Feuerverhalten von Transformatoren

Feuerverhalten von Transformatoren
Herausforderungen für zuverlässige Aufspanntransformatoren und Umspannwerke für Multimegawatt-Turbinen
Transformatortechnologien
Bei den meisten WKA-Anwendungen, die Strom ins Netz einspeisen, wird die erzeugte
Spannung durch einen Aufspanntransformator auf eine mittlere Netzspannung erhöht.
Dieser Transformator kann außerhalb der Turbine in einem Umspannwerk oder als
Padmount-Transformator installiert werden. Bei einer Installation im Mast oder in
der Gondel kann entweder ein Trockentransformator oder ein flüssigkeitsgefüllter
Hochtemperatur-Transformator verwendet werden.
Trockentransformatoren wurden oft wegen ihrer höheren Feuerfestigkeit und der
kompakten Maße eingesetzt. Flüssigkeitsgefüllte Hochtemperatur-Transformatoren, wie
der Pauwels SLIM®, wurden auch für diese Anwendungen entwickelt, insbesondere
für Windkraftanlagen von mehreren Megawatt. Ihre Kompaktheit, ihre Leistungen und
ihre große Zuverlässigkeit sind besonders vorteilhaft bei solchen Anwendungen. Das
Isoliersystem besteht aus einer Silikonflüssigkeit und der hohen temperaturbeständigen soliden NOMEX®-Isolierung.
Funktionelle Daten
Die elektrischen funktionellen Daten für beide Technologien sind vergleichbar, und beide Technologien können die für Multimegawatt-Turbinen erforderlichen Spezifikationen
erfüllen. Die Hochtemperaturausführung weist spezifische Vorteile auf:
> Durchschnittlich sind die Leerlaufverluste für flüssigkeitsgefüllte Transformatoren
50 % niedriger.
> Isoliermaterial mit hoher Temperaturbeständigkeit ermöglicht eine viel kompaktere
Bauweise mit einer besseren thermischen Zuverlässigkeit.
> Beispielsweise: ein 4 MVA SLIM® Aufspanntransformator mit zwei Unterspannungswicklungen von 3300 V und 690 V und einer Oberspannungswicklung von 33 kV ist
nur 2800 mm lang, 1400 mm breit und 2100 mm hoch. Kurzschlußverluste können
lediglich 23.000 W und Leerlaufverluste lediglich 6000 W betragen.
Temp.
20’
Feuer
+
Strahlung
40’
Strahlung
Zeit
den Transformatoren durch Feuer und
Strahlung auferlegtes Temperaturprofil
Transformator trägt teilweise zum
Brand bei, Feuer erlischt langsam
feuersicherer Transformator:
trägt nicht zum Brand bei
nicht feuersicherer Transformator:
trägt erheblich zum Brand bei,
Feuer erlischt nicht
Betriebsbedingungen
Das elektrische Umfeld für einen Aufspanntransformator in einer Windkraftanlage
umfasst:
> mehr Schaltüberspannungen, die zu schnellen Übergangs-Überspannungen in
Wicklungen und Spannungsabfällen im System führen;
> höhere Umfang an Harmonischen;
> Notabschaltungen wegen Spannungs- und Frequenzschwankungen;
> Transformatoren mit offener Isolierung (Trockentransformatoren) erfordern das
Filtern und Trocknen der Kühlluft sowie eine regelmäßige Wartung, insbesondere in
einem staubigen, feuchten und salzigen Umfeld.
> bei einer Montage in der Gondel können Vibrationen im Frequenzbereich 5 Hz bis
250 Hz zu mechanischer Instabilität führen.
Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren betrachtet die Transformatorbranche die
flüssigkeitsgefüllten Transformatoren im Allgemeinen als zuverlässiger.
> Trockentransformator
nach dem Feuertest
Risikobewertung und Normen
Die Wahrscheinlichkeit des Ausfalls eines Transformators ist äußerst gering. Diese Aussage
beruht auf unserer eigenen Erfahrung mit mehr als 10.000 Transformatoren in Windkraftanlagen, auf den allgemeinen Rückmeldungen und der Beurteilung der Benutzer weltweit.
Das MTBF (Mean Time Between Failures) für flüssigkeitsgefüllte Transformatoren beträgt >
500 Jahre.
Die Internationale Norm IEC 60695-1-40 “Prüfungen zur Beurteilung der Brandgefahr: Richtlinie zur Beurteilung der Brandgefahr, die von elektrotechnischen Einrichtungen ausgeht –
Isolierflüssigkeiten“ veranschaulicht und bestätigt, dass flüssigkeitsgefüllte Transformatoren
eine gute Brandsicherheit aufweisen und dass solche Zwischenfälle sehr selten vorkommen.
Konventionelle Transformatoren haben eine Flüssigkeit der Mineralölklasse O1 (Flüssigkeit
mit einem Brennpunkt < 300 °C und einen kalorischen Nettowert > 42 MJ/kg). Die SLIM®
> Flüssigkeitsgefüllter
Hochtemperatur-Transformer
nach dem Feuertest
Transformatoren von Pauwels enthalten Silikonflüssigkeit und sind in die Klasse K3
eingestuft (Flüssigkeit mit Brennpunkt > 300 °C und einem kalorischen Nettowert
< 32 MJ/kg). Im IEC-Handbuch steht, dass die Häufigkeit von Bränden durch flüssigkeitsgefüllte Transformatoren der Klasse K (wie Silikonflüssigkeit) bei Null liegt, obwohl seit den
späten 70er Jahren etwa 150.000 dieser Transformatoren in Betrieb sind. Das Brandverhalten
von Trockentransformatoren ist nach dem Cenelec-Standard HD 464 als F0 oder F1 eingestuft, wobei ein Test an einer Oberspannungswicklung durchgeführt wird.
Trockentransformator
Vollständiger Feuertest an Aufspanntransformatoren
Zwei Transformatoren wurden bei Ineris in Frankreich getestet: ein Gießharztransformator mit einer Leistung von 1 MVA 20 kV 400 V und Brandeigenschaften der Klasse F1
sowie ein SLIM® Transformator von 1,1 MVA 10kV 400 V.
Die Transformatoren wurden in einem thermisch aggressiven Umfeld aufgestellt mit
einem Feuer auf Alkoholbasis unter den Transformatoren während 20 Minuten sowie
zwei Strahlern an den Seiten mit einer Wärmeabgabe von 30 kW/m² während 40
Minuten. Bei diesem Test gelten die gleichen Bedingungen wie beim standardmäßigen
HD 464, obwohl die Standardausführung auf eine Wicklung in einem Trockentransformator begrenzt ist. Das Temperaturprofil und das Selbstlöschverhalten ergeben die
Sicherheitsklassifizierung.
> Trockentransformator mit Feuer und Strahlung nach 2 Min.
Ergebnisse für den Trockentransformator
Nach dem Entzünden des Feuers und dem Einschalten der Strahler entzündete sich der
Transformator mit Flammen und Rauch nach 6 Minuten. Die Temperatur des externen
Feuers betrug nach 8 Minuten 400 °C, während sie in der zentralen Wicklung zwischen
800 °C und 870 °C lag. Diese Temperatur sank langsam auf 700 °C, nachdem die
Strahler abgeschaltet wurden, und anschließend auf 400 °C, wobei der Transformator
selbst mehr als eine Stunde lang brannte und dabei einen dichten schwarzen Rauch
abgab.
Ergebnisse für den SLIM Transformator
®
Der SLIM® Transformator wurde den gleichen Bedingungen von Feuer und Wärmestrom ausgesetzt. Diese Hitze führte zu Außentemperaturen von 500 - 600 °C und zu
einer Innentemperatur von 260 °C. Durch die thermische Ausdehnung der Isolationsflüssigkeit stieg der Druck auf 1,6 Bar. Dieser Druckanstieg reichte jedoch nicht aus,
um den Kessel zum Platzen zu bringen. An der Außenseite erlitt der Transformator
keinen bedeutsamen Schaden. Der Transformator trug nicht zum externen Feuer bei.
Um den Transformator zum Platzen zu bringen und die Auswirkungen zu beobachten,
sind härtere Feuerbedingungen erforderlich.
> Nach 40 Min. keine Erzeugung von externer Hitze. Der Transformator
brennt länger als eine Stunde.
Flüssigkeitsgefüllter Hochtemperatur-Transformer
Schlussfolgerungen
Die hier erwähnten Tests, die nach den internationalen Standardbedingungen durchgeführt wurden, haben bewiesen, dass das Brandverhalten des SLIM® Transformators
besser ist als dasjenige eines Gießharztransformators. Im extremen Umfeld einer
Windkraftanlage mit hohen Sicherheitsnormen würden wir daher die Verwendung des
SLIM® Konzeptes sehr empfehlen.
> Verschiedene Transformatortechniken stehen zur Verfügung für MultimegawattTurbinen.
> Abmessungen, Leerlaufverluste, Zuverlässigkeit (MTBF), Absicherung, elektrische
Umgebung sind wesentliche Faktoren weil die Betriebsbedingungen in einer Turbine
hart sind!
> Das Brandverhalten von Trockentransformatoren und flüssigkeitsgefüllten
Hochtemperatur-Transformatoren sind vergleichbar.
> Brandschutz ist immer notwendig, unabhängig vom Transformatortyp.
> Sonstige materialien in der Turbine haben auch eine Brandbelastung (Gondel,
Rotorblätter, Kabel, Generatorisolierung, Getriebeöl).
> Nach 6 Min. Es entstehen hohe Flammen, weil keine Luft zwischen
den Kühlrippen vorhanden ist, und der Alkohol brennt über den
Kühlrippen.
Für weitere Informationen wenden Sie sich an
CG Power Systems Belgium NV
Antwerpsesteenweg 167
B-2800 Mechelen, Belgien
T +32 15 283 333 - F +32 15 283 300
[email protected] - www.cgglobal.com
> Nach 15 Min. Nur der Alkohol brennt. Später erlischt das Feuer.