Leistungstransformatoren: Groß, grau und grün

Von Ronny Fritsche

Die Sicherung der Energieversorgung ist heutzutage eine Grundanforderung in Westeuropa. Mit innovativen Technologien wollen sich die Netzbetreiber und Energieversorger für die Stromversorgung der Zukunft rüsten. Besonders in dicht besiedelten Regionen, aber auch in Wasser- und anderen Naturschutzgebieten spielen Umweltschutz und Zuverlässigkeit eine besondere Rolle. Bei Siemens werden seit 2004 Leistungstransformatoren mit alternativen Isolierflüssigkeiten gebaut. Unter anderem  in Österreich werden Einheiten von geringen Spannungen bis hin zu gro­ßen Leistungstransformatoren gefertigt – auch in »alternativer« Ausführung. Die Transformatorenwerke waren von Beginn an unter den Vorreitern dieser Entwicklung und verfügen inzwischen über eine große Erfahrung mit diesem Material und den damit nötig werdenden Designänderungen. Das Transformatorenwerk in Weiz war das erste Werk weltweit, das synthetische Ester in einen neuen Leistungstransformator für die Spannungs­ebene bis 200 kV einsetzte – für einen Kunden in Schweden. Auch in England und Deutschland ist die Nachfrage nach estergefüllten Leistungstransformatoren für höhere Spannungsebenen groß. Im vergangenen Jahr wurde der erste Leistungstransformator mit einem natürlichen Ester als Isolierflüssigkeit für die Höchstspannungs­ebene von 420 kV und mit einer Bemessungsleistung von 300 MVA in Deutschland in Betrieb genommen.

Beim Bau von Leistungstransformatoren wird üblicherweise eine Isolierflüssigkeit auf der Basis von Mineralöl verwendet. Dank guter Isolier- und Kühleigenschaften kommt dieses Material bereits seit Jahrzehnten erfolgreich zum Einsatz. Alternativen zu diesem nichterneuerbaren Rohstoff, sind Silikonöl, auf Erdgas basierendes Transformatorenöl (Gas-to-liquid, GTL) oder aber Ester auf synthetischer oder natürlicher Basis. Entscheidend für den Transformatorenbetrieb ist dabei neben Isolier- und Kühleigenschaften auch, wie sich das Isoliermedium bei Alterung hinsichtlich Oxidation verhält.

Kühlung und Alterung
Der Einfluss von Temperaturveränderungen auf die Isolierflüssigkeit ist bei größeren Transformatoren entscheidend. Viskosität, Wärmekapazität und thermische Leitfähigkeit müssen bei der Auslegung berücksichtigt werden, da diese die thermische Performance eines Transformators entscheidend beeinflussen. Natürliche und synthetische Ester haben eine größere kinematische Viskosität als GTL- und Mineralöle, was Einfluss auf den Kühlungskreislauf hat: Die Wicklungen und die Isolierung alternativ gekühlter Transformatoren müssen entsprechend dem geänderten Material ausgelegt werden. Außerdem muss bei einer erzwungenen Kühlung die Leistung der Pumpen im Verhältnis zum Rohrquerdurchschnitt und unter Berücksichtigung der benötig­ten Kühlleis­tung angepasst werden.

Isolierende Eigenschaften
Studien zeigen, dass Ester sich in dielektrischen Eigenschaften grundsätzlich von Mineralölen unterscheiden. Die elektrische Festigkeit der Ester hängt stark von der Art der angelegten Spannung und dem Versuchsaufbau ab. Diese Eigenschaften sind für die richtige Auslegung der Transformatoren insbesondere bei Wechsel-, Blitzstoß- und Schaltstoßspannung entscheidend. Aufgrund fehlender internationaler Standards für praxisnahe Modellanordnungen mussten neue Tests zur Messung der dielektrischen Festigkeit von Estern entwickelt werden. Bei Impulsspannungen und inhomogenen Prüfungsanordnungen haben Isolierflüssigkeiten auf Esterbasis zum Teil eine signifikant schlechtere elektrische Festigkeit als Mineralöle. Mit steigender Spannung wächst das Verhältnis zwischen der Festigkeit beider Stoffe. Bei Impulsbelastungen über 650 kV wird das Verhältnis auch für leicht inhomogene Versuchsaufbauten signifikant. Bei Wechselstrombeanspruchung ist die elektrische Festigkeit von Estern deutlich geringer als die von Mineralöl.

Und auch das Teilentladungsverhalten unterscheidet sich stark. Dies hat zur Folge, dass die Isolationsanordnung in und zwischen den Wicklungen sowie im Leitungsführungsbereich des Transformators anders als bei herkömmlich isolierten Transformatoren designt werden muss. Durch die geringe Festigkeit von Estern müssen die Schlagweiten innerhalb des Isolationssystems erhöht und ein höherer Aufwand für Feststoff-Flüssigkeits-Barrieresysteme vorgesehen werden.

Selbst beim 420-kV-Transformator mit alternativer Isolierflüssigkeit konnten alle Forderungen gemäß IEC erfüllt werden. Der Teilentladungspegel bei Beanspruchung liegt bei <10 pC. Dies zeugt von einer hohen elektrischen Qualität des Betriebsmittels und ist Grundlage für eine erhöhte Lebensdauer. Bei mechanischem Design und Entwicklung müssen die spezifischen Eigenschaften von Ester berücksichtigt werden. In Hinblick auf die Feststoffisolierung muss beachtet werden, dass der hoch viskose Ester diese Isolierteile langsamer imprägniert als Mineralöl. Wird dies außer Acht gelassen, ergibt sich eine geringere elektrische Festigkeit der Feststoffisolierung. Die elektrischen Kennwerte des Transformators fallen dann schlechter aus. Die Größenverhältnisse der Isolierteile sollte angepasst werden, um den Prozess der Imprägnierung zu beschleunigen. Zudem wirken sich eine längere Imprägnierzeit oder auch Standzeit des Transformators vor der elektrischen Prüfung positiv auf die Imprägnierung und die elektrischen Kennwerte des Transformators aus.
Eine Schwäche von natürlichen Estern ist deren Oxidationsstabilität, insbesondere bei höheren Temperaturen und offenen Systemen. Gegenmaßnahmen wie z.B. eine hermetische Ausführung mit Stickstoffkissen wirken dem entgegen. Grundsätzlich müssen alle Materialien und Komponenten entsprechend der chemischen Reaktivität des Werkstoffs ausgewählt und untersucht werden. Die materielle Verträglichkeit der Werkstoffe mit dem Ester ist explizit zu untersuchen.

Betriebsverhalten
Grundsätzlich gibt es keine Einschränkungen für den Betrieb von Transformatoren mit Esterfüllung. Allerdings muss bei Temperaturen von unter -20 °C der hohe Stockpunkt des Materials berücksichtigt werden. Ester ist dann nicht mehr fließfähig, sodass für den Einsatz in Gebieten mit extrem niedrigen Temperaturen bestimmte konstruktive Maßnahmen ergriffen werden müssen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.

Umweltschutz mit Zukunft
Es muss keine Wassergefährdungsklasse ausgewiesen werden, sodass die Aufstellung in Gebieten mit höheren Umweltschutzanforderungen möglich wird. Der Betreiber kann auch finanzielle Vorteile aus diesen umweltfreundlichen Einheiten geltend machen. Dank der höheren Brandschutzklasse, aufgrund der geringen Entzündlichkeit von Estern, können Brandschutzanlagen weniger aufwendig ausfallen als im Fall von Mineralöl gefüllten Transformatoren.

Fakten: Isolierflüssigkeiten am Prüfstand

Eigenschaften, die beim Einsatz von Isolierflüssigkeiten für Transformatoren berücksichtigt werden müssen:

- Elektrische Festigkeit
- Kühleigenschaften (Abtransport von Wärmeenergie)
- Imprägnierung der anderen Isoliermaterialien (meist basierend auf Zellulose)
- Oxidationsstabilität bei verschiedenen Temperaturen
- Alterungseigenschaften
- chemische Reaktionsfähigkeit
- Tendenz zur Gasbildung
- Flammpunkt und Feuerverhalten
- Korrosionsschutz