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DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE

Einführungsbeitrag

Große Leistungstransformatoren werden nach wie vor fast ausschließlich mit einer Kombination aus flüssigem und festem Isolierstoff ausgeführt. Das am häufigsten verwendete Material ist dabei die Kombination aus Mineralöl und Zellulose, die in Form von Papier oder Pressspan Verwendung findet. Die große Betriebserfahrung mit dieser Materialkombination schlägt sich in der Normenreihe für Leistungstransformatoren IEC 60076 in vielen Teilen deutlich nieder. Die Notwendigkeit, kompaktere Bauweisen bei hohen Leistungen umzusetzen, führte schon vor vielen Jahren zur Verwendung von Materialien mit hoher Temperaturbelastbarkeit. Besonders im Bereich der Bahntransformatoren existiert eine Vielzahl an Lösungen, mit denen spezielle Lastprofile, unter Berücksichtigung teilweise hoher Temperaturzunahmen, betrachtet werden. In der Energieversorgung hingegen wird dagegen der Dauerbetrieb mit Bemessungsleistung betrachtet. Darüber hinaus existieren einige Lastfälle für Überlastbetrieb und Notbetrieb bei höheren Temperaturen und zum Teil stark beschleunigter Alterung. In der Belastungsrichtlinie werden ausschließlich Öl-Papier-Isoliersysteme betrachtet. Mit der Einführung von thermisch stabilisiertem Papier, das in Verbindung mit inhibiertem Öl eingesetzt wird, macht die Belastungsrichtlinie IEC 60076-7 einen ersten kleinen Schritt in Richtung Hochtemperatur-Isoliersysteme.
IEC 60076-14 befasst sich in Ergänzung zu den Teilen 2 und 7 der Normenreihe für Leistungstransformatoren mit flüssigkeitsgetränkten Isoliersystemen, die bei höheren Temperaturen betrieben werden können wie die als herkömmliche Isoliersysteme bezeichneten Öl-Papier-Isoliersysteme. Dazu werden Isoliersysteme beschrieben, die in Transformatoren mit Hochtemperatur-Isoliersystemen, im Sinne dieser Norm, eingesetzt werden können. Es handelt sich dabei um unterschiedliche Ausführungsformen für die Wicklungsisolierung. Unterschieden werden dabei drei verschiedene Arten von Hybridisolierungen auf Wicklungen und die vollständige Isolierung mit Hochtemperatur-Isoliermaterial. Die drei Hybrid-Isolierungen werden mit teilweiser Hybrid-Isolierung, gemischter Isolierung und Vollhybrid-Isolierung bezeichnet und sollen im Folgenden beschrieben werden.
Teilhybrid-Isolierung: Bei dieser Isolationsanordnung wird Hochtemperatur-Isolierung nur als Leiterisolation eingesetzt. Stützkonstruktionen und umliegende Isolierteile bestehen aus Zellulose. Die Temperaturgrenzen für die mittlere und maximale Wicklungstemperatur liegen höher als bei herkömmlicher Isolierung.
Gemischte Isolierung: Bei der gemischten Isolierung ist die Leiterisolierung nur in den Bereichen der Wicklungen aus Hochtemperatur-Material, an denen die Temperatur die Grenztemperaturen der herkömmlichen Isoliersysteme übersteigt. Die Stützkonstruktionen und die axialen und radialen Abstandshalter sind aus Zellulosematerial gefertigt. Bei dieser Anordnung kann auch ein hochtemperatur-isolierter Teil einer Wicklung, zum Beispiel am oberen Wicklungsende, zusammen mit einem herkömmlich isolierten Teil kombiniert sein. Der Temperaturgrenzwert für die mittlere Wicklungstemperatur dieser Wicklungen ist gleich dem Grenzwert für herkömmliche Isolierung. Der Grenzwert für die maximale Wicklungstemperatur hingegen kann auf dem zulässigen Niveau der Hochtemperatur-Isolierung liegen.
Vollhybrid-Isolierung: Bei der Vollhybrid-Isolierung werden die Leiterisolierung und die Stützkonstruktion, die mit den Leitern in Kontakt steht, als Hochtemperatur-Isolierung ausgeführt. Teile, die weiter entfernt angeordnet sind, werden als Zellulose-Isolierung ausgeführt. Die Grenzwerte für die mittlere und maximale Wicklungstemperatur liegen bei den Grenztemperaturen der gewählten Hochtemperatur-Isolierung.
Die Isolierstoffanordnungen werden anhand schematischer Skizzen erklärt. Sinn dieser Unterscheidung ist es, dem Anwender Hinweise für die Auswahl möglicher Anordnungen zu geben. In einer zusammenfassenden Tabelle werden die Temperaturgrenzwerte für die beschriebenen Isolieranordnungen zusammengestellt und mit den Werten für herkömmliche Isolierung verglichen.
Einen großen Raum in IEC 60076-14 nehmen die Betrachtungen zu Grenztemperaturen für die derzeit erhältlichen flüssigen und festen Isoliermaterialien und die sich daraus ergebenden Kombinationen ein. Bei den Isolierflüssigkeiten wird dabei zwischen Esterflüssigkeiten und Silikonöl unterschieden. Als feste Isoliermaterialien kommen thermostabilisiertes Papier, Aramidpapier, harzimprägniertes Papier, Polyphenylen, Polyester und Polyimid in Frage. Die Temperaturklasse, die sich aus der Anwendung einer bestimmten Kombination aus festem und flüssigem Isolierstoff ergibt, ist durch eine Betrachtung der gewählten Isolationsanordnung und der sich daraus ergebenden Temperaturverhältnisse in den einzelnen Regionen der Wicklungen zu ermitteln. An vielen Stellen wird dabei auf Vereinbarungen hingewiesen, die zwischen Anwender und Hersteller zu treffen sind. Hier macht die Norm zwar häufig Empfehlungen, zum Teil in Tabellen im Anhang, allerdings in einer ziemlich allgemein gehaltenen Form. Bei den Auslegungsaspekten werden die wichtigsten Themengebiete behandelt, bei denen sich Änderungen aufgrund höherer Temperaturen, meist verbunden mit höheren Stromdichten im Leitermaterial, ergeben. Die dielektrische Festigkeit der eingesetzten Materialien, konstruktive Details bei der Auslegung, die unterschiedliche thermische Festigkeit und die Überlastbarkeit von Transformatoren mit Hochtemperatur-Isolierung werden ausführlich beschrieben. Die Betrachtungen erfolgen in enger Anlehnung an die Vorgehensweisen in der Belastungsrichtlinie in Teil 7 dieser Normenreihe.
Die vier informativen Anhänge dieser Norm enthalten eine Vielzahl an Angaben und beschreiben Gesetzmäßigkeiten, die für den Anwender oder Hersteller von Hochtemperatur-Isolierungen wertvoll sein können. Deshalb soll hier der Inhalt kurz genannt werden. In Anhang A werden zusammenfassend die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der thermischen Alterung beschrieben. Ausgehend vom Alterungsgesetz von Arrhenius werden Lebensdauerbetrachtungen für einige als Isolierstoff in Frage kommende Materialien gezeigt. Dies führt zu einer Klassifizierung dieser Materialien in Temperaturklassen mit entsprechenden Grenzwerten. Anhang B beschreibt das Phänomen der Gasblasenbildung bei hohen Temperaturen unter Anwesenheit von Feuchtigkeit im festen Isolierstoff. Dieses Verhalten ist in Öl-Papier-Isolierungen bekannt, bekommt jedoch bei den in dieser Norm betrachteten Temperaturbereichen eine weit größere Bedeutung. Die dargelegten Gesetzmäßigkeiten sind auch für die Anwendung in konventionell isolierten Mineralöl-Papier-Transformatoren interessant. Im dritten Anhang werden die derzeitigen Erkenntnisse beim Einsatz von Esterflüssigkeiten mit Zellulose als festem Isolierstoff beschrieben. Es werden vergleichende Alterungsuntersuchungen von Papier in Esterflüssigkeit und Mineralöl gezeigt und mit den in anderen Normen genannten Ansätzen verglichen. Der Vollständigkeit halber soll noch der letzte Anhang erwähnt werden, der sich mit der Bezeichnung der Isoliersysteme befasst.
IEC 60076-14 ist aus einer Überarbeitung der gleichnamigen Technischen Spezifikation entstanden. Diese Norm gibt wertvolle Hilfestellung bei der Spezifikation, Beschaffung, Auslegung und dem Betrieb von flüssigkeitsgefüllten Transformatoren mit hohen Grenztemperaturen. Darüber hinaus beschreiben die Anhänge den derzeitigen gesicherten Stand der Technik bei dieser noch relativ neuen Isolierstofftechnik.