Industrietransformatoren: Trockentyp vs. Öltyp. Effizienz und harmonische Verzerrungen

1. Einleitung: Die Herausforderung der Zuverlässigkeit und Funktionalität von Transformatoren

Industrietransformatoren sind wichtige Komponenten elektrischer Systeme und sorgen für die Spannungsumwandlung von Stromerzeugungsanlagen. Ihr reibungsloser Betrieb ist die Grundlage für die Zuverlässigkeit und Effizienz technologischer Prozesse. Die Wahl zwischen Trocken- und Öltransformatoren sowie die Berücksichtigung ihres Wirkungsgrades und der Auswirkung harmonischer Verzerrungen haben direkte Auswirkungen auf die Betriebskosten, die Sicherheit und die Haltbarkeit der Geräte. Falsche Auswahl oder unzureichende Wartung können zu erheblichen finanziellen Einbußen durch Ausfallzeiten, Geräteschäden und hohen Stromverbrauch führen. Für ukrainische Industrieunternehmen, die unter schwierigen Betriebsbedingungen arbeiten und nach Optimierung streben, hat das Verständnis dieser Aspekte höchste Priorität.

2. Grundlegende Funktionsprinzipien von Transformatoren

Ein Transformator ist ein statisches elektrisches Gerät, das mithilfe elektromagnetischer Induktion elektrische Energie einer Wechselspannung in elektrische Energie einer anderen Wechselspannung derselben Frequenz umwandelt. Die Hauptbestandteile sind ein magnetischer Draht (Kern) und zwei oder mehr Wicklungen, die elektrisch voneinander isoliert, aber magnetisch verbunden sind. Wenn an die Primärwicklung eine Wechselspannung angelegt wird, entsteht im Kern ein magnetischer Wechselfluss, der in der Sekundärwicklung eine elektromotorische Kraft (EMF) induziert, die proportional zur Anzahl der Windungen ist. Der Transformationskoeffizient K = N1/N2 = U1/U2, wobei N die Anzahl der Windungen und U die Spannung ist.

2.1. Trockentransformatoren

Trockentransformatoren nutzen Luft oder ein festes Dielektrikum (z. B. Epoxidharz) als Isolier- und Kühlmedium. Wicklungen bestehen in der Regel aus Kupfer oder Aluminium und können entweder vollständig aus Gießharz (Cast Resin Dry-Type, CRT) oder mit Lack imprägniert (Vacuum Pressure Impregnated, VPI) sein. Das Fehlen von Flüssigkeit verringert die Gefahr von Bränden und Undichtigkeiten.

2.2. Öltransformatoren

Öltransformatoren verwenden mineralisches oder synthetisches Isolieröl, das gleichzeitig als Dielektrikum und wirksames Kühlmedium dient. Die Wicklungen und der Kern werden in einem verschlossenen Tank oder einem Tank mit Ausdehnungsgefäß in Öl getaucht. Das Öl entzieht den Wicklungen Wärme und isoliert sie von den geerdeten Teilen des Tanks.

3. Technische Merkmale und Standards

Die Wahl des Transformators basiert auf einer umfassenden Analyse der technischen Parameter, die durch internationale und nationale Normen geregelt sind.

3.1. Trockentransformatoren

• Isolierung: Die Isolationsklassen (F, H) bestimmen die maximal zulässige Temperatur der Wicklungen. Klasse F (155 °C), Klasse H (180 °C). Die Übertemperatur der Wicklungen überschreitet in der Regel nicht 100–115 °C für Klasse F und 125–140 °C für Klasse H.
• Schutzart: IP00 (ohne Schutzhülle), IP21 (gegen Tropfenwasser und Feststoffpartikel >12,5 mm), IP23, IP31. Schutz vor äußeren Einflüssen gemäß IEC 60529 / DSTU EN 60529.
• Umweltfreundlich: Geringe Kontaminationsgefahr.
• Standards: IEC 60076-11 / DSTU EN 60076-11 (Power (Teil 11: Trockentransformatoren).

3.2. Öltransformatoren

• Isolieröl: Mineralöl (z. B. Transformatorenöl gemäß IEC 60296) oder synthetische dielektrische Flüssigkeiten (z. B. Ester). Die Zündtemperatur von Mineralöl liegt üblicherweise über 140 °C, der Flammpunkt liegt über 170 °C.
• Kühlung: ONAN (natürliche Luftkühlung mit natürlicher Ölzirkulation), ONAF (natürliche Luftkühlung mit erzwungener Luftzirkulation und natürlicher Ölzirkulation).
• Ausdehnungssysteme: Mit Ausdehnungsgefäß oder versiegelt.
• Standards: IEC 60076-1 / DSTU EN 60076-1 (Leistungstransformatoren. Teil 1: Allgemeine Bestimmungen).

3.3. Effizienz

Der Transformatorwirkungsgrad (η) ist definiert als das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung, ausgedrückt in Prozent. η = (Pout / Pin) * 100 %. Leistungsverluste bestehen aus:

• Leerlaufverluste (P₀): Verluste im Kern (für Ummagnetisierung und Wirbelströme). Normalerweise 0,1–0,3 % der Nennleistung.
• Kurzschlussverluste (P_k): Verluste in Wicklungen (Kupfer) durch ohmschen Widerstand und Wirbelströme. Hängt von der Last ab (proportional zum Quadrat des Laststroms). Normalerweise 1,5–3,0 % der Nennleistung bei Volllast.

Moderne Transformatoren haben einen Wirkungsgrad von 97-99,5 %. EN 50588-1 / ДСТУ EN 50588-1 legt Energieeffizienzklassen fest, wie z A0, Ak für Trockentransformatoren und N0, Nk für Öltransformatoren geben die Höhe der Verluste an. Dies ist entscheidend für die Minimierung der Betriebskosten während des gesamten Lebenszyklus.

3.4. Harmonische Verzerrungen

Harmonische Verzerrungen werden durch nichtlineare Lasten im Netzwerk verursacht (z. B. Frequenzumrichter, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, LED-Beleuchtung, Induktionsöfen). Diese Verzerrungen erzeugen Ströme und Spannungen, die ein Vielfaches der Hauptfrequenz (50 Hz in der Ukraine) betragen. Durch die Transformatorwicklungen fließen Oberschwingungsströme, die die Wärmeverluste (insbesondere Wirbelströme) erhöhen und zusätzliche mechanische Belastungen verursachen. Dies kann dazu führen:

• Überhitzung der Wicklungen und des Kerns, wodurch die Lebensdauer der Isolierung verkürzt wird.
• Reduzierung des Transformatorwirkungsgrads.
• Resonanzphänomene im Netzwerk.
• Falsche Schutzmaßnahmen.

Für Systeme mit einem hohen Anteil an Oberwellen werden Transformatoren mit einem speziellen Design verwendet, beispielsweise K-Faktor-Transformatoren (IEEE C57.110), die für den Betrieb mit nichtlinearen Lasten ausgelegt sind. Der K-Faktor von 1 bis 50 gibt die Fähigkeit des Transformators an, zusätzlichen Verlusten durch Oberschwingungen standzuhalten.

4. Auswahl- und Berechnungsleitfaden

Die optimale Auswahl eines Transformators erfordert die Berücksichtigung der Betriebsbedingungen, der Lastart und der wirtschaftlichen Indikatoren.

4.1. Auswahlfaktoren

• Betriebsumgebung: Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Verschmutzung, Höhe (Änderung der Spannungsfestigkeit der Luft). Für aggressive Umgebungen oder Räume mit hoher Brandgefahr (z. B. Holzwerkstätten, Bergwerke) werden Trockentransformatoren bevorzugt.
• Lastart: Standardtransformatoren sind für lineare Lasten geeignet. Für nichtlineare Lasten mit THD_I (Total Current Harmonic Distortion) von mehr als 5–10 % sollten K-Faktor-Transformatoren in Betracht gezogen werden.
• Sicherheitsanforderungen: Trockentransformatoren sind selbstverlöschend und geben keine giftigen Gase ab, was sie ideal für Krankenhäuser, Einkaufszentren, Büros und U-Bahnen macht.
• Kosten: Die Anfangsinvestition für Trockentransformatoren kann höher sein, aber ihre Betriebskosten (aufgrund der geringeren Wartung und des Verzichts auf Öl) sind normalerweise niedriger.
• Geräuschpegel: Trockentransformatoren haben im Vergleich zu Öltransformatoren in der Regel einen geringeren Geräuschpegel (um 5-10 dB), was bei Objekten mit erhöhten akustischen Anforderungen wichtig ist.

4.2. Leistungsberechnung

Die Nennleistung des Transformators Snom muss größer sein als die maximal berechnete Leistung der Last Srz unter Berücksichtigung des Reservefaktors von 1,1-1,2.

Bei Lasten mit harmonischen Verzerrungen müssen zusätzliche Verluste berücksichtigt werden. Der äquivalente Laststrom, der die gleiche Erwärmung wie ein nicht-sinusförmiger Strom erzeugt, wird wie folgt berechnet:

Iequ = √(I12 + Σh=2H (Ih2 * h2)), wobei I1 der Grundfrequenzstrom ist, Ih ist der Strom harmonischer Ordnung h.

Oder durch den K-Faktor: Sk = Snom / (1 + K * THDI2) (grobe Schätzung).

5. Best Practices für Installation und Inbetriebnahme

Die richtige Installation und Inbetriebnahme ist der Schlüssel für einen langfristigen und sicheren Betrieb des Transformators.

5.1. Vorbereitung des Maidanchik

• Fundament: Stabil, eben, in der Lage, dem Gewicht des Transformators standzuhalten, unter Berücksichtigung dynamischer Belastungen.
• Belüftung: Eine ausreichende natürliche oder erzwungene Belüftung zur Wärmeabfuhr ist für Trockentransformatoren von entscheidender Bedeutung. Die Temperatur im Raum sollte 40°C nicht überschreiten.
• Abstände: Einhaltung der Mindestabstände zu Wänden, anderen Geräten und Servicewegen gemäß PUE und Herstellerangaben.
• Erdung: Zuverlässiges Erdungssystem (schützend und funktionsfähig) gemäß ДСТУ EN 50522 (IEC 61936-1) zur Gewährleistung der Sicherheit von Personal und Ausrüstung.

5.2. Elektrische Anschlüsse

• Kabel: Auswahl des Kabelquerschnitts nach Nennströmen und zulässigen Spannungsverlusten. Einsatz flexibler Verbindungen zum Ausgleich von Wärmeausdehnungen.
• Verbindung: Phaseneinteilung, Beachtung der Reihenfolge der Phasen (z. B. L1, L2, L3). Polaritätsprüfung.
• Anziehen: Alle Kontaktverbindungen müssen mit dem angegebenen Drehmoment angezogen werden, um eine Überhitzung zu vermeiden.

5.3. Prüfungen vor dem Einschalten

• Messung des Isolationswiderstands: Mit einem Megaohmmeter (z. B. 2500 V) zwischen Wicklungen, Wicklungen und Erde. Die Werte müssen den Normen und Standards des Herstellers entsprechen (z. B. mindestens 100 MΩ für neue Transformatoren).
• Überprüfung des Transformationskoeffizienten: Verwendung spezieller Geräte. Bei den entsprechenden Loten sollte die Abweichung ±0,5 % nicht überschreiten.
• Überprüfung der Wicklungsanschlussgruppe: Für Dreiphasentransformatoren.
• Schutzmaßnahmen: Überprüfung der Einstellungen und Funktionalität des Relaisschutzes und der Automatisierung.
• Öl (bei öligem Öl): Füllstandskontrolle, Luftmangel im Expander. Ölprobenahme zur Analyse (Durchschlagsfestigkeit, Feuchtigkeitsgehalt).

6. Fehlermodi und Ursachenanalyse

Wenn Sie typische Fehler verstehen, können Sie diese rechtzeitig verhindern und beheben.

6.1. Typische Ausfälle von Trockentransformatoren

• Überhitzung der Wicklungen: Der Hauptgrund ist Überlastung, unzureichende Belüftung, hohe Umgebungstemperatur oder zu hoher Oberwellengehalt. Optisch - eine Veränderung der Farbe der Isolierung, das Auftreten des Geruchs verbrannter Isolierung.
• Verschlechterung der Isolierung: Längere Einwirkung erhöhter Temperaturen, mechanische Beschädigung, Einwirkung aggressiver Chemikalien.
• Schäden an Wicklungen: Kurzschlüsse, Überspannungen (Gewitter, Kommutierung), mechanische Vibrationen.
• Verbindungsrissbildung (für CRTs): Unter schnellen Temperaturänderungen oder zyklischen Belastungen entsteht ein Weg für Teilentladungen.

6.2. Typische Ausfälle von Öltransformatoren

• Zersetzung des Isolieröls: Abnahme der Spannungsfestigkeit aufgrund des Gehalts an Wasser, Alterungsprodukten und mechanischen Verunreinigungen. Führt zur Überlappung der Isolierung.
• Teilentladungen und Isolationsdurchschläge: Verursacht durch alternde Isolierung, lokale Defekte, hohe elektrische Felder, Überspannungen.
• Öllecks: Aufgrund von undichten Schweißnähten und Dichtungen. Ein niedriger Ölstand führt zu Überhitzung und Pannengefahr.
• Eingabeschaden: Mechanische Beschädigung, Oberflächenverunreinigung, Alterung von Porzellan oder Polymermaterial. Optisch - Risse, Spuren der Krone.
• Überhitzung der Wicklungen/des Kerns: Überlastung, Verschlammung der Kühlkanäle, Fehlfunktion des Kühlsystems (für ONAF), hohe Oberschwingungen.

6.3. Harmonische Ablehnungen

Oberschwingungsströme verursachen zusätzliche Verluste im Kern und in den Wicklungen, insbesondere bei Kupfer (Wirbelströme). Dies führt zu einer lokalen Überhitzung, auch wenn der Gesamtlaststrom den Nennstrom nicht überschreitet. Der Hauptgrund liegt darin, dass der K-Faktor bei der Auswahl eines Transformators für nichtlineare Lasten nicht berücksichtigt wird.

7. Vorausschauende Wartung und Zustandsüberwachung

Die Implementierung vorausschauender Wartungssysteme ermöglicht es, die Anfangsstadien von Mängeln zu erkennen und Notausfälle zu verhindern.

7.1. Überwachung von Trockentransformatoren

• Thermografie: Regelmäßige Wärmebildkontrolle (z. B. alle sechs Monate) mithilfe einer Wärmebildkamera, um Überhitzungen von Kontakten, Wicklungen und Reifen zu erkennen. Ein Temperaturunterschied von bis zu 10-15°C vom Normalwert ist zulässig.
• Überwachung von Teilentladungen (PD): Die TE-Messung kann auf Defekte in der Wicklungsisolierung oder -verbindung hinweisen. Zum Einsatz kommen akustische Sensoren oder Hochfrequenz-Stromwandler.
• Wicklungstemperaturmessung: Einbau von PT100- oder PT1000-Sensoren zur kontinuierlichen Temperaturüberwachung und Alarmauslösung bei Überschreitung der eingestellten Grenzwerte.
• Sichtprüfung: Prüfung auf Staub, Schmutz und Risse in der Verbindung. Regelmäßige Reinigung (zum Beispiel einmal im Jahr).

7.2. Überwachung von Öltransformatoren

• Chromatografische Analyse mit gelöstem Gas (DGA): Die wichtigste diagnostische Methode. Die Analyse von Gasen (H₂, CH₄, C₂H₆, C₂H₄, C₂H₂, CO, CO₂) in Öl ermöglicht die Bestimmung der Art des Defekts (Teilentladungen, Bogenentladungen, thermische Beschädigung der Wicklungen oder des Kerns). Sie wird jährlich oder bei Verdacht häufiger durchgeführt.
• Physikalisch-chemische Analyse von Öl: Messung der Durchschlagsfestigkeit, der Säurezahl, des Wassergehalts und des Tangens des dielektrischen Verlustwinkels (tgδ). Bestimmt den Grad der Ölalterung und -verschmutzung.
• Messung des Tangens des dielektrischen Verlustwinkels (tgδ) der Isolierung: Für Wicklungen und Eingang. Erkennt Feuchtigkeit und Alterung der Isolierung.
• Ölstands- und Temperaturüberwachung: Ständige Kontrolle mittels Sensoren.
• Thermografie: Ähnlich wie bei Trockentransformatoren, um Überhitzung von Kontakten, Eingängen und Heizkörpern zu erkennen.

7.3. Harmonische Überwachung

Verwendung von Netzqualitätsanalysatoren zur Messung des gesamten harmonischen Verzerrungskoeffizienten von Spannung (THD_U) und Strom (THD_I). Diese Daten ermöglichen es, den Grad der Oberwellenbelastung des Netzes und ihre möglichen Auswirkungen auf den Transformator abzuschätzen. Eine regelmäßige Überwachung (z. B. vierteljährlich) ermöglicht eine rechtzeitige Reaktion auf Laständerungen.

8. Alternative Vergleichsmatrix

Die Wahl eines bestimmten Transformatortyps hängt vom Gleichgewicht zwischen den Anforderungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit, Effizienz und Kosten ab.

9. Fazit

Die Auswahl eines Transformators ist eine technische Entscheidung, die ein gründliches Verständnis der Betriebsanforderungen, Umgebungsbedingungen, Lasteigenschaften und langfristigen wirtschaftlichen Auswirkungen erfordert. Trockentransformatoren bieten einen hohen Brandschutz und niedrige Betriebskosten, während Öltransformatoren eine hohe Zuverlässigkeit für große Leistungen und die Installation im Freien bieten. In der heutigen industriellen Umgebung, in der nichtlineare Lasten immer häufiger auftreten, ist die Berücksichtigung harmonischer Verzerrungen und die Auswahl von K-Faktor-Transformatoren von entscheidender Bedeutung, um Haltbarkeit und Effizienz sicherzustellen. Die UNITEC-D GmbH ist ein zuverlässiger Lieferant von Transformatoren, Kabelprodukten und zugehöriger Ausrüstung, der höchste Qualitäts- und Sicherheitsstandards erfüllt, einschließlich CE- und UkrSEPRO-Zertifikaten.

Für eine detailliertere Einführung in die Produktpalette und die technischen Eigenschaften besuchen Sie bitte unseren elektronischen UNITEC-D-Katalog.

10. Links

1. IEC 60076-1. Leistungstransformatoren – Teil 1: Allgemeines.
2. IEC 60076-11. Leistungstransformatoren – Teil 11: Trockentransformatoren.
3. EN 50588-1. Mittelleistungstransformatoren 50 Hz, wobei die höchste Spannung für Geräte 36 kV nicht überschreitet – Teil 1: Allgemeine Anforderungen.
4. IEEE C57.110. Von der IEEE empfohlene Praxis zur Etablierung der Fähigkeit von flüssigkeitsgefüllten und trockenen Leistungs- und Verteilungstransformatoren bei der Bereitstellung nicht-sinusförmiger Lastströme.
5. DSTU EN 50522. Erdung von Stromversorgungsanlagen mit einer Nennspannung von mehr als 1 kV Wechselstrom.