Heiße Wochen mit Ester

Hochtemperatur-Laststufenschalter holen deutlich mehr Leistung aus Ester-gefüllten Transformatoren heraus.


Die Idee, Ester statt Mineralöl in Transformatoren einzusetzen, ist nicht neu. Sowohl synthetische Ester (Pentaerythrioltetrafettsäureester) als auch natürliche Ester (Triglyceride) sind biologisch abbaubar und damit bestens geeignet – wenn nicht sogar vorgeschrieben – für Transformatoren in Überschwemmungszonen, Naturschutzgebieten, nah am Meer oder bei Offshore-Windanlagen. Immer mehr Betreiber stellen auf Ester-Trafos um, weil sie sich vor den unkalkulierbaren Kosten in einem Schadensfall schützen wollen, wie er zum Beispiel 2015 in New York passierte: Nach einem Transformatorenunfall gelangte Mineralöl in den Hudson River, welches aufwendig entsorgt werden musste.

Zudem sind Transformatoren mit Ester sicherer: Ester werden mit einem Brennpunkt von über 300 Grad Celsius als schwer entflammbare Flüssigkeiten (sogenannte K-Klasse) eingestuft. Das alternative Isoliermittel hat also eine erheblich geringere Brandlast und lässt sich im Notfall gut löschen – im Gegensatz zu Mineralöl, das bei einem Trafo-Brand praktisch unlöschbar ist. Damit erfüllen Ester mühelos auch besonders strenge Sicherheitsvorschriften für Hochspannungsinstallationen im dicht besiedelten urbanen Raum hinsichtlich des Brandschutzes, toxischer Rauchentwicklung und Explosionsschäden im Falle einer Fehlfunktion.


Wenn es also ohnehin einen erkennbaren Trend hin zu Ester-Transformatoren gibt, warum nicht auch weitere Eigenschaften der Isolierflüssigkeit nutzen? Ester haben einen höheren Flammpunkt als Mineralöl und erlauben daher Betriebstemperaturen bis zu 150 Grad Celsius (gegenüber 115 Grad Celsius bei Transformatoren mit Mineralöl). Wenn nun auch Laststufenschalter und Motorantriebentsprechende Betriebstemperaturen aushalten, kann ein Transformator bei gleicher Baugröße mehr Leistung übertragen.

Wenn schon, denn schon

Darum hat MR Hochtemperatur-Laststufenschalter (VACUTAP® VR®), Hoch­temperatur-Umsteller (DEETAP® DU) und Motorantriebe (TAPMOTION® ED) entwickelt, die es Ester-Transforma­toren erlauben, über mehrere Wochen oder Monate hinweg kontrolliert in Überlast zu fahren. Besonders die Betreiber von Transformatoren in Megacitys und von mobilen Trans­formatoren profitieren von dieser neuen Möglichkeit.

Lösung für Megacitys

In großen Städten sind Betreiber immer wieder mit dem Anspruch konfrontiert, wegen des steigenden Energiebedarfs mehr Infrastruktur auf gleichbleibend kleinem Raum bereitzustellen. Hier bieten sich die hochtemperaturfähigen Transformatoren als Lösung an. Sie können dieselbe Leistung in reduzierter Baugröße, beziehungsweise eine höhere Leistung bei gleichbleibender Baugröße erreichen. Beim Austausch gegen andere Transformatoren kann in der Regel das vorhandene Fundament ohne Erweiterung benutzt werden. Allein die dadurch gesparten Baukosten amortisieren in vielen Fällen schon die im Vergleich zu Mineralöl etwa doppelt so hohen Anschaffungskosten für die Ester-Isolierflüssigkeit.

„Transformatoren mit Ester können nicht nur mehr Leistung bringen, sondern sind auch sicherer.“

Den Betreibern mobiler Transformatoren kommt die kompakte Bauweise bei höherer Leistungsfähigkeit ebenfalls zugute: Der Trafo ist im Notfall schneller am Einsatzort, weil zum Beispiel geringe Brückenhöhen bei der Fahrt kein Hindernis darstellen. Auch das niedrigere Gewicht erleichtert den Transport.

Die höchstmögliche Überlastbarkeit von bis zu 150 Grad Celsius über eine lange Zeit hinweg ist ein weiterer Beitrag zur Resilienz bei Notfalleinsätzen mobiler Transformatoren. Außerdem ist es aus Sicherheitsgründen in vielen Ländern – zum Beispiel den USA – verboten, mit Mineralöl gefüllte Transformatoren zu transportieren. Hier ist ohnehin ein Ester-Trafo die erste Wahl, der dann mit MR-Ausrüstung zum Hochtemperaturtransformator wird.

Erprobte Lebensdauer

Um die Laststufenschalter hochtemperaturfähig zu machen, werden auch diese mit Ester als Isolierflüssigkeit gefüllt. Hier kommen sowohl synthetische als auch natürliche Ester infrage. In der Regel werden natürliche Ester bevorzugt, weil sie in der Bilanz CO2-neutral und daher besonders klimafreundlich sind.

Während Ester in Transforma­toren lediglich die Aufgabe haben, Aktivteile und Durchführungen zu kühlen und elektrisch zu isolieren, muss die Isolierflüssigkeit in Laststufenschaltern noch vier weitere Anforderungen erfüllen, um einen Langzeitbetrieb zu gewährleisten: Schmierfähigkeit, gutes Lichtbogenlöschverhalten, Viskosität und Verträglichkeit mit den Werkstoffen. In aufwendigen, mehr als zehn Jahre dauernden Versuchsreihen hat MR Ester für Laststufenschalter und Umsteller untersucht.

  • Für die Schmierfähigkeit konnte kein relevanter Unterschied zum bewährten Mineralöl festgestellt werden.
  • Ester haben gegenüber Mineralöl ein ungünstigeres Lichtbogenlöschverhalten. Dies spielt jedoch bei Laststufenschaltern mit Vakuumschalttechnik keine Rolle, da hier die Schaltlichtbögen vollständig im Inneren der hermetisch gekapselten Vakuumschaltröhre eingeschlossen sind. Zudem begrenzt sich die Abnutzung der Ester bei Vakuumschaltern nur auf eine thermische Alterung, sodass in den meisten Fällen über die gesamte Lebensdauer des Schalters kein Wechsel der Isolierflüssigkeit erforderlich ist. Will man Ester auch in Umstellern verwenden, ist in manchen Fällen eine höhere Spannungsfestigkeit erforderlich, was zum Beispiel durch die Wahl einer höheren Spannungsreihe Um gelöst werden kann.
  • Die Viskosität von Ester ist deutlich höher als von Mineralöl. Das wirkte sich in den Versuchen aber nur moderat auf das Umschaltverhalten bei Kälte aus: Der untere Temperaturgrenzwert von Ester liegt geringfügig höher als bei Mineralöl.
  • Bei Tests zur Materialverträglichkeit stellten wir fest: Dichtungen aus bestimmten Kautschukrezepturen werden in synthetischen Estern hart und brüchig, in natürlichen Estern quellen sie auf und werden weich. Daher verwendet MR bei Ester nur Dichtungen aus VITON, die sich als völlig kompatibel erwiesen haben. Die Kunststoffe im Laststufenschalter reagieren zwar nicht mit Ester, müssen aber der gewünschten höheren Betriebstemperatur standhalten. MR verwendet hierfür spezielle Hightech-Kunststoffe, die sich auch bei höchsten Betriebstemperaturen weder elastisch noch plastisch verformen.

Nach umfangreichen Testreihen und inzwischen mehreren Hundert Installationen von Ester-Laststufenschaltern im Feld – darunter auch Spezialanwendungen wie Traktionstransformatoren oder Prüffeldtransformatoren – kann MR mit Gewissheit sagen: Mit Hochtemperatur-Laststufenschaltern holen Betreiber mehr Leistung aus Ester-Transformatoren heraus – bei sicherem Betrieb über die gesamte Lebensdauer.


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Sebastian Rehkopf, Leiter Technisches Produktmanagement, ist für Sie da:
S.Rehkopf@reinhausen.com

 

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