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Haupttransformator-Kühlmethoden: Eine Vielzahl von Technologien

Veröffentlicht am 2026-08-29

Mitte Juli steht ein Umspannwerksingenieur im Transformatorhof einer heißen und staubigen Hafenstadt im Nahen Osten und überwacht ein alarmierendes Signal auf dem Bildschirm. Die Wicklungstemperatur hat 118ºC erreicht und steigt weiter bei einem Transformator mit einer Temperaturerhöhung von 65 K und einer Kapazität von 50 MVA. Es sind weniger als zwei Jahre seit der Installation vergangen, und der Transformator war während eines unerbittlich heißen und rekordverdächtigen Sommers einer hohen Last ausgesetzt. Es scheint, dass das öl-natürliche Kühlsystem des Transformators die Wärme aus dem Transformatorbehälter nicht ableiten kann. Der Ingenieur steht vor dem Dilemma, das jeder große Transformatorenbesitzer eines Tages lösen muss: Er könnte entweder das Kühlsystem des Transformators nachrüsten, ihn herabsetzen oder sich auf eine kürzere Lebensdauer des Geräts vorbereiten. Es sollte beachtet werden, dass Kühlung kein bloßes Wartungsproblem ist. Es ist eine ingenieurtechnische Überlegung, die die Kapazität des Transformatorbehälters und die Lebensdauer der elektrischen Isolierung bestimmt.

Der Artikel präsentiert alle verfügbaren Kühlsystemtechnologien für Transformatoren, einschließlich ONAN-Kühlung, ONAF-Kühlung, OFAF-Kühlung, ODWF-Kühlung und neuen Lösungen wie Luft- und Wärmeleitrohr-Nachrüstlösungen.

Kurz gesagt: Kühlmethoden für Transformatoren werden durch die vierbuchstabigen Codes des IEC-Standards definiert: ONAN, ONAF, OFAF, OFWF und ODWF. Die thermische Grenze wird durch den maximalen durchschnittlichen Anstieg der Wicklungstemperatur bestimmt, normalerweise 65 K für ölgetauchte Transformatoren gemäß IEC 60076-2 und IEEE C57.12.00. Die Installation von Zwangsluftventilatoren in einem ONAN-Transformator führt normalerweise zu einer kontinuierlichen Kapazitätssteigerung von etwa 20-33%; die vollständige Anwendung der Zwangsölkühlung kann die Stromversorgung um 40-50% im Vergleich zu einem selbstgekühlten Gerät steigern.

Haupttransformator-Kühlmethoden Eine Vielzahl von Technologien

Warum Kühlung die Transformatorleistung bestimmt

Transformatoren wandeln elektrische Energie sehr effizient um, aber selbst die 1 bis 3 % an Leistung, die in Wärme umgewandelt werden, bedeutet einen enormen Verlust. Zum Beispiel hat ein Transformator mit einer Nennleistung von 50 MVA und einer Effizienz von 99 % einen Wärmeverlust von etwa 500 kW kontinuierlich, was ausreicht, um ein kleines Haus zu heizen. Die erzeugte Wärme hat nur einen Weg: nämlich durch das Isolationssystem zum Öl oder zur Luft, dann zur Wand und zu den Heizkörpern des Behälters und schließlich zum umgebenden Wasser oder zur Luft. Dieser Wärmeabführungsprozess gibt eine obere Grenze für die kontinuierliche Leistung des Transformators in kVA vor.

Wärme ist der Feind der Transformatoren. Die Hauptursache für die Alterung der Isolierung folgt dem Arrhenius-Prinzip: Jeder Anstieg der Temperatur um 6-10 K über die erwartete Hotspot-Temperatur halbiert die erwartete Lebensdauer der Isolierung. Ein Transformator, der für einen durchschnittlichen Temperaturanstieg von 65 K ausgelegt ist und bei 80 K arbeitet, wird nicht nur die Leistung erheblich verschlechtern, sondern auch seine Lebensdauer sehr schnell verbrauchen, was dazu führt, dass er jeden Monat Jahre an Lebensdauer verliert.

Entschlüsselung des Kühlcodes und der Hauptkühlmethoden

Der Kühlprozess wird gemäß der standardisierten vierbuchstabigen Nomenklatur definiert in IEC 60076-2 und IEEE C57.12.00 identifiziert: Der erste Buchstabe gibt das äußerst wichtige Medium an, das mit den Wicklungen in Kontakt kommt (o = Öl, k = Flüssigkeit mit einem Flammpunkt über 300°, a = Luft), der zweite Buchstabe informiert uns über die Art, wie dieses Medium zirkuliert (n = natürlich, f = künstlich erzwungene Zirkulation, d = gerichtete Zirkulation), der dritte Buchstabe bezieht sich auf das Medium, mit dem das Gerät interagiert (a = Luft, w = Wasser) und der letzte Buchstabe bezieht sich auf die Art der Zirkulation (n = natürlich, f = künstlich).

Kühlcode Wie es funktioniert Typische Nennleistungssteigerung vs. ONAN Typische Transformatorgröße
ONAN Öl zirkuliert durch natürliche Konvektion; Wärme strahlt in die ruhende Luft ab Basislinie Bis zu ~5 MVA (einzelne Stufe); große Einheiten sind bei reduzierter Last als ONAN bewertet
ONAF Fügt Radiatorlüfter hinzu; Luft wird über die Kühlflächen geblasen +20 bis +33% 5-100 MVA
OFAF Ölpumpen erzwingen die Zirkulation; Lüfter zwingen Luft über Radiatoren +40 bis +50% 50-300 MVA
OFWF Öl wird durch einen wassergekühlten Wärmetauscher gepumpt +40 bis +50%, kompakte Stellfläche Große Einheiten, wo Wasser verfügbar ist
ODWF / ODAN / ODAF Gerichteter Ölfluss durch Wicklungskanäle; Lüfter oder Wasser extern Bis zu +60% im gerichteten Design 100 MVA und mehr

Mehrstufige Nennungen werden routinemäßig beim Kauf von Leistungstransformatoren verwendet, zum Beispiel ONAN/ONAF/ONAF oder die Kombination von ONAN/ONAF/ONAF/ONAF, und ermöglichen es den Betreibern, die Lüfter bei steigender Last einzuschalten. Zum Beispiel kann ein Transformator mit einer Leistung von 60 MVA als ONAN mit 40 MVA, als ONAF mit 50 MVA und als 60 MVA mit allen aktiven Lüftern bewertet werden. Die verwendeten Lüfter sind in der Regel Axiallüfter, die zwischen 0,75 kW und 3 kW Leistung verbrauchen, eine vernachlässigbare Menge angesichts der Lasten, die sie unterstützen, die mehrere hundert bis tausende von Dollar pro Installation, Lüfter inklusive, ausmachen.

ONAN vs. ONAF vs. OFAF vs. ODWF

ONAN vs. ONAF vs. OFAF vs. ODWF

Merkmal ONAN ONAF OFAF ODWF
Bewegliche Teile Keine Nur Lüfter Pumpen + Lüfter Pumpen + Wassersystem
Typischer Nennbereich Bis zu 5-10 MVA 5-100 MVA 50-300 MVA 100 MVA und mehr
Kosten pro MVA Niedrigste Mäßig Höher Höchste
Zuverlässigkeit / Wartung Höchste; nichts kann ausfallen Lüftermotoren benötigen Aufmerksamkeit Pumpendichtungen und Motoren hinzugefügt Wasserlecks und Verunreinigungsrisiko
Stellfläche Große Radiatorbänke Kompakte Radiatoren + Lüfter Kompakt mit Pumpen Am kompaktesten
Geräusch Niedrigste Lüftergeräusch Pumpen + Lüftergeräusch Pumpen + Wassergeräusch

Es ist einfach, die technischen Kompromisse hier zu verstehen: Jede zusätzliche erzwungene Kühlstufe bietet zusätzliche MVA pro Einheit Tankvolumen, führt jedoch zur Hinzufügung von Geräten, die ausfallen, Strom verbrauchen oder Lärm erzeugen können. ONAN ist nach wie vor die häufigste Option, da es keine Ausfallmodi außer dem Transformator hat, während ONAF die Standardoption aufgrund von erschwinglichen, getesteten und leicht nachrüstbaren Lüftern ist; OFAF und ODWF werden nur für große Transformatoren verwendet, wenn Tanks und Wärme-Dichte keine andere Option lassen.

Temperaturerhöhungs-Klassen und -Grenzen

Parameter IEC 60076-2 Typischer Wert IEEE C57.12.00 Typischer Wert
Max durchschnittlicher Wickelanstieg (ölgetaucht) 65 K 55 K (OA), 65 K (FA)
Max heißer Punkt Wickelanstieg 78 K (85°C heißer Punkt, 7 K Umgebungsspielraum) 80 K
Max Oberölanstieg 60 K 55-65 K nach Klasse
Entwurfsumgebungstemperatur Durchschnitt 30°C, max 40°C 30°C Durchschnitt, 40°C max
Max Temperaturgrenze für heiße Punkte 98°C (Wicklung), 105°C (Öl) 110°C kontinuierlich

Diese Werte sind Teil einer Vereinbarung oder eines Vertrags mit einem Format. Wenn ein Transformator den Temperaturanstiegstest im Werk nicht besteht, hat er die Bedingungen der Spezifikation nicht eingehalten und die Zertifizierung muss den gemessenen Temperaturanstieg enthalten. Wenn die Höhe (1.000 m oder höher) oder hohe Umgebungstemperaturen (plus oder minus 40 Grad Celsius) berücksichtigt werden, müssen die Faktoren in IEC 60076-2 überprüft werden, da die Geräte in einem heißeren Klima herabgestuft werden müssen und sich somit von den Geräten unterscheiden, die in einem gemäßigten Klima verwendet werden.

Um zu verstehen, wie die verschiedenen Kühlphasen den Prozess beeinflussen | wurde derselbe 25-MVA-Transformator unter verschiedenen Bedingungen und Prozessen betrachtet, damit man die Besonderheit erkennen kann, wenn die Anbieter unrealistische Angebote machen:

Kühlmodus Kontinuierliche Bewertung (25 MVA Tank) Anstieg bei 25°C Umgebung Anstieg bei 40°C Umgebung Herabstufung erforderlich bei 40°C
ONAN (natürlich) ~15 MVA 52 K Oberöl 67 K Oberöl ~12%
ONAF (Lüfter eingeschaltet) ~20 MVA 48 K Oberöl 63 K Oberöl ~8%
OFAF (Pumpen + Lüfter) ~25 MVA 44 K Oberöl 59 K Oberöl ~5%
ODWF (gerichtet + Wasser) ~30 MVA 40 K Oberöl 55 K Oberöl ~5%

Nachrüstung und Hochstufung bestehender Einheiten

Der Wechsel von ONAN zu ONAF-Service ist oft die bevorzugte Upgrade-Methode, da sie in der Regel günstiger ist als der Kauf eines größeren Transformators.

Überprüfen Sie das thermische Design. Holen Sie eine Bestätigung vom Hersteller ein, ob die Kühler und der heiße Punkt in den Wicklungen mit der zusätzlichen Wärme umgehen können. Einige Tanks benötigen auch mit der Installation von Lüftern eine größere Kühleroberfläche.

  • Installieren Sie eine Lüfterbank. Die Kosten liegen normalerweise zwischen $1500 und $8000 und beinhalten 2-6 Axiallüfter, Schutzgitter, Montagerahmen, Verkabelung zusätzlich zu Kontaktoren, während die Installation 2-4 Tage Ausfallzeit erfordert.
  • Ausstatten mit temperaturgesteuerten Schaltern. Die Lüfter sollten bei einem Signal der Oberöltemperatur zu arbeiten beginnen und sich automatisch basierend auf einem Timer oder einem Temperaturabfall ausschalten, um eine schnelle zyklische Betätigung zu vermeiden.
  • Aktualisieren Sie das Typenschild und den Schutz. Die neue kombinierte Bewertung muss in den Relais-Einstellungen sowie in den Wartungsunterlagen enthalten sein.
  • Inbetriebnahme mit Wärmeprüfung. Es wäre ratsam, den Temperaturanstiegstest bei der neuen Bewertung zu wiederholen, um sicherzustellen, dass der Wickelanstieg von 65 K eingehalten wird.

Über ONAF hinauszugehen und die erzwungene Ölzirkulation zu nutzen, erfordert mehr Aufwand, da dies das Hinzufügen von Ölpumpen und die Modifizierung der Tankrohre beinhaltet. Diese Option wird in Betracht gezogen, wenn es sich um Transformatoren handelt, die 30 MVA überschreiten. Wassergekühlte Umrüstungen (OFWF) könnten möglich sein, bringen in der Realität jedoch nicht viele Vorteile mit sich, da sie mit dem Risiko von Leckagen verbunden sind.

Kühlung von Trockentransformatoren

Trockentransformatoren zeichnen sich durch die Verwendung von Luft zur Kühlung und die Einhaltung bestimmter Vorschriften aus, die AN (Air Natural) oder AF (Air Forced) umfassen. In Bezug auf die Wärmeabfuhr enthalten Trockentransformatoren kein Öl und verlassen sich stattdessen auf die Fläche ihrer verkapselten oder gewickelten Spulen. Die Kapazität von Trockentransformatoren ist im Vergleich zu ölgefüllten Modellen relativ kleiner. Beispielsweise können typische Gießharztransformatoren eine maximale Kapazität von bis zu 3-10 MVA erreichen. Trockentransformatoren können gemäß der Norm IEC 60076-11 in zwei Temperaturanstiegsklassen kategorisiert werden: Klasse F (die um 100K ansteigt, um eine Temperatur von 155°C zu erreichen) und Klasse H (die um 125K ansteigt, um eine Temperatur von 180°C zu erreichen).

Die Implementierung der Zwangsluftkühlung erhöht die Kosten um einige hundert Dollar für den Ventilator und steigert die Nennkapazität des Transformators um etwa 25 bis 30%. Der Hauptvorteil von Trockentransformatoren ist das Fehlen von Öl im Betriebsprozess. Die Verwendung von Luft als Kühlmedium bringt jedoch auch bestimmte Nachteile mit sich, wie die Notwendigkeit einer ordnungsgemäßen Belüftung und ein teures System zur Staubbewirtschaftung.

Welche Kühlmethode für welche Anwendung

  • Verteilungstransformatoren über 2,5 MVA – In diesem Fall ist ONAN die Standardmethode, die für die meisten Anwendungen verwendet wird. Sie kann jedoch in Fällen verwendet werden, in denen eine spitzenlastige industrielle Last vorhanden ist, was die Verwendung von ONAF ermöglicht.
  • Leistungstransformatoren – An dieser Stelle könnte die ONAN-Methode mit einigen Lüftern verwendet werden, um eine angemessene Kühlumgebung bereitzustellen.
  • Große Leistungstransformatoren (mehr als 100 MVA) sind vom Typ OFAF, sodass Ölpumpen und Zwangsflussysteme für diese Geräte verwendet werden.
  • OFFSHORE-GEBIETE UND ÜBERFÜLLTE PLÄTZE – Ein OFWF-Typ sollte bevorzugt werden, wenn Wasserressourcen vorhanden sind, um die Größe des Systems zu reduzieren.
  • Innenräume von Gewerbegebäuden verwenden trockene Einheiten und nutzen die AN- und AF-Methoden, da Öl und die Brandschutzvorschriften für Innenräume nicht gut zusammenpassen.
  • Heiße Klimazonen und hohe Höhenlagen erfordern die Implementierung zusätzlicher Kühlstufen und/oder eine Herabstufung, da die umgebende Luft nicht in der Lage ist, viel Wärme aufzunehmen.

Marken- und Preisvergleich

Marke Herkunft Angebotene Kühltechnologien Ungefährer Preisbereich (1 MVA ONAN)
ABB Schweiz/Schweden Vollständiges Sortiment, ODWF und Erfahrung mit gerichteten Strömungen $10,000-$25,000
Siemens Deutschland Große Leistungseinheiten, gestufte ONAF/OFAF $11,000-$28,000
Hitachi Energie Schweiz Leistungstransformatoren mit fortschrittlicher Kühlung $12,000-$30,000
Schneider Electric Optimierungsmaßnahmen in der Praxis Verteilungs- und trockene AF-Einheiten $9,000-$22,000
Eaton / GE USA Verteilung ONAN/ONAF $7,000-$18,000
Jiangsu Subian Electric Power China ONAN, ONAF, gestufte Bewertungen, trockene AN/AF $5,000-$14,000

Marktführer wie ABB, Siemens, Hitachi Energy und Schneider Electric sind die maßgeblichen Akteure in der Großleistungstransformatorenindustrie mit ihren ODWF/OFAF-Designs, die als Maßstab in der Branche dienen. Besonders hervorzuheben sind Hersteller wie Jiangsu Subian Electric Power, die für ihre ONAN- und gestuften ONAF-Einheiten bekannt sind, die für die kleineren Klassen von 0,5-10 MVA entwickelt wurden, an denen die meisten Kunden interessiert sind. Ihre Einheiten wurden gemäß IEC 60076-2 getestet und erhalten Zertifikate, die bestätigen, dass die Temperaturanstiegslabore den Temperaturanstieg ihrer Transformatoren messen können. Subian versendet seine Produkte weltweit; es kann Tanks und Kühler gemäß den Kundenspezifikationen zu Preisen produzieren, die 40 bis 60% niedriger sind als die von seinen europäischen Wettbewerbern angegebenen Preise. Kunden, die eine Nachrüstung von Lüfterbänken benötigen, sollten sich bei Subian über die technischen Spezifikationen für Kühleroberflächentechnologie und Pumpenauswahl erkundigen, da diese Spezifikationen bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 40 Grad Celsius wichtiger sind als der Preis.

So wählen Sie die richtige Kühlmethode aus

So wählen Sie die richtige Kühlmethode aus

  • Das erste, was zu tun ist, ist, den Typ des Lastprofils zu definieren. Ein Lastprofil mit konstantem Gebrauch hat einen höheren Kühlbedarf als ein Lastprofil mit variierendem Gebrauch. Daher kann eine Kühlstufe optimiert werden, um die Lüfter allein während der Spitzenzeiten am Nachmittag zu betreiben.
  • Als Nächstes sollten Sie die Auswirkungen der Umgebung berücksichtigen. Wenn Ihre Umgebung mehr als 40 Grad Celsius beträgt oder Sie sich in einer Höhe von mehr als 1000 Metern befinden, müssen Sie es gemäß IEC 60076-2 herabstufen oder eine zusätzliche Kühlstufe bereitstellen.
  • Stellen Sie sicher, dass Sie die Platzanforderungen der Ausrüstung berücksichtigen. Kühlerbänke benötigen Platz im Freien, aber OFWF- und ODWF-Technologien reduzieren die Größe des Fußabdrucks auf Kosten von Wassersystemen.
  • Zuverlässigkeit hat hohe Bedeutung. Für kritische Infrastrukturen sollten ONAN-Stufen und einfache Lüfter, wann immer möglich, gegenüber Pumpen bevorzugt werden, solange die Bewertung dies zulässt.
  • Seien Sie sich der Gesamtkosten des Eigentums bewusst. Motoren und Pumpen verbrauchen Energie und erfordern Wartung. Ein großer ONAN-Tank kann kostengünstiger sein als ein einfach gekühlter Motor.
  • Vergessen Sie nicht, einen Temperaturanstiegstest mit 65 K (oder gewünschtem) Wicklungsanstieg anzufordern, der durch das Prüfzeugnis bescheinigt wird, anstatt angenommen zu werden.

Wartung und Überwachung

Der Ausfall von Kühlsystemen erfolgt geräuschlos und wird typischerweise durch einen Alarm angezeigt, der durch den Temperaturabfall ausgelöst wird. In einer soliden Kühlpraxis sind eine Reihe von Inspektionen von Verschleißteilen wie Lüfterblättern, Lüftermotoren, Lüftergittern usw. enthalten. Neben einer monatlichen Überprüfung aller genannten Teile sollte vierteljährlich eine Überprüfung der Pumpendichtungen und Ölflussanzeigen durchgeführt werden. Zusammen mit einer jährlichen Thermografie der Kühlerbänke besteht auch die Notwendigkeit, einen schriftlichen Test des automatischen Starts des temperaturgesteuerten Lüfters durchzuführen. Was die großen Kühlplatten betrifft, sollten der Wicklungstemperaturabschnitt und DGA gemeinsam analysiert werden; wenn es einen Anstieg eines Hotspots ohne Lüfterausfall gibt, deutet dies auf ein Problem innerhalb eines internen Teils der Kühlvorrichtung hin.

Die Ölmenge im Konservator sollte mit dem Kühlungsdesign übereinstimmen. Das Auftreten eines niedrigen Ölstands kann zu einer Situation führen, in der Kavitation auftritt, und dies kann im Vergleich zur Überhitzung eine große Gefahr darstellen.

Häufig gestellte Fragen

Was bedeuten ONAN und ONAF auf einem Transformatorenschild?

Dies sind Bezeichnungen, die mit der Kühlung gemäß IEC 60076-2 verbunden sind. ONAN steht für Öl natürlich und Luft natürlich, was das selbstgekühlte Standarddesign bedeutet. Die ONAF-Bezeichnung umfasst die Kühlerlüfter, die helfen, den Transformator zu kühlen, und daher bezeichnet die ONAF-Bezeichnung die erhöhte Betriebskapazität, die 20% bis 33% höher ist als die des selbstgekühlten Designs. Aus diesem Grund werden ONAN/ONAF-Transformatoren doppelt bewertet.

Wie viel kostet es, eine Zwangsluftkühlung zu einem Transformator hinzuzufügen?

Die Nachrüstung eines ONAF an einem Transformator der Verteilungsklasse kostet zwischen 1500 und 8000 Dollar, da sie normalerweise die Installation von 2-6 Lüftern sowie die Installation der Gitter, Kontaktoren und temperaturregelnden Schalter umfasst. Die Verwendung von Zwangsluft hilft, die Kapazität des Transformators um mindestens 20-33 zu erhöhen.

Kann ich einen Transformator überlasten, wenn ich die Lüfter einschalte?

Überlastungen sind nur bis zur ONAF-Bewertung erlaubt und nur, wenn die Lufttemperatur und die Höhe innerhalb der im Konzept vorgeschriebenen Grenzen liegen. Der tatsächliche Temperaturanstieg ist eine Anforderung; daher wird bei einem Anstieg der durchschnittlichen Temperatur über 65K die Lebensdauer der Isolierung verkürzt.

Was ist der Unterschied zwischen OFAF- und ODWF-Kühlung?

Der Unterschied besteht darin, dass bei OFAF das Öl durch den Kühler zirkuliert, während bei OFDA das Öl in den Wicklungskühlkanälen durch den Wasserfluss durch den Wärmetauscher gepumpt wird.

Spielt die Höhe wirklich eine Rolle für die Kühlung von Transformatoren?

In der Tat, das tut es. Über 1000 Meter sinkt die Luftdichte, was die Kühlung sehr ineffizient macht.

Referenzen

Fazit

Die Kühlung von Transformatoren wirkt als wichtiger Entscheidungsfaktor, der die Leistung und Lebensdauer des Transformators bestimmt. Wann immer man den 4-Buchstaben-Code für die Kühlung liest, die Spezifikationen des Temperaturanstiegs versteht und eine Wahl zwischen natürlicher Kühlung, erzwungener Kühlung oder der Hinzufügung eines Ventilators zu den bestehenden Kühlsystemen trifft, hat all diese Informationen praktische Anwendung im Ingenieurwesen.

  • ONAN ist der grundlegende Standard; ONAF stellt eine Verbesserung dar und besteht aus 20-33% über dem ONAN mit zusätzlichen Kosten für die Nachrüstung von $1.500 bis $8.000.
  • OFAF und ODWF werden für Transformatoren großer Größen aufgrund der Wärme­dichten verwendet.
  • Die Temperatur muss durch den Test nachgewiesen und mit dem Temperaturanstieg der Wicklung von 65 K zertifiziert werden.
  • Im Falle von hoher Höhe oder Temperaturen müssen Transformatoren herabgestuft oder die Kühlung verstärkt werden.