Die Erwärmung eines Transformators ist die Temperaturdifferenz zwischen einer Komponente und einer Bezugstemperatur, meist der Umgebungsluft oder dem Kühlmedium. Sie ist keine einzelne absolute Temperaturangabe. Für Öl, Wicklung und Wicklungsheißstelle lassen sich jeweils eigene Erwärmungswerte bestimmen.
Verwirrung entsteht, weil „Temperatur“ und „Temperaturanstieg“ oft synonym verwendet werden. Eine Wicklung, die an einem kalten Tag 80 °C misst, und eine, die an einem heißen Tag 80 °C misst, haben die gleiche absolute Temperatur, aber unterschiedliche Temperaturanstiege.
Was ist der Temperaturanstieg eines Transformators?
In seiner einfachsten Form ist der Temperaturanstieg eine Komponententemperatur minus einer Referenztemperatur:
Temperaturanstieg = Bauteiltemperatur − Referenztemperatur
Bei der Komponente kann es sich um das obere Öl, die Wicklung oder eine bestimmte Stelle innerhalb der Wicklung handeln. Die Referenz ist typischerweise die Umgebungstemperatur oder die Temperatur des Kühlmediums, je nach verwendeter Definition. Welche Referenz gilt, hängt vom Transformatordesign, der Kühlanordnung und der verwendeten Spezifikation oder Norm ab.
Die absolute Temperatur sagt Ihnen, wie heiß ein Ort ist. Der Temperaturanstieg sagt Ihnen, wie viel dieser Wärme aus dem Betrieb des Transformators selbst und nicht aus seiner Umgebung stammt. Beide sind nützlich, beantworten aber unterschiedliche Fragen. Die absolute Temperatur steht in engem Zusammenhang mit der thermischen Belastung der Isolierung, während der Temperaturanstieg dabei hilft, die thermische Leistung unter verschiedenen Umgebungsbedingungen zu vergleichen.
Verschiedene Teile eines Transformators können durch ihren eigenen Temperaturanstieg beschrieben werden: oberes Öl, Wicklung, Hot Spot und Struktur- oder Tankbereiche.
Warum steigt die Transformatortemperatur?
Transformatoren sind effizient, aber nicht verlustfrei. Die während des Betriebs verlorene Energie erscheint als Wärme und diese Wärme muss an das umgebende Öl, die Luft oder ein anderes Kühlmedium übertragen werden. Der Temperaturanstieg ist das Ergebnis der Wärmeerzeugung im Gleichgewicht mit der Wärmeabfuhr.
Wicklungsverluste
Der durch die Wicklungen fließende Laststrom erzeugt Widerstandsverluste. Im Allgemeinen bedeutet ein höherer Laststrom höhere Wicklungsverluste und eine stärkere Wärmeentwicklung in den Leitern. Dies ist ein Hauptgrund dafür, dass die Wicklungstemperatur bei zunehmender Belastung ansteigt.
Die Beziehung ist nicht augenblicklich. Wicklungen, Öl und Isolierung haben eine thermische Masse, sodass die Temperaturen nicht sofort, sondern im Laufe der Zeit auf eine Laständerung reagieren. Öl reagiert im Allgemeinen langsamer als die Wicklungsleiter.
Kern- und Streuverluste
Der Kern erzeugt Verluste, wann immer der Transformator mit Strom versorgt wird, weitgehend unabhängig von der Last. Streuverluste entstehen durch Streufluss in Bauteilen wie Tankwänden, Spannstrukturen und anderen metallischen Bauteilen und tragen auch zur lokalen Erwärmung bei. Beide tragen zum thermischen Gesamtbild bei, wobei die Details vom Design abhängen.
Kühlbedingungen
Wärme muss den Transformator verlassen, um die Temperaturen stabil zu halten. Je nach Transformatorkonstruktion kann es sich hierbei um eine natürliche Ölzirkulation, eine erzwungene Ölströmung, Kühler, Lüfter oder Pumpen sowie die Umgebungsluft handeln. Wenn die Wärmeabfuhr weniger effektiv ist, führen die gleichen Verluste zu einem höheren Temperaturanstieg. Dies kann auf eine höhere Umgebungstemperatur, einen eingeschränkten Luftstrom oder eine Änderung der Kühlanordnung zurückzuführen sein.
Aus diesem Grund lässt sich der Temperaturanstieg am besten als das Ergebnis von Last, Verlusten und Kühlung zusammen verstehen und nicht als eine feste Eigenschaft des Transformators.
Umgebungs-, Oberöl-, Wicklungs- und Hot-Spot-Temperatur
Diese Temperaturen hängen zusammen, sind aber nicht austauschbar. Die folgende Tabelle fasst zusammen, wie die einzelnen Faktoren mit dem Temperaturanstieg zusammenhängen.
| Temperatur | Was es darstellt | Wie es mit dem Temperaturanstieg zusammenhängt | Warum es wichtig ist |
|---|---|---|---|
| Umgebungstemperatur | Temperatur der Luft oder Umgebung | Wird häufig als Referenz verwendet, ab der der Temperaturanstieg gezählt wird | Legt die Grundlinie fest, über der der Transformator heizt |
| Obere Öltemperatur | Temperatur des Öls im oberen Bereich des Tanks | Der Temperaturanstieg des oberen Öls ist die Differenz zwischen dem oberen Öl und der Referenztemperatur | Zeigt den gesamten thermischen Zustand des Öls an, jedoch nicht die Temperatur an jeder Wicklungsstelle |
| Wicklungstemperatur | Temperatur der Wicklung, oft als Schätzwert oder Durchschnittswert | Der Anstieg der Wicklungstemperatur ist normalerweise höher als der Anstieg der Öltemperatur unter Last | Reflektiert die Erwärmung der Leiter und der angrenzenden Isolierung |
| Wicklungs-Hotspot-Temperatur | Höchste Temperatur innerhalb der Wicklung | Hot-Spot-Temperatur kann als absoluter Wert oder als Anstieg über den Referenzwert ausgedrückt werden | Stellt die thermisch am stärksten beanspruchte Stelle in der Wicklung dar |
| Direkte Glasfaser-Wicklungstemperatur | Tatsächliche Temperatur an der Sensorspitze der Sonde | Kann zur Berechnung des Anstiegs an diesem Ort verwendet werden, wenn eine Referenztemperatur verfügbar ist | Gibt Messdaten von einem ausgewählten physischen Standort |
Drei Unterscheidungen sollten beachtet werden. Die Temperatur des oberen Öls ist nicht dasselbe wie die Wicklungstemperatur, da die Wicklung normalerweise heißer läuft als das Öl um sie herum. Eine durchschnittliche Wicklungstemperatur ist nicht dasselbe wie die Hot-Spot-Temperatur, da der Durchschnitt heißere und kühlere Regionen miteinander verbindet. Und ein direkter Sondenwert ist die tatsächliche Punkttemperatur an der Position der Messspitze, die nicht unbedingt der heißeste Punkt in der Wicklung ist.
Transformator-Temperaturanstieg im Vergleich zur Hot-Spot-Temperatur
Der Temperaturanstieg beschreibt, wie weit eine Temperatur über einem Referenzwert liegt. Die Hot-Spot-Temperatur beschreibt die Temperatur an einer bestimmten lokalen Position in der Wicklung, typischerweise an der Stelle, an der die Temperatur am höchsten ist. Es handelt sich um unterschiedliche Konzepte, obwohl sie oft in derselben Diskussion auftauchen.
Eine Hot-Spot-Temperatur kann als absolute Temperatur ausgedrückt und auch als Anstieg über einen Referenzwert analysiert werden. Wenn jemand von „Temperaturanstieg“ spricht, meint er möglicherweise einen durchschnittlichen Anstieg, einen Ölanstieg oder einen Hot-Spot-Anstieg, daher lohnt es sich zu klären, was gemeint ist. Der Ursprung lokaler Erwärmung in Wicklungen wird in unserem Artikel über Heißstellen in Transformatoren behandelt.
Wie wird der Temperaturanstieg des Transformators gemessen?
Der Temperaturanstieg wird nicht von einem einzelnen Instrument gemessen. Sie wird durch Kombination einer Referenztemperatur mit einer oder mehreren Komponententemperaturen bestimmt, die jeweils auf unterschiedliche Weise gemessen oder geschätzt werden können. Einen umfassenderen Überblick über Überwachungsansätze über die Lebensdauer eines Transformators finden Sie auf unserer Seite zur Überwachung der Transformatortemperatur.
Umgebungs-/Referenztemperaturmessung
Da der Temperaturanstieg ein Unterschied ist, muss die Referenztemperatur bekannt sein. Die Umgebungstemperatur wird üblicherweise mit einem Sensor gemessen, der außerhalb des Transformators an einer Stelle angebracht ist, die für die Kühlluft repräsentativ ist. Die Wahl der Referenz und deren Messort wirken sich auf das Ergebnis aus und sollten daher konsistent definiert werden, insbesondere beim Vergleich von Ergebnissen über die Zeit oder zwischen Einheiten.
Messung der obere Öltemperatur
Die obere Öltemperatur wird im oberen Bereich des Tanks gemessen, wo sich erhitztes Öl sammelt. Es handelt sich um eine allgemein verfügbare Messung, die einen nützlichen Hinweis auf den gesamten thermischen Zustand des Öls liefert. Durch Subtrahieren der Referenztemperatur ergibt sich der Temperaturanstieg im oberen Öl. Es beschreibt jedoch nicht die Temperatur einzelner Wicklungsstellen.
Wicklungstemperaturschätzung
Die Wicklungstemperatur wird üblicherweise durch Berechnung ermittelt. Ein Wicklungstemperaturindikator (WTI) oder ein thermisches Modell kombiniert typischerweise die gemessene obere Öltemperatur mit einem Signal proportional zum Laststrom und wendet dann Modellparameter an, um die Wicklungstemperatur abzuschätzen. WTI- und thermische Modelle liefern berechnete oder simulierte Wicklungstemperaturen basierend auf gemessenen Eingaben und Modellannahmen. Sie sind gut etabliert und nützlich für die Überwachung und den Schutz. Weitere Informationen zu diesen Methoden finden Sie unter wie die Temperatur der Transformatorwicklung gemessen wird.
Direkte Wicklungstemperaturmessung
Bei der direkten Messung wird eine Sonde verwendet, deren Messspitze an einer ausgewählten Wicklungsstelle installiert ist. Der gemessene Wert ist die tatsächliche Temperatur an diesem physikalischen Punkt, keine berechnete Schätzung. Bei einer fluoreszenzbasierten faseroptischen Sonde überträgt die optische Faser das Signal vom Transformator zu einem Instrument, das es in einen Temperaturmesswert umwandelt. In Kombination mit einer Referenztemperatur kann das Ergebnis als Temperaturanstieg an diesem Ort ausgedrückt werden. Dies wird in einem späteren Abschnitt ausführlicher behandelt.
Was ist ein Transformator-Temperaturanstiegstest?
Ein Transformator-Temperaturanstiegstest, manchmal auch Wärmelauf genannt, ist ein kontrollierter Test, mit dem beobachtet wird, wie sich ein Transformator unter definierten Belastungs- und Testbedingungen erwärmt. Sie wird im Allgemeinen an einem Transformator durchgeführt, bevor er in Betrieb genommen wird, im Rahmen der Entwurfsüberprüfung oder der Werksprüfung.
Der Zweck besteht darin, das thermische Verhalten des Öls und der Wicklungen zu beobachten, zu bewerten, wie sie auf die angewandten Testbedingungen reagieren, und die gemessenen Ergebnisse mit Designwerten oder spezifizierten Anforderungen zu vergleichen. Der Test ist eine Momentaufnahme unter kontrollierten Bedingungen. Es zeigt die Leistung des Transformators in dieser Konfiguration und nicht, wie er im Laufe der Betriebsjahre belastet und gekühlt wird.
Die Einzelheiten eines Temperaturanstiegstests, einschließlich der Testbedingungen, der Dauer und der Art und Weise, wie die Ergebnisse ausgewertet werden, werden durch die geltende Norm und Projektspezifikation definiert. Diese Dokumente sollten direkt konsultiert werden, anstatt sich auf allgemeine Beschreibungen zu verlassen.
Temperaturanstiegstest vs. kontinuierliche Temperaturüberwachung
Ein Temperaturanstiegstest und eine kontinuierliche Überwachung beziehen sich beide auf die Temperatur, beantworten jedoch unterschiedliche Fragen.
| Aspekt | Temperaturanstiegstest | Online-Temperaturüberwachung |
|---|---|---|
| Zweck | Überprüfen Sie die thermische Leistung anhand des Designs oder spezifizierter Anforderungen | Beobachten Sie das Temperaturverhalten während des tatsächlichen Betriebs |
| Bei Ausführung | Normalerweise im Werk oder während definierter Tests | Kontinuierlich oder periodisch während der gesamten Lebensdauer |
| Betriebsbedingungen | Kontrollierte und definierte Testbedingungen | Echte Last-, Kühl- und Umgebungsbedingungen |
| Datendauer | Begrenzt auf den Testzeitraum | Langfristige Trends über Tage, Jahreszeiten und Jahre |
| Typische Temperaturinformationen | Öl- und Wicklungstemperaturverhalten unter Testbedingungen | Temperaturtrends bei unterschiedlicher Last und Kühlung |
| Verwendung im Dienst | Referenz zur Designüberprüfung | Betriebsbewusstsein, Trendvergleich und thermische Modellvalidierung |
Ein Werks- oder Kontrolltest ist nicht dasselbe wie ein Langzeitbetrieb unter realen Bedingungen. Die Online-Überwachung kann zeigen, wie sich die Temperaturen mit der Last und der Kühlung im Feld ändern, sie ersetzt jedoch nicht einen Temperaturanstiegstest im Werk, und der Test ersetzt nicht die Überwachung.
Wie wird der Temperaturanstieg des Transformators berechnet?
Auf der Grundebene besteht die Berechnung aus einer einfachen Subtraktion:
Temperaturanstieg = Bauteiltemperatur − Referenztemperatur
Als rein mathematisches Beispiel nehmen wir an, dass die Umgebungstemperatur 25 °C beträgt und die gemessene Komponententemperatur 75 °C beträgt. Der Temperaturanstieg beträgt 75 − 25 = 50°C. Diese Zahl ist nur eine Illustration der Arithmetik. Es handelt sich nicht um einen zulässigen Temperaturanstieg, einen typischen Wert oder eine Transformatornennleistung.
Die Berechnung der Wicklungs- oder Hot-Spot-Temperatur aus Betriebsdaten ist aufwändiger. Sie kann vom Laststrom, der Öltemperatur, thermischen Zeitkonstanten, dem Temperaturunterschied zwischen Wicklung und Öl sowie den Kühlbedingungen abhängen. Diese Berechnungen basieren normalerweise auf einem thermischen Modell, einem Belastungsleitfaden wie IEC 60076-7 oder IEEE C57,91 und Transformatorkonstruktionsdaten. Die Parameter sind spezifisch für das Design und sollten vom Hersteller oder dem entsprechenden Leitfaden stammen und nicht auf allgemeinen Annahmen.
Was bedeutet die Temperaturanstiegsbewertung des Transformators?
Die Temperaturanstiegsbewertung eines Transformators bezieht sich auf den Temperaturanstieg, für den ein Transformator gemäß den Spezifikationen seines Isolationssystems und seiner Kühlanordnung ausgelegt ist. Sie ist an die Designanforderungen, das Isolationssystem, die Kühlmethode und die geltenden Spezifikationen gebunden. Unterschiedliche Designs und Standards verwenden unterschiedliche festgelegte Grenzwerte oder Referenzbedingungen, sodass kein einheitlicher Wert für alle Transformatoren gilt.
Um die Nennleistung für ein bestimmtes Gerät zu ermitteln, überprüfen Sie das Typenschild des Transformators, die Dokumentation des Herstellers, die Projektspezifikation und die geltende Norm. Ein für einen Transformatortyp angegebener Wert sollte nicht auf einen anderen übertragen werden, ohne zu bestätigen, dass die gleichen Referenzbedingungen und Anforderungen gelten.
Direkte faseroptische Messung der Wicklungstemperatur
INNOs Technologie ist eine fluoreszenzbasierte punktförmige faseroptische Temperaturmessung. Eine Sonde wird mit ihrer Messspitze an einer ausgewählten Wicklungsstelle installiert. Eine optische Faser überträgt das Signal aus dem Transformator und ein kompatibles Instrument misst die Temperatur.
Ein faseroptischer Wicklungstemperatursensor bietet mehrere Eigenschaften, die für die Wicklungsmessung geeignet sind:
- Direkte Punkttemperaturmessung an der Position der Messspitze
- Elektrische Trennung des optischen Erfassungspfads
- Hohe Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen
- Mehrpunktmessung mit mehreren Sonden
Da die Sonde die tatsächliche Temperatur an einem ausgewählten Ort meldet, kann sie verwendet werden, um die Ausgabe des thermischen Modells zu überprüfen, Temperaturen unter wechselnder Last zu vergleichen oder den Temperaturanstieg an diesem Punkt zu berechnen, wenn eine Referenztemperatur aufgezeichnet wird. Wenn das Messziel die Hot-Spot-Region ist, kann direkte Hot-Spot-Überwachung die Temperatur an gewundenen Stellen messen, die voraussichtlich thermisch kritisch sind.
Wenn mehrere Standorte eine Langzeitaufzeichnung benötigen, können mehrere Sonden an ein Öltransformator-Temperaturüberwachungssystem angeschlossen werden, das die Kanäle gemeinsam aufzeichnet und ihre Trends über die Zeit verfolgt.
Punktmessung muss geplant werden
Eine Sonde misst einen ausgewählten physischen Standort. Wenn mehrere Standorte eine direkte Messung erfordern, sind mehrere Sonden erforderlich. Eine Sonde überwacht nicht die gesamte Wicklung und die Faser zwischen der Messspitze und dem Instrument misst nicht die Temperatur entlang ihrer Länge. Mehrere Punktsonden zusammen bilden kein verteiltes Sensorsystem, und das System findet nicht automatisch einen unbekannten Hotspot.
Die Platzierung der Sonde muss daher im Voraus entschieden werden, basierend auf:
- Transformator-Design
- Thermische Analyse
- Informationen zum Werkstest
- Bekannte oder erwartete thermisch kritische Standorte
- Das Messziel
Aus diesem Grund werden Direktwicklungssonden normalerweise während der Konstruktion und Herstellung geplant. Der Zugang zum Innenraum eines bestehenden Transformators ist in der Regel begrenzt, sodass ein Nachrüsten interner Sonden nicht angenommen werden kann.
Wie sich der Temperaturanstieg auf die Alterung des Transformators auswirkt
Eine höhere Betriebstemperatur und insbesondere eine anhaltende Temperatur an einem lokalen Hotspot erhöht die thermische Belastung der Wicklungsisolierung. Der Temperaturanstieg ist eine Möglichkeit, die thermischen Bedingungen zu beschreiben, unter denen der Transformator arbeitet, da er angibt, wie stark sich der Transformator gegenüber seiner Umgebung erwärmt. Um es im Hinblick auf die Lebensdauer der Isolierung zu interpretieren, ist mehr als nur die Temperatur erforderlich. Auch Feuchtigkeit, Ölzustand, Belastungshistorie und andere Faktoren spielen eine Rolle. Unser Artikel über die Alterung von Transformatoren behandelt diesen Zusammenhang im Detail.
Wann sollte der Temperaturanstieg des Transformators überprüft werden?
Der Temperaturanstieg ist zu bestimmten Zeitpunkten im Leben eines Transformators eine Betrachtung wert. Keine einzelne Beobachtung in der folgenden Liste weist für sich genommen auf einen Fehler hin. Jedes ist ein Grund, sich die Daten genauer anzusehen.
- Höhere Belastung als üblich: Anhaltende oder wiederholte starke Belastung verändert die Wärmeentwicklung und Temperatur.
- Kühlungsänderungen: Modifikationen, Wartung oder Änderungen im Kühlbetrieb können die bei einer bestimmten Last erreichte Temperatur verschieben.
- Höhere Temperatur bei ähnlicher Belastung: Wenn die Temperaturen bei vergleichbarer Belastung und Umgebungsbedingungen steigen, lohnt es sich, die Ursache zu untersuchen.
- Unterschiede zwischen Phasen oder Wicklungen: Ungleiche Temperaturen über ähnliche Wicklungen können auf Unterschiede in der Belastung, Kühlung oder Messung hinweisen.
- Temperaturanstiegstests im Werk: um die thermische Leistung anhand von Design und Spezifikationen zu überprüfen.
- Inbetriebnahme: zur Ermittlung des Basistemperaturverhaltens im Betrieb.
- Thermische Modellvalidierung: zum Vergleich berechneter Wicklungstemperaturen mit gemessenen Werten.
- Langzeitüberwachung: um saisonale und lastbezogene Trends im Zeitverlauf zu verfolgen.
Welche Temperaturmessung sagt Ihnen was?
Unterschiedliche Messungen beantworten unterschiedliche Fragen. Die Tabelle ist keine Rangliste und keine einzelne Zeile ist in jeder Situation die beste.
| Maß | Nützlich für | Direkt oder indirekt | Hauptbeschränkung |
|---|---|---|---|
| Umgebungstemperatur | Bereitstellung der Referenz für den Temperaturanstieg | Direkte Messung der Umgebung | Hängt von der Position des Sensors und seiner Repräsentativität ab |
| Obere Öltemperatur | Gesamtwärmezustand des Öls und Öltemperaturanstieg | Direkt für Öl, indirekt für Wicklung | Stellt keine einzelnen Wicklungspositionen dar |
| WTI | Geschätzte Wicklungstemperatur für Betrieb und Schutz | Indirekt | Hängt von gemessenen Eingaben und Modellannahmen ab |
| Thermisches Modell | Berechnung der Wicklungs- und Hot-Spot-Temperatur aus Last- und Öldaten | Indirekt | Hängt von Designdaten und Parametern ab |
| Faseroptische Sonde mit Direktwicklung | Tatsächliche Temperatur an einer ausgewählten Wicklungsstelle | Direkt | Misst nur einen Punkt und die Platzierung muss geplant werden |
| Mehrere Wickelsonden | Tatsächliche Temperaturen an mehreren ausgewählten Standorten | Direkt | Deckt nur die Stellen ab, an denen Sonden installiert sind |
Schlussfolgerung
Der Temperaturanstieg des Transformators beschreibt, wie stark sich eine Komponente über ihre Referenztemperatur hinaus erwärmt. Sie entsteht durch das Zusammenwirken von Last, Verlusten und Kühlung und zeigt sich unterschiedlich im Öl, in der Wicklung und an einer heißen Stelle. obere Öltemperatur, durchschnittliche Wicklungstemperatur und Hot-Spot-Temperatur sind verwandte, aber unterschiedliche Werte und können jeweils in absoluten Zahlen oder als Anstieg über den Referenzwert diskutiert werden.
Direkte faseroptische Sonden können tatsächliche Temperaturwerte an ausgewählten Wicklungsstellen liefern, was nützlich ist, um gemessene Daten mit berechneten Werten zu vergleichen und Trends unter realen Betriebsbedingungen zu verfolgen. Die Interpretation eines Temperaturanstiegs hängt immer noch vom Transformatordesign, der Kühlanordnung, dem Lastzustand und den geltenden Spezifikationen ab.
Wenn ein Transformatorprojekt eine direkte Wicklungstemperatur- oder Hot-Spot-Messung erfordert, kann INNO dabei helfen, die Sondenpositionen, die Faserführung und die Anforderungen an die Überwachungskanäle zu überprüfen.
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