Leistungselektronik muss Wind und Wetter trotzen

Transformatoren

Offshore - Der Windkraft-Boom vor Deutschlands Küsten beflügelt nicht nur die Anbieter der Windkraftanlagen. Auch die Transformatoren-Entwicklung erhält dadurch neue Impulse.

01. August 2012

>Meeresklima, Wind und Wellen setzen Offshore-Betriebsmitteln zu. Auch Leistungstransformatoren, die in den Windparks in Nord- und Ostsee eingesetzt werden, müssen hohen Anforderungen genügen. Sie sind einer viel intensiveren UV-Strahlung, einem hohen Salzgehalt in der Luft und zudem starken Niederschlägen und Spritzwasser ausgesetzt. Dazu kommt die ständige Bewegung der Plattform, die eine Intensität haben kann, wie sie bei Land-Anlagen nur beim Transport auftritt. Zudem sind Wartung und Instandhaltung deutlich aufwändiger als an Land, und um Umspannplattformen kompakt bauen zu können, werden leichte und platzsparende Betriebsmittel favorisiert. Dieser Anforderungskatalog hat zu einigen Neuerungen geführt, die neben Offshore-Transformatoren teilweise auch bei Onshore-Anlagen umgesetzt werden.

»Während Onshore-Transformatoren eigentlich nur beim Transport Erschütterungen und Vibrationen ausgesetzt sind, und allenfalls gelegentlich Erdbeben standhalten müssen, wirken auf hoher See ständig Kräfte auf die Umspannplattformen ein«, erläutert Tobias Stirl. Der Konstruktionsleiter Transformatoren und sein Team bei der Alstom Grid GmbH haben intensiv untersucht, wie sich diese Erschütterungen oder eine elastische Verformung der Plattform auf Transformatoren auswirken.

Dazu haben sie die kritischen Bauteile zum Beispiel FEM-Berechnungen (Finite-Elemente-Methode) unterzogen. Damit lässt sich die mechanische Beanspruchung von tragenden Teilen oder Komponenten wie Kabelanschlusskästen, Ausdehnungsgefäßen oder Radiatorenbatterien sehr genau simulieren. Die gewonnenen Ergebnisse sind in neue Konstruktionen eingeflossen. »So gelang uns der beste Kompromiss aus mechanischer Stabilität und geringem Gewicht.«

Da die beste Statik nicht helfen würde, wenn sie binnen weniger Jahre der Korrosion zum Opfer fiele, benötigen Offshore-Transformatoren besonderen Schutz. Im Landesinneren ist ein Transformator typischerweise einer zyklischen Betauung ohne Salzbelastung und einer geringen UV-Strahlung ausgesetzt. Bei einer ungeschützten Stahlkonstruktion würde dies im ersten Jahr zu einem korrosionsbedingten Dickenverlust von etwa 25 bis 50 µm führen.

KTL widersteht Seeklima

Im salzhaltigen und stärker UV-belasteten Offshore-Klima muss mit dem Drei- bis Vierfachen Dickenverlust gerechnet werden. Um auch Offshore-Transformatoren gewohnte Lebensdauer zu geben, hat Alstom eine Reihe von Maßnahmen getroffen: Abgerundete Kanten erlauben eine angemessene und gleichmäßigere Dicke der Beschichtungen, geglättete Schweißnähte beugen Beschichtungsfehlern vor. Fettkappen schützen Schraubenverbindungen vor dem Rostfraß und die Verwendung von hochwertigem, seefestem Edelstahl für Armaturen sorgt für deren Widerstandsfähigkeit.

Eine der wichtigsten Neuerungen ist die kathodische Tauchlackierung (KTL). Sie ermöglicht einheitliche Beschichtungsdicken auch auf komplizierten Geometrien. Vor dem echten Einsatz musste sich das Verfahren erst in diversen Tests beweisen. »Die Untersuchungen fanden an Radiatoren statt, denn sie weisen geringe Blechstärken auf und benötigen daher einen besonders hochwertigen Korrosionsschutz«, so der Konstruktionsleiter.

Unterwanderung nur Gering

Im Zuge der Tests wurde untersucht, ob nach der KTL das Aufbringen weiterer Lackschichten möglich ist und ob KTL-behandelte Bauteile gut miteinander verschweißt werden können. Die Tests zeigten auch, dass KTL keinen Einfluss auf die Öl-Alterung hat.

Um die neue Beschichtung zu testen, wurden Radiatorsegmente unter Offshore-Bedingungen in Klimakammern erprobt. Gezielt zerkratzte Stellen machten Unterwanderung durch Rost messbar. »Die unbeschädigten Stellen überstanden den Langzeittest im Labor gut«, berichtet Stirl. »An den eingebrachten Kratzern ließ sich – was zu erwarten war – eine deutliche Korrosion feststellen, aber die Schutzschicht wurde nur gering unterwandert, so dass die kathodische Tauchlackierung auch hier überzeugen konnte.«

Kaltwasser-Kühlung Bevorzugt

Auch die Kühlung der Transformatoren auf hoher See verlangt ein Umdenken. Vor allem zwei Kühlverfahren haben sich etabliert: die natürliche und wartungsarme (Luft-)Kühlung, die jedoch mit einem hohen Gewicht verbunden ist, und die Kühlung mit Wasser, die mit geringem Gewicht und Platzbedarf punktet. Während ein 250-MVA-Transformator mit natürlicher Luftkühlung zirka 315t wiegt, bringt er mit der Salzwasserkühlung etwa ein Fünftel weniger auf die Waage.

Das Konzept des gemeinsamen Ölhaushalts, das bereits mehrfach onshore umgesetzt wurde, hat jetzt Offshore-Premiere. Da heute in Leistungstransformatoren Vakuum-Laststufenschalter verwendet werden, besteht kein Grund mehr, ein jeweils eigenes Ölvolumen für Kessel und Lastumschalter vorzusehen, egal ob es sich um einen frei atmenden Transformator oder einen Hermetiktransformator handelt. Bei den wartungsarmen Hermetiktransformatoren verhindert die vollständige Kapselung den Kontakt des Isolieröls mit der Umgebungsluft. »Ein gemeinsamer Ölhaushalt vereinfacht die Konstruktion und die Wartung«, nennt Konstruktionsleiter Stirl die Vorteile.

Ralf Dunker

Erschienen in Ausgabe: 06/2012