Druckentlastungs- und Fehlererkennungssysteme für Transformatoren

​​​​​​​

 

1. Einführung

 

In Öltransformatoren-sind interne Druckänderungen ein normaler Teil des Betriebs. Während sich das Transformatoröl während der Ladezyklen erwärmt und abkühlt, dehnt sich der abgedichtete Gasraum im Tank aus und zieht sich zusammen, was zu allmählichen Druckschwankungen im Transformatorgehäuse führt. Unter normalen Betriebsbedingungen treten diese Druckänderungen langsam auf und hängen hauptsächlich mit Schwankungen der Umgebungstemperatur und der Transformatorbelastung zusammen.

Interne elektrische Fehler erzeugen jedoch ein völlig anderes Druckverhalten. Ereignisse wie Wicklungsausfälle oder interne Lichtbögen können dazu führen, dass Isolieröl schnell in Gas zerfällt und eine plötzliche Druckwelle im Tank erzeugt. Da diese fehlerbedingten Druckanstiege innerhalb von Millisekunden auftreten, benötigen Transformatoren nicht nur Druckentlastungsgeräte, sondern auch spezielle Fehlererkennungssysteme, die in der Lage sind, abnormales Druckverhalten zu erkennen, bevor es zu einem katastrophalen Tankausfall kommt.

Aus diesem Grund werden moderne Transformatorschutzsysteme im Allgemeinen in zwei Hauptkategorien unterteilt:

• Druckentlastungssysteme
• Fehlererkennungssysteme

Diese mehrschichtige Schutzphilosophie spiegelt sich weitgehend in den Standards IEEE C57 und den Entwurfspraktiken für Transformatoren IEC 60076 wider.

 

2. Druckentlastung vs. Fehlererkennung

 

Obwohl die Begriffe „Druckentlastung“ und „Fehlererkennung“ in der Transformatorenindustrie manchmal synonym verwendet werden, erfüllen sie grundsätzlich unterschiedliche Funktionen.

Eine Transformator-Druckentlastungsvorrichtung dient dazu, übermäßigen Tankdruck physisch abzulassen, um eine mechanische Verformung oder einen Bruch des Transformatortanks zu verhindern. Diese Geräte reagieren hauptsächlich auf die Druckgröße und bilden die Grundlage für Transformator-Druckschutzsysteme.

Fehlererkennungsgeräte hingegen überwachen die Geschwindigkeit oder Eigenschaften von Druckänderungen, die mit internen elektrischen Fehlern einhergehen. Anstatt den Druck abzulassen, erzeugen sie Alarm- oder Auslösesignale, um den Transformator vom Stromnetz zu trennen.

Diese Unterscheidung wird mit zunehmender Transformatorgröße und zunehmendem Fehlerenergieniveau immer wichtiger.

 

Tabelle 1 – Unterschied zwischen Druckentlastung und Fehlererkennung

3. Druckentlastungsgeräte für Transformatoren

 

3.1 Überdruckventil (PRV)​​​​​​​

Das Druckentlastungsventil soll den Transformatorkessel vor übermäßigem Druck im Inneren schützen. Sobald der Druck im Tank den Ablassdruck erreicht, öffnet sich das Ventil automatisch, um das Gas abzulassen, bis der Druck auf den sicheren Druck abfällt. Darüber hinaus können Benutzer bei Bedarf das Druckentlastungsventil in Transformatoranwendungen manuell betätigen, indem sie am Betätigungsring ziehen, um den Innendruck zu reduzieren.

Gemäß der IEEE-Praxis beträgt der typische Öffnungsdruck für ein PRV-Transformatordesign etwa 10 PSIG ±2 PSIG, während bei CSA-Anwendungen häufig niedrigere Druckeinstellungen verwendet werden. Nach der Druckentlastung schließt das Druckentlastungsventil in Transformatorsystemen automatisch wieder ab, um die Integrität des Transformatortanks aufrechtzuerhalten.

 

Aufgrund seiner einfachen Konstruktion und seines zuverlässigen Betriebs wird PRV häufig eingesetzt in:

• Mast-montierte Transformatoren
• Auf dem Pad-montierte Transformatoren
• Öl--Verteilungstransformatoren
• Kleine Umspannwerke

 

Im Vergleich zu PRD-Systemen mit größeren Transformatoren werden PRVs im Allgemeinen für Transformatoren mit niedrigerem kVA bevorzugt, bei denen der Druckanstieg relativ moderat und vorhersehbar ist. In vielen Verteiltransformatoranwendungen bleibt das PRV-Ventil in Transformatorkesseln die gebräuchlichste Form des grundlegenden mechanischen Druckschutzes.

3.2 Druckentlastungsgerät (PRD)

Druckentlastungsgeräte (PRDs) dienen im Wesentlichen demselben Zweck wie Druckentlastungsventile (PRVs): Sie schützen den Transformatorkessel vor übermäßigem Innendruck. In der Praxis werden PRDs jedoch häufiger mit größeren Nennleistungen in Verbindung gebracht. Bei Transformatoren unter etwa 1.500 kVA wird normalerweise kein PRD installiert, obwohl es technisch gesehen nichts Falsches daran ist, einen PRD bei kleineren Einheiten zu verwenden, wenn die Anwendung dies erfordert.

Die meisten PRDs werden oben auf dem Transformatorkessel montiert, wo im Fehlerfall internes Gas oder Druckaufbau schnell abgelassen werden kann.

Die Terminologie kann verwirrend sein, da „Druckentlastungsgerät“ häufig als allgemeine Branchenbezeichnung sowohl für PRVs als auch für PRDs verwendet wird. In den meisten Fällen werden PRVs bei kleineren Verteiltransformatoren eingesetzt, während PRDs häufiger bei größeren Einheiten oder Anwendungen eingesetzt werden, die eine schnellere Druckreaktion und Fehleranzeige erfordern.

Eine Transformator-Druckentlastungsvorrichtung erfüllt die gleiche grundlegende Funktion wie ein PRV - und entlastet übermäßigen Innendruck -, ist jedoch typischerweise mit höherer Durchflusskapazität, schneller Reaktionszeit, zuverlässiger Wiederabdichtungsleistung und optionalen Alarm- oder Überwachungsfunktionen ausgelegt. Fortschrittliche PRD-Designs sorgen für einen genauen Öffnungsdruck, kurze Betriebszeiten, eine zuverlässige Langzeitleistung im Freien und eine wirksame Abdichtung gegen Feuchtigkeit, Staub und eindringende Luft, was dazu beiträgt, einen positiven Tankdruck aufrechtzuerhalten und die Betriebszuverlässigkeit des Transformators zu verbessern.

 

Ein großer Vorteil abgedeckter PRDs ist die Überwachungsfunktion. Zu vielen Druckentlastungsgeräten für Transformatoren gehören:

• Visuelle Signal- oder Betriebsanzeiger
• Fernalarmkontakte
• SCADA-kompatible Überwachungsausgänge

 

Dadurch eignen sich PRDs besonders für Umspannwerke und industrielle Energiesysteme, bei denen eine Fernüberwachung erforderlich ist.

PRDs werden häufig angewendet in:

• Transformatoren für Umspannwerke
• Mittelleistungstransformatoren
• Große Leistungstransformatoren
• Transformatoren für Umspannwerke

 

Bei größeren Versorgungsanwendungen entscheiden sich Ingenieure aufgrund der höheren internen Fehlerenergie und des höheren Ölvolumens häufig für eine Transformatoranordnung mit Druckentlastungsvorrichtung anstelle eines kleineren PRV.

3.3 Berstscheibe

Berstscheiben werden typischerweise als ultimative Notfall-Druckentlastungsvorrichtung in Hochenergietransformatoranwendungen eingesetzt.

Im Gegensatz zu PRVs oder Standard-PRDs sind Berstscheiben nicht-rückstellbare Geräte, die so konzipiert sind, dass sie sofort platzen, wenn der Innendruck einen kritischen Grenzwert erreicht. Ihr Hauptzweck besteht darin, bei katastrophalen internen Fehlerereignissen eine schnelle Entlüftung des gesamten -Bereichs zu gewährleisten.

 

Da Berstscheiben nach der Operation ausgetauscht werden müssen, sind sie in der Regel reserviert für:

• Große Leistungstransformatoren
• Ofentransformatoren
• Traktionstransformatoren
• Industriesysteme mit hohem Fehlerniveau-

In der technischen Praxis stellen Berstscheiben die höchste Stufe des mechanischen Druckschutzes dar.

4. Geräte zur Erkennung von Transformatorfehlern

 

4.1 Interner Fehlerdetektor (IFD)

Interne Fehlerdetektoren (IFDs) werden häufig an mast- und plattenmontierten Transformatoren als einfache, aber hochwirksame Feldsicherheitseinrichtung eingesetzt.

Ein IFD erkennt einen plötzlichen internen Druckanstieg, der durch Lichtbogenfehler im Transformatorkessel verursacht wird. Bei Aktivierung springt eine leuchtend farbige visuelle Anzeige heraus, sodass die Mitarbeiter des Versorgungsunternehmens sofort erkennen können, dass im Transformator ein interner Fehler aufgetreten ist und er nicht erneut mit Strom versorgt werden sollte.

 

Ein großer Vorteil moderner IFD-Systeme besteht darin, dass viele Designs ein Standard-IEEE- oder CSA-konformes PRV in Transformatorbaugruppen in dasselbe Gerät integrieren und Folgendes kombinieren:

• Druckentlastung
• Fehleranzeige

in eine einzige kompakte Struktur.

 

IFDs werden häufig verwendet in:

• Ein-Phasen-Pol-montierte Transformatoren
• Drei-am Pol-montierte Transformatoren
• Auf dem Pad-montierte Transformatoren
• Kleine Umspanntransformatoren

Im Vergleich zu SPR-Systemen sind IFDs einfacher, wirtschaftlicher und besonders für Anwendungen auf Verteilungsebene geeignet.

4.2 Plötzliches Druckrelais (SPR / RPR)

 

Diese Systeme werden häufig verwendet in:

• Mittelleistungstransformatoren
• Große Leistungstransformatoren
• Gleichrichtertransformatoren
• Ofentransformatoren
• Traktionstransformatoren

 

Im Vergleich zu IFDs ermöglichen Relaisschutzsysteme mit schnellem Druckanstieg eine schnellere elektrische Integration und eignen sich besser für kritische Versorgungs- und Industrieanwendungen.

4.3 Buchholz-Relais

Das Buchholz-Relais ist ein mit Gas- und Öl-durchfluss-betriebenes Fehlererkennungsgerät, das in Konservator--Transformatoren verwendet wird.

Im Gegensatz zu SPR- und IFD-Systemen, die hauptsächlich auf Druckänderungen reagieren, erkennen Buchholz-Relais interne Fehler durch:

• Gasansammlung
• Ölstoßbewegung

 

Das Relais arbeitet typischerweise in zwei Stufen:

• Alarm bei beginnenden Störungen
• Auslösung wegen schwerwiegender interner Fehler

 

Buchholzrelais werden häufig verwendet in:

• Umspannwerke vom Typ Konservator-
• Mittelleistungstransformatoren
• Große Leistungstransformatoren

 

Aufgrund ihrer Fähigkeit, sich langsam entwickelnde Isolationsfehler zu erkennen, sind Buchholzrelais nach wie vor eines der wichtigsten Fehlererkennungsgeräte in großen ölgefüllten Transformatoren.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Schutzhierarchie in der Ingenieurpraxis

 

In realen Transformatoranwendungen werden diese Geräte nicht in allen Transformatorklassen gleichermaßen eingesetzt. Stattdessen werden Schutzsysteme mit zunehmender Transformatorgröße und Fehlerenergie immer fortschrittlicher.

 

Tabelle 2 – Typische Schutzgeräteanwendung nach Transformatorklasse

Diese geschichtete Konfiguration spiegelt das technische Prinzip wider, dass sich der Transformatorschutz von der einfachen mechanischen Druckentlastung hin zu integrierten mechanischen und elektrischen Fehlerschutzsystemen entwickelt.

6. Fazit

 

Das moderne Sicherheitsdesign von Transformatoren basiert auf der Koordination von Druckentlastungs- und Fehlererkennungssystemen und nicht auf der Abhängigkeit von einem einzelnen Gerät.

PRVs und PRDs sorgen für eine kontrollierte mechanische Druckentlastung bei normalen und anormalen Betriebsbedingungen. Berstscheiben bieten ultimativen Notfallschutz bei katastrophalen Störungen. IFDs und plötzliche Druckrelaissysteme erkennen einen plötzlichen Druckanstieg, der durch interne elektrische Fehler verursacht wird, während Buchholzrelais die Gaserzeugung und Ölbewegung überwachen, die mit sich entwickelnden Isolationsfehlern einhergehen.

Zusammen bilden diese Geräte eine mehrschichtige Transformatorschutzarchitektur, die die Betriebszuverlässigkeit, die Personensicherheit und die Fehlerisolationsfähigkeit in Verteilungs-, Industrie- und Versorgungsstromsystemen verbessert.