Untersuchung der thermischen Überlastbarkeit von Leistungstransformatoren

Abstract

Durch die voranschreitende Energiewende und den stetig steigenden Ausbau der Erneuerbaren Energien besteht vermehrt die Notwendigkeit des Ausbaus von Umspannwerken mit neuen Transformatoren. Dieser Ausbau erfolgt meist auf Basis der maximalen Einspeisung im Jahr. Um hierbei dem Netzbetreiber einen besseren Überblick in Bezug auf die Überlastbarkeit des Transformators zu geben, wird im Rahmen eines Projektes die thermische Überlastbarkeit von Transformatoren untersucht. Für eine genauere Betrachtung des thermischen Verhaltens von Leistungstransformatoren wird eine numerische Berechnung mittels computergestützter Strömungsmechanik (CFD) verwendet. Diese erfolgt anhand im Labor gemessener Messdaten an einem Wicklungsmodell. Dieses numerische 3D-Modell ermöglicht es, die Heißpunkttemperatur eines natürlich ON-gekühlten Transformators zu bestimmen und die Veränderung des Heißpunktfaktors in Abhängigkeit von unterschiedlichen Anfangstemperaturen im Labor zu berechnen. Durch die Berechnung des Heißpunktfaktors kann das transiente thermische Verhalten untersucht und im zeitlichen Verlauf verglichen werden. Des Weiteren werden im Rahmen des beschriebenen Projektes über den Zeitraum von einem Jahr Temperatur‑, Leistungs- und Umgebungsmessdaten eines Windparktransformators gezeigt, anhand derer das thermische Verhalten des Transformators untersucht wird. Mit einem Trainingssatz der Messdaten werden unterschiedliche thermische Modelle zur Berechnung der oberen Öltemperatur in Abhängigkeit der Auslastung und der Umgebungstemperatur erstellt und zur Validierung mit einem weiteren Datensatz verglichen. Mithilfe des Heißpunktfaktors aus dem numerischen 3D-Modell kann die Heißpunkttemperatur des natürlich gekühlten Transformators abgeschätzt und mit den Temperaturen aus der Simulation verglichen werden. Basierend auf der nach DIN IEC 60076‑7 empfohlenen maximalen Heißpunkttemperatur und dem erstellten thermischen Modell wird eine Überlastungskurve in Abhängigkeit der Außentemperatur erzeugt. Mit dieser kann die Überlastbarkeit des Leistungstransformators bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen errechnet und somit der Transformator ohne erhöhtes Risiko nach Bedarf mit höherer Last entsprechend der Überlastungskurve betrieben werden. Due to the advancing energy transition and the steadily increasing expansion of renewable energies, transformer stations have to be expanded with new transformers more and more frequently. This expansion is usually based on the maximum feed-in per year. In order to give the grid operator a better overview of the overload capacity of the transformer, the thermal overload capacity of transformers is being investigated. For a more detailed examination of the thermal behavior of power transformers, a numerical calculation by means of computer-aided fluid mechanics (CFD) is used. This is carried out based on measured data from a winding model measured in the laboratory. With this numerical 3D model, it is possible to determine the hot spot temperature of a naturally ON-cooled transformer and to calculate the change in the hot spot factor as a function of different initial temperatures in the laboratory. By calculating the hot spot factor, the transient thermal behavior can be investigated and compared over time. Furthermore, within the scope of this project, temperature, power, and ambient measurement data from a wind farm transformer are shown over a period of one year, and the thermal behavior of the transformer is investigated based on these data. Using a training set of the measurement data, different thermal models for calculating the upper oil temperature as a function of the load and the ambient temperature are created and compared with another data set for validation. Using the hot spot factor from the numerical 3D model, the hot spot temperature of the naturally cooled transformer can be calculated and compared with the temperatures from the simulation. With the maximum hot spot temperature recommended according to DIN IEC 60076‑7 and the thermal model created, an overload curve is generated as a function of the ambient temperature. With this overload curve, the overload capacity of the power transformer at different ambient temperatures can be calculated, and the transformer can, thus, be operated as required with a higher load according to the overload curve without increased risk.