Eine Isolierflüssigkeit mit hohem Brennpunkt ist nicht nur eine Brandschutzmaßnahme. Sie eröffnet dem Konstrukteur auch thermischen Spielraum: Darf die Flüssigkeit heißer werden, lässt sich mehr Leistung aus demselben Kessel holen – oder dieselbe Leistung aus einem kleineren und leichteren Gerät. Genau dieser Zusammenhang steht hinter dem Hochtemperaturbetrieb estergefüllter Transformatoren.
Bewährt in Bahn- und Windanwendungen
Das Prinzip ist nicht neu. Bahntransformatoren und kompakte Windenergietransformatoren arbeiten seit Jahren mit Shell MIDEL 7131, in der Regel in Kombination mit einer Hochtemperatur-Feststoffisolierung aus Aramidpapier oder vergleichbaren Werkstoffen. Ein bekanntes Beispiel sind die mit Shell MIDEL gefüllten Bio-SliM-Transformatoren von CG Power, die bei gleicher Bemessungsleistung bis zu 30 Prozent kleiner und leichter ausfallen als konventionelle Einheiten. Unter diesen anspruchsvollen Bedingungen hat sich die Flüssigkeit als robust erwiesen.
Der entscheidende Punkt: die Wärmeklasse der Zellulose
Interessanter für den Netzbetrieb ist ein neuerer Befund. Alterungsuntersuchungen zeigen, dass Zellulose in Esterflüssigkeit langsamer altert als in Mineralöl. IEC und IEEE haben daraus abgeleitet, um wie viel die Betriebstemperatur angehoben werden darf, ohne die erwartete Lebensdauer zu verkürzen:
- normales Kraftpapier: Einstufung von Wärmeklasse 105 auf 120
- thermisch veredeltes Kraftpapier (TUP): Einstufung von 120 auf 140
Übersetzt in zulässige Übertemperaturen nach IEC 60076-14 heißt das: Die Übertemperatur der oberen Flüssigkeitsschicht steigt von 60 K bei Mineralöl auf 90 K bei Ester. Die mittlere Wicklungsübertemperatur geht von 65 bis 70 K auf 75 K bei Kraftpapier und auf 95 K bei thermisch veredeltem Papier. Die Heißpunktübertemperatur der Feststoffisolierung steigt von 78 K auf 90 K beziehungsweise 110 K. Den fachlichen Hintergrund zur Alterung beschreibt der Beitrag Lebensdauer von Transformatoren.
Was das wirtschaftlich bedeutet
Der Gewinn liegt nicht in mehr Wärme, sondern in weniger Material. Wer die höhere Wärmeklasse ausnutzt, kommt bei gleicher Leistung mit einem kleineren Aktivteil aus – und damit mit weniger Kupfer, weniger Elektroblech und weniger Kesselmasse. Diese Einsparung kann den höheren Preis der Esterflüssigkeit ganz oder teilweise ausgleichen. Bemerkenswert ist dabei, dass hierfür kein Sonderpapier nötig ist: Die Höherstufung gilt auch für Standard-Kraftpapier.
Stabilität der Flüssigkeiten
Laborversuche bei hohen Temperaturen und die Betriebserfahrung im Feld belegen, dass sowohl Shell MIDEL 7131 als auch die natürlichen Ester Shell MIDEL eN 1204 und Shell MIDEL eN 1215 für Hochtemperatursysteme geeignet sind. In geschlossenen Systemen erreichen beide eine lange Gebrauchsdauer. Shell MIDEL 7131 ist zusätzlich für atmende Hochtemperaturtransformatoren freigegeben. Weitere Eigenschaften, die im Hochtemperaturbetrieb tragen: höhere Feuchtetoleranz als Mineralöl und Silikonflüssigkeit, bessere Schmiereigenschaften, keine Schlammbildung, kein korrosiver Schwefel nach ASTM D1275 und IEC 62535.
Ob sich die höhere Wärmeklasse in Ihrem Projekt in Baugröße oder in Überlastreserve umsetzen lässt, hängt von Auslegung und Lastprofil ab. Normentexte und Datenblätter stehen in der technischen Bibliothek; für die Bewertung eines konkreten Entwurfs nehmen Sie Kontakt zu uns auf.
Quelle der Übertemperaturwerte: IEC 60076-14 Ed. 1.0, Power transformers – Part 14: Liquid-immersed power transformers using high temperature insulation materials, September 2013.