TRANSFORM-Partner präsentieren “TRANSFORMER 2020” in WienWeltpremiere: Technologiestudie zentraler Komponenten von Leistungstransformatoren

Während der Veranstaltung TRANSFORM 2015 in Wien haben die Partnerfirmen GEA, HSP

Hochspannungsgeräte, Krempel Group, Maschinenfabrik Reinhausen (MR), Nynas AB, Omicron

electronics, Pfisterer, Röchling Engineering Plastics und Thyssenkrupp Electrical Steel erstmalig ihre

Vision eines Leistungstransformators der Zukunft vorgestellt. Das Projekt TRANSFORMER 2020

wurde mit Hilfe einer 3-D-Animation im Austria Center Vienna präsentiert.

Gemeinsam decken die TRANSFORM Partner als Zulieferer alle wesentlichen Komponenten des

Leistungstransformators ab. Im Rahmen des Projektes TRANSFORMER 2020 wurde die

Innovationskraft dieser Premiumzulieferer nun erstmalig gebündelt. Ziel der Technologiestudie war,

die heutigen und zukünftigen Herausforderungen der Kunden besser zu verstehen und mögliche

Lösungswege aufzuzeigen. Zusätzlich zu den technischen Experten der TRANSFORM-Partnerfirmen

wurde auch das anerkannte Wissen der Technischen Universitäten Berlin und Dresden, der

Universität Stuttgart, des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologien in Aachen sowie das

Fachinstitut PMO für Usability Engineering in München eingebunden.

Es gibt eine Reihe von Herausforderungen für Leistungstransformatoren in den Bereichen

Zuverlässigkeit, Effizienz, Zustandsbewertung und Diagnose sowie On-Line Monitoring. Für jedes

Modul des Leistungstransformators wurden Innovationsideen identifiziert und in der Studie umgesetzt.

Im Gesamtkonzept führt dies zu signifikanten Verbesserungen bei wichtigen Kenngrößen wie

beispielsweise Verlustleistung, Geräuschemission und Baugröße. Die Ergebnisse wurden mit

ausgewählten Spezialisten von Transformatoren-Hersteller und Betreibern diskutiert und von Design

Tech als führender Industriedesigner visualisiert.

Die Innovationen im Überblick:

1) Kern und mechanische Struktur

ThyssenKrupp Electrical Steel: Verlustarmer GOES Transformatorenkern

Kornorientiertes Elektroband (Grain Oriented Electrical Steel = GOES) wird im Herzen eines

Transformators eingesetzt. Dieser Kernwerkstoff ist in verschiedenen Dicken erhältlich [0.30; 0.27;

0.23 mm]. Das neueste GOES-Material in einer Dicke von nur 0.18mm weist höchste

Permeabilität und geringste spezifische Verluste auf. Damit ist diese Sorte hervorragend geeignet,

um die Anforderungen der Europäischen Ecodesign-Richtlinie Tier 2 (2021) umzusetzen.

Das Stapeln dieses Elektrobandes zum Kern des Transformators ermöglicht eine Verbesserung

des Transformatorendesigns und verringert Verluste und Geräusche.

Röchling: Streuverlust freie Eisenkern Druckbalken aus Durostone® GFK

Um Verluste zu reduzieren und die Effizienz von ölgefüllten Transformatoren zu steigern werden

Druckbalken aus Stahl durch Durostone® GFK (glasfaserverstärktem Kunststoff) Balken ersetzt.

Metallische Druckbalken erzeugen im magnetischen Wechselfeld Streuverluste (Lastverluste), die

eine Erwärmung der Stahlbalken verursachen. Energieverluste sind die Folge. Durostone® GFK

Druckbalken können die die Leerlaufverluste eines Transformators erheblich verringern.

Röchling: Selbsteinstellendes Wicklung-Spannsystem

In heutigen Transformatoren Designs werden die Wicklungen auf die Höhe der maximalen zu

erwartenden Kurzschlusskraft unflexibel eingespannt. Pressboard Abstandshalter zwischen den

Windungen schrumpfen aufgrund von dynamischen Belastungen und Materialalterung. Infolge

dessen, nimmt die Spannkraft der Wicklungen stetig ab. Federn aus Durostone®

glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) zwischen Druckbalken und Druckring können den

Schrumpf ausgleichen und halten die Spannkraft der Wicklungen während der gesamten

Lebensdauer des Transformators konstant.

2) Isolierungssystem

Krempel: Verbesserte Pressspanisolierung für eine längere Lebensdauer

Die bestehenden Öl-/Papierisoliersysteme haben eine begrenzte thermische Belastbarkeit.

Mögliche Betriebstemperaturen von über 90°C verkürzen die Lebensdauer des Isoliersystems

erheblich. Dies trifft insbesondere auf zellstoffbasierte Materialien wie Kraftpapier, Rollen- und

Tafelpressspan zu. Durch den Abbau der Molekülketten des Zellstoffs wird die mechanische

Stabilität dieser Materialien beeinträchtigt, was letztlich zu Ausfällen der Isolierung führen kann.

Der Entwicklungsansatz liegt in einer weiteren Verbesserung des Isoliersystems. Die

Isoliermaterialien aus Zellstoff werden mit Polymerfasern und/oder speziell behandelten

Zellstofffasern verstärkt. Ziel ist es, die mechanische Festigkeit und gleichzeitig die

Temperaturbeständigkeit der Pressspanisolierung zu optimieren.

Nynas: Neues Konzept mit Öladditiv

Um bis zu 20% verlängerte Lebensdauer von Isolierungssystemen

Nynas hat ein neues Konzept für ein Öladditiv entwickelt, das die Lebensdauer von

Transformatoren-Isolierungssystemen um bis zu 20 % verlängern kann. Das Additiv wirkt, indem

es sich an der Außenseite der Zellulosestruktur des Isolationssystems festsetzt. Wenn die Struktur

von innen abgebaut wird, stützt das Additiv sie von außen ab und verlängert so ihre Lebensdauer.

„Die derzeitigen Papier- und Board-Isolationssysteme bei Transformatoren haben nur eine

begrenzte thermische Stabilität“, erklärt Per Wiklund, Research Manager und Chef der Technical

IP bei Nynas. „Hohe Betriebstemperaturen beeinträchtigen die Lebensdauer von

Isolationssystemen ganz erheblich. Und diese Systeme wollen wir stabilisieren.“

Auf der Oberfläche eines Papier- oder Board-Isolationssystems auf Zellulosebasis befinden sich

chemisch reaktive Stellen, die sich als Befestigungspunkte für ein niedermolekulares Additiv

eignen. Deshalb wollen wir dem Öl ein Additiv beigeben, das die Zellulosefasern schützt und ihren

Abbau verlangsamt.

3) Stufenschalter und Bedienfeld

MR: Neue Stufenschalterkonzepte für die optimierte Auslegung von Transformatoren

Innovative Konzepte auf Basis von Servo-Motor-Antrieben werden die herkömmlichen

Federkraftspeicher ersetzen. Damit wird es möglich, die Anordnung von Wähler und Vorwähler

sowie des Lastumschalters frei im Trafokessel, zum Beispiel im Zwickel zwischen den Wicklungen

zu wählen und damit das Transformatoren-Design zu optimieren. Durch die konsequente

Anwendung der Vakuumtechnik für alle Schaltvorgänge im Stufenschalter wird ein einheitlicher

Ölhaushalt möglich.

MR: Integration aller Steuer- und Überwachungsfunktionen in einem einheitlichen

Schaltschranksystem

Die Grundlage bildet eine einheitliche Software- und Hardware-Architektur mit offenen

Schnittstellen. Damit werden alle Standardfunktionen einheitlich abgebildet und die Integration

aller kundenspezifischen Sekundärfunktionen ermöglicht. Lösungen von Drittanbietern wie

Sensoren und Softwarelösungen werden in die Plattform integriert. Die Sicherheits- und

Schutzfunktionen aller Applikationen werden mit der Plattform-Architektur garantiert. Durch die

Implementierung aller erforderlichen Protokolle ist die Anbindung an die Leit- und Schutztechnik

garantiert.

4) Durchführungen

Pfisterer: Kompakte Anschlusstechnik für die Umspannwerke der Zukunft

Im Jahr 2020 gibt es voraussichtlich 27 Megacitys mit mehr als zehn Millionen Menschen.

Weltweit wird in den Ballungszentren der Energiebedarf weiter wachsen – die verfügbare Fläche

für Umspannwerke hingegen schrumpft. Auf dem Fachkongress Transform stellt Pfisterer mit dem

steckbaren Connex-System eine Anschlusslösung zum Bau kompakter Leistungstransformatoren

vor. Diese können platzsparend auf deutlich geringeren Flächen oder sogar innerhalb von

Gebäuden untergebracht werden. Über die steckbaren Hoch- und Mittelspannungsanschlüsse

lassen sich die Transformatoren außerdem sehr schnell austauschen und sie bleiben flexibel

einsetzbar auch bei veränderten Netzinfrastrukturen. Mit der herkömmlichen Freileitungstechnik

lassen sich die kompakten Umspannwerke nicht realisieren. Deswegen entwickelte Pfisterer das

ursprünglich als Kabelanschluss konzipierte platzsparende, steckbare Connex-System für

Spannungsbereiche von 12 kV bis 550 kV weiter zu einem umfassenden Anschluss-System für

Transformatoren. Dazu gehören unter anderem ein neuer hochkompakter

Mittelspannungsanschluss und ein feststoffisolierter Überspannungsableiter für Hochspannung.

Da alle Komponenten berührungssicher sind, lassen sie sich selbst auf engstem Raum ohne

Absperrung personensicher aufstellen und einfach inspizieren. Neben dem Platzgewinn bieten die

steckbaren Verbindungen zudem Kostenvorteile bei Wartung und Austausch sowie im Hinblick auf

die sich wandelnde Netzinfrastruktur.

HSP: Papierfreie Durchführungen aus Resin Impregnated Synthetic (RIS)

Unsere Durchführungen in bewährter RIP-Technologie (Resin Impregnated Paper) bestehen u. a.

aus Spezialpapier, das unter Vakuum mit Epoxidharz imprägniert wird. Allerdings ist Papier nicht

nur ein guter Isolator, sondern es ist auch hygroskopisch, d. h. es nimmt Feuchtigkeit aus der

umgebenden Atmosphäre auf. Da sich diese Feuchtigkeit negativ auf die Verlustleistung und die

Alterung der Durchführungen auswirken kann, wird sie bei HSP in der Produktion mit einem

aufwendigen Prozess stark reduziert. Dieser Prozess ist zeitaufwendig und verursacht

entsprechende Kosten. Durch intensive Forschung und Entwicklung ist es uns gelungen, das

Spezialpapier in unseren Durchführungen durch ein Kunststoffvlies mit homogenen

Materialeigenschaften und geringer Feuchtigkeitsaufnahme zu ersetzen, mit dem die

beschriebenen Nachteile enorm verringert werden bzw. gar nicht auftreten.

5) Kühlsystem

GEA: Lastabhängige Kühlung mit variabler Ventilatordrehzahl

Kühlsysteme sind für den Extremfall ausgelegt und deswegen für den normalen Kühlbedarf

überdimensioniert. Ziel ist es, Standardkühler zu entwickeln, die über eine 'intelligente' Steuerung

verfügen. Durch Anpassung der Ventilatorgeschwindigkeit mittels einer Steuereinheit sind

verschiedene Kühlszenarien möglich, z. B. konstante Transformatortemperatur basierend auf

Lastverteilung, Optimierung der Geräuschemission, geringere Kühler- und

Ventilatorverschmutzung aufgrund eines geringeren Luftvolumenstroms sowie geringerer

Energieverbrauch.

6) Steuerung und Monitoring

MR: Kontinuierliches Online-Monitoring

Die kontinuierliche Zustandsüberwachung des Transformators ermöglicht eine zustandsbasierte

Wartungsstrategie mit dem Ziel, die Wartungsaufwendungen zu reduzieren und die

Lebenserwartung zu verlängern. Das Monitoringsystem erfasst und analysiert alle relevanten

Betriebsdaten, einschließlich der Überwachung des Laststufenschalters, Auslastung des

Transformators, Temperaturen, Online-DGA sowie den Status der Schutzeinrichtungen. Da das

System auf der Automationsplattform aufbaut, kann der Funktionsumfang problemlos erweitert

werden: zum Beispiel durch die automatische Spannungsregelung und die intelligente

Kühlanlagensteuerung.

MR: Durchführungs-Monitoring mit Referenz-Spannungsmessung

Das Monitoringsystem basiert auf einem innovativen mathematischen Algorithmus zur

Überwachung von Wechselspannungs-Durchführungen. Die Messanschlüsse der Durchführungen

werden dabei als Oberspannungskapazitäten eines hochpräzisen kapazitiven Messteilers

verwendet. Somit kann das resultierende Wechselspannungssignal analysiert werden. Durch

Abgleich mit einem weiteren Referenz-Spannungssignal der Netzspannung, kann die Validität des

analysierten Signals bestimmt werden. Die Veränderung der Hauptkapazität der Durchführung

wird durch die Veränderung von der Spannungsamplitude und Phasenverschiebung bewertet.

Omicron: Online-Monitoring von Durchführungen und Wicklungen

Statistische Daten belegen, dass Isolationsdefekte zu den häufigsten Ausfallursachen von

Transformatoren gehören. Durch kontinuierliche Online-Überwachung von wichtigen

dielektrischen Parametern können die Wartungsmaßnahmen in verschiedenen Phasen des

Transformatorbetriebs optimiert werden. Damit können die Folgen von Ausfällen verhindert und

die Betriebsdauer verlängert werden.

MR: Vibroakustisches Monitoring

Vibroakustische Sensoren liefern einen umfassenden Einblick in mechanische Strukturen wie

Laststufenschalter, Wicklungen und den Kern. Dabei werden akustische Muster überwacht und

somit Störgeräusche erkannt. Die Schwingungen können leicht ermittelt werden, indem an

verschiedenen Stellen des Transformators und Laststufenschalters Beschleunigungssensoren

angebracht werden. Dadurch können langsam fortschreitende Veränderungen frühzeitig erkannt

und auf plötzlich auftretende Fehler schnell reagiert werden.

MR: Sensor Bus

Der optische Sensorbus ermöglicht die Integration einer neuen Generation intelligenter Sensoren

wie auch herkömmlicher Sensoren am Transformator. Aufgrund des robusten Designs garantiert

er eine hohe Zuverlässigkeit. Intelligente Sensoren werden direkt vom Sensorbus erkannt und

integriert, bei

konventionellen Sensoren kommt ein Medienkonverter zum Einsatz. Dieser erfüllt zwei

verschiedene Funktionen. Er wandelt herkömmliche Signale in optische Bussignale um und

versorgt herkömmliche Sensoren mit der erforderlichen Energie. Dadurch verringert sich der

Aufwand für die technische Auslegung und Installation erheblich. Das Busdesign stellt den für

diese Anwendung entscheidendsten Aspekt sicher: einen gesicherten und zuverlässigen

Informationsfluss.

Omicron: Portables System zur temporären Überwachung und Online-Diagnose

Das mobile System ermöglicht Monitoring und Diagnose im Betrieb. Folgende Parameter können

überwacht und analysiert werden:

Teilentladung in den Durchführungen und der Wicklung

Kapazität und Verlustfaktor der Durchführungen

Mit dem portablen System lassen sich Transformatoren eingehend diagnostizieren wenn es

Indikatoren für einen Isolationsfehler gibt. Vorbereitete Anschlussadapter machen es möglich, das

System anzuschließen ohne den Transformator außer Betrieb zu nehmen. Die Portabilität erlaubt

es das System bei Bedarf einzusetzen und bietet daher eine wirtschaftliche Möglichkeit zur

Zustandsbewertung ihrer ganzen Transformatorflotte.

Wie bei jeder Studie, soll der TRANSFORMER 2020 innovative technische Konzepte vorstellen und

das Interesse der Kunden evaluieren. Die beteiligten TRANSFORM-Partnerfirmen werden auf Basis

der Resonanz der Kunden entscheiden, ob Sie weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte und

damit die Realisierung der Konzepte vorantreiben.