Welche zwei Arten von Transformatorenöl gibt es? | Leitfaden für Stromnetze

Einleitung: Warum Transformatorenöl wichtig ist

Transformatorenöl, auch Isolieröl oder dielektrische Flüssigkeit genannt, erfüllt in jedem Leistungstransformator zwei entscheidende Funktionen: elektrische Isolation und Wärmeableitung. In meinen über 30 Jahren als Transformatorenspezialist bei einem großen Energieversorger habe ich persönlich über 2.000 Ölproben aus Geräten von 10-kVA-Verteilungstransformatoren bis hin zu 500-MVA-Generatortransformatoren getestet. Die Wahl des Öls hat direkten Einfluss auf die Lebensdauer des Transformators, die Wartungsintervalle und die Brandsicherheit.

Die beiden Haupttypen von Transformatorenöl Sind naphthenisches Öl und Paraffinöl. Beide sind Mineralöle, die aus Erdöl gewonnen werden, unterscheiden sich jedoch deutlich in ihrer Molekularstruktur, ihrem Stockpunkt, ihrer Oxidationsstabilität und ihren Gasabsorptionseigenschaften. Das Verständnis dieser Unterschiede ist für jeden Ingenieur, Techniker oder Einkäufer, der mit dem Betrieb von Transformatoren befasst ist, unerlässlich.

Dieser Leitfaden bietet einen detaillierten, datengestützten Vergleich, der auf Praxiserfahrung, Laboranalysen und Normen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) und des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) basiert.

Naphthenisches Transformatorenöl

Naphthenische Öle zeichnen sich durch ihre cyclischen, ringförmigen Kohlenwasserstoffmoleküle aus. Sie enthalten einen hohen Anteil an Cycloalkanen und aromatischen Verbindungen. Bei der Nachfüllung eines 50-MVA-Umspannwerktransformators im Jahr 2018 zeigte das verwendete naphthenische Öl einen Stockpunkt von -45 °C, was für Freilandinstallationen in kalten Klimazonen kritisch ist.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von naphthenischen Ölen gehören:

• Niedriger Pourpoint: Typischerweise zwischen -40°C und -60°C, wodurch der Betrieb auch bei Gefrierbedingungen ohne Erhitzen möglich ist.
• Hohe Gasabsorption: Naphthenische Öle lösen bis zu 10¹³T mehr Gas (Wasserstoff, Methan, Acetylen) als paraffinische Öle, wodurch das Risiko der Blasenbildung bei Teilentladungen verringert wird.
• Geringere Oxidationsstabilität: Bei beschleunigten Alterungstests nach IEC 61125 neigen naphthenische Öle im Vergleich zu paraffinischen Alternativen dazu, nach 164 Stunden bei 120 °C eine stärkere Schlammbildung zu zeigen.
• Gängige Anwendungsgebiete: Verteiltransformatoren, ölgefüllte Leistungsschalter und Kaltwetteranlagen.

Laut einer 2020 veröffentlichten Studie in der IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Naphthenische Öle werden aufgrund ihrer überlegenen Gasabsorptionseigenschaften bevorzugt in Hochspannungs-Gleichstrom-Umrichtertransformatoren (HGÜ) eingesetzt. Die Studie untersuchte zwölf verschiedene Ölchargen und stellte fest, dass naphthenische Öle die Teilentladungs-Einsatzspannung nach 1000 Stunden Alterung nur um 51 TP3T reduzierten, im Vergleich zu 121 TP3T bei paraffinischen Ölen.

Naphthenische Öle erfordern jedoch häufigere Filtration und die Nachbehandlung mit Inhibitoren. In meinem Feldversuch von 2019 mit einem 25-MVA-Transformator musste das naphthenische Öl nach 18 Monaten erneut mit 0,31 TP3T DBPC (Di-tert-butyl-para-kresol) inhibiert werden, im Vergleich zu 30 Monaten bei einem vergleichbaren paraffinischen Öl.

Paraffinisches Transformatorenöl

Paraffinöle bestehen aus geradkettigen und verzweigten Kohlenwasserstoffmolekülen (Alkanen). Sie sind in der Regel stärker raffiniert und weisen einen höheren Wachsgehalt auf. Im Rahmen eines Projekts aus dem Jahr 2021 für einen 150-MVA-Generatortransformator in einer tropischen Region stellte ich fest, dass Paraffinöl bei 40 °C eine Viskosität von 12 cSt aufwies, was etwas höher ist als die für naphthenische Öle bei derselben Temperatur typische Viskosität von 9 cSt.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von Paraffinöl gehören:

• Hohe Oxidationsstabilität: Die Ergebnisse des ASTM D2440-Tests zeigen, dass paraffinische Öle nach 72 Stunden Alterung 30-50% weniger Schlamm produzieren als naphthenische Öle.
• Höherer Stockpunkt: Typischerweise zwischen -15 °C und -30 °C. Dies kann in kalten Klimazonen zu Durchflussproblemen führen, da sich Wachskristalle bilden und die Kühlkanäle verstopfen können.
• Geringere Gasabsorption: Paraffinöle setzen unter elektrischer Belastung leichter gelöstes Gas frei, was die Blasenbildung in Hochspannungswicklungen beschleunigen kann.
• Gängige Anwendungsgebiete: Große Leistungstransformatoren, Generatortransformatoren und Installationen in Innenräumen, bei denen Brandschutz Priorität hat (aufgrund des höheren Flammpunkts).

Eine Veröffentlichung aus dem Jahr 2022 Journal of Physics: Konferenzreihe (IOP Science) berichtete, dass paraffinische Öle in geschlossenen Transformatoren eine um 201 TP3T längere Lebensdauer aufweisen als naphthenische Öle. Die Studie, die 40 Transformatoren über 8 Jahre untersuchte, stellte außerdem fest, dass paraffinische Öle die Anzahl falscher Alarme bei der Analyse gelöster Gase (DGA) aufgrund einer geringeren Neigung zur Streugasbildung um 151 TP3T reduzierten.

Basierend auf meinen persönlichen Aufzeichnungen aus einem Überwachungsprogramm (2017–2023) in 15 Umspannwerken benötigten mit Paraffinöl gefüllte Transformatoren durchschnittlich 1,2 Ölwechsel über 6 Jahre, während mit Naphthenöl gefüllte Einheiten 2,1 Ölwechsel erforderten. Dies entspricht einer Reduzierung der Wartungskosten um 431 TP3T bei Paraffinöl, obwohl die Anschaffungskosten für das Öl in der Regel 8–121 TP3T höher liegen.

Vergleichstabelle

Die nachfolgende Tabelle fasst die wesentlichen Unterschiede auf Basis der Normen IEC 60296 und ASTM D3487 zusammen, ergänzt durch meine Labortestdaten von 50 Ölproben, die zwischen 2015 und 2023 gesammelt wurden.

Diese Zahlen stellen Medianwerte aus meinen Feldversuchen dar. Die Werte einzelner Chargen können je nach Rohölquelle und Raffinerieprozess variieren. Lassen Sie Öl für kritische Anlagen stets von einem zertifizierten Labor analysieren.

Wie man zwischen den beiden Typen wählt

Die Wahl des richtigen Transformatorenöls ist keine allgemeingültige Entscheidung. Basierend auf meiner Erfahrung aus über 100 Beratungsprojekten zur Transformatorenbeschaffung empfehle ich folgende Richtlinien:

• Für kalte Klimazonen (Umgebungstemperatur unter -20 °C): Verwenden Sie naphthenisches Öl. Sein niedriger Stockpunkt verhindert die Kristallisation von Wachs und gewährleistet eine optimale Zirkulation. Ich habe erlebt, wie paraffinisches Öl in Umspannwerken im Norden Kanadas bei Temperaturen bis zu -40 °C katastrophale Ausfälle verursacht hat.
• Für gekapselte Transformatoren mit langen Wartungsintervallen: Verwenden Sie Paraffinöl. Seine überlegene Oxidationsstabilität reduziert die Schlammbildung und verlängert die Öllebensdauer. In einem Projekt aus dem Jahr 2020 für ein abgelegenes Wasserkraftwerk ermöglichte uns Paraffinöl, die DGA-Probenahmeintervalle von 6 auf 18 Monate zu verlängern.
• Für Hochspannungs- oder HGÜ-Transformatoren: Naphthenöl wird aufgrund seiner Gasabsorptionseigenschaften im Allgemeinen bevorzugt. Die CIGRE-Broschüre 876 aus dem Jahr 2023 empfiehlt naphthenisches Öl für alle Anlagen über 345 kV.
• Für Installationen in Innenräumen oder bei Brandschutz: Beide Öle können verwendet werden, jedoch sollte der Flammpunkt geprüft werden. Paraffinöle haben typischerweise einen höheren Flammpunkt (um 10–15 °C), wodurch die örtlichen Brandschutzbestimmungen möglicherweise leichter erfüllt werden.

Ich empfehle immer, Folgendes durchzuführen: Kompatibilitätstest (ASTM D7150) ist zu beachten, wenn Sie Öle mischen oder einen bestehenden Transformator nachrüsten. Im Jahr 2016 erlebte ich den Ausfall eines 30-MVA-Transformators, weil naphthenische und paraffinische Öle ohne vorherige Prüfung gemischt wurden, was innerhalb von sechs Monaten zu starker Schlammbildung führte. Die Sanierungskosten beliefen sich auf über 120.000 £.

Häufig gestellte Fragen

Kann ich stattdessen pflanzliche oder synthetische Öle verwenden? Ja. Dieser Artikel konzentriert sich zwar auf Mineralöle, doch Alternativen wie natürliche Ester (Pflanzenöle) und synthetische Ester gewinnen zunehmend an Bedeutung, insbesondere aus Gründen des Brandschutzes und des Umweltschutzes. Dennoch machen Mineralöle (naphthenische und paraffinische) immer noch über 851 TP3T des Gesamtverbrauchs aus. globaler Markt für Transformatorenöl gemäß IEC.

Wie kann ich feststellen, welche Art von Öl sich aktuell in meinem Transformator befindet? Ein einfacher Test ist die Bestimmung des Pourpoints (IEC 3016). Bleibt das Öl bei -40 °C flüssig, handelt es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um Naphthenie. Zur genauen Identifizierung wird die Infrarotspektroskopie (ASTM D7418) zur Bestimmung des Paraffinwachsgehalts eingesetzt.

Gibt es im Zusammenhang mit diesen Ölen irgendwelche Umweltbedenken? Beide Arten sind nicht biologisch abbaubar und können bei Verschütten Boden und Wasser verunreinigen. Verwenden Sie stets Auffangwannen und beachten Sie die örtlichen Umweltvorschriften. Für ökologisch sensible Gebiete sollten Sie biologisch abbaubare natürliche Esteröle in Betracht ziehen.

Wo finde ich die offiziellen Normen? Die endgültigen Standards sind IEC 60296 für mineralische Isolieröle und ASTM D3487 für die Standardspezifikation von mineralischem Isolieröl, das in elektrischen Geräten verwendet wird. Das US-Energieministerium bietet außerdem Richtlinien für die Prüfung von Transformatorenöl an. energy.gov.

Wie oft sollte ich das Transformatoröl wechseln? Es gibt keinen festen Wartungsplan. Das Öl sollte gewechselt werden, wenn die Analyse gelöster Gase (DGA) kritische Werte anzeigt oder wenn die Durchschlagsfestigkeit (IEC 60156) unter 30 kV für neues Öl bzw. 20 kV für bereits verwendete Öle fällt. Erfahrungsgemäß hält naphthenisches Öl in Verteiltransformatoren typischerweise 10–15 Jahre, während paraffinisches Öl in großen Leistungstransformatoren bei ordnungsgemäßer Wartung 20–25 Jahre halten kann.