Ventilatoren installiert (AF) oder unter der Bedingung installiert, dass sie nur bei Bedarf betrieben werden (ANAF). In Bezug auf die Pflege würde eine Staubabdeckung der Spulen und der Kühlkanäle die Effizienz der Systeme um 15-30% verringern.

Was ist besser, ein Trockentransformator oder ein ölgetauchter Transformator?

Keiner der beiden Transformatorarten wird allgemein bevorzugt; stattdessen sind sie für unterschiedliche Anwendungen ausgelegt. Wenn Brandschutz, Installation in Innenräumen, Nähe zu Menschen, ökologische Sicherheit und schwierige Wartung deren Verwendung verhindern (wie in Rechenzentren, Krankenhäusern, Hochhäusern, Tunneln, Offshore- und Stadtumspannwerken), sollte der Trockentransformator verwendet werden. Der ölgefüllte Transformator muss ausgewählt werden, wenn die niedrigen Kosten pro kVA, der Betrieb bei hohen Temperaturen, die Installation im Freien in einem umschlossenen Bereich oder die einfache Wartung des Öls erforderlich sind, was normalerweise für große Freiluftverteilungs- und Übertragungsanwendungen erforderlich ist. Die Transformatorarten schließen sich nicht gegenseitig aus; tatsächlich ist es üblich, dass an einem Standort öltransformatoren an den eingehenden Umspannwerken und Trockentransformatoren an den Verteilungsstationen eingesetzt werden.

Referenzen

1. Internationale Elektrotechnische Kommission — IEC 60076-11, Trockenleistungstransformatoren
2. UL Standards & Engagement — UL 1562, Transformatoren, Verteilung, Trockenbau
3. NFPA 70, National Electrical Code — Artikel 450, Transformatoren und Transformatorräume
4. Schneider Electric — Dokumentation zur Anwendung und Auswahl von Trockentransformatoren
5. Siemens — Referenzmaterial zur Transformatorentechnologie und Kühlmethoden

Fazit

Trockentransformatoren haben andere Konstruktionsprinzipien als traditionelle Transformatoren, da sie ohne Öl als Isolierung betrieben werden. Trotz der Tatsache, dass Trockentransformatoren einige thermische Widerstände verlieren und keine Verbrennungsflüssigkeiten als Isoliermaterialien verwenden, können diese Transformatoren an Standorten wie Rechenzentren, Krankenhäusern, Tunneln und Kellern installiert werden, ohne dass ein Management von Leckagen, Feuerwehrdienste oder Ölüberwachung erforderlich sind. Das Problem beim Verständnis des Trockentransformators liegt in dem ähnlichen Betriebsprinzip sowohl für ölgefüllte als auch für Trockentransformatoren und der Existenz des gleichen Vokabulars für beide. Die Anweisungen zu diesem Transformatorentyp bieten ausreichende Informationen über das Isolationssystem, den Temperaturanstieg und verschiedene Kühlmethoden.