Strukturelle Modernisierung: Neue und aufkommende Transformatortechnologien

Moderne Geschäftsanforderungen erfordern modernisierte Anlagen, die Sicherheit, zuverlässige Stromversorgung und den kontinuierlichen Geschäftsbetrieb gewährleisten können. Die Transformatortechnologie ist weit genug fortgeschritten, um den sich ändernden Anforderungen der Energieversorger gerecht zu werden und die Widerstandsfähigkeit des Energiesystems zu verbessern. Ein wichtiger Trend ist die Verwendung von Trockentransformatoren und flüssigkeitsgefüllten Transformatoren der K-Klasse (Ester), die Berichten zufolge im Vergleich zu ölgefüllten Transformatoren geringere Ausfallraten aufweisen. Ein weiterer wichtiger Technologietrend ist der Einsatz intelligenter Transformatoren, die zu einem wichtigen Element digitaler Umspannwerke werden, die die Spannung autonom steuern und die Kommunikation mit intelligenten Netzen aufrechterhalten, um eine Fernverwaltung und Echtzeit-Feedback über die Eigenschaften der Stromversorgung zu ermöglichen. Diese Transformatoren der neuen Generation verwenden verbesserte Kernmaterialien und zeichnen sich durch ein höheres Maß an Sicherheit (z. B. Feuerbeständigkeit), einen geringeren Platzbedarf, günstigere Preise, geringere Ausfallraten, einen geringeren Geräuschpegel und eine längere Lebensdauer der Anlagen aus. Darüber hinaus sind sie umweltfreundlich und an Smart Grids anpassbar.

Power Line wirft einen Blick auf neue und aufkommende Technologietrends bei Transformatoren…

Transformatortechnologien

HGÜ-Wandlertransformatoren: Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) ist ein wirtschaftliches Verfahren zur Übertragung großer Strommengen über große Entfernungen. Da alle Erzeugungsanlagen Wechselstrom (AC) produzieren, sind für die Umwandlung in Gleichstrom (DC) HGÜ-Wandlertransformatoren erforderlich. Diese Transformatoren wandeln den Gleichstrom auch zur Leistungsaufnahme wieder in Wechselstrom um. Sie verfügen über Wechselstromwicklungen, die an das Wechselstromnetz angeschlossen sind, und Ventilwicklungen, die an Umrichter angeschlossen sind, die wiederum in einer Reihenschaltung geschaltet sind, um die erforderliche Gleichspannung aufzubauen. Die Vorteile dieser Transformatoren sind eine hohe Stromübertragung und geringe Übertragungsverluste.

Im Juni 2021 nahm die Power Grid Corporation of India Limited (Powergrid) den 6.000-MW-HGÜ-Bipol zwischen Raigarh in Chhattisgarh, Pugalur in Tamil Nadu und Trichur in Kerala in Betrieb. Ein Konsortium bestehend aus Bharat Heavy Electricals Limited (BHEL) und Hitachi ABB Power Grids hatte 2016 den Auftrag für die 800-kV-Verbindung Raigarh-Pugalur erhalten. Das Konsortium lieferte wichtige Ausrüstung, darunter 800-kV-Wandlertransformatoren, Wandlerventile, Kühlsysteme sowie Steuerungs- und Steuerungssysteme Schutztechnik für das Projekt. Dieses Projekt markiert den ersten Einsatz der Spannungsquellen-Umrichtertechnologie im Land.

Mit Ester gefüllte Transformatoren: Herkömmliche Transformatoren verwenden Mineralöle als Isolierflüssigkeit, während mit Ester gefüllte Transformatoren natürliche Ester zur flüssigen Isolierung des Transformators verwenden. Da natürliche Ester bei 360 °C einen etwa doppelt so hohen Brennpunkt wie Mineralöl sowie einen Flammpunkt von 320 °C haben, haben diese Transformatoren den entscheidenden Vorteil, dass sie feuerbeständig sind. Im Falle einer Leckage schneiden mit Ester gefüllte Transformatoren besser ab als ihre herkömmlichen Gegenstücke, da natürliche Ester biologisch abbaubar sind und somit das Risiko einer Bodenverunreinigung minimiert wird.

Letztes Jahr nahm Tata Power im April letzten Jahres Indiens größten mit natürlichem Ester gefüllten 110/33/22 kV-Leistungstransformator mit 125 MVA an der BKC-Empfangsstation als Teil seines Mumbai-Übertragungsnetzes in Betrieb. Zuletzt, im Juli 2022, nahm BHEL eine schwimmende 100-MW-Solar-Photovoltaikanlage am NTPC Ramagundam in Telangana in Betrieb. Ein wesentlicher Bestandteil der Solaranlage ist der Einsatz von mit biologisch abbaubarem Naturesteröl gefüllten Wechselrichtertransformatoren.

Trockentransformatoren: Trockentransformatoren sind auf dem Vormarsch. Dabei werden die Wicklungen zusammen mit dem Kern in einem luftgefüllten, unter Druck stehenden und versiegelten Tank aufbewahrt. Es handelt sich um bewegungslose Festkörpergeräte ohne bewegliche oder rotierende Komponenten. Sie müssen nicht in feuerfesten Tresoren gelagert werden und erzeugen keine giftigen Dämpfe. Die beiden Arten von Trockentransformatoren sind Gießharztransformatoren und Vakuumtransformatoren. Sie können die Brandgefahr verringern und eignen sich daher ideal für Bereiche wie Wohngebäude, Büros, Schulen, Krankenhäuser und U-Bahn-Stationen. BSES Yamuna Power Limited hat einen Trockentransformator in Ost-Delhi eingesetzt und BRPL hat einen 1.500-kVA-Trockentransformator im Triveni Shopping Complex in Delhi eingesetzt. Auch in der U-Bahn-Station Kochi wurden Trockentransformatoren eingesetzt.

Grüne Transformatoren: Es entstehen grüne Transformatoren mit geringem Rauschen für Ultra-Low-Anwendungen, die durch die Verwendung von Esteröl einen erhöhten Brandschutz bieten. Grüne Transformatoren bieten im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren mehrere Vorteile, wie z. B. einen geringeren CO2-Fußabdruck und eine langsamere Alterung. Darüber hinaus weisen solche Transformatoren geringere Lebenszykluskosten auf, da sie mit hermetisch abgedichteten Tanks ausgestattet sind, die kein Ölausdehnungsgefäß und keine zugehörigen Geräte erfordern, wodurch sich der Wartungsaufwand verringert.

Intelligente Transformatoren: Intelligente Transformatoren sind ein integraler Bestandteil digitaler Umspannwerke. Intelligente Transformatoren können die Spannung unabhängig regulieren und gleichzeitig den Fernbetrieb ermöglichen, indem sie den Kontakt zum Smart Grid aufrechterhalten. Sie verändern das Spannungsverhältnis durch angewandte Halbleitertechnologie und können eine hohe Leistungsdichte erreichen. Sie arbeiten außerdem mit einer hohen Frequenz, was sowohl Kosten als auch Größe reduziert und sie wirtschaftlich macht. Darüber hinaus minimieren intelligente Transformatoren den Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen. Sie können eine stabile, optimale Stromversorgung gewährleisten, elektrische Geräte vor Stromschwankungen schützen und so die Lebensdauer der Geräte verlängern.

Sonstiges: Ein mobiler Transformator ist ein tragbares Gerät, das in mobilen Umspannwerken verwendet wird. Es wird in Notsituationen eingesetzt, wenn ein vorübergehender Netzanschluss oder eine vorübergehende Stromversorgung erforderlich ist, beispielsweise bei Lastspitzen, beim Austausch von Umspannwerken oder bei Geräteausfällen. Es handelt sich um ein auf einem Anhänger montiertes, eigenständiges System, das vorkonfiguriert und sofort einsatzbereit ist und kurze Installations- und Inbetriebnahmezeiten aufweist. Energieversorger können energieeffiziente Transformatoren (EETs) einsetzen, um die Effizienz des Übertragungs- und Verteilungssystems (T&D) zu steigern und dadurch T&D-Verluste zu reduzieren. Diese Transformatoren sind speziell für hohe Leistung ausgelegt. Sie verwenden Kupferdrähte mit niedrigem Widerstand, erleiden minimale Wärmeverluste, benötigen weniger Kühlmittel und haben längere Laufzeiten. EETs können Verluste um bis zu 60 Prozent reduzieren. Darüber hinaus nahm Powergrid im September 2020 in Zusammenarbeit mit BHEL einen optischen 400-kV-Stromtransformator und digitale Umspannwerkskomponenten im 400/220-kV-Umspannwerk Bhiwadi von Powergrid in Betrieb.

Fortschritte bei Materialien

Auch Transformatormaterialien werden verbessert. Neue Trends im Kernbau tragen dazu bei, Verluste zu reduzieren und den Produktionsprozess zu beschleunigen. Um den Baufaktor der Transformatorkerne sowie den Leerlaufstrom und den Geräuschpegel um 5 bis 8 Prozent zu reduzieren, wird die Stufenüberlappungskonstruktion von Transformatorkernen anstelle der herkömmlichen Bauart ohne Stufenüberlappung übernommen. Auch für die Verarbeitung von Transformatoren gewinnt eine Trocknungstechnik – die Dampfphasentrocknung, die Feuchtigkeit gleichmäßig entfernt – an Bedeutung. Bei der Dampfphasentrocknung werden wie bei der Heißölsprühtrocknung Kohlenwasserstoffe verwendet, um gleichzeitig mit der Vakuumtrocknung Wärme zuzuführen. Der Dampfphasenprozess bietet die effizienteste Kombination aus Wärmezufuhr und Vakuumanwendung. Dies reduziert die Verarbeitungszeit um etwa 25 Prozent gegenüber der Heißölsprühverarbeitung und um 40 Prozent gegenüber der Heißluftverarbeitung. Darüber hinaus erleben die in der Transformatorenherstellung verwendeten Grundkernmaterialien einen allmählichen Übergang von CRGO M4-Stahlblechen zu amorphem Stahl zu lasergeschnittenem Kernmaterial der Güteklasse ZDKH. Darüber hinaus haben sich die in Transformatorwicklungen verwendeten Leitermaterialien von papierisolierten Reglerkupferleitern zu epoxidbeschichteten kontinuierlich vertauschten Leitern verlagert. Dies hat zu einer Platzoptimierung geführt.

Abschluss

Der Einsatz moderner Transformatortechnologien wird das zukünftige Netz widerstandsfähiger und anpassungsfähiger an die erheblichen Veränderungen machen, denen das Netz ausgesetzt ist. Das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Einführung dieser neuen Technologien werden jedoch von der Höhe der künftigen Investitionen der Energieversorger abhängen.