Strom grün gewandelt

Technik

Transformatoren - Es ist grundwasserneutral, biologisch abbaubar, höher belastbar, schwerer entflammbar Isolieröl auf pflanzlicher Basis bietet einige Vorteile. Durch im Vergleich zu Mineralöl andere Eigenschaften müssen die Hersteller bei der Auslegung neu gefertigter Leistungstransformatoren aber einiges beachten. Wie erste Erfahrungen zeigen, unterscheidet sich der Betrieb nicht sehr.

27. August 2014

Anfang des Jahres feierte man im baden-württembergischen Bruchsal eine Premiere. In der Hauptrolle: Ein großer hellgrüner Riese, der zum Leben erwachte. Anders gesagt, nahm ein besonderer Höchstspannungstransformator der Transnet BW seinen Betrieb auf, der im Umspannwerk Bruchsal-Kändelweg die 380-kV-Höchstspannungsebene mit dem 110-kV-Netz des Verteilnetzbetreibers verbindet.

Das Besondere: Er ist der weltweit erste ausschließlich mit Pflanzenöl isolierte Transformator im 420-kV-Bereich. Die Leistung des von Siemens in Nürnberg gebauten Trafos beträgt 300MVA. Dabei ist dies nicht die erste Weltpremiere, die EnBW im Bereich der Bioöl-Leistungstransformatoren zu vermelden hat. Schon 2008 nahm die damalige EnBW Regional und heutige Netze BW im Umspannwerk Teinach ein 40-MVA-Aggregat in Betrieb, dass die Höchstspannung von 110kV auf Mittelspannung von 20kV übersetzte. Der damals weltweit erste neu gebaute Netztrafo dieser Größe mit kompletter Pflanzenölfüllung, wie das Unternehmen herausstellte.

»Im Zuge des Forschungsprojekts, das in den Jahren 2007 bis 2010 lief, wurden hauptsächlich das Alterungsverhalten und die Möglichkeiten der Fehlerdiagnostik in Pflanzenöl-Papier-Isolierungen untersucht«, erläutert Dr. Michael Schäfer, Leiter Netzbau bei Transnet BW, der damals auch das Forschungsprojekt bei der EnBW Regional leitete. »Die meisten der gewonnenen Erkenntnisse konnten bei der Entwicklung des weit größeren Leistungstransformators verwendet werden«, beschreibt er die Synergien zum neuen 300-MVA-Trafo, der nun seit einigen Monaten in Bruchsal seinen Dienst leistet. Besonders hervorzuheben seien hier die Prozesse, die für eine gute Imprägnierung des Isoliersystems eingehalten werden müssen und das Isolierverhalten des Pflanzenölesters bei hohen Spannungen.

Auffangbehälter eingespart

Bevor sich der Netzbetreiber für das neue Projekt entschied, nahmen die Verantwortlichen alles genau unter die Lupe. So waren zum Beispiel die zu erwartenden Kosten und das Risiko eines Pilotprojekts dieser Größenordnung gegenüber den Vorteilen einer höheren Belastbarkeit und dem Gewinn an Know-how gegeneinander abzuwägen. »Darüber hinaus konnten wir ein Signal an die Branche senden, dass diese Technik auch im Übertragungsnetz einsetzbar ist«, so Schäfer.

Ein wichtiger Grund für die Entscheidung pro 420-kV-Bioöl-Trafo sei die entfallende Grundwassergefährdung der eingesetzten Isolierflüssigkeit (FR 3 von Cargill) gewesen. Dadurch sei die Technik auch in sensiblen Bereichen, etwa Wasserschutzgebieten, innerhalb Gebieten zur Trinkwassergewinnung oder in Überflutungsgebieten, problemlos einsetzbar. Dank der biologischen Abbaubarkeit des Isolieröls können zudem laut Siemens zusätzliche Auffangbehälter und Separationsanlagen eingespart werden.

»Unser zweites wichtiges Ziel ist es, angesichts der sich verknappenden Rohstoffquellen eine Alternative zu Mineralölen zu erarbeiten. Transnet BW möchte Betriebserfahrungen mit dieser Technik sammeln, um die Einsetzbarkeit besser beurteilen zu können«, erklärt Schäfer.

Die Pflanzenöle haben aufgrund ihrer Zusammensetzung ein anderes chemisches, physikalisches und auch elektrisches Verhalten als mineralische Isolierflüssigkeiten beziehungsweise Mineralöle. »Hervorzuheben ist dabei insbesondere die wesentlich höhere Viskosität der Pflanzenöle, die in der Auslegung des Systems zur Abfuhr der Verlustwärme aus dem Transformator berücksichtigt werden muss«, erläutert Ronny Fritsche, Leiter Entwicklung im Siemens-Transformatorenwerk Nürnberg, wichtige Unterschiede. Denn die höhere Viskosität bedingt eine weniger effektive Wärmeabfuhr.

Anderes Isoliersystem

Die elektrischen Festigkeiten unterscheiden sich mitunter erheblich von denen der Mineralöle, besonders bei sehr schnellen, transienten Vorgängen zeigen die Bioöle eine stark verminderte elektrische Festigkeit als die Mineralöle, so Fritsche weiter. Das Isoliersystem des Trafos muss dafür entsprechend entworfen und ausgelegt sein.

Die dafür nötigen Maßnahmen sind mit den Maßnahmen zur Beherrschung der höheren Viskosität des Bioöles in Einklang zu bringen. Das innere Kühlsystem des Transformators bildet zugleich auch das elektrische Isoliersystem zum Schutz gegen den elektrischen Durchschlag. »Die neuen Anforderungen im Fall der Pflanzenöle machen es nötig, zum Teil neu entwickelte Isolationskonzepte einzuführen und so die notwendige Kühlung und den elektrischen Schutz zu gewähren«, erläutert Fritsche.

Zudem tendieren die Bioöle bei sehr tiefen Umgebungstemperaturen infolge von Viskosität und Zusammensetzung zur Stockung bis zur Verfestigung. »Bei Temperaturen unterhalb des Stockpunktes muss der Betreiber das Kaltstartverfahren entsprechend den Herstellervorgaben anpassen«, so Jörg Harthun, Leiter Entwicklung und Konstruktion bei Alstom Grid, zu den kleinen Unterschieden im Betrieb. Das Unternehmen hat 2007 eine Drossel und zwei Leistungstransformatoren gebaut, die natürlichen Ester als Isolierflüssigkeit nutzen.

Um die chemischen Eigenschaften der Pflanzenöle zu beherrschen müssen spezielle Materialkompositionen vermieden werden, auch das Konzept zum Abschluss des Leistungstransformators gegen die Umgebungsluft muss speziell auf die Pflanzenöle abgestimmt sein, sonst findet eine frühzeitige Alterung des Isoliermediums statt.

Denn die natürlichen Ester haben eine geringere Oxidationsstabilität. Die Fettsäuren der Basisöle zum Beispiel Raps oder Soja haben zwei oder mehr Kohlenstoffdoppelbindungen, dies ermöglicht eine direkte Reaktion mit dem im Medium befindlichen Sauerstoff. Um dies zu verhindern, muss der Trafo einen hermetischen Abschluss erhalten. Alstom zum Beispiel bietet hier eine Lösung mit Hydrokompensator oder eine Lösung mit Dehnradiatoren an.

»Die Wartung und Instandhaltung von Ester-Transformatoren unterscheidet sich etwas von der Wartung der Mineralöl-Transformatoren«, ergänzt Dr. Russell Martin einen weiteren Aspekt. Er ist Technical Manager bei M&I Materials, einem der Anbieter von biologischen und synthetischen Estern.

»Es ist sehr wahrscheinlich, dass aufgrund ihres höheren Wasseraufnahmevermögens Ester-Transformatoren weniger routinemäßige und vorsorgende Instandhaltungsmaßnahmen benötigen.« Die Anlagen litten nicht unter Problemen, die durch korrosive Schwefel-Verbindungen ausgelöst werden, und seien »Papier-freundlich«. Als weiteren Vorteil nennt Martin unter anderem bessere Feuerbeständigkeit.

»Für das grundsätzliche Betriebsverhalten der Transformatoren ergeben sich keine Einschränkungen im Vergleich zu konventionellen Transformatoren«, so Fritsche. »Für die Zustandsbewertung der Isolierflüssigkeit, speziell für die Gasanalyse von Flüssigkeitsproben, können entsprechende Richtwerte, abgeleitet aus den Erfahrungen der Vergangenheit, gegeben werden.« Eine Überwachung der Geräte auf Basis bewährter Technologie sei so ohne Weiteres möglich.

Das bestätigt auch Harthun. »Alle Transformatoren mit Bioöl-Füllung verhalten sich unauffällig im Betrieb.« Alstom hat zudem bei einem Trafo ein Online-Monitoring-System eingerichtet, um ihn mit konventionellen Trafos zu vergleichen.

Höhere Überlastbarkeit

Öluntersuchungen natürlicher Ester zeigen ein leicht erhöhtes Gasungsverhalten, speziell Ethan zeigt höhere Werte als vergleichbare Anwendungen mit Mineralöl. »Da dieses anscheinend ein Merkmal von natürlichen Estern ist, deutet ein solches Gasungsverhalten nicht auf sich anbahnende Probleme hin«, sagt Harthun.

»Der mit Pflanzenölester gefüllte Transformator verhält sich im täglichen Betrieb gleich wie ein entsprechender Transformator mit Mineralölfüllung«, ergänzt Schäfer. Bei klassischer Auslegung unter Berücksichtigung der Temperaturgrenzen, die für Mineralöl-Papier-Isoliersysteme gelten, ergebe sich eine höhere Überlastbarkeit des Bioöl-Trafos für den Fall von Übertragungsengpässen.

»Auf welche Weise diese höhere Überlastbarkeit genutzt werden kann, ist noch Gegenstand weiterer Untersuchungen.« Bei sehr tiefen Temperaturen sei das Bioöl deutlich dickflüssiger und fließt langsamer, so Schäfer. Eine betriebliche Einschränkung konnte durch das Verhalten nicht festgestellt werden.

Angesprochen auf die Kosten im Vergleich zum konventionellen Trafo bringt er es auf den Punkt: »In der Anschaffung etwas teurer, im Betrieb etwas günstiger, durch den Zugewinn an Übertragungsleistung im Überlastbetrieb entsteht eine ungefähr neutrale Kostenbilanz.«

Transport mit Ölfüllung

»Schon der Typ des Leistungstransformators hat einen erheblichen Einfluss auf etwaige Mehrkosten«, so Fritsche allgemein zu den höheren Kosten. Grundsätzlich müsse das von Fall zu Fall separat untersucht werden. Bei Kraftwerkstransformatoren könne der Aufschlag etwa geringer ausfallen als bei Netzkupplungstransformatoren.

»Das Bauvolumen wird etwas größer, da Ester bei inhomogenen und schwach homogenen Strecken eine etwas geringere Festigkeit aufweisen als Mineralöl«, erläutert Harthun einige Gründe für die Kosten. »Dieses führt auch dazu, dass einige Bauteile, wie etwa der Laststufenschalter, speziell auf das gewünschte Bioöl ausgelegt werden müssen. Weiterhin wird eine etwas größere Kühlung benötigt.« Den größten Anteil an den höheren Kosten habe die Flüssigkeit selbst, sie sei wesentlich teurer als Mineralöl.

Da ein 300-MVA-Trafo für die 420-kV-Ebene erstmals gebaut wurde, gab es bei der Umsetzung des Pilotprojektes einiges zu beachten, wie Fritsche und Schäfer erläutern.

»Eine große Herausforderung war der Transport des Transformators zum Umspannwerk«, so Schäfer. Um sicher zu sein, dass das Öl nicht in Kontakt zur Umgebungsluft kommt, wurde der Trafo mit Ölfüllung transportiert. Das Transportgewicht war so deutlich höher als üblich. Weitere Herausforderungen traten während der Auslegung des Trafos auf, so Schäfer. »In dieser Phase mussten wir trotz lückenhafter Grundlagenkenntnisse wichtige Entscheidungen zum Design treffen.«

Intensives Monitoring

»Die größte Herausforderung war ohne Zweifel die Beherrschung der signifikant unterschiedlichen Eigenschaften des Pflanzenöls und die damit verbundene Methodik der Auslegung des Pflanzenöltransformators«, ergänzt Fritsche. Zudem musste die Fertigungslogistik gesondert überlegt werden, da das Bioöl besonders behandelt werden musste. »Auch der Betrieb des Transformators ist eine Herausforderung für das Transformatorenwerk, da hier, wie sonst nicht üblich, eine gemeinsame Betriebsüberwachung über die ersten Jahre mit dem Betreiber vereinbart wurde.«

Die bisherigen Erfahrungen mit dem Betrieb des Trafos »sind sehr gut«, so Schäfer abschließend. »Mehrere Nachkontrollen des Zustands des Isolieröls zeigen gute Ergebnisse. Störungen sind bisher nicht aufgetreten.« Weitere Anschaffungen dieser Art seien aufgrund positiver Erfahrungen grundsätzlich denkbar. »Allerdings ist nach derzeitiger Planung zuerst eine intensive Beobachtung des Betriebsverhaltens des Transformators vorgesehen.« Mit Anschaffung eines weiteren Geräts sei erst in einigen Jahren zu rechnen. »Derzeit prüfen wir die Verwendung von Pflanzenölester in anderen ölgefüllten Geräten.«

Erschienen in Ausgabe: 07/2014