Rechner für die Transformatorbelastung: Heißpunkt und Lebensdauerverlust

Berechnen Sie die Temperatur des Öls und des Heißpunkts, die Alterungsgeschwindigkeit des Papiers und die höchstzulässige Belastung nach IEC 60076-7.

Heißpunkt, Alterung und höchstzulässige Belastung

Geben Sie die Belastung in p.u. und die Prüfdaten des Transformators ein und erhalten Sie die Öltemperatur oben, die Heißpunkttemperatur, die Alterungsgeschwindigkeit des Papiers und die höchste Belastung, die ohne beschleunigte Alterung möglich ist.

Belastung

Transformatordaten

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Was dieser Rechner leistet

Er übersetzt eine Belastung in p.u. in die drei Größen, auf die es ankommt: Temperatur des Öls oben, Heißpunkttemperatur und Alterungsgeschwindigkeit des Isolierpapiers. Und er dreht die Frage um: Wie viel Last verträgt die Maschine, ohne schneller zu altern als vorgesehen.

Das Modell

IEC 60076-7 beschreibt den Transformator im stationären Zustand mit zwei verketteten Gleichungen:

θ_Öl = θ_Umgebung + Δθ_or × ((1 + R·K²) / (1 + R))^x

θ_Heißpunkt = θ_Öl + Δθ_hr × K^y

wobei K die Belastung in p.u. ist, R das Verhältnis zwischen Last- und Leerlaufverlusten, Δθ_or die Übertemperatur des oberen Öls bei Nennlast und Δθ_hr der Gradient des Heißpunkts über dem Öl. Die Exponenten x und y hängen vom Kühlsystem ab und stammen aus Tabelle 4 der Norm; der Rechner setzt sie mit der Wahl der Kühlung ein, und sie lassen sich ändern, wenn der Hersteller andere Werte angibt.

Die Alterung

Zellulose wird durch Hydrolyse und Oxidation abgebaut, und die Geschwindigkeit hängt exponentiell von der Temperatur ab. Für normales Kraftpapier:

V = 2^((θ_Heißpunkt − 98) / 6)

Sechs Grad über 98 °C, und das Papier altert doppelt so schnell. Zwölf Grad, viermal so schnell. Bei 134 °C verbraucht der Transformator an einem Tag, wofür er unter normalen Bedingungen mehr als sechzig brauchen würde.

Für thermisch stabilisiertes Papier liegt der Bezugswert bei 110 °C, und es gilt das Arrhenius-Gesetz, das die Norm selbst angibt.

Der Rechner multipliziert diese Geschwindigkeit mit den angegebenen Stunden und liefert die verbrauchte Lebensdauer: wie viele Stunden Nennlebensdauer in diesem Zeitraum aufgebraucht wurden. Das ist die Zahl, die aus einer Betriebsentscheidung einen Wert macht, über den sich diskutieren lässt.

Rechenbeispiel

ONAN-Leistungstransformator, Δθ_or = 52 K, Δθ_hr = 26 K, R = 8, x = 0,8, y = 1,3.

Bei Nennlast und 20 °C Umgebungstemperatur:

  • Öl oben: 20 + 52 = 72 °C
  • Heißpunkt: 72 + 26 = 98 °C → Alterung ×1, die der Auslegung

Bei 1,3 p.u. und derselben Umgebungstemperatur:

  • Heißpunkt: 133 °C → Alterung ×56

Vierundzwanzig Stunden bei dieser Belastung verbrauchen rund 1.340 Stunden Lebensdauer der Isolierung: fast zwei Monate. Bei 0 °C Umgebungstemperatur dagegen verträgt dieselbe Maschine deutlich mehr Last, bevor sie 98 °C überschreitet — deshalb sind Überlastungspläne jahreszeitabhängig.

Was dieser Rechner nicht leistet

Es ist eine Rechnung im stationären Zustand: Sie setzt voraus, dass die Belastung lange genug anliegt, damit sich die Temperaturen stabilisieren. Eine halbstündige Lastspitze erwärmt das Öl nicht wie eine ganze Schicht; dafür gibt die Norm das dynamische Modell mit seinen Zeitkonstanten an. Ebenso wenig berücksichtigt sie den tatsächlichen Zustand der Isolierung — Feuchte, Polymerisationsgrad —, die verschlechterte Kühlung oder den Zustand von Lüftern und Pumpen, und genau das erklärt meist, warum ein Transformator wärmer wird, als das Modell sagt.

Womit gemessen wird

Die Heißpunkttemperatur wird über ein Modell abgeschätzt oder mit einem elektronischen Temperaturmonitor gemessen, der sie in Echtzeit aus dem Strom und der Öltemperatur berechnet und die Kühlung steuert. Die Transformatorprüfgeräte decken den Diagnoseteil ab, und die Gas-in-Öl-Analyse bestätigt, ob eine Überhitzung Spuren im Isolieröl hinterlassen hat.

Häufige Fragen

Was bedeutet ein Heißpunkt von 98 °C?
Das ist die Bezugstemperatur: Bei 98 °C altert normales Kraftpapier mit der Nenngeschwindigkeit, aus der sich die erwartete Lebensdauer des Transformators ergibt. Darüber altert es schneller, darunter langsamer, und der Zusammenhang ist brutal: Je 6 °C mehr verdoppeln die Alterungsgeschwindigkeit. Bei thermisch stabilisiertem Papier steigt der Bezugswert auf 110 °C.
Darf ein Transformator überlastet werden?
Ja, und IEC 60076-7 beschreibt wie: Die Norm behandelt zyklische Belastungen und Notüberlastungen. Bezahlt wird das mit Lebensdauer der Isolierung, und zwar sehr schnell. Nicht verhandelbar ist die Grenze von 140 °C am Heißpunkt, oberhalb derer sich Gasblasen im Papier bilden können — ein dielektrischer Fehler, der nur darauf wartet einzutreten.
Woher bekomme ich Δθ_or und Δθ_hr?
Aus dem Erwärmungsversuch des Transformators, der im Werksprüfprotokoll steht. Δθ_or ist die Übertemperatur des oberen Öls gegenüber der Umgebung bei Nennlast und Δθ_hr der Gradient des Heißpunkts über diesem Öl. Die Voreinstellungen des Rechners (52 K und 26 K) sind typisch für einen ONAN-Leistungstransformator, aber jede Maschine hat ihre eigenen Werte.