2004 Micafil Schaefer
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Thermisches Verhalten und berlastbarkeit von Leistungstransformatoren 1/13
Thermisches Verhalten und berlastbarkeit von
Leistungstransformatoren
M. SchferSiemens AG
Nrnberg
K. Feser, E. CardilloInstitut fr Energiebertragung undHochspannungstechnik
Universitt Stuttgart
1. Einfhrung
Leistungstransformatoren zhlen zu den wichtigsten und zugleich teuersten
Betriebsmitteln in einem Energieversorgungsnetz. Seit der Liberalisierung der
Strommrkte sind die Netzbetreiber dazu angehalten die Ausnutzung ihrerBetriebsmittel dem Wettbewerb entsprechend zu gestalten. Durchleitungen und
vernderte Lastflsse knnen zu Belastungen der Betriebsmittel ber das
ursprnglich vorgesehene Ma hinaus fhren (berlastbetrieb). Um auch in Zukunft
weiterhin eine sichere Energieversorgung zu gewhrleisten sind sowohl die
Netzbetreiber als auch die Hersteller von Leistungstransformatoren gefordert
Aussagen ber die zu erwartende Lebensdauer unter diesen vernderten
Bedingungen zu machen. Der allgemeine Kostendruck zwingt die Hersteller bei
neuen Netzausbauten so zu planen, dass trotz erhhter Ausnutzung der
Betriebsmittel ohne Kostensteigerung dieselbe Betriebssicherheit gewhrleistet
bleibt.
Da in Transformatoren nach wie vor berwiegend l/Papier als Isolationsmaterial
verwendet wird, spielen die thermischen Verhltnisse fr die Abschtzung der
Nutzungsdauer und fr den laufenden Betrieb eine ausschlaggebende Rolle. Die
Bestimmung der Heipunkttemperatur ist daher von groem Interesse. Im
Nennbetrieb darf sie festgelegte Grenzwerte nicht berschreiten um die geforderte
Gesamtbetriebsdauer und die Betriebssicherheit des Transformators sicherzustellen.In Leistungstransformatoren werden eine Vielzahl unterschiedlicher Wicklungstypen
und Khlkanalanordnungen in Kombination mit unterschiedlichen Khlarten
verwendet. Derzeit gibt es kein universelles thermisches Transformatormodell. Das
heit, fr jeden Wicklungstyp und Khlart ist ein eigenes thermisches Modell
erforderlich. Fr ein optimales Wicklungsdesign sind detaillierte Kenntnisse ber die
Zusammenhnge zwischen den Einflussfaktoren und deren Auswirkungen auf die
Temperaturverhltnisse in den Wicklungen bzw. im Transformator unerlsslich.
Fertigungstoleranzen und Messungenauigkeiten mssen in Form von Sicherheits-
margen bei der Wicklungsauslegung bercksichtigt werden. Die Abweichungenzwischen Messung und Berechnung werden bei den Herstellern laufend durch den
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Abgleich der Auslegungsrechnung mit den Ergebnissen aus Erwrmungsmessungen
und Versuchen an Modellwicklungen verringert.
Durch optimierte Khlkanalgeometrien in den Wicklungen kann ein verbesserter
Wrmebergang erreicht werden, der wiederum kompaktere Bauformen bei gleichemTemperaturniveau ermglicht. Diese Betrachtungen schlieen auch den die
Wicklungen umgebenden Isolationsaufbau und die Beschaffenheit der Leiterum-
spinnung ein.
Das Zusammenspiel der Khlanlage (uere Khlung) und der Wicklungen (innere
Khlung) bietet zustzliche Mglichkeiten der Optimierung sowohl bei der Auslegung
als auch beim Betrieb von Leistungstransformatoren. Die Bemhungen um eine
optimale thermische Auslegung wird durch den Einsatz von neu entwickelten Lfter-
und Khlertypen untersttzt.
Die berlastbarkeit von Leistungstransformatoren ist in IEC 354 bzw. im
entsprechenden IEEE Loading Guide beschrieben. Die in diesen Publikationen
genannten Last- und Temperaturgrenzen sollen einen sicheren Betrieb von
Transformatoren gewhrleisten. Wirtschaftliche Erwgungen fr einen Betrieb ber
die definierte Nennleistung hinaus knnen in den Loading Guides nicht bercksichtigt
werden. Weiterhin wird die Khlanlagensteuerung und die sich daraus ergebenden
Mglichkeiten fr den berlastbetrieb nicht beschrieben. Durch eine gnstige Wahl
der Steuerungsparameter der Khlanlage knnen sowohl kleinere Gesamtverluste
des Transformators, eine hhere kurzfristige berlastbarkeit und gleichzeitig eine
hhere Nutzungsdauer erreicht werden.
2. Thermische Beanspruchung von Transformatorwicklungen
In den Wicklungen eines belasteten Transformators treten ohmsche Verluste durch
die Wicklungsstrme und durch Wirbelstrme im Leitermaterial auf. Durch diesenlastabhngigen Wrmestrom treten Temperaturgradienten innerhalb des festen
Isolationssystems der Wicklung und in der Grenzschicht an der Wicklungsoberflche
zum l in den Khlkanlen auf. Der Temperaturgradient im festen Isolationssystem
wird durch die Dicke des Kupferdrahtlackes, die Papierdicke und die durch
Aufbauschungen der Papierschichten bedingte Bildung von ruhenden lschichten
(ltaschen) bestimmt. An der Wicklungsoberflche wird der konvektive Wrme-
abtransport mageblich von der Khlart, dem Wicklungstyp und vom gesamten
Khllkreislauf bestimmt. Das Wrmeabfuhrvermgen ber die Wicklungsoberflche
in das umgebende Khlmedium durch natrliche oder erzwungene Konvektion kann
mit Wrmebergangszahlen beschrieben werden. Bei forcierter lstrmung ist die
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Wrmebergangszahl durch die lstrmungsgeschwindigkeit, die sich anhand
hydraulischer Widerstandsnetzwerke berechnen lsst, bestimmbar. Bei natrlicher
Khlung (ON) hngt sie jedoch wesentlich von der durch die Wicklungsoberflche
tretenden Wrmestromdichte ab, die den Flchenschub fr den Antrieb der Strmung
liefert. Mit der in Bild 1 gezeigten Versuchswicklung wurden zahlreicheErwrmungsversuche mit natrlich konvektiver Khlung (ONAN - Khlung)
durchgefhrt um die Zusammenhnge zwischen den Einflussgren und den
thermischen Auswirkungen auf die Wicklung genauer zu untersuchen.
Bild 1a:
Schematischdargestellter
Querschnitt durch die
Versuchswicklung
(Scheibenwicklung).
Bild 1b:
Mit PT 100 Sensoren zur lokalen
Temperaturmessung
an bestimmten
Messstellen ausge-
stattete Wicklung.
Bei der Versuchswicklung handelt es sich um eine Scheibenwicklung mit insgesamt
62 Scheiben zu je 6 Windungen. Zwischen je zwei bereinanderliegenden Scheibenbefindet sich ein radialer Khlkanal von 5 mm Hhe. Innerhalb der
Wicklungsscheiben gibt es keine weiteren axialen Khlkanle. lumlenkungen
unterteilen die Wicklung in mehrere Khlkanalabschnitte. Die wichtigsten Daten der
Versuchswicklung sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Nennstrom 52,9 A
Gesamte Anzahl von Wicklungsscheiben 62
Windungen je Scheibe 6
Hhe der radialen Khlkanle 5 mm
Wicklungshhe 827 mm
Vertikale Khlkanle innerhalb der Wicklungsscheibe 0
lumlenkungen an der Innenseite, positioniert an
Scheibennummer (nummeriert von unten nach oben)
12, 32, 42, 52
uere lumlenkungen, positioniert an Scheibennummer 1, 22, 38, 48, 62
Tabelle 1: Daten der verwendeten Versuchswicklung.
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Die Abhngigkeit der Wrmebergangszahl von der Wrmestromdichte ist in Bild 2
dargestellt. Die durchgezogene Kurve zeigt den durch Interpolation der Messpunkte
angenherten Verlauf. Das erhhte Wrmeabfuhrvermgen der Wicklung bei hherer
Wrmestromdichte ist durch die ansteigenden Auftriebskrfte, die bei natrlicher
Khlung den lfluss zustande bringen, begrndet.
Bild 2:
Berechnete und
gemessene Wrme-
bergangszahl in
Abhngigkeit von der
Wrmestromdichte q.
Praktische Erfahrungen haben zudem gezeigt, dass das thermische Verhalten von
ON - gekhlten Wicklungen ebenfalls von der geforderten Spannungsfestigkeit der
Wicklung abhngt. Dies liegt daran, dass sich zustzliche hydraulische Widerstnde
durch umfangreiche Isolationsaufbauten im lkreislauf den lstrom durch die
Wicklung begrenzen. Sowohl die Temperaturgradienten entlang der Wicklungsachseals auch die Wrmebergangszahl der Grenzschicht sind bei Wicklungen mit hohem
Isolationspegel ungnstiger als bei Wicklungen mit kleineren Prfspannungen.
In Bild 3 ist dargestellt, wie sich die Wrmebergangszahlen bei unterschiedlichen
hydraulischen Widerstnden im lkreislauf an derselben Wicklung verhalten. Die
Vergrerung der hydraulischen Widerstnde wurde durch eine Reduzierung der
leinlassffnungen an der Unterseite der Wicklung vorgenommen. Der maximale
leinlassquerschnitt der Wicklung betrgt S0= 3972 mm2.
Der leinlassquerschnitt wurde bei den einzelnen Messungen auf ca. 30 %, 20 %
und 10 % des Maximalwertes S0 reduziert; dies ist in Bild 3 als Kurvenparameter
S/S0angegeben.
Es ist ersichtlich, dass sich bei konstanter Wrmestromdichte aber erhhtem
hydraulischen Widerstand die Wrmebergangszahl deutlich verkleinert, d.h. die
Wrmebertragung an der Wicklungsoberflche in das umgebende Khll wird
deutlich vermindert. Dadurch wird das Temperaturniveau der Wicklung angehoben.
erechnet
gemessene Werte
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Bild 3:
Wrmebergangszahl
bei vermindertem
leintrittsquerschnitt der
Wicklung.
Durch den verringerten ldurchfluss und den damit verbundenen geringeren
Wrmeabtransport erhht sich die Temperaturdifferenz zwischen ein- und
ausflieendem Khll in der Wicklung zwangslufig. Dieser Temperaturgradient ist
fr die thermische Auslegung der Wicklung eine bedeutende Gre. Die mittlere
Kupfertemperatur bildet sich aus der Summe der mittleren ltemperatur und dem
Kupfer - l - Temperatursprung der von der Wrmebergangszahl abhngt.
Bild 4
Vertikaler Temperatur-
gradient des Khlls in
der Wicklung.
Bestimmt aus lokal
gemessenen
ltemperaturen
innerhalb der Wicklung.
3 Innovationen bei der thermischen Auslegung
Die Weiterentwicklung der thermischen Auslegung von Transformatoren zielt auf ein
kompakteres Wicklungsdesign und damit auf Material- und Gewichtseinsparungen
ab. Ein Schritt in diese Richtung ist die Untersuchung verschiedener Wicklungsarten
und Khlarten hinsichtlich ihrer Effizienz bei der Wrmeabfuhr.
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3.1 Wrmebergang Wicklung - l
Die gebruchlichsten Wicklungsarten sind in Tabelle 3 dargestellt. Generell knnen
die Wicklungen in Transformatoren in Lagenwicklungen und Scheibenwicklungen
unterteilt werden.
Axial Radial axial+radial
Lagen-
Wicklungen
nicht
betrachtet
Scheiben-
Wicklungen
Tabelle 2: Wicklungsarten und Khlkanalgeometrien.
Ein allgemeiner Ansatz zur Berechnung des Leiter - l Temperaturgradienten
unabhngig von der Wicklungs- und Khlart ist:
+=
1_ thOilCu q (1)
qth ist die Wrmestromdichte durch die Wicklungsoberflche, ist die Dicke der
Leiterisolation, ist die spezifische Wrmeleitfhigkeit der Leiterisolation und istdie Wrmebergangszahl an der Leiteroberflche.
Eine direkte Berechnung der Wrmebergangszahl ist praktisch aufgrund derkomplexen Geometrie von Transformatorwicklungen nicht mglich. Die hnlichkeits-
theorie aus der Thermo- und Fluiddynamik ermglicht es aus Messungen an
Versuchswicklungen ermittelte Wrmebergangszahlen auf hnliche Wicklungen
bertragen zu knnen. Ausschlaggebend ist dabei die Darstellung der Ergebnisse
anhand der dimensionslosen Nusselt - Zahl als Kenngre, woraus sich dann die
Wrmebergangszahl nach folgender Beziehung mit Lcals charakteristischer Lnge
berechnen lsst:
cL
Nu= (2)
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Fr die Wicklungsarten in Tabelle 1 wurden Funktionen fr die Nusselt - Zahlen
erstellt. Dazu wurden Erwrmungsmessungen an einer Vielzahl von Transformatoren
ausgewertet und miteinander verglichen.
Fr Wicklungen mit erzwungenem und natrlichem lumlauf sind zwei verschiedene
allgemeingltige Anstze notwendig.
natrlicher lumlauf (ON) Erzwungener lumlauf (OD)
( ) kGrCNu m = Pr ( ) kCNu m = PrRe
Die Parameter C und m wurden aus Messungen gewonnen. Der Korrekturfaktor k
bercksichtigt weitere Aspekte der Wicklungsgeometrie.
Wicklungsart Erzwungener lumlauf Natrlicher lumlauf C m C m
Lagenwicklung, axial 0,834 0,213 9,05 0,61Lagenwicklung, radial 0,834 0,213 8,152 0,191Spulenwicklung, radial 0,834 0,213 8,152 0,191Spulenwicklung, axial 0,61 0,210 9,05 0,61Spulenwicklung, axial +radial
0,0148 0,47 0,262 0,346
Tabelle 3: Parameter zur Berechnung der Wrmebergangszahl.
3.2 Khlanlagen
Khlanlagen fr Grotransformatoren lassen sich in zwei verschiedene Bauformen
einteilen. Kreuzstrom-Wrmetauscher sind sehr kompakte Baugruppen in denen
beide Medien, zwischen denen der Wrmeaustausch stattfinden soll, mittels Pumpen
bzw. Lfter durch den Khler gefrdert werden um den relativ hohen Druckabfall
auszugleichen. Diese Khler besitzen bei einem Lfter- oder Pumpenausfall
praktisch keine Restkhlleistung. Eine andere Bauform sind Radiatorenkhlanlagen
die ebenfalls mit Lftern und Pumpen versehen werden knnen. Die maximal
erreichbare Khlleistung von Radiatorenkhlanlagen wird meist durch die Luftmenge
begrenzt, die mit Hilfe von Lftern zwischen die Khlelemente geblasen wird. Bei
stehenden Lftern und Pumpen bewegt sich die verbleibende Khlleistung im
Bereich zwischen 40 - 60% der maximalen Khlleistung.
Um bei groen Leistungstransformatoren sehr groe Radiatorenkhlanlagen zu
vermeiden ist es notwendig die Leistungsdichte dieser Khlanlagen zu steigern. Dies
kann erreicht werden indem Lfter mit groem Durchmesser zum Einsatz kommen,
deren Kennlinie auf die Verhltnisse am Radiator angepasst sind. Um einen hheren
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Luftstrom zu erreichen werden Lfter sowohl horizontal als auch vertikal blasend
angebaut.
4 Beeinflussung von Gesamtverlusten, berlastbarkeit undBetriebssicherheit
Die Gesamtverluste eines Transformators setzen sich aus Leerlaufverluste,
Kurzschlussverluste (Lastverluste) und dem Eigenbedarf fr die Peripherie
zusammen. Der berwiegende Anteil der Eigenbedarfsverluste macht in den meisten
Fllen die Leistungsaufnahme von Lftern und Pumpen der Khlanlage aus.
4.1 Zusammenspiel Transformator - Khlanlage
Die Leerlaufverluste sind hauptschlich durch die Induktion und die Beschaffenheit
des Kerns bestimmt und nherungsweise unabhngig von der Betriebstemperatur
des Transformators. Die Kurzschlussverluste sind temperaturabhngig und steigen
bei konstanter Belastung mit der Temperatur bzw. dem spezifischen Widerstand des
Leitermaterials an. Die Leistungsaufnahme der Khlanlage steigt umgekehrtproportional mit abnehmendem Temperaturgradienten zwischen der mittleren
ltemperatur im Khler und der Umgebungstemperatur bei sonst gleichen
Bedingungen an. Es existiert also fr jeden Wert einer mittleren Belastung bezglich
den Verlusten ein optimaler Betriebspunkt. Einerseits fhrt eine Steigerung der
Khlleistung zwar zu sinkenden Temperaturen, die Gesamtverluste knnen dabei
aber wegen den berwiegenden Khlanlagenverlusten trotzdem grer ausfallen.
Andererseits kann eine Verringerung der Khlleistung zu kleineren Gesamtverlusten
fhren, obwohl die Kurzschlussverluste aufgrund einer hheren Leitertemperatur
zunehmen. Der optimale Betriebspunkt bezglich einer Minimierung der
Gesamtverluste ist dann erreicht, wenn es sich aufgrund der Gesamtverlustbilanz
weder lohnt die Khlleistung zu erhhen noch diese zu verringern.
Beispielrechnung
Das Verhalten der einzelnen Verlustanteile soll anhand einesNetzkuppeltransformators mit einer Leistung von 300 MVA und einem Nenn-
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bersetzungsverhltnis von 420/110/15 kV verdeutlicht werden. Die weiteren
zugrundeliegenden Daten sind:
Leerlaufverluste 110 kW
Kurzschlussverluste 850 kW
Mittlere jhrliche Umgebungstemperatur 20 C
Leistungsaufnahme Khlstufe 1 10 kW
Leistungsaufnahme Khlstufe 2 (inklusive 1) 18 kW
Tabelle 4: Daten eines Netzkuppeltransformators 300 MVA 420/110/15 KV
Die Bilanz der Verlustleistungen soll hier bei verschiedenen Lastfllen oberhalb und
unterhalb des Optimums verglichen werden. In Tabelle 2 sind die sich einstellenden
ltemperaturen und die dazugehrigen Verluste im Transformator neben den
Khlanlagenverlusten fr fnf Lastflle dargestellt. Die Summe aus beiden Verlusten
ergibt die Gesamtverluste. In diesem Beispiel wurde die Hilfsenergie fr die
Khlanlage gleich wie die Verluste im Aktivteil des Transformators gewichtet.
PKhlanl. [kW] PV_Trafo [kW] Pgesamt [kW] ltemp. [C]
Last = 80 %Stufe 1 10 681 691 80
Stufe 2 18 627 645 50
Last = 60 %Stufe 1 10 409 419 58
Stufe 2 18 389 407 39
Last = 50 %Stufe 1 10 311 321 50
Stufe 2 18 301 319 35
Last = 40 %Stufe 1 10 236 246 43
Stufe 2 18 231 249 31
Last = 30 %Stufe 1 10 179 189 37
Stufe 2 18 177 195 29
Tabelle 5: Gegenberstellung der Verluste in beiden Khlstufen bei
verschiedenen mittleren Belastungen
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Im vorliegenden Beispiel bringt die Zuschaltung der vollen Khlleistung ab einer
Belastung von 46,3% eine Reduzierung der Gesamtverluste. Anders verhlt es sich
bei kleineren Belastungen. Unterhalb dieses Wertes fhrt die Zuschaltung der
zweiten Khlstufe zu einer Erhhung der Gesamtverluste. Bei 40% steht einer
Reduzierung der Kurzschlussverluste von 236 kW auf 231 kW ein hherer
Eigenbedarf der Khlanlage von 8 kW gegenber. Die Gesamtverluste erhhen sich
dadurch um 3 kW.
Wahl der Einstellwerte fr minimale Gesamtverluste
Die optimalen Einstellwerte fr die Khlanlagensteuerung knnen fr eine bekannte
Umgebungstemperatur und eine bestimmte Belastung nach der folgendenVorgehensweise gewhlt werden.
1) Bestimmung der nderung der Kurzschlussverluste mit der Leitertemperatur bei
der gewhlten Belastung k.
2) Bestimmung der nderung der aufgenommenen Leistung zwischen den
Khlstufen bezogen auf die Temperaturdifferenz, die bei der gewhlten Belastung
auftreten wrde.3) Gleichsetzen der unter 1) und 2) berechneten Ergebnisse liefert den
Betriebspunkt der Khlanlage bei dem die geringsten Gesamtverluste auftreten.
Transformator
Stufe 2 Stufe 1
PV
[kW/K]
l
Khlanlage
optimaler Betriebspunkt bei opt
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Bild 5 Charakteristik der Verlustnderungen von Transformator und
Khlanlage als Funktion der mittleren Temperatur des Transformators.
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Der in der Praxis berwiegend anzutreffende Fall ist in Bild 5 dargestellt. Die
nderung der Kurzschlussverluste des Transformators ist unabhngig von der
Temperatur im Transformator und als waagerechte Linie dargestellt. Die Kurve fr
die Khlanlage ist durch die aufgenommene Leistung in den einzelnen Khlstufen
und die sich ergebenden ltemperaturen gegeben. Die Zuschaltung einer Khlstufe
bewirkt eine Reduzierung der mittleren Temperatur und einen Anstieg der
Leistungsaufnahme. Zwischen diesen Punkten existieren alle Betriebsflle der
Khlanlage die sich aus einem abwechselnden Betrieb von zwei Khlstufen
zusammensetzen. Diese Betriebspunkte liegen auf der gestrichelten Linie zwischen
den Schaltpunkten. Der optimale Betriebspunkt, bei dem sich die nderungen der
Kurzschlussverluste und der Hilfsenergie fr die Khlanlage gerade ausgleichen,
liegt auf dem Schnittpunkt beider Funktionen. In der berwiegenden Zahl der Flle
setzt sich dieser Betriebspunkt aus dem Zusammenspiel von zwei Khlstufen mit den
Temperaturdifferenzen zur optimalen mittleren ltemperatur 1 und 2
zusammen. Die optimale Khlstufe ist diejenige, welche dem Schnittpunkt der beiden
Kurven am nchsten liegt.
4.2 berlastbarkeit und Betriebssicherheit
Es knnen grundstzlich zwei verschiedene Arten der berlastbarkeit von
Transformatoren unterschieden werden.
- kurzfristiger Notbetrieb
- kontinuierliche berlastbarkeit
Ein kurzfristiger Notbetrieb kann zur Abwendung von schweren Strungen im Netz
fr eine begrenzte Dauer zugelassen werden. Dabei wird eine beschleunigtethermische Alterung aufgrund stark erhhter Betriebstemperaturen in Kauf
genommen. Die geltenden Temperaturgrenzen stellen sicher, dass durch die
erhhten Temperaturen keine dielektrischen Fehler, beispielsweise ausgelst durch
Gasblasen im l, zu einer Zerstrung des Transformators fhren. Ein kurzzeitiger
Notbetrieb stellt immer ein hohes Risiko dar und eignet sich schon deshalb nicht fr
eine wirtschaftlichere Ausnutzung dieses Betriebsmittels.
Eine kontinuierliche berlastbarkeit kommt durch gnstige Umgebungsbedingungenund Sicherheitsmargen, beispielsweise durch zugeschaltete Reservekhlkreise,
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zustande. Bei diesem berlastbetrieb werden keine berschreitungen von
Grenztemperaturen die fr den Nennbetrieb gltig sind zugelassen. Das
Betriebsrisiko ist nicht erhht und die Alterung wird durch die berlastung nicht
beschleunigt. Diese bisher weitgehend ungenutzte bertragungskapazitt steht,
beispielsweise zur Abdeckung von Lastspitzen im Winter, zur Verfgung.
Um Transformatoren ohne zustzliches Risiko gezielt berlasten zu knnen wird ein
Diagnosesystem bentigt. Das Diagnosesystem berechnet anhand einiger
Messwerte laufend die aktuelle berlastbarkeit des Transformators. Wenn diese
Angaben fr die Netzfhrung nutzbar gemacht werden besteht die Mglichkeit diese
Daten bei der Lastverteilung zu bercksichtigen.
5 Zusammenfassung und Ausblick
Im vorliegenden Beitrag wurde gezeigt, dass bei Transformatoren die Grenzen der
Belastbarkeit im Wesentlichen durch die thermischen Verhltnisse festgelegt werden.
Eine bessere Ausnutzung dieser Betriebsmittel im laufenden Betrieb und eine
effizientere Auslegung kann nur dann gewhrleistet werden wenn das thermische
Verhalten genau bekannt ist. Dies erfordert Detailwissen ausgehend vom
thermischen Verhalten der einzelnen Wicklungen bis hin zur Betrachtung des
Gesamtsystems Transformator - Khlanlage.
Untersuchungen an einer ON - gekhlten Modellwicklung haben gezeigt, dass
insbesondere bei dieser Khlart die Wrmebertragung in das Khll stark von der
Wrmestromdichte abhngt. Des weiteren wurde der Einfluss zustzlicher
hydraulischer Widerstnde, die u.a. durch einen erhhten Isolationsaufbau zustande
kommen und damit direkt den Einfluss des Wicklungsdesigns widerspiegeln,
aufgezeigt. Die gewonnenen Ergebnisse knnen auf andere Wicklungen derselben
Art durch dimensionslose Kennzahlen bertragen werden, was bei der Vielzahl von
unterschiedlichen Wicklungsarten und Khlkanalgeometrien uerst vorteilhaft ist.
Weiterentwicklungen im Bereich der thermischen Auslegung von Transformatorenkonzentrieren sich auf die Verbesserung der Genauigkeit von Berechnungsverfahren
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Thermisches Verhalten und berlastbarkeit von Leistungstransformatoren 13/13
fr die Bestimmung der Temperaturgradienten Leiter-l und auf eine Verbesserung
der Khlflchenausnutzung an Radiatorenkhlanlagen.
Die Wahl der Einstellwerte fr die Khlanlagensteuerung mit dem Ziel einer
Minimierung der Gesamtverluste fhrt in den meisten Fllen zu erheblich niedrigeren
Temperaturen im Aktivteil als bisher blich und damit zu einer mglicherweise
lngeren Nutzungsdauer. In den meisten Fllen mssen jedoch Verluste durch die
Bereitstellung von Hilfsenergie gegenber den inneren Verlusten im Transformator
hher bewertet werden. Dies verschiebt die optimale Betriebstemperatur hin zu
hheren Werten. Intelligente Monitoringsysteme sind in der Lage den optimalen
Einsatz der Khlanlage in Abhngigkeit von den aktuellen Last- und
Umgebungsbedingungen zu bestimmen. Dabei kann auch die berlastbarkeit des
Transformators aufgrund gnstiger Umgebungsbedingungen dargestellt und im
berlastfall berwacht werden. Bei Transformatoren mit einer herkmmlichen
Zweipunktregelung knnen die Einstellwerte nur fr eine festgelegte mittlere
Belastung optimiert werden. Diese Art der Optimierung liefert gegenber der
kontinuierlichen Optimierung immer ein ungnstigeres Ergebnis.
In den meisten Betriebsfllen hat ein Transformator eine hhere
bertragungskapazitt als bei Nennbedingungen ermittelt wurde. Mit Hilfe eines
Diagnosesystems kann diese berlastkapazitt fr eine wirtschaftlichere Ausnutzung
der Betriebsmittel genutzt werden.
6 Literatur:
[1] IEC 354 Loading guide for oil immersed power transformers
[2] J. Bertsch, F. Oechsle, M. Schfer, Thermische berwachung von groen
ltransformatoren, Bulletin SEV/VSE 20/1998, S. 41-44
[3] S. Tenbohlen, M. Schfer, H. Matthes, Beurteilung der berlastbarkeit von
Transformatoren mit online Monitoringsystemen, Elektrizittswirtschaft, Jg 99
(2000), Heft 1-2