Komplette Leistungssteigerungslösung für Transformatoren: Optimierung der Kühlung und Reduzierung von Verlusten im magnetischen Kreis

1. Hintergrund und Herausforderungen

Mit dem stetigen Wachstum der Stromlasten und den zunehmend strengeren Anforderungen an die stabile Netzbetriebsführung stehen Transformatoren vor erheblichen Herausforderungen hinsichtlich Betriebseffizienz, Temperatursteigerungskontrolle und langfristiger Zuverlässigkeit. Übermäßige Betriebstemperaturen beschleunigen das Altern von Isoliermaterialien, verkürzen die Lebensdauer der Ausrüstung und erhöhen das Ausfallrisiko. Hohe magnetische Verluste (hauptsächlich Eisen- und Kupferverluste) reduzieren die Energieeffizienz, was zu unnötigen Betriebskosten führt. Um die beiden Kernprobleme, die in Transformatoren häufig auftreten – übermäßige Temperaturerhöhungen und bedeutende magnetische Verluste – zu bewältigen, wurde diese umfassende Lösung entwickelt.

2. Ziele der Lösung

• Signifikante Reduzierung der Betriebstemperaturen: Kontrolle der Oberflächenöltemperatur und der heißen Stellen im Wicklungsbereich innerhalb sicherer Betriebsspannen.
• Effektive Reduzierung der magnetischen Verluste: Fokussierung auf die Verringerung der Leerlaufverluste (Eisenverluste) und Lastverluste (Kupferverluste), um die Gesamtbetriebseffizienz zu verbessern.
• Verbesserung der Betriebssicherheit: Reduzierung der Ausfallraten durch Überhitzung und übermäßige Verluste, um die Transformatorlebensdauer zu verlängern.
• Optimierung der Gesamtkosten über die gesamte Lebensdauer: Verbesserung der wirtschaftlichen Effizienz des Transformators durch Energieeinsparungen und reduzierte Wartungshäufigkeit.

3. Kernmaßnahmen zur Minderung

Diese Lösung setzt auf eine integrierte Strategie von "Verlustkontrolle an der Quelle + Erhöhung der Wärmeabgabe-Fähigkeit + Präzises Zustandsmanagement":

3.1 Optimierung und Modernisierung des Kühlungssystems, Steigerung der Wärmeabgabewirkung (Bekämpfung der Temperaturerhöhung)

• Einsatz hoch-effizienter Kühlmethoden:
• Zwangsluftkühlung (OFAF/ODAF): Rückrüstung bestehender natürlicher Luftgekühlter (ONAN) oder luftgezwungener gekühlter (ONAF) Transformatoren oder Ausrüstung neuer Einheiten mit leistungsfähigen Axialventilatoren. Auswahl effizienter, geräuscharmer und wetterbeständiger Ventilatoren in Kombination mit intelligenter Luftströmungssteuerung (z.B. automatischer Start/Stopp basierend auf Temperatur oder Frequenzumrichteranpassung), um die Luftkonvektionseffizienz an den Kühlflächen signifikant zu verbessern und Wärme schnell abzuführen.
• Zwangsöl-Wasser-Kühlung (OFWF): Priorisiert für ultra-hochkapazitive Transformatoren, Einheiten mit hohen Lastfaktoren oder solche, die bei hohen Umgebungstemperaturen betrieben werden. Ausgestattet mit hoch-effizienten Öl-Pumpen und Plattenwärmetauschern, um die hohe spezifische Wärmekapazität von Wasser für effiziente Wärmeaustausch nutzen. Erfordert unterstützende Wasseraufbereitungssysteme (um Verkalkung und Korrosion zu verhindern) und Mechanismen zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit (z.B. Doppelwasserkreise, Reservepumpen).
• Wärmeleitungsgestützte Kühlung: Installation von Wärmeleitungsmodule an kritischen Punkten auf den Kühlflächen, um lokale Heißpunktwärme effizient über das Phasenänderungsprinzip zu leiten und abzugeben.
• Optimierung der Struktur und Anordnung der Kühlflächen:
• Nutzung von Kühlflächen mit erhöhter Oberfläche (z.B. geflügelte, flachwandige Kühlflächen) und optimierten Strömungspfad-Designs.
• Sicherstellung glatter Strömungspfade für Kühlmittel (Luft oder Wasser), Beseitigung lokaler Strömungsbeschränkungen und Verbesserung der gleichmäßigen Wärmeabgabe.
• (Für Luftkühlung) Optimierung der Ventilatorposition und Leitungsentwurf, um eine gleichmäßige Luftströmungsabdeckung der Kühlflächen zu gewährleisten und tote Zonen zu minimieren.
• Intelligente Kühlsteuerung:
• Automatische Anpassung der Kühlungssystemausgabe (Ventilatorgeschwindigkeit/Anzahl, Öl-Pumpendurchflussrate) basierend auf der Echtzeitüberwachung der Öltemperatur, Wicklungstemperatur und Umgebungstemperatur. Ermöglicht bedarfsorientierte Kühlung, garantiert die Wärmeabgabewirkung und minimiert den Energieverbrauch der Hilfsgeräte.

3.2 Optimierung von Kernmaterialien und -strukturen, Reduzierung der Eisenverluste (Kernmagnetische Verlustkontrolle)

• Auswahl hochleistungsfähiger Kernmaterialien:
• Priorisierung von hochpermeablen, niedrigem Einheitsverlust aufweisenden kalzinierten Silizium-Stahlblechen (z.B. HiB-Stahl) oder fortschrittlicheren glasartigen Legierungen (mit signifikanten Vorteilen bei der Reduzierung der Leerlaufverluste).
• Strenge Kontrolle der Silizium-Stahlblechdicke, der Flachheit und der Qualität der Isolierschicht, um Hysterese- und Wirbelstromverluste zu minimieren.
• Optimierung von Kern-Design und -Herstellungsprozessen:
• Implementierung von Stufenlap-Schichtungstechniken, um den magnetischen Widerstand an Verbindungen zu minimieren und zusätzliche Eisenverluste zu reduzieren.
• Präzise Kontrolle des Schichtungsfaktors und des Pressdrucks, um eine gleichmäßige Verteilung des magnetischen Pfades sicherzustellen und lokale Übersättigungen zu vermeiden.
• (Einsatz fortgeschrittener Technologien) Erkundung von Techniken wie Lasergravur (Laser Scribbling), um die magnetische Domänenstruktur des Materials weiter zu optimieren.
• Optimierung der Erdungsmethoden und Abschirmungen, um Streuverluste in strukturellen Komponenten zu reduzieren.

3.3 Optimierung des Wickel-Designs und Prozessverbesserungen, Reduzierung der Kupferverluste (Kernmagnetische Verlustkontrolle)

• Optimierung der Wickelstruktur und elektromagnetisches Design:
• Präzise Berechnung der Amperedrehzahl-Verteilung, Optimierung der Querschnittsform der Leiter (z.B. Einsatz von kontinuierlich transponierten Kabeln - CTC oder selbstklebenden transponierten Kabeln - TTC), um Umlaufströme und Wirbelstromverluste zu minimieren.
• Rationale Auswahl des Leitermaterials (hochleitfähiges sauerstofffreies Kupfer) und der Stromdichte, um DC-Widerstandsverluste wirksam zu reduzieren, während die Temperaturerhöhungsbeschränkungen eingehalten werden.
• Optimierung der Wickelhöhe, -durchmesser und -radialdimensionen, um die Streuflusskontrolle und die Reduzierung der Streuverluste sicherzustellen.
• Fortschrittliche Herstellungsprozesse:
• Sicherstellung einer gleichmäßigen Wickeldichte durch Einsatz von konstant-spannungsführenden Wickelmaschinen.
• Einsatz fortschrittlicher Vakuum-Druck-Imprägnierungs- (VPI) oder Harzgussverfahren, um eine vollständige Füllung der Lücken mit Isoliermaterialien sicherzustellen, die thermale Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit verbessern, was die Wärmeabgabe unterstützt und partielle Entladungen reduziert.

3.4 Überwachung des magnetischen Kreislaufs und proaktive Wartung (Geschlossene Schleifen-Verwaltung, Gewährleistung langer Leistungsdauer)

• Implementierung präziser Überwachung des magnetischen Kreislaufs:
• Umfassende Beurteilung der Gesundheit des magnetischen Kreislaufs durch Integration von Online-Überwachung (z.B. Gasanalyse in der Ölschicht - DGA, Hochfrequenz-Teilentladungsüberwachung, Schwingungs-/Schallüberwachung, Infrarot-Thermografie) und Offline-Tests (regelmäßige Wickeldeformationsprüfungen, Leerlauf- und Lastverlusttests, Kern-Erdstromtests).
• Fokusüberwachung: Anzeichen für Mehrpunkt-Erdungsfehler am Kern, ungewöhnliche Schwankungen der Verluste, Überhitzung von magnetischen Schilden und Klemmstrukturen.
• Einrichtung eines präventiven Wartungsmechanismus:
• Entwicklung gezielter Wartungspläne für den magnetischen Kreislauf basierend auf Überwachungsdaten und Betriebsverlauf.
• Regelmäßige Inspektion der Erdung des Kerns und der Klemmstrukturen: Sicherstellung einer zuverlässigen Einpunkt-Erdung, schnelle Erkennung und Behebung von Mehrpunkt-Erdungsfehlern (die signifikant zu erhöhten Eisenverlusten und Überhitzung führen).
• Inspektion von magnetischen Schilden, Klammern und anderen strukturellen Komponenten: Überprüfung auf Lockerungen, Überhitzung oder Entladungsspuren; sofortige Beseitigung von Abweichungen.
• Bei Kern-/Deckelhebungsinspektionen, fokussierte Überprüfungen und Wartung der Kernlamellenschnitte und Klemmzustände.
• Tiefgehende diagnostische Analyse von festgestellten ansteigenden Trends bei ungewöhnlichen Verlusten, um die Ursachen zu identifizieren und korrektive Maßnahmen zu ergreifen.

4. Erwartete Vorteile

• Signifikante Reduzierung der Temperaturerhöhung: Die Betriebstemperaturen (insbesondere die Heißpunkte) sind erwartet, effektiv unter Kontrolle zu halten, mit Reduktionen, die die projizierten Ziele erreichen (z.B. 15-25%), was den thermischen Alterungsstress auf die Isolation erheblich lindert.
• Effektive Reduzierung der magnetischen Verluste:
• Eisenverlust (Leerlaufverlust): Erwartete Reduzierung von 20-40% durch neue Materialien und Verfahren (insbesondere signifikant bei der Verwendung von glasartigen Legierungen).
• Kupferverlust (Lastverlust): Erwartete Reduzierung von 10-25% durch optimiertes Wickel-Design.
• Gesamteffizienzsteigerung von 1-3 Prozentpunkten, die erhebliche wirtschaftliche Vorteile und CO2-Emissionsreduktionen bringt.
• Erhebliche Verbesserung der Zuverlässigkeit: Das Risiko von Ausfällen aufgrund von Überhitzung und magnetischen Kreislaufanomalien wird erheblich reduziert, was die Verfügbarkeit der Ausrüstung erhöht und die Lebensdauer verlängert.
• Optimierte Gesamtkosten über die gesamte Lebensdauer: Trotz potenziell höherer Vorinvestitionen (z.B. hochleistungsfähige Materialien, fortschrittliche Kühlungssysteme) sind die Vorteile aus langfristigen Energieeinsparungen, reduzierten Wartungskosten und verlängerter Lebensdauer erheblich, was einen günstigen Return on Investment (ROI) ermöglicht.

5. Anwendungsbereich

Diese Lösung gilt für neu errichtete und im Betrieb befindliche ölgetränkte Transformatoren (Netztransformatoren) ab 35kV Spannungsniveau. Spezifische Maßnahmen können basierend auf der Kapazität, dem Spannungsniveau, dem Betriebsumfeld, der Kritikalität und dem aktuellen Zustand des Transformators angepasst und implementiert werden.