Können übermäßige Temperaturanstiege die Isoliermaterialien von Transformatoren zum Schmelzen bringen?

— Ein vollständiger Leitfaden zu den Parametern des Temperaturanstiegs

Als kritischer Parameter im Transformatorbetrieb wirkt sich der Temperaturanstieg direkt auf den sicheren Betrieb und die Lebensdauer der Anlage aus. Dieser Artikel bietet eine umfassende Analyse der Kernkonzepte, Einflussfaktoren, internationalen Normen und Optimierungsmaßnahmen im Zusammenhang mit dem Temperaturanstieg von Transformatoren. Er soll Ihnen helfen, diesen Schlüsselparameter gründlich zu verstehen und schwere Unfälle wie das Schmelzen von Isoliermaterial durch übermäßigen Temperaturanstieg zu vermeiden.

Inhalt

1. Grundlegende Konzepte und Bedeutung des Temperaturanstiegs bei Transformatoren

Der Temperaturanstieg eines Transformators bezeichnet die Differenz zwischen der Innentemperatur eines Transformators unter Nennlast (nach Erreichen der thermischen Stabilität) und der Umgebungstemperatur. Dieser Parameter ist entscheidend, da er die Alterungsrate der Isoliermaterialien und die Lebensdauer des Transformators direkt bestimmt.

Wenn der Temperaturanstieg die Auslegungsgrenzen überschreitet, verdoppelt sich die Alterungsrate von Isoliermaterialien bei jedem Anstieg um 8–10 °C. Dieses Phänomen wird durch die Arrhenius-Reaktionsratentheorie beschrieben, die durch die folgende Formel ausgedrückt wird:

Alterungsrate = A × e^(-Ea/RT)

Kennzahlen:

•         A: Präexponentieller Faktor

•         Ea: Aktivierungsenergie (J/mol)

•         R: Ideale Gaskonstante (8.314 J/mol·K)

•         T: Absolute Temperatur (K)

Tabelle 1: Daten zur Temperaturanstiegsklasse

2. Hauptursachen für übermäßigen Temperaturanstieg

● Überlastung über die Auslegungskapazität hinaus

Gemäß dem Ohmschen Gesetz (I=V/R) erzeugt Strom, der durch einen Leiter fließt, Wärme, die dem Jouleschen Gesetz (Q=I²Rt) folgt. Wird ein Transformator über seine Nennkapazität hinaus überlastet, steigt die Wärmeentwicklung durch den Wicklungswiderstand quadratisch an. Beispielsweise erhöht eine Lasterhöhung von 100 % auf 120 % die Wärmeabgabe um 44 %. Diese Überlastung führt zu einem Wärmestau, der die Kühlkapazität übersteigt, wodurch der Temperaturanstieg die Auslegungsgrenzen schnell überschreitet.

● Reduzierte Effizienz des Kühlsystems

Die Kühlleistung von Transformatoren folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz:

q = hAΔT

 wo:

-q: Wärmeableitungsrate

-h: Wärmeübergangskoeffizient

-A: Wärmeableitungsbereich

-ΔT: Temperaturdifferenz

Verstopfte Kühler, schlechte Ölzirkulation oder Lüfterausfälle reduzieren die Kühlleistung erheblich. Daten zeigen, dass eine 1 mm dicke Staubschicht auf Kühlern die Kühlleistung um 20–30 % verringern kann.

● Hohe Umgebungstemperatur

Gemäß IEC 60076-7 basiert die Nennleistung von Transformatoren auf Umgebungstemperaturen ≤ 40 °C. Schlechte Belüftung oder hohe Umgebungstemperaturen reduzieren ΔT und verschlechtern die Wärmeableitung. Beispielsweise kann ein Anstieg von 30 °C auf 45 °C den Wicklungstemperaturanstieg bei gleicher Last um 15–20 °C erhöhen.

● Verschlechterung des Isoliermaterials

Die Wärmeleitfähigkeit (λ) von Dämmstoffen nimmt mit zunehmendem Alter ab. Beispielsweise liegt die Wärmeleitfähigkeit einer frischen Öl-Papier-Dämmung bei λ ≈ 0.15–0.18 W/(m·K), kann aber durch starke Alterung auf unter 0.10 W/(m·K) sinken. Dieser Abbau führt zu lokalen Hotspots und löst einen Teufelskreis aus: höhere Temperatur → beschleunigte Alterung → weiter reduzierte Wärmeleitfähigkeit → noch höhere Temperatur.

3. Folgen und Risikobewertung eines übermäßigen Temperaturanstiegs

● Schmelzmechanismus des Isoliermaterials

Wenn die Temperatur die Glasübergangstemperatur (Tg) von Isoliermaterialien überschreitet, verlieren Polymerketten ihre mechanische Festigkeit. Beispielsweise verliert Nomex-Papier (Tg ≈ 220 °C) ab diesem Punkt rapide an Zugfestigkeit. Laut IEEE sind etwa 38 % der Transformatorausfälle direkt auf thermische Alterung zurückzuführen.

● Erhöhter dielektrischer Verlust

Der dielektrische Verlustfaktor (tanδ) von Isoliermaterialien steigt exponentiell mit der Temperatur: tanδ = tanδ0 × e^(αT), wobei α eine Materialkonstante ist. Ein höherer tanδ-Wert wandelt mehr elektrische Energie in Wärme um und erzeugt so eine Rückkopplungsschleife. Daten zeigen, dass tanδ für Isolierungen der Klasse A bei 105 °C 3-5 mal höher ist als bei 70 °C.

● Gaserzeugung und Ölabbau

Laut Duval-Dreieck-Analyse zersetzt sich Isolieröl, wenn die Hotspot-Temperatur 300 °C übersteigt, und es entstehen Fehlergase wie C2H2. Jeder Temperaturanstieg um 10 °C verdoppelt die Oxidationsrate, erhöht den Säurewert (KOH) um 0.03–0.05 mg/g und verkürzt die Lebensdauer der Öl-Papier-Isolierung.

Tabelle 2: Auswirkungen des Temperaturanstiegs auf die Lebensdauer des Transformators

Zusammenfassend

Ein effektives Temperaturmanagement erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, der Design, Betrieb und Wartung umfasst. Wichtige Empfehlungen sind:

•         Regelmäßige Infrarot-Inspektionen und Ölanalysen.

•         Aufrechterhaltung sauberer und effizienter Kühlsysteme.

•            Aufbau einer Datenbank zur Überwachung des Temperaturanstiegs für Trendwarnungen.

•         Proaktives Temperaturmanagement verlängert die Lebensdauer der Geräte erheblich und reduziert das Ausfallrisiko. Für maßgeschneiderte Lösungen bietet unser technisches Team kompetente Unterstützung.

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