Warum wird Öl in 11-kV-Tauchtransformatoren verwendet? Schlüsselrollen erklärt

In globalen Stromverteilungsnetzen 11 kVÖltransformatorensind die vorherrschenden Energieumwandlungsgeräte. Sie werden häufig in städtischen Verteilernetzen, Industrieparks, bei der Integration von Photovoltaik- und Windkraftnetzen, bei der Elektrifizierung ländlicher Gebiete und bei EPC-Projekten in Übersee eingesetzt. Viele Einkäufer, Elektroingenieure und Projektinhaber stellen sich immer wieder die grundsätzliche, aber kritische Frage: Warum sind solche Mittelspannungstransformatoren mit Isolieröl statt mit Luft oder anderen festen Isolierstoffen gefüllt?
Isolieröl ist nicht nur ein einfaches Füllmedium. Es ist ein unverzichtbares Funktionsmaterial im 11-kV-BereichÖltransformatoren, die direkt die Wärmeableitungskapazität, die Isolationsleistung, die Lebensdauer der Geräte und die Betriebsstabilität bestimmt. Trockentransformatoren basieren zur Isolierung auf Luft und Epoxidharz, während Öltransformatoren mineralisches Isolieröl (oder synthetisches Esteröl) verwenden, um mehrere Funktionen gleichzeitig zu erfüllen. In diesem Artikel werden die Kernfunktionen von Isolieröl in 11-kV-Öltransformatoren erläutert, die Vorteile und Einschränkungen von Öltransformatoren verglichen, gängige Isolieröltypen, Qualitätsakzeptanzkriterien und Wartungsrichtlinien vorgestellt. Es bietet Besuchern auf unabhängigen Websites professionelle technische Referenzen und hilft Energiefachleuten dabei, bei der Projektauswahl, der Geräteabnahme und der täglichen Wartung fundierte Urteile zu fällen.

Im Inneren eines 11-kV-Transformators befinden sich spannungsführende Teile wie Hochspannungswicklungen, Niederspannungswicklungen und Eisenkern sowie geerdete Komponenten. Um Durchschläge und Kurzschlüsse zu verhindern, ist eine zuverlässige Isolierung zwischen den Komponenten erforderlich. Luft hat eine begrenzte Isolierfähigkeit und ist in engen Räumen, bei hohen elektrischen Feldern und unter feuchten Bedingungen anfällig für elektrische Entladungen. Transformatorisolieröl zeichnet sich durch eine hohe Spannungsfestigkeit aus. Es füllt alle winzigen Lücken zwischen Eisenkern und Wicklungen, verdrängt Luft vollständig, isoliert Hochspannungswicklungen effektiv von Niederspannungswicklungen und trennt Wicklungen vom geerdeten Eisenkern und dem Öltankgehäuse.
Wenn der Transformator Netzfrequenzspannungen und Blitzstoßspannungen standhält, unterdrückt Isolieröl die lokale Konzentration elektrischer Felder und verringert das Risiko von Teilentladungen. Gemäß IEC 60156 muss qualifiziertes neues mineralisches Isolieröl einen bestimmten Durchschlagspannungspegel erreichen, um einen sicheren Betrieb unter Nennspannung und vorübergehenden Überspannungsbedingungen zu gewährleisten. Wenn Isolieröl feucht, verunreinigt oder gealtert wird, sinkt die Durchschlagsspannung rapide und die Gefahr eines inneren Isolationsdurchschlags steigt stark an. Dies ist der Hauptgrund, warum Öltransformatoren regelmäßige Ölspannungsprüfungen erfordern.

Während des Transformatorbetriebs erzeugen Hystereseverluste und Wirbelstromverluste des Eisenkerns zusammen mit Wicklungslastverlusten kontinuierlich Wärme. Hohe Temperaturen sind die Hauptursache für die Alterung fester Isolierungen. Wenn die Wärme nicht rechtzeitig abgeführt werden kann, verschlechtert sich die Wicklungsisolierung schnell, was die Lebensdauer des Transformators verkürzt und in schweren Fällen sogar zum Durchbrennen der Anlage führt.
Isolieröl hat eine günstige Wärmeleitfähigkeit und bildet eine interne Zirkulation durch natürliche Ölzirkulation (ONAN) oder Zwangsluftkühlung (ONAF). Erhitztes Isolieröl in der Nähe des Eisenkerns und der Wicklungen hat eine geringere Dichte und fließt nach oben. Die Wärme wird an die Tankwand und die Heizkörper übertragen, während das gekühlte Öl nach unten zurückfließt, um kontinuierlich Wärme von den Wärmequellen abzuführen. Dieses Ölzirkulationskühlsystem zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und eine hohe Wärmeaustauscheffizienz aus. Im Vergleich zur Luftkühlung kann die Ölkühlung eine größere Leistung auf kleinerer Stellfläche unterstützen, was ein Hauptgrund dafür ist, dass Verteilungstransformatoren mit großer Kapazität die ölgekühlte Bauweise bevorzugen.

Die um die Transformatorwicklungen gewickelte Papierisolierung besteht aus organischem Material. Bei hoher Temperatur und Sauerstoffeinwirkung oxidiert es allmählich und wird spröde, wodurch die Isolierfähigkeit verloren geht. Nachdem der Öltank mit Isolieröl gefüllt ist, können Sauerstoff und Feuchtigkeit isoliert werden, um die Wickelpapierisolierung zu schützen. Isolieröl kann eine kleine Menge Sauerstoff lösen, Oxidationsreaktionen der Papierisolierung reduzieren, die Alterung des gesamten Isoliersystems verlangsamen und die Gesamtlebensdauer des Transformators verlängern.
Währenddessen umhüllt Isolieröl Metallkomponenten und verringert das Risiko oxidativer Korrosion auf Metalloberflächen von Eisenkern und Wicklungen. Es ist zu beachten, dass diese Schutzwirkung nicht dauerhaft ist. Im Langzeitbetrieb oxidiert Isolieröl langsam und es entstehen organische Säuren und Ölschlamm. Ölschlamm haftet an Wicklungen und Kühleroberflächen, behindert die Wärmeableitung und beschleunigt den Verschleiß der Ausrüstung weiter. Daher ist bei Öltransformatoren eine regelmäßige Messung des Säuregehalts und des Feuchtigkeitsgehalts erforderlich. Bei Bedarf ist eine Ölfiltration oder ein Ölwechsel erforderlich.

Ein weiterer, leicht zu übersehender zentraler Wert von Isolieröl ist seine Funktion als Medium zur Fehlerdiagnose. Wenn im Inneren des Transformators latente Fehler wie lokale Überhitzung, Lichtbögen und Windungsentladungen auftreten, löst die hohe Temperatur eine thermische Zersetzung des Isolieröls aus und erzeugt charakteristische Gase wie Wasserstoff, Methan und Acetylen. Diese Gase lösen sich im Isolieröl. Wartungstechniker führen eine Analyse gelöster Gase (DGA) durch, indem sie Ölproben sammeln, um die Zusammensetzung und Konzentration gelöster Gase zu testen. Latente Gefahren können erkannt werden, bevor sich Fehler zu schweren Kurzschlussunfällen entwickeln.
Dies ist ein einzigartiger diagnostischer Vorteil von Öltransformatoren. Bei Trockentransformatoren ist eine Probenahme zur Ermittlung interner Fehlermerkmale kaum möglich. Im Gegensatz dazu realisieren Öltransformatoren eine berührungslose Frühwarnung auf Basis von Isolieröl, wodurch das Risiko plötzlicher Stromausfälle und Geräteschäden erheblich verringert wird. Das Buchholz-Relais wirkt auch auf Öl-Gas-Gemische, die durch Fehler entstehen, um Alarme auszulösen oder Schutzfunktionen auszulösen. Dieser Schutzmechanismus basiert auf dem Isolierölsystem.

Mineralisches Isolieröl: der am weitesten verbreitete Typ auf dem Markt mit moderaten Kosten und stabiler dielektrischer und thermischer Leistung, gemäß IEC 60296. Die meisten herkömmlichen 11-kV-Verteilungstransformatoren verwenden Mineralöl. Sein Nachteil ist die Entflammbarkeit. Beim Einsatz in geschlossenen Räumen und dicht besiedelten Gebieten sind Brandschutzmaßnahmen erforderlich.
Synthetisches Esteröl und natürliches Esteröl: umweltfreundliche, biologisch abbaubare Isolieröle mit hohem Flammpunkt und geringer Brandgefahr. Durch Leckagen wird der Boden und die Gewässer weniger belastet. Sie werden häufig in städtischen unterirdischen Stromverteilungsräumen, Wohnvierteln, Wasserschutzzonen und anderen Projekten mit strengen Brandschutz- und Umweltanforderungen eingesetzt. Der Nachteil sind höhere Beschaffungskosten im Vergleich zu Mineralöl.
Die Auswahl muss umfassend auf der Grundlage der Installationsumgebung, der Brandschutzbestimmungen, der örtlichen Netzstandards und des Projektbudgets getroffen werden.

Adopting insulating oil also has drawbacks. There exists risk of insulating oil leakage, which may be caused by aging of tank welds and sealing gaskets. Mineral oil is flammable and fire protection measures must be equipped. Insulating oil degrades over time and regular oil quality testing is mandatory.
Zu den wichtigsten täglichen Wartungsaufgaben gehören die Überwachung des Ölstands und die Prüfung von Tanklecks; regelmäßige Ölprobenentnahme für Durchschlagsspannungs-, Feuchtigkeits-, Säurewert- und DGA-Tests; Halten Sie die Heizkörper sauber, um die Wärmezirkulation zu gewährleisten. Halten Sie Belüftungsöffnungen aufrecht, um das Eindringen von Feuchtigkeit in den Tank zu minimieren. Mit standardisierter Wartung, 11 kVÖltransformatorenkann über Jahrzehnte stabil betrieben werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Isolieröl bei 11 kV vier Kernfunktionen erfülltÖltransformatoren: Wirkt als Hochspannungsisolationsmedium, zirkuliert und leitet Wärme ab, schützt die interne Feststoffisolierung vor Alterung und dient als Medium zur Erkennung latenter interner Fehler. Zusammengenommen machen diese vier Vorteile Öltransformatoren aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit, hervorragenden Wärmeableitung und günstigen Kosten zur Mainstream-Option für globale 11-kV-Verteilungsanwendungen.
Dennoch lässt die Leistung von Isolieröl mit der Betriebsdauer, der Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit sowie dem Verschmutzungsgrad nach. Praktiker in Energieprojekten müssen das Funktionsprinzip von Isolieröl verstehen und Wert auf regelmäßige Ölqualitätsprüfungen legen, um die Leistungsvorteile von Öltransformatoren voll auszuschöpfen und eine langfristig stabile Stromversorgung von Verteilungsnetzen sicherzustellen.