Transformatorenöl

Transformatorenöl oder Isolieröl ist ein hochraffiniertes Mineralöl oder ein dünnflüssiges Silikonöl, das bei hohen Temperaturen stabil ist. Es wird in der Hochspannungstechnik in Transformatoren, Kondensatoren und Schaltern zur Isolation, zur Funkenlöschung, zur Schmierung (z. B. am Stufenschalter) und zur Kühlung (z. B. in der Leistungselektronik) verwendet. Aufgrund von Alterung muss das Öl regelmäßiger Prüfung unterzogen werden, um die Funktionalität zu gewährleisten.

Aktivteil eines ölgekühlten Transformators mit Durchführungen und Ausgleichsbehälter; das mit Kühlrippen ausgestattete Gehäuse und der Buchholzschutz sind nicht abgebildet.

Ölgekühlter Transformator mit Gehäuse; man erkennt seitlich und an der Vorderseite die Konvektionswärmetauscher, in welchen die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird. Unter den Montageschienen ist die Ölauffangwanne angeordnet (mit dem dunklen ölfesten Anstrich).

Allgemeines

Das Öl im Transformatorgehäuse ölisolierter Transformatoren dient sowohl der Isolation der Wicklungen als auch der Kühlung. Der Querschnitt der Wicklungsdrähte ist aufgrund des beschränkten Wickelraumes begrenzt. Daher entsteht Stromwärme im Inneren der Wicklung. Große Transformatoren sind zwar wesentlich effizienter als kleine, die innere Wärme der Wicklungen gelangt jedoch bei ihnen schwerer nach außen. Die Ölfüllung verbessert die Wärmeübertragung und füllt überdies alle Zwischenräume aus, so dass auch die Isolation verbessert wird.

Das Öl gibt die Wärme durch Konvektion an das Transformatorengehäuse ab, das seinerseits nach außen hin Kühlrippen oder Wärmetauscher ähnlich Radiatoren besitzt. Große Transformatoren besitzen zusätzlich Lüfter zum Kühlen der Wärmetauscher.

Isolationsfehler in den Wicklungen werden in gewissem Maße geheilt, indem Zersetzungsprodukte fortgespült werden. Dieses Phänomen wird mit einem am Ausdehnungsgefäß angebrachten Buchholz-Relais überwacht, indem dort die im Öl entstandenen Gase registriert werden. Mit dem Buchholzschutz können Isolationsfehler frühzeitig erkannt und die Brandgefahr dadurch eingeschränkt werden.

Ein Nachteil ist dennoch die Entflammbarkeit des Öls bei hohen Temperaturen. Die erhebliche Ölmenge liefert eine hohe Brandlast. Öllose Transformatoren, sogenannte Trockentransformatoren, sind meist mit epoxydharzisolierten Wicklungen (Gießharztransformator) gebaut. Diese Isolierung weist aber keine Selbstheilung sowie geringere elektrische Spannungsfestigkeit und schlechtere Kühleigenschaften auf. Eine andere Methode, die Brandgefahr zu verringern, war eine Zeitlang (1960er Jahre), polychlorierte Biphenyle (PCB) oder polychlorierte Terphenyle (PCT) als Isolieröl zu verwenden beziehungsweise diesem beizumischen. Diese Öle haben hervorragende Isoliereigenschaften, sind weniger oder nicht brennbar, jedoch bereits bei Hautkontakt giftig und deshalb sowie aufgrund ihrer fehlenden Abbaubarkeit in der Umwelt seit 1999 auch in vorhandenen Anlagen ab einem Gehalt von 50 ppm verboten.

Ein Transformator mit Pflanzenölfüllung

Als umweltfreundliche Alternative zu PCB, aber auch als Ersatz für das klassische Mineralöl, werden schon seit über 25 Jahren synthetische organische Ester in Transformatoren eingesetzt. Dabei handelt es sich um gesättigte Pentaerythrittetrafettsäureester, die sich durch einen hohen Brennpunkt (> 300 °C), Flammpunkt (> 250 °C) und eine hohe Zündtemperatur (> 375 °C) auszeichnen und somit wie PCB schwer entzündlich sind. Außerdem ist die Esterflüssigkeit ungiftig, leicht biologisch abbaubar und als nicht wassergefährdend eingestuft. Die Isoliereigenschaften sind mit denen von Mineralöl, das herkömmlicherweise als Isolieröl in Transformatoren eingesetzt wird, und mit denen von PCB vergleichbar.

Eine weitere Eigenschaft der Esterflüssigkeit ist deren im Vergleich zu Mineralöl höhere thermische Beständigkeit. Das liegt an den thermisch stabileren Estergruppen. Aufgrund der höheren Thermobeständigkeit von synthetischen organischen Estern als Isolierflüssigkeit ergibt sich die Möglichkeit, Transformatoren kleiner und kompakter zu bauen und mit höherer Leistung zu betreiben. Es sind höhere Betriebstemperaturen möglich, was besonders für Traktionstransformatoren (z. B. Lokomotiventransformatoren) wichtig ist.

Das Isoliersystem eines großen Verteil- oder Maschinentransformators besteht aus einer Feststoffisolierung, um den Leiter gewickeltes Zellulosepapier und einer Isolierflüssigkeit wie Mineralöl oder eben Esterflüssigkeit. Der Wassergehalt in einem Transformator hat einen wesentlichen Einfluss auf die Durchschlagsfestigkeit und die Lebensdauer oder Nutzungszeit eines Transformators. Wasser führt im Transformator zur Hydrolyse des Zellulosepapiers und somit zur Erniedrigung dessen Polymerisationsgrades. Aus diesem Grund besitzen „atmende“ Transformatoren eine Trockenkartusche, die der Umgebungsluft Wasser entzieht, bevor sie mit dem Isolieröl in Kontakt kommt. Hermetisch geschlossene Transformatoren haben keinen direkten Kontakt zur Umgebung. Trotz dieser Maßnahmen enthalten alle Transformatoren Wasser im ppm-Bereich. Dieses stammt aus der Zellulose (enthält im getrockneten Zustand ca. 1 % Wasser), von Alterungsprozessen (Oxidation der Isolationsmaterialien) und aus der Umgebungsluft, weil die Trockenkartusche insbesondere beim schnellen Herunterkühlen des Transformators nicht vollständig das Wasser aus der Luft entfernt. Auch ein geschlossener Transformator ist über die gesamte Nutzungsdauer nie vollständig von der Umgebungsluft isoliert.

Aufgrund der unterschiedlichen Polaritäten von Zellulose (e=5,1) und Mineralöl (e=2,2) befindet sich das meiste Wasser in der Feststoffisolation. Ester sind aufgrund ihrer molekularen Struktur polarer (e=3,3) als Mineralöl und besitzen ein deutlich höheres Wasserlösungsvermögen (Ester: 2700 ppm bei 20 °C; Mineralöl: 44 ppm bei 20 °C). Bei der Verwendung von Esterflüssigkeit als Isolier- und Kühlflüssigkeit im Transformator stellt sich ein anderes Wassergleichgewicht ein im Vergleich zu Mineralöl. Es wird deutlich mehr Wasser aus der Zellulose durch die Esterflüssigkeit gelöst. Durch diese Reduzierung des Wassers in der Zellulose wird dessen Hydrolyse und damit die Alterung des Isoliersystems verlangsamt und die Betriebsdauer des Transformators verlängert.

Einzelnachweise

1. Werbematerial zu den GEAFOL® Cast-Resin Transformatoren. (PDF) In: siemens-energy.com. Siemens Energy Transmission, 2021, abgerufen am 14. April 2022 (englisch). 
2. (Memento vom 26. Dezember 2016 im Internet Archive) (PDF; 376 kB)
3. (Memento vom 1. Januar 2017 im Internet Archive), in: energy.siemens.com
4. (Memento vom 22. Dezember 2010 im Internet Archive), 1. Dezember 1999, abgerufen am 14. April 2022
5. Siemens: Erster Großtransformator mit Pflanzenöl. In: industrial-production.de. WEKA Group GmbH, 25. Juli 2013, abgerufen am 14. April 2022. 
6. Produktinformationsblatt für Isolier- und Kühlflüssigkeit auf Basis einen synthetischen organischen Esters. (PDF) In: positron.se. Beck Electrical Insulation GmbH, ALTANA Electrical Insulation, 21. November 2006, abgerufen am 14. April 2022.