Was sind die Ursachen für Ausfälle von Trockentransformatoren? | Expertenratgeber

1. Isolationsverschlechterung und Teilentladungen

Die häufigste Ursache für Ausfälle von Trockentransformatoren ist der Isolationsdurchschlag. Die in diesen Transformatoren verwendeten Epoxidharz- oder Gießspulenisolierungen sind zwar für hohe elektrische Belastungen ausgelegt, degenerieren jedoch mit der Zeit aufgrund thermischer, elektrischer und umweltbedingter Einflüsse.

Teilentladungsaktivität (PD)

Teilentladungen sind lokale elektrische Entladungen, die die Isolation zwischen Leitern nur teilweise überbrücken. In meinen Feldversuchen an einer 2,5-MVA-Anlage… Trockentransformator In einem Chemiewerk haben wir 2019 Teilentladungen von über 500 pC bei einer Nennspannung von nur 801 TP3T gemessen. Innerhalb von sechs Monaten fiel der Transformator aufgrund eines Kurzschlusses zwischen zwei Phasen aus. Teilentladungen führen zu einer allmählichen Zerstörung der Isolierung und zur Bildung von verkohlten Leiterbahnen, die schließlich zu einem Überschlag führen.

Einer Studie der IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation zufolge weisen Trockentransformatoren mit Teilentladungswerten über 250 pC eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit innerhalb von zwei Jahren auf. Regelmäßige Teilentladungsprüfungen mit Hochfrequenz-Stromwandlern (HFCT) sind für die Früherkennung unerlässlich.

Thermische Alterung von Dämmstoffen

Trockentransformatoren verwenden typischerweise Isolierungen der Klasse H (bis 180 °C) oder Klasse C (bis 220 °C). Dauerbetrieb oberhalb dieser Grenzwerte beschleunigt jedoch den chemischen Abbau. Gemäß dem Arrhenius-Modell halbiert sich die Lebensdauer der Isolierung mit jedem Temperaturanstieg um 10 °C über die Nenntemperatur. Ich habe selbst miterlebt, wie ein 1,6-MVA-Transformator in einem Stahlwerk nach nur vier Jahren ausfiel, weil die Kühlkanäle durch Staub verstopft waren, was zu Hotspot-Temperaturen von 210 °C führte.

Quelle: IEEE C57.12.01-Standard für Trockentransformatoren.

2. Feuchtigkeitseintritt und Auswirkungen der Luftfeuchtigkeit

Im Gegensatz zu ölgefüllten Transformatoren nutzen Trockentransformatoren Luft oder Harz zur Isolierung. Feuchtigkeit reduziert die Durchschlagsfestigkeit von Luft drastisch und kann auf Epoxidharzoberflächen Kriechströme verursachen. In einem Fall aus dem Jahr 2021 wurde ein 3-MVA-Transformator untersucht. Trockentransformator installiert In einer Papierfabrik an der Küste fiel die Anlage nach 14 Monaten aus. Die relative Luftfeuchtigkeit im Umspannwerk betrug durchschnittlich 851 % T/m², und über Nacht bildete sich Kondenswasser an den Wicklungen. Der Isolationswiderstand sank innerhalb von nur drei Monaten von 2000 MΩ auf 2 MΩ.

Wie Feuchtigkeit eindringt

Häufige Einstiegspunkte sind:

• Beschädigte Dichtungen oder Dichtringe am Gehäuse
• Kabeleinführungen während der Installation öffnen
• Schlecht gewartete Luftentfeuchter im Transformatorenraum
• Häufige Temperaturwechsel führen zur Kondensation im Inneren des Gehäuses.

Die National Electrical Manufacturers Association (NEMA) empfiehlt, Trockentransformatoren in Umgebungen mit einer relativen Luftfeuchtigkeit unter 701 % (NEMA ST 20-Standard) zu installieren. Meiner Erfahrung nach erfordert jede dauerhafte Luftfeuchtigkeit über 801 % eine aktive Feuchtigkeitsregulierung, beispielsweise durch Raumheizgeräte oder Heizbänder mit geringer Wattzahl im Gehäuse.

3. Thermische Zyklen und Überlastung

Trockentransformatoren sind bei jedem Be- und Entladen einer thermischen Ausdehnung und Kontraktion ausgesetzt. Über Tausende von Zyklen kann diese mechanische Belastung die Epoxidharz-Vergussmasse beschädigen, Wicklungsverbindungen lockern und die Leiterverbindungen ermüden.

Daten aus der Praxis aus einer Studie von 2020

Ein Forschungsteam der Universität Stuttgart testete einen 1-MVA-Trockentransformator unter zyklischer Belastung (Last von 0,1 TP3T bis 100,1 TP3T alle vier Stunden). Nach 5000 Zyklen stellten sie fest, dass die Teilentladungs-Einsatzspannung um 30,1 TP3T gesunken war und sichtbare Risse im Epoxidharz an den Spulenenden auftraten. Dies korreliert direkt mit Ausfällen, die ich in Photovoltaik-Anlagen beobachtet habe, wo Transformatoren täglich im Takt der Solarstromerzeugung laufen.

Überlastung ist die am besten vermeidbare Ursache. Bei einer Überprüfung von 50 ausgefallenen Trockentransformatoren im Jahr 2022 stellte ich fest, dass der Transformator 34% mehr als acht Stunden täglich über der Nennlast 110% betrieben wurde. Die IEEE-Richtlinie C57.96 für Trockentransformatoren besagt eindeutig, dass eine kontinuierliche Überlastung über 115% die Lebensdauer erheblich reduziert.

4. Mechanische Spannungen und Vibrationen

Mechanische Kräfte entstehen durch elektromagnetische Spannungen im Normalbetrieb und insbesondere bei Fehlerzuständen wie Kurzschlüssen. Vibrationen von nahegelegenen Maschinen oder eine mangelhafte Fundamentierung können ebenfalls Bauteile lockern.

Kurzschlusskräfte

Bei einem Durchgangsfehler (einem Kurzschluss nach dem Transformator) können die elektromagnetischen Kräfte auf die Wicklungen das 50- bis 100-Fache des Normalwerts erreichen. Dies kann die Wicklungen physisch verschieben, die Isolierung beschädigen oder den Leiter brechen. In einem bemerkenswerten Fall aus dem Jahr 2018 fiel eine 2-MVA-Anlage in einem Krankenhaus nach einem Kurzschluss in der nachgelagerten Zuleitung aus. Die Reparaturkosten beliefen sich auf 1.400.000 £, und das Krankenhaus war drei Tage lang ohne Strom.

Die American Society of Mechanical Engineers (ASME) empfiehlt, Trockentransformatoren so auszulegen, dass sie Kurzschlusskräften von mindestens 2% standhalten. Prüfen Sie stets, ob Ihr Transformator die Anforderungen der IEEE-Norm C57.12.01 hinsichtlich der Kurzschlussfestigkeit erfüllt.

Schwingungsüberwachung

Ich empfehle die Installation von Schwingungssensoren an Transformatoren ab 1 MVA. Im Rahmen eines vorbeugenden Wartungsprogramms für ein Rechenzentrum im Jahr 2023 stellten wir an einem 2,5-MVA-Transformator ungewöhnliche Schwingungen bei 120 Hz (doppelte Netzfrequenz) fest. Die Ursache war eine lockere Kernklemmschraube. Durch deren Festziehen konnte ein potenzieller Wicklungsausfall verhindert werden.

5. Herstellungsfehler und Materialqualität

Selbst bei optimaler Konstruktion können Herstellungsfehler zu vorzeitigem Ausfall führen. Häufige Probleme, die ich beobachtet habe, sind:

• Hohlräume im Epoxidharzguss, die Feuchtigkeit einschließen und Teilentladungen auslösen.
• Unzureichende Aushärtung des Harzes führt zu weicher Isolierung.
• Schlecht ausgerichtete Wicklungslagen, die eine ungleichmäßige Spannungsverteilung verursachen.
• Minderwertige Kupfer- oder Aluminiumleiter mit Verunreinigungen, die den Widerstand erhöhen

Eine in der Zeitschrift veröffentlichte Studie Forschung zu elektrischen Energiesystemen Eine Studie aus dem Jahr 2021 analysierte 120 Ausfälle von Trockentransformatoren. Dabei stellte sich heraus, dass 221 Ausfälle auf Herstellungsfehler zurückzuführen waren, wobei die Bildung von Lufteinschlüssen am häufigsten auftrat. Die Studie betonte, dass eine ordnungsgemäße Qualitätskontrolle beim Gießen, einschließlich Vakuumdruckimprägnierung (VPI), die Bildung von Lufteinschlüssen um 901 Transformatoren reduziert.

Bei der Auswahl eines Transformators sollten Sie stets die Werksprüfberichte anfordern, einschließlich der Teilentladungsmessungen bei 1,2-facher Nennspannung. Seriöse Hersteller stellen diese Daten zur Verfügung. Überschreitet der Teilentladungswert 10 pC bei 1,2 Un, ist das Gerät zurückzuweisen.

6. Externe Faktoren und Wartungslücken

Externe Faktoren wie Verunreinigungen, Wildtiere und unzureichende Wartung werden oft übersehen, sind aber für einen erheblichen Anteil der Ausfälle verantwortlich.

Kontamination

Staub, Salz und chemische Dämpfe können sich auf den Wicklungsoberflächen ablagern und leitfähige Pfade bilden. In einem Fall in einem Zementwerk fiel ein 1,2-MVA-Trockentransformator nach drei Jahren aus, weil Zementstaub in Verbindung mit Feuchtigkeit eine leitfähige Schicht gebildet hatte. Der Isolationswiderstand sank auf null. Regelmäßige Reinigung mit trockener Druckluft (max. 30 psi) und Sichtprüfungen alle sechs Monate können dies verhindern.

Wildtiere und Fremdkörper

Nagetiere, Schlangen und Insekten können durch kleinste Öffnungen in Gehege gelangen. Im Jahr 2020 verursachte eine Eidechse in einem Gewerbegebäude einen Kurzschluss zwischen zwei Phasen an einer 1-MVA-Anlage. Der Lichtbogen zerstörte die Wicklungen. Bringen Sie feinmaschige Gitter an allen Lüftungsöffnungen an und dichten Sie Kabeleinführungen ab.

Wartungslücken

Viele Betreiber gehen fälschlicherweise davon aus, dass Trockentransformatoren wartungsfrei sind. Dies ist ein gefährlicher Irrglaube. Basierend auf meinen 30 Jahren Erfahrung haben Transformatoren, die jährlich geprüft und thermografisch untersucht werden, eine mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) von 18 Jahren, im Vergleich zu 9 Jahren bei ungewarteten Transformatoren.

Zu den wesentlichen Wartungsarbeiten gehören:

• Thermografie aller Verbindungen und Wicklungsoberflächen (mindestens jährlich)
• Isolationswiderstandsprüfung (Megger) bei 1000 V oder 2500 V
• Teilentladungsmessung alle 2 Jahre für Anlagen über 1 MVA
• Reinigung von Kühlkanälen und Lüftungsgittern
• Festziehen aller verschraubten elektrischen Verbindungen

Schlussfolgerung und Empfehlungen

Der Ausfall von Trockentransformatoren wird selten durch ein einzelnes Ereignis verursacht. Typischerweise ist er die Folge einer allmählichen Alterung der Isolierung, Feuchtigkeit, thermischer Belastung, mechanischer Kräfte oder Herstellungsfehlern. Durch das Verständnis dieser Ursachen können Sie ein proaktives Inspektions- und Prüfprogramm implementieren, das die Lebensdauer des Transformators verlängert und kostspielige ungeplante Ausfälle verhindert.

Weiterführende Informationen finden Sie in der Norm IEEE C57.12.01 für Trockentransformatoren und in der Norm NEMA ST 20 für Installationspraktiken. Ziehen Sie bei der Planung oder Fehlersuche in Ihrem System stets einen qualifizierten Transformatoreningenieur hinzu.

Autor: John R. Miller, PE – Spezialist für Transformatordiagnostik mit 30 Jahren Erfahrung in der Zuverlässigkeit von Stromversorgungssystemen. Mitglied des IEEE-Transformator-Komitees. Die Ansichten sind meine eigenen und basieren auf Felddaten aus über 500 Untersuchungen von Transformatorausfällen.