Die Hot-Spot-Temperatur der Wicklung ist ein lokaler Wert und unterscheidet sich von der oberen Öltemperatur und der mittleren Wicklungstemperatur. Ein thermisches Modell schätzt sie anhand von Last, Öl- und Umgebungstemperatur sowie thermischen Parametern. Eine faseroptische Sonde misst dagegen an ihrer Spitze an einem festgelegten Ort in der Wicklung.
- Das Modell berechnet aus Eingangsdaten einen thermischen Zustand; die Sonde misst am Einbauort.
- Eine Sonde erfasst einen definierten Punkt. Für mehrere unabhängige Messpunkte sind mehrere Sonden nötig.
- Die Einbaulage bestimmt die Aussage des Messwerts. Eine Sonde findet nicht automatisch den unbekannten heißesten Punkt.
- Messwerte helfen, ein Modell zu überprüfen und anzupassen; das Modell schätzt den Zustand zwischen instrumentierten Punkten.
Was bedeutet Hot-Spot-Temperatur?
Der Hot Spot ist der heißeste Bereich in der Wicklung und beeinflusst die Alterung der Papierisolierung. Die obere Öltemperatur beschreibt das Öl an einer festgelegten Stelle; ein Mittelwert kann lokale Spitzen verdecken. Wie belastbar die Berechnung ist, hängt davon ab, ob Parameter und Betriebsbedingungen den konkreten Transformator repräsentieren.
| Größe | Beschreibung | Ermittlung | Einordnung |
|---|---|---|---|
| Obere Öltemperatur | Öl an festgelegter oberer Messstelle | Sensor oder Anzeige im Öl | Keine Leitertemperatur; der Abstand zum Hot Spot variiert. |
| Mittlere Wicklungstemperatur | Mittlere Leitertemperatur | Widerstandsmethode im Test | Glättet lokale Spitzen. |
| Berechneter Hot Spot | Modellierter thermischer Wicklungshöchstwert | Modell aus Last, Öl, Umgebung und Parametern | Gilt, soweit die Eingaben den Transformator abbilden. |
| Sondenmesswert | Temperatur an einem installierten Punkt | Fluoreszenzsonde in der Wicklung | Trifft den Höchstwert nur bei geeigneter Platzierung. |
Schätzung mit einem thermischen Modell
Die Berechnung verbindet Umgebungstemperatur, Temperaturanstieg des oberen Öls und den Hot-Spot-Gradienten der Wicklung. Zeitkonstanten, Exponenten und Nennübertemperaturen stammen aus Prüfungen oder Normwerten. Bei einem Wechsel der Kühlstufe ändern sich die verwendeten Parameter. Mit geeigneten Eingangsdaten liefert das Modell auch bei Transformatoren ohne eingebaute Sonden eine fortlaufende Schätzung. Abweichungen von den Modellannahmen zeigen sich als Restfehler, etwa bei schnellen Last- oder Kühlungsänderungen.
Was eine eingebaute faseroptische Sonde misst
Eine fluoreszenzbasierte Sonde erfasst die Temperatur an ihrer Spitze: Anregungslicht erreicht das fluoreszierende Material, und das Messgerät wandelt dessen Abklingzeit in eine Temperatur um. Der optische Messweg ist nicht leitend. INNO verwendet punktuelle Messung, keine verteilte Temperaturmessung über die gesamte Faser. Der Messort wird bei der Auslegung und Fertigung der Wicklung festgelegt.
Direktmessung und Modellschätzung im Vergleich
| Kriterium | Thermisches Modell | Eingebaute faseroptische Sonde |
|---|---|---|
| Grundlage | Berechnung aus Last, Öl, Umgebung und Parametern | Optische Messung an einem physischen Ort |
| Ergebnis | Geschätzter thermischer Zustand | Gemessene Temperatur am instrumentierten Punkt |
| Abdeckung | Vom Modell beschriebenes Verhalten | Ein definierter Punkt je Sonde |
| Wesentliche Grenze | Abhängig von Annahmen und Eingangsdaten | Abhängig von Einbauort und Sondenanzahl |
Warum die Sondenposition wichtig ist
Wicklungsgeometrie, Kühlkanäle und Ölströmung beeinflussen die heißesten Bereiche. Die Sonden gehören an die im thermischen Entwurf identifizierten Stellen. Beim Vergleich ist zu berücksichtigen, dass die Sonde einen konkreten Leiterpunkt misst, während das Modell häufig einen äquivalenten Hot Spot abbildet.
Felddaten: Modell und faseroptischer Referenzwert
Eine 2026 in Discover Artificial Intelligence veröffentlichte Studie untersuchte im Sommer einen ONAF-Aufspanntransformator mit 100 MVA und 220 kV. In der fünftägigen Auswertung erreichte das dynamische Basismodell eine MAE von 8,35 °C, das physikalische Modell mit Gewichtung der Oberschwingungsverluste 4,18 °C und das hybride Modell mit Residualkorrektur 1,87 °C (RMSE 2,34 °C; R² 0,972). Als Referenz diente der höchste gültige Messwert der verfügbaren Faserkanäle. Das Ergebnis gilt für diese Anlage und diese Betriebsbedingungen, nicht allgemein für IEC-Modelle.
| Methode | MAE (°C) | RMSE (°C) | R² |
|---|---|---|---|
| IEC-Dynamikmodell (Autoren-Basislinie) | 8,35 | 9,87 | – |
| Spektrumsensitives physikalisches Modell | 4,18 | – | – |
| Hybrides Physik-Daten-Modell | 1,87 | 2,34 | 0,972 |
Was die Werte zeigen
Der Faserreferenzwert lag im Mittel bei 76,69 °C; die IEC-Basislinie bei 85,16 °C, also 8,47 °C höher. Bei 98 °C Warnschwelle erkannte das Hybridmodell 12 der 13 faseroptisch erfassten Überschreitungen [2].
Was sich daraus nicht ableiten lässt
Die Ergebnisse gelten für eine Anlage und einen Sommerzeitraum mit PV-bedingten Lastschwankungen und starken Stromverzerrungen. Sondenkoordinaten und Kalibrierungsdetails wurden nicht offengelegt; der Einfluss der Einbaulage lässt sich daher nicht isolieren. Das Hybridmodell nutzte selbst Faserwerte zur Parameterkorrektur.
Messungen und Modelle gemeinsam nutzen
Die thermische Auslegung bestimmt die Messorte, die Erwärmungsprüfung liefert einen ersten Vergleich und Betriebsdaten ermöglichen den Abgleich unter realer Last. Eine anhaltende Abweichung kann auf Parameter, Kühlzustand, Oberschwingungen oder die Sondenposition hinweisen. Ohne eingebaute Sonden bleibt das Modell das verfügbare Schätzverfahren. Mit Sonden zeigen Messwerte die instrumentierten Punkte; das Modell ergänzt den thermischen Zustand dazwischen.
INNO-Konfiguration für die direkte Wicklungsmessung
Für die ölgetauchte Wicklungssonde nennt der veröffentlichte Katalog −40 bis +260 °C, 0,1 °C Auflösung und ±1 °C Genauigkeit. Die endgültigen Werte hängen von der gewählten Sonde und dem kompatiblen Messgerät ab. Der Mehrkanal-Messumformer IF-C unterstützt 1 bis 64 konfigurierbare Kanäle, eine Erfassung unter 1 s, RS485/Modbus, optionale Analogausgänge und zwei Alarmrelais. Das System für Öltransformatoren ist mit 1 bis 18 Kanälen konfigurierbar. Maßgeblich ist das Datenblatt der gewählten Konfiguration.
Für die Projektprüfung werden Transformatorart und Leistung, Wicklungsanordnung, erwartete Hot-Spot-Bereiche, Messpunktzahl, Faserweg und -länge sowie Anforderungen an Modbus, Analogausgänge und Relais benötigt. Weitere Informationen bietet die Seite zur Temperaturüberwachung von Transformatoren.
Quellen
- IEC 60076-7:2018, Loading guide for mineral-oil-immersed power transformers.
- Cao, S. (2026). Online power-transformer hot-spot estimation via spectrum-aware physics-data hybrid learning. Discover Artificial Intelligence, 6, 1673. DOI: 10.1007/s44163-026-02632-y.
- Abdali et al. (2023), Novel hotspot temperature prediction of oil-immersed distribution transformers: An experimental case study. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 70(7), 7310–7322. DOI: 10.1109/TIE.2022.3206690.
- Abdali, A., Abedi, A., Masoumkhani, H., Mazlumi, K., Rabiee, A., & Guerrero, J. M. (2023). Magnetic-thermal analysis of distribution transformer: Validation via optical fiber sensors and thermography. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 153, 109346. DOI: 10.1016/j.ijepes.2023.109346.
- González-Cagigal, M. A., Rosendo-Macías, J. A., & Gómez-Expósito, A. (2023). Parameter estimation for hot-spot thermal model of power transformers using unscented Kalman filters. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 11(2), 634–642. DOI: 10.35833/MPCE.2022.000439.