Temperaturanstiegsgrenzen von Trockentransformatoren im Vergleich zu ölgekühlten Transformatoren: Wesentliche Unterschiede

In Stromversorgungssystemen sind Transformatoren die Kernkomponenten für die Energieumwandlung und -verteilung. Ihre Leistung und Zuverlässigkeit beeinflussen die Netzsicherheit unmittelbar. Im Betrieb erzeugen Transformatoren Wärme, weshalb der Temperaturanstieg ein kritischer Leistungsindikator ist. Aufgrund unterschiedlicher Kühlmethoden weisen Trockentransformatoren und ölgekühlte Transformatoren erhebliche Unterschiede in ihren Grenzwerten für den Temperaturanstieg auf. Dieser Artikel bietet eine detaillierte Analyse der Normen, Einflussfaktoren und zugrunde liegenden technischen Prinzipien dieser Grenzwerte und unterstützt Energieingenieure, Einkäufer und Branchenexperten dabei, diesen wichtigen Parameter besser zu verstehen.

Weltweit haben Normungsorganisationen wie IEEE, IEC und ANSI klare Grenzwerte für den Temperaturanstieg von Transformatoren definiert. Durch den Vergleich dieser Normen lässt sich der am besten geeignete Transformator für verschiedene Anwendungsfälle ermitteln.

Inhalt

1. Definition und Bedeutung von Temperaturanstiegsgrenzen

Die Temperaturerhöhung bezeichnet die Differenz zwischen der Innentemperatur eines Transformators unter Nennlast und der Umgebungstemperatur. Beträgt die Umgebungstemperatur beispielsweise 30 °C und die Wicklungstemperatur 110 °C, so ergibt sich eine Temperaturerhöhung von 80 K (Anmerkung: Die Einheit ist Kelvin, K, nicht Celsius, °C).

Δθ = Tgemessen − TUmgebung

Beispiel: Umgebungstemperatur 40°C, Wicklungstemperatur 110°C → Temperaturanstieg = 70K.

Warum ist die Kontrolle des Temperaturanstiegs für das Überleben des Systems so wichtig?

2. Grenzwerte für den Temperaturanstieg bei Trockentransformatoren

Trockentransformatoren nutzen Luftkühlung und verwenden Isolationssysteme, die typischerweise aus Epoxidharz oder Nomex®-Papier bestehen. Aufgrund der geringeren spezifischen Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Luft weisen Trockentransformatoren eine schwächere Wärmeableitung auf, was zu niedrigeren Grenzwerten für den Temperaturanstieg führt.

Gemäß IEC 60076-11 und IEEE C57.12.01 gelten für Trockentransformatoren folgende Temperaturanstiegsgrenzwerte:

● Warum sind die Grenzwerte von Trockentransformatoren niedriger?
Trockentransformatoren nutzen Luftkonvektion zur Kühlung, wobei die Wärmeleitfähigkeit von Luft (0.026 W/m·K) deutlich geringer ist als die von Transformatorenöl (0.12 W/m·K). Um die Lebensdauer der Isolierung zu gewährleisten, müssen die Temperaturanstiegsgrenzen streng eingehalten werden. Beispielsweise erlaubt ein Trockentransformator der Klasse F (155 °C) einen Temperaturanstieg von 100 K, wird aber aus Gründen der Zuverlässigkeit häufig unter 80 K betrieben.

● Berechnungsmodell für den Temperaturanstieg bei Trockentransformatoren
Der Temperaturanstieg korreliert exponentiell mit der Last:

Δθ = ΔθR × (I/IR)^1.6

ΔθR: Bemessungstemperaturanstieg (z. B. 100 K)

I/IR: Lastverhältnis

Ejemplo:Ein Trockentransformator der Klasse F bei 120 % Last:
Temperaturanstieg = 100 × (1.2)^1.6 ≈ 135K (überschreitet den Grenzwert um 35%).

● Wartungstipps

(1)Abstand:Halten Sie einen Abstand von ≥300 mm zu den Wänden ein (≥150 mm bei erzwungener Konvektion).

(2)Sauberkeit: Staubablagerungen verringern die Kühlleistung um 15-30%.

(3)Überlastung: Beschränken Sie die Anzahl der Überlastungen auf maximal 3 pro Tag, mit einem Abstand von mehr als 4 Stunden (um eine Wärmeansammlung zu vermeiden).

3. Grenzwerte für den Temperaturanstieg bei ölgekühlten Transformatoren

Öltransformatoren nutzen Mineralöl oder synthetische Ester zur Kühlung und Isolierung. Die hohe spezifische Wärmekapazität des Öls und die Zwangsumwälzung (z. B. ONAN/ONAF/OFAF-Kühlung) ermöglichen eine überlegene Wärmeableitung und somit höhere Temperaturanstiegsgrenzen.

Gemäß IEC 60076-2 und ANSI C57.12.00 gelten für ölgekühlte Transformatoren folgende Grenzwerte:

Warum gelten höhere Grenzwerte für ölgekühlte Transformatoren?

(1)Kühlleistung des Öls: Die Wärmeleitfähigkeit (0.12 W/m·K) ist 5-mal höher als die von Luft.

(2)Thermische Stabilität: Hochwertiges Öl hält Temperaturen von über 100 °C über einen längeren Zeitraum stand, ohne sich zu zersetzen.

(3)Zwangskühlung: Große Anlagen nutzen Ventilatoren (ONAF) oder Ölpumpen (OFAF), um den Temperaturanstieg weiter zu reduzieren.

4. Schlüsselfaktoren, die den Temperaturanstieg beeinflussen

● Lastprofil

(1)Dauerbelastung:Die Temperatur stabilisiert sich nahe den Auslegungsgrenzen.

(2)Intermittierende Last:Kurzzeitige Überlastungen können durch thermische Zeitkonstanten (τ = 30-120 min) abgefedert werden, müssen aber den Richtlinien der IEC 60354 entsprechen.

Gestaffelte Limits

Dynamische Anstiegsformel (IEC 60354)

Δθo = ΔθoR + τ × (dP/dt)

τ: Thermische Zeitkonstante (kleine Einheiten ≈1.5h, große Einheiten ≈3h).

dP/dt: Änderungsrate des Verlusts.

Anwendung:Berechnung des Temperaturanstiegs in Windparks bei schwankenden Lasten.

Wartungstipps

(1)Öl Level: Ausdehnungsrate ≈0.0007/°C → 40 K Temperaturanstieg Das Volumen erhöht sich um 2.8 %.

(2)Ölqualität:Säurezahl >0.1 mg KOH/g verringert die Kühlung Effizienzsteigerung um 12-18%.

(3)Kühlsystem:Lüfterausfall erhöht den ONAF-Modus-Anstieg um 40%.

● Umgebungstemperatur

IEEE definiert „Umgebungstemperatur“ als einen Jahresdurchschnitt von 30 °C. In heißen Regionen (z. B. im Nahen Osten) sind höhere Wärmedämmklassen (z. B. H-Klasse) erforderlich.

● Kühlmethoden

(1)Trockenklimaanlage: AN (natürliche Konvektion) oder AF (Zwangsluftkühlung).
(2)Ölgekühlt: ONAN/ONAF/OFWF. Zwangskühlung(3)Verringert zwar den Klimawandel, erhöht aber den Energieverbrauch.

5. Berechnung und Überwachung des Temperaturanstiegs

● Berechnungsformeln

Temperaturanstieg der ölgekühlten Wicklung gemäß IEC 60076-7:

Kennzahlen:

Tatsächlicher Anstieg

Anstieg bei Volllast

Lastverhältnis (tatsächlich/Nennlast)

Kupfer/Eisen-Verlustverhältnis

Empirischer Exponent (Öl: n≈0.8; trocken: n≈1.0)

● Echtzeitüberwachung

Moderne Transformatoren nutzen faseroptische verteilte Temperaturmessung (DTS) oder Infrarot-Thermografie zur Hotspot-Verfolgung.

Fortschrittliche Lösungen für ölgekühlte Einheiten

(1)Glasfaser-DTS:

-±1°C-Genauigkeit, 0.01°C-Auflösung.

-Eingebettet in Hochspannungswicklungen zur 3D-Temperaturmessung.

-Hotspot-Erkennung mittels Raman-Streuung:

ΔT = (c × Δϕ) / (4πL × α)

  (α: Faserkoeffizient).

(2) Analyse gelöster Gase (DGA):

-C₂H₄ >50 ppm deuten auf Hotspots hin (>150°C).

Zusammenfassend

Der Unterschied bei den Temperaturanstiegsgrenzen zwischen Trockentransformatoren und ölgekühlten Transformatoren ergibt sich aus dem Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit zwischen Luft und Öl – die Wärmeleitfähigkeit von Luft beträgt nur 1/5 der von Öl, und ihre spezifische Wärmekapazität ist <1/2, was dazu führt, dass Trockentransformatoren strengere Grenzwerte einhalten müssen (typischerweise 80-100K gegenüber 65K im Durchschnitt/78K am Hotspot bei Öl).

Für Anwendungen in Innenräumen (z. B. Rechenzentren, Bürogebäude) eignen sich Trockenkühlschränke hervorragend, da sie wartungsfrei und leckagefrei sind, jedoch eine Zwangskühlung und eine Isolierung der Klasse H benötigen. In rauen Außenumgebungen (z. B. Kraftwerke, Offshore-Plattformen) nutzen ölgekühlte Kühlschränke die thermische Masse des Öls und die skalierbare Kühlung (OFAF/OFWF) für kompakte Bauweisen und eine hohe Überlasttoleranz.

Zu den zukünftigen Innovationen gehören:

(1)Trockentyp: Nano-dotiertes Epoxid (z. B. erhöhen AlN-Füllstoffe die Leitfähigkeit um 40 %).

(2)Ölgetaucht: Biobasierte Isolierflüssigkeiten (Flammpunkt >320°C) definieren die Sicherheitsmargen neu.

Für eine optimale Auswahl sollten Ingenieure digitale Zwillingsmodelle gemäß IEC 60076-14 verwenden, um lokale Klima- und Lastprofile zu simulieren und die thermischen Alterungsverluste über 20 Jahre zu quantifizieren, um Sicherheit und Kosten in Einklang zu bringen.

Kontakt

LuShan, Europäische Sommerzeit.1975, ist ein chinesischer professioneller Hersteller, spezialisiert auf Leistungstransformatoren und Reaktoren für50+ Jahre. Führende Produkte sind Einphasentransformator, Dreiphasentransformator Isolierung Transformatoren, elektrischer Transformator, Verteiltransformator, Abwärts- und Aufwärtstransformator, Niederspannungstransformator, Hochspannungstransformator, Steuertransformator, Ringkerntransformator, R-Kern-Transformator;Gleichstrominduktoren, Wechselstromreaktoren, Filterreaktoren, Netz- und Lastreaktoren, Drosseln, Filterreaktoren und Zwischen- und Hochfrequenzprodukte.

Unsere Kraft Transformatoren und Reaktoren werden in zehn Anwendungsbereichen häufig eingesetzt: Schnellverkehr, Baumaschinen, erneuerbare Energien, intelligente Fertigung, medizinische Geräte, Explosionsschutz in Kohlebergwerken, Erregersysteme, Vakuumsintern (Öfen), zentrale Klimaanlagen.

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