TRANSFORM-Partner präsentieren "TRANSFORMER 2020" in Wien Weltpremiere: Technologiestudie zentraler Komponenten von Leistungstransformatoren

TRANSFORM-Partner präsentieren “TRANSFORMER 2020” in Wien
Weltpremiere: 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 sowie des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologien in Aachen
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.