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Durchbruch in der Technologie der ölgetauchten Transformatoren: Ein neuer Morgen für das Energiefeld

Der leitende Ingenieur eines regionalen Elektrizitätsversorgungsunternehmens überprüft die Ergebnisse eines dreijährigen Pilotprojekts mit zehn ölgefüllten Transformatoren; fünf dieser Transformatoren haben amorphe Legierungskerne, drei von ihnen sind mit natürlicher Esterflüssigkeit gefüllt, und zwei verfügen über online gelöste Gasanalysatoren. Alle getesteten Transformatoren arbeiteten erfolgreich über 30.000 Stunden. Die amorphen Transformatoren zeigten 68% niedrigere Leerlaufverluste als die Durchschnittswerte der vorherigen S9-Transformatoren. Die Estertransformatoren durchliefen zwei Blitzsaison ohne Anzeichen von Gas-in-Öl-Problemen, und das Online-Überwachungssystem identifizierte die Entwicklung eines Hotspots 14 Monate früher, bevor das Problem zu einem Ausfall führen konnte. Aufgrund dieses überzeugenden Pilotversuchs beschloss der Vorstand des Elektrizitätsversorgungsunternehmens, diese Technologie in größerem Umfang zu nutzen.

Dieses Pilotprojekt ist ein guter Indikator für den Trend in der Entwicklung der Technologie ölgefüllter Transformatoren. Der Artikel bietet einen Überblick über die technologischen Verbesserungen – bessere Kernmaterialien, verbesserte Isolierflüssigkeiten und digitale Überwachungssysteme, die eine einfachere Identifizierung von Problemen ermöglichen.

Kurze Antwort: Die wesentlichen Fortschritte in der Technologie ölgefüllter Transformatoren umfassen amorphe Metallkerne (die zu einer Reduzierung des Leerlaufverlusts um 60–70% im Vergleich zu herkömmlichen Designs S9/S11 führten), Stufenlap- und laserbeschnittene CRGO-Kerne (was zu einer Reduzierung der Kernverluste um 10–20% führt), natürliche und synthetische Esterflüssigkeiten mit Flammpunkten über 300 °C anstelle von ~160 °C für Mineralöle, online gelöste Gasanalysen und IoT-basierte Zustandsüberwachung sowie digitale Zwillinge und Diagnosen auf Basis künstlicher Intelligenz, die eine Vorhersage von Ausfällen Monate im Voraus ermöglichen. Für eine typische 1.000 kVA Transformatoreneinheit werden diese Technologien den Preis um etwa 10–30% erhöhen und gleichzeitig die Energieverluste senken.

Durchbruch in der Technologie der ölgetauchten Transformatoren: Ein neuer Morgen für das Energiefeld


Warum sich die Transformatorentechnologie ändern musste

Transformatoren sind bekannt dafür, die häufigste Art von wertvoller elektrischer Ausrüstung zu sein, und sie sind auch ständig mit Ineffizienz konfrontiert. Wie in den häufig zitierten Branchenberichten erwähnt, gehen weltweit etwa 1,5–2% der insgesamt produzierten Elektrizität aufgrund von Transformatorenverlusten verloren. Zum Beispiel in einer Organisation, in der es etwa 5.000 Verteilungstransformatoren gibt, von denen jeder eine durchschnittliche Kapazität von 500 kVA hat, werden die Leerlaufverluste mehr als 20 GWh Elektrizität pro Jahr verbrauchen, was einem jährlichen Verbrauch von mehreren Tausend Haushalten entspricht und Millionen von Dollar kostet.

Es gibt drei Aspekte, die zur Notwendigkeit von Veränderungen führen, nämlich die Vorschriften zur Energieeffizienz (die EU-Ecodesign-Verordnung 548/2014 und andere, das U.S. Department of Energy 10 CFR Teil 431, Chinas GB 20052), Umweltvorschriften, die das Risiko von Mineralölverschmutzungen in der Nähe von Wasser und Gemeinden begrenzen, und die Kosten von Ausfällen, die mit der Elektrifizierung der Wirtschaft verbunden sind. Jeder dieser Faktoren entspricht einem bestimmten technologischen Durchbruch.

Amorphe Legierungs-Kerne: Reduzierung der Leerlaufverluste

Die Erfindung des amorphen Metallkerns stellt den bedeutendsten Fortschritt in der Transformatorentechnologie in der Welt der Elektrotechnik dar. Dieser Fortschritt ersetzt den gewöhnlichen Siliziumstahl, der im Herstellungsprozess verwendet wird, und nutzt eine Eisenlegierung, die sich sehr schnell verfestigt und somit ihre Kristallstruktur eliminiert. Infolgedessen hat der amorphe Kern einen deutlich geringeren magnetischen Verlust.

Folgende Ergebnisse wurden berichtet: Die allgemein akzeptierte Verlustreduzierung für einen Transformator mit amorphem Kern im Vergleich zu einem Transformator mit einem kornorientierten CRGO-Kern (Siliziumstahlkern) beträgt etwa 60–70%. Zum Beispiel änderte sich der Leistungsverlust eines 1000 kVA Transformators von etwa 1700 W (S11-Niveau) auf 500–700 W. Der Magnetisierungsstrom verringert sich entsprechend, und es treten weniger Energieverluste auf.

Amorphe Legierungskerne senken die Leerlaufverluste

In der Vergangenheit war die Verwendung des amorphen Kerns aufgrund von Schwierigkeiten bei der Herstellung großer dreiphasiger Designs aufgrund der Sprödheit der Bänder begrenzt. Dennoch bietet der Markt jetzt Transformatoren mit amorphem Kern in verschiedenen Größen an, von denen einige 2500 kVA oder sogar 10 MVA in speziellen Anwendungen erreichen.

Technologie Leerlaufverluste vs. S9 Typische Kostenprämie Wichtiger Kompromiss
Konventionelles CRGO (S9) Basislinie — Hohe Verluste
Standard CRGO (S11) −30% +10–15% Keine signifikanten
Premium CRGO (S13) −50% +20–30% Empfindlichkeit des Stahlpreises
Amorpher Kern −60–70% +20–30% Sprödes Band, Handhabungskontrolle

Der Gewinn an Effizienz hängt von der Raffinesse des Kernmaterials und seinen Kosten ab.

Materialkosten: Der etwa 1.000 kVA ölgetauchte Transformator mit amorphem Kern kostet etwa $18.000–$28.000, was etwa 20–30% mehr ist als ein traditioneller. Im Falle eines Rund-um-die-Uhr-Betriebs beträgt die jährliche Einsparung aufgrund von Leerlaufverlusten etwa 1.000–1.200 W. Dies könnte dem Nutzer etwa $700–$1.200 pro Jahr sparen, wenn der Strompreis $0.08–$0.10/kWh beträgt. Daher beträgt die Amortisationszeit, abhängig vom zugewiesenen Wert für Verluste, etwa 6–12 Jahre.

Esterflüssigkeiten: Brandschutz und Langlebigkeit

Mineralöl hat seinen Zündpunkt bei etwa 160°C. Natürliche Ester (hergestellt aus pflanzlichen Ölen wie Raps oder Soja) oder synthetische Ester haben einen Zündpunkt über 300°C, wodurch viele für K-Klassen-Verfahren bezüglich der hochzündfähigen Flüssigkeiten qualifizieren. Diese besondere Eigenschaft eröffnet Möglichkeiten, wo Transformatoren platziert werden können: drinnen, in der Nähe von Gebäuden und in der Nähe empfindlicher Ökosysteme, wo Mineralöle praktisch nicht erlaubt sind.

Flüssigkeit Flammpunkt Biodegradierbarkeit Feuchtigkeitsverträglichkeit Relativer Kostenaufschlag
Mineralöl ~160°C Begrenzt Niedrig Basislinie
Hochtemperaturmineral ~300°C Begrenzt Niedrig +20–40%
Natürlicher Ester >300°C >90% in 28 Tagen Hoch +30–60%
Synthetischer Ester >300°C Mäßig–hoch Hoch +60–100%

Esterflüssigkeiten haben eine viel größere Wasserhaltekapazität, was ungewöhnlich klingt, aber vorteilhaft ist: Durch das Fernhalten von Feuchtigkeit von der Papierisolierung wird der Alterungsprozess verzögert. Praktische Erfahrungen zeigen, dass die Alterungsrate von Papier in estergefüllten Transformatoren 5 bis 8 Mal niedriger ist als in Transformatoren, in denen Mineralöl verwendet wird, da das Wasser in der Flüssigkeit bleibt, anstatt ins Papier zu gelangen. Altersstudien von Transformatoren und Laborversuche zeigen, dass die Lebensdauer des Transformators durch die Verwendung von Estern um das 1,5- bis 2-Fache verlängert wird.

Der Nachteil von Estern sind jedoch ihre Kosten und Pumpeneigenschaften. Ester haben bei kalten Temperaturen stärkere Viskositätseigenschaften, was für kalte Klimazonen wichtig ist, und der Preisaufschlag gegenüber Mineralöl ist erheblich – ein 1.000 kVA Transformator erfordert Ausgaben von $3.000 bis $8.000 für Ester.

Digitale Überwachung und Online-DGA

Die Analyse gelöster Gase war in den letzten Jahrzehnten ein wichtiger Standard in der Gesundheitsüberwachung von Transformatoren. Diese Überwachung bedeutete jedoch in der Regel einmal jährlich Proben zur Analyse ins Labor zu senden. Aber jetzt ist es möglich, den Zustand des Transformators mit Online-DGA und IoT-Zustandsüberwachungslösungen zu überwachen.

Hier sind mehrere Elemente, die diese Überwachung so fortschrittlich machen:

  • Online-DGA-Monitore erkennen kontinuierlich oder täglich entscheidende Gase: Wasserstoff, Methan, Ethan, Ethen, Acetylen, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, mit Alarmen, die gemäß IEC 60599 und IEEE C57.104 entwickelt wurden.
  • Multi-Sensor-Setups liefern Informationen zur Wickeltemperatur, zur Oberöltemperatur, zur Last, zur Abgriffposition und sogar zur Teilentladungserkennung durch UHF-Sensoren.
  • Die KI-Diagnosemaßnahme vergleicht Gas-Trends mit der Ausfalldatenbank und kann potenzielle Probleme lange bevor reguläre Gas-Kombinationen zu einer Untersuchung des Ausfalls führen, anzeigen.
  • Digitale Zwillinge können das thermische Verhalten von Transformatoren nachahmen und die Hot-Spot-Temperatur sowie deren Lebensdauer gemäß der Alterungsformel IEC 60076-7 schätzen.

Ein gut instrumentierter Transformator in einer Umspannstation mit einer Nennleistung zwischen 10 und 30 MVA kann die Kosten von $15,000-$40,000 für Messgeräte rechtfertigen, da ein ungeplanter Ausfall dieser Größenordnung Kosten zwischen $250,000 und $1,000,000 für Ersatz, Kranmiete und Ausfallzeiten verursachen kann. Darüber hinaus können selbst Niederspannungstransformatoren mit Online-DGA-Geräten, die etwa $1,500-$4,000 kosten, ihre Kosten nach einem ungeplanten Ausfall an den kritischen Zuleitungen zurückgewinnen.

Überwachungsniveau Typische Kosten Was es erkennt Am besten für
Jährliche Labor-DGA $200–$600/Jahr Gas-Trends nach dem Fakt Alle Einheiten
Basis-Online-H2-Monitor $1.500–$4.000 Wasserstoffanstieg (frühes Lichtbogen/PD) Verteilungsleitungen
Multi-Gas-Online-DGA $8.000–$40.000 Vollständiges IEC 60599-Gas-Set mit Alarmen Leistungstransformatoren >10 MVA
Vollständiges IoT + digitaler Zwilling $15.000–$60.000 Thermisches Modell, verbleibende Lebensdauer, Alarme Kritische Netzvermögen

Design-Innovationen: Step-Lap, Niedriggeräusch, Hybridkerne

Neben den großen Innovationen tragen viele kleinere Innovationen zur Schaffung größerer Gewinne bei:

  • Verwendung der Step-Lap-Geometrie in Kernverbindungen: Dieser Prozess ersetzt gerade Stumpfverbindungen, reduziert die lokale Flusskonzentration und führt zu einer Reduzierung der Leerlaufverluste um 5-10% und der hörbaren Geräuschpegel, die um 2-4 dBA sinken.
  • Lasergetypter und CRGO-Kern: Ein Laser im Prozess erzeugt Löcher zwischen magnetischen Domänen, wodurch die Wirbelverluste um 10-20% reduziert werden.
  • Geräuschreduzierende Lösungen: Alle Prozesse führen zu einer Senkung der typischen Geräuschpegel von 55-60 dBA im Produktionsprozess des Kerns auf 45-50 dBA bei gleicher Leistungsausgabe.
  • Hybridisierung von Kernen: Durch die Mischung von CRGO und amorphem Band in einem Kern ist es möglich, die Kosteneffektivität zu nutzen und einige Vorteile von amorphem Material zu geringeren Kosten zu erzielen.
  • Änderung der Kühlsysteme: Ein innovatives Design des Plattenradiators und der kontrollierte Ölfluss im Prozess ermöglichen es, die gleiche Temperatur an Hot Spots während der gleichen Last des Leistungstransformators aufrechtzuerhalten.

Gemessene Auswirkungen auf Verluste und Kosten

Die folgende Tabelle bietet eine Zusammenfassung der Verbesserungsmessungen für einen Verteilungstransformator mit einer Nennleistung von 1.000 kVA im Vergleich zu dem neuesten Modell eines konventionellen S11-Transformators.

Maß Konventioneller S11 Fortschrittliches Design Verbesserung
Leerlaufverlust ~1.700 W ~550 W −68%
Lastverlust ~10.500 W ~10.000 W −5%
Jährlicher Energieverlust (60% LF) ~67 MWh ~58 MWh −13%
Geräuschpegel ~57 dBA ~50 dBA −7 dBA
Erstkosten (FOB) $14.000–$22.000 $18.000–$28.000 +25–30%
Geschätzte 25-jährige TCO-Einsparung Basislinie $15.000–$35.000 Nett positiv

Der Trend ist über die Bewertungen hinweg vorhersehbar: Fortschrittliche Technologien erhöhen die Investitionskosten um 10-30%, während die Betriebskosten gesenkt werden, insbesondere in den Märkten, die durch hohe Strompreise oder Verlustkapitalisierungswerte gekennzeichnet sind. Die Berechnung der Gesamtkosten des Transformatorbesitzes zeigt im Allgemeinen, dass sich bessere Technologien nach etwa 15 Jahren oder mehr auszahlen.

Übernahme-Status weltweit

  • Europa: Die Umsetzung der EU-Ecodesign-Verordnung (Verordnung Nr. 548/2014) hat die am wenigsten effizienten Produkte vom Markt gedrängt – praktisch alle neuen Verteilungstransformatoren haben Tier-2-Verluste und moderne amorphe sowie verlustarme CRGO-Designs.
  • USA: Das DOE hat die Mindestanforderungen an die Effizienz, die in 10 CFR Teil 431 festgelegt sind, verschärft; im Zuge der Versorgungsengpässe von 2022 flossen viele Investitionen in die lokale Produktion von amorphen und hocheffizienten Produkten.
  • China: Die neue Vorschrift GB 20052-2020 machte Effizienzklassen verpflichtend, und die provinziellen Versorgungsunternehmen haben S7/S9-Einheiten eingestellt und beschaffen schnell S13- und amorphe Einheiten (hauptsächlich in Provinzen, die grüne Energie bevorzugen).
  • Indien und Afrika: Die Erschwinglichkeit bleibt die Priorität, aber es gibt eine wachsende Anzahl von Finanzierungsquellen für hocheffiziente Produkte von großen Gebern und multilateralen Banken, da die Einsparungen bei Verlusten die Finanzierungskosten decken.
  • Der entscheidende Punkt ist, dass alle Märkte in die gleiche Richtung gehen, um die gleichen Ziele zu erreichen – weniger verschwendete Energie, bessere Brand- und Umweltsicherheit und mehr Transparenz über den Gesundheitszustand der Vermögenswerte.

Wer die neue Generation aufbaut

Wer die neue Generation aufbaut

Marke Schlüsselstärke Fokus
Hitachi Energie Globaler Marktführer in Transformatoren und HVDC-Expertise Große Leistungstransformatoren, digitale Überwachung
ABB Breites Portfolio und Servicenetzwerk Verteilungs- und Leistungstransformatoren
Siemens Energie Versorgungsgrad-Engineering und digitale Zwillinge Leistungstransformatoren, Netzlösungen
Schneider Electric EcoStruxure digitale Integration Verteilungstransformatoren, Smart Grid
Hyosung / Hyundai Asiatische industrielle Fertigung Leistungstransformatoren, amorphe Übernahme
Jiangsu Subian Electric Power Kostenwettbewerbsfähige IEC-zertifizierte Fertigung Ölgetauchte Verteilungs- und Leistungstransformatoren

Die Erfahrung der Unternehmen in Forschung, jahrzehntelanger Betrieb und unübertroffene Serviceabdeckung sind unerreicht. Gleichzeitig ist die Fähigkeit, die Technologie einer neuen Generation in der Fertigung zu nutzen, nämlich Technologien des amorphen Stapelns, der Esterfüllung und der Integration von Online-Überwachung, in vielen Fabriken weltweit verfügbar geworden. Dadurch können die heutigen Kunden die Spitzenmodelle von Marken bestellen, die vor einem Jahrzehnt unbekannt waren.

Zu diesen Marken gehört Jiangsu Subian Electric Power, ein chinesisches Unternehmen, das sich auf ölgetauchte Transformatoren spezialisiert hat. Die Organisation hat die neue Technologie für alle IEC 60076-konformen Produkte angewendet. Subian stellt die neuesten verlustarmen und amorphen Kernverteilungstransformatoren her und bietet auf Anfrage Modelle mit Esterflüssigkeit sowie fertige DGA-Probenahme- und Fernüberwachungseinheiten an. Die technologischen Fortschritte des Unternehmens und die attraktiven Exportpreise machen das Unternehmen zu einer attraktiven Alternative für Versorgungsunternehmen und EPC-Unternehmen in ganz Asien, Afrika, dem Nahen Osten und Lateinamerika. Ihre Produktpalette und Zertifizierungsdetails sind verfügbar unter subian-electric.com.

Wie Versorgungsunternehmen diese Technologien übernehmen sollten

  • Teilen Sie die Flotte in Gruppen auf. Verwenden Sie amorphe Transformatoren für die Flotten, die einen hohen Lastfaktor aufweisen (zum Beispiel 24/7 industrielle und kommerzielle Anwendungen, während für andere Premium-CRGO verwendet wird). Die energieeinsparende Leistung ist direkt proportional zur Anzahl der Betriebsstunden.
  • Lassen Sie die Verwendung von Estern gut durchdacht sein. Verwenden Sie Esterflüssigkeit, wenn lokale Brandschutzvorschriften, Installationen im Innenbereich und Umweltüberlegungen den Preis überwiegen.
  • Verwenden Sie Schichten von Geräten zu Überwachungszwecken. Allgemeines DGA für Einheiten von 10 MVA und mehr, während jährliches DGA oder einfache Alarmsysteme für den Rest verwendet werden. Nicht alle Transformatoren müssen mit einer konstanten Datenversorgung ausgestattet sein.
  • Geben Sie die Anforderungen an die Verlustkapitalisierung in den Ausschreibungen an. Wenn Ihr Tarif $0.08/kWh beträgt und die Lebensdauer der Verluste 25 beträgt, dann ist der Gewinner derjenige, der die Verluste und nicht den Preis berücksichtigt.
  • “Pilotieren” Sie das System. Verbringen Sie 12-24 Monate mit dem im Eröffnungsteil beschriebenen Pilotbetrieb. Die gewonnenen Daten sollten die Flottenpolitik diktieren und nicht irgendwelche Argumente von den Anbietern.

Häufig gestellte Fragen

Wie viel kostet ein amorpher Kerntransformator im Vergleich zu einem herkömmlichen?

Amorphe Transformatoren kosten etwa 20 bis 30% mehr als herkömmliche S11-Einheiten mit derselben Nennleistung. Zum Beispiel kann der Preis eines 1.000 kVA amorphen Transformators zwischen $18.000 und $28.000 FOB liegen, während er für herkömmliche S11 zwischen $14.000 und $22.000 variieren kann. Der Amortisationszeitraum kann jedoch durch die Reduzierung der Leerlaufverluste um etwa 60 bis 70% innerhalb von 6-12 Jahren gemäß den Strompreisen erreicht werden.

Sind estergefüllte Transformatoren wirklich sicherer als Mineralölgeräte?

Tatsächlich liegt der Feuerpunkt von Mineralöl bei etwa 160°C, während natürliche und synthetische Ester Feuerpunkte über 300°C haben und die Bedingungen für K-Klasse mit hohem Feuerpunkt gemäß IEC 61039 erfüllen. Darüber hinaus haben Ester eine bessere Biodegradierbarkeit und erlauben einen höheren Feuchtigkeitsgehalt im Papier, wodurch der Alterungsprozess in die unvorhersehbare Zone gerät. Die Hauptnachteile sind der relativ hohe Preis der Flüssigkeiten und ihre höhere Viskosität bei niedrigen Temperaturen.

Wie viel kostet die Online-DGA-Überwachung?

Je nach Anwendung und Komplexität der überwachten Maschinen kann der Preis von etwa $1.500 – $4.000 für einen einzelnen Wasserstoff-Gasmonitor in der Verteilung bis zu $15.000 – $40.000 für ein vollständiges Online-Multi-Gas-DGA-System reichen, das Alarme bei einem Leistungstransformator mit einer Nennleistung von etwa 10-30 MVA bereitstellt.
Die Wirtschaftlichkeit ist sinnvoll, da der Preis selbst für die einfachsten Geräte typischerweise durch die Wirtschaftlichkeit der Vermeidung eines einzigen ungeplanten Ausfalls gerechtfertigt ist.

Haben amorphe Kerne Nachteile?

Eine kleine Menge. Der Umgang mit dem amorphen Band ist während des Stapelns der Kerne empfindlich, was es notwendig macht, die Qualitätskontrolle sicherzustellen. Das Verhältnis der magnetischen Verzerrung steigt leicht an, was die Geräuschentwicklung um einige Dezibel erhöht und mit der Behandlung des Tanks kompensiert werden muss. Darüber hinaus bleiben größere Einheiten selten: Die meisten handelsüblichen amorphen Kerne haben eine Leistung von nicht mehr als 2500 kVA – größere Kerne sind nur auf spezielle Bestellung erhältlich.

Wie viel Energie verschwenden Transformatoren weltweit?

Schätzungen zufolge gehen etwa 1.5%-2% der gesamten erzeugten Elektrizität während des Transports und beim Durchlaufen von Leistungstransformatoren verloren. Dieser Verlust führt zu Millionen von Dollar unnötigen Verlusten für Versorgungsunternehmen, weshalb Effizienzvorschriften und die in diesem Zusammenhang diskutierten neuen Technologien die Branche immer strenger machen.

Referenzen

Fazit

Die Fortschritte in der ölgetränkten Transformatorentechnologie verschiedener Art — amorphe Kerne, Esterflüssigkeiten, Online-DGA und Verbesserungen im Design — sind keine bloßen technologischen Neuheiten. Sie wurden in der Praxis erprobt und getestet, wobei die Kosten berücksichtigt wurden und zunehmend von Vorschriften gefordert werden. Die Verbindung zwischen diesen beiden Gruppen von Innovationen ist in wirtschaftlicher Hinsicht dieselbe: Durch eine geringe Investition spart jede der oben genannten Technologien Geld und trägt zur Minimierung durchschnittlicher Verluste, Risiken und Ausgaben bei. Die wichtigsten Punkte sind:

  • Amorphe Kerne ermöglichen es uns, die Leerlaufverluste um 60-70% mit einem Aufpreis von 20–30% im Preis zu senken.
  • Esterflüssigkeiten ermöglichen Brandschutz mit langsamerem Papieralterungsprozess bei einer zusätzlichen Zahlung von $3.000-$8.000 pro 1.000 kVA Transformatorleistung.
  • Online-Überwachung amortisiert sich in den meisten Fällen durch die Verhinderung nur eines ungeplanten Ausfalls.
  • Die Entscheidung, welche Technologie zu kaufen ist, sollte auf dem Wert der eingesparten Verluste und nicht auf dem Preis basieren.

Mit Transformatoren von Jiangsu Subian Electric Power haben sowohl Elektrizitätsunternehmen als auch Bauentwickler Zugang zu den neuesten Technologien, die zu einem sehr angemessenen Preis angeboten werden.