Ursachen für Ausfälle von Leistungstransformatoren in industriellen Anwendungen

Leistungstransformatoren sind für den industriellen Betrieb von entscheidender Bedeutung, da sie die Spannungspegel regulieren, um eine effiziente Verteilung der Elektrizität für verschiedene Prozesse zu gewährleisten. Ihre Zuverlässigkeit ist von entscheidender Bedeutung, da Ausfälle zu kostspieligen Ausfallzeiten, Geräteschäden und Sicherheitsrisiken führen können. Transformatoren sind jedoch anfällig für elektrische Fehler, thermische Belastung, mechanischen Verschleiß, Umweltbedingungen und unsachgemäße Wartung, die alle die Leistung beeinträchtigen können. Dieser Blog untersucht diese Hauptausfallursachen und ihre Auswirkungen auf industrielle Umgebungen und bietet Einblicke in Risikominderungsstrategien, die die Lebensdauer von Transformatoren verlängern und ungeplante Ausfälle verhindern können.

Elektrische Fehler

Elektrische Fehler gehören zu den häufigsten Ursachen für Transformatorausfälle in industriellen Anwendungen. Diese Fehler können aus mehreren Gründen auftreten:

• Überspannungszustände: Leistungstransformatoren sind für die Handhabung bestimmter Spannungsniveaus ausgelegt. Ereignisse wie Blitzeinschläge, Schaltüberspannungen oder Netzstörungen können jedoch zu Überspannungen führen, die die Isolationskapazität des Transformators überschreiten. Dies kann zu einem Isolationsdurchschlag und einem anschließenden Ausfall führen.
• Kurzschlüsse und Erdschlüsse: Kurzschlüsse, ob Phase-Phase oder Phase-Erde, können übermäßige Ströme erzeugen, die eine lokale Erwärmung in den Transformatorwicklungen verursachen. Mit der Zeit kann diese Erwärmung die Isolierung beschädigen und zu einem Ausfall führen. Erdschlüsse können ebenfalls zu ähnlichen Ergebnissen führen, insbesondere in Systemen mit schwacher Erdung oder schlechten Schutzmechanismen.
• Harmonische und Transienten: In industriellen Umgebungen entstehen durch den Betrieb von Frequenzumrichtern, großen Motoren und anderen nichtlinearen Lasten häufig elektrische Oberschwingungen. Diese Oberschwingungen können zu zusätzlicher Erwärmung und Belastung der Transformatorwicklungen führen.
• Transiente Überspannungen: wie sie beispielsweise durch das Schalten von Kondensatoren oder die Beseitigung von Fehlern entstehen, können die Isolierung ebenfalls belasten und im Laufe der Zeit zu Ausfällen führen.

Wärmebelastung

Transformatoren erzeugen während des Betriebs Wärme, die wirksam abgeleitet werden muss, um thermische Belastungen zu vermeiden:

• Überlastung: Der Betrieb eines Transformators über seine Nennkapazität hinaus führt zu übermäßiger Erwärmung. Selbst wenn die Überlastung nur zeitweise erfolgt, kann der kumulative Effekt die Alterung der Isolierung beschleunigen und zu vorzeitigen Ausfällen führen.
• Übermäßige Oberwellen: Oberschwingungen erzeugen zirkulierende (Wirbel-)Ströme im Transformatorkern, die zu einer Erwärmung führen, selbst wenn der Transformator nicht voll ausgelastet ist. Durch die Überwachung und Filterung des Oberschwingungsgehalts wird diese Ursache vorzeitiger Alterung verringert.
• Kühlsystemfehler: Transformatoren sind auf Kühlsysteme wie Ölzirkulation oder Zwangsluftkühlung angewiesen, um Wärme abzuleiten. Ausfälle dieser Systeme, sei es aufgrund mechanischer Fehler, Kühlmittellecks oder Lüfterproblemen, können zu Überhitzung führen. Längerer Betrieb bei hohen Temperaturen verschlechtert die Isolierung des Transformators und kann zu katastrophalen Ausfällen führen.
• Schwankungen der Umgebungstemperatur: Industrietransformatoren werden häufig in Umgebungen mit schwankenden Umgebungstemperaturen betrieben. Temperaturschwankungen können die Kühlleistung des Transformators verringern und die Zirkulation und die Fähigkeit des Transformators zur Wärmeableitung beeinträchtigen. Saisonale Temperaturschwankungen können den natürlichen Wärmezyklusprozess in Leistungstransformatoren beeinflussen. Diese Effekte belasten die Isoliersysteme und andere Komponenten.

Mechanische Probleme

Mechanische Probleme entstehen häufig aufgrund physikalischer Belastung, Herstellungsfehlern oder Betriebsstörungen:

• Wicklungsverformungen: Während des Betriebs können elektromagnetische Kräfte eine leichte Bewegung der Wicklungen verursachen. Mit der Zeit kann diese Bewegung zu Verformungen führen, wodurch die Widerstandsfähigkeit des Transformators gegenüber Kurzschlusskräften abnimmt. Mechanische Stöße, wie sie beispielsweise beim Transport oder bei der Installation auftreten, können zu Verformungen der Wicklungen führen, die zu internen Fehlern führen.
• Kernlockerung und Vibrationen: Der Kern eines Transformators ist für einen effizienten Betrieb von entscheidender Bedeutung. Mechanische Vibrationen, ob von externen Quellen oder internen Problemen, können jedoch dazu führen, dass sich der Kern lockert. Ein lockerer Kern kann Hotspots erzeugen, die Effizienz verringern und schließlich zum Ausfall führen.
• Strukturelle Schwächen: Schlechte Herstellungsverfahren, wie z. B. unsachgemäßes Klemmen der Wicklungen, lose Befestigungselemente oder unzureichendes Design, können zu strukturellen Schwächen in einem Transformator führen. Diese Schwächen sind möglicherweise nicht sofort erkennbar, können aber unter Betriebsbelastung zu Ausfällen führen.

Umweltbedingungen

Umweltfaktoren können die Leistung von Transformatoren erheblich beeinträchtigen:

• Feuchtigkeitseintritt: Transformatoren sind für den Betrieb in trockener Umgebung ausgelegt, aber Feuchtigkeit kann durch Dichtungen oder Kondensation eindringen. Feuchtigkeit verringert die Durchschlagsfestigkeit der Isolierung (und führt zu vorzeitiger Alterung des Papiers), was zu Teilentladungen und schließlich zum Ausfall führt.
• Schadstoffe und Verschmutzung: In industriellen Umgebungen sind Transformatoren häufig Schadstoffen wie Staub, Schmutz und Chemikalien ausgesetzt. Diese Verunreinigungen können die Alterung beschleunigen, indem sie die Isolierung beschädigen oder Kühlsysteme verstopfen, was zu Überhitzung führt.
• Korrosion: Korrosion ist ein erhebliches Problem in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit, Salz oder chemischer Belastung. Sie kann die Metallkomponenten des Transformators beeinträchtigen und zu Lecks, struktureller Schwächung und schließlich zum Ausfall führen. Schutzbeschichtungen und regelmäßige Wartung sind unerlässlich, um dieses Risiko zu mindern.

Unsachgemäße Wartung 

Für die Langlebigkeit von Leistungstransformatoren ist eine regelmäßige Wartung entscheidend:

• Fehlende Routineinspektionen: Routinemäßige Inspektionen helfen dabei, potenzielle Probleme zu erkennen, bevor sie zu ernsthaften Problemen werden. Ohne regelmäßige Inspektionen können Probleme wie Ölabbau, Isolationsverschleiß oder mechanische Defekte unbemerkt bleiben, bis sie zu einem Ausfall führen.
• Unsachgemäße Reparaturen und Nachrüstungen: Die Verwendung nicht standardisierter Teile oder unsachgemäßer Reparaturverfahren kann die Zuverlässigkeit des Transformators beeinträchtigen. Unbefugte Nachrüstungen können zu neuen Fehlerarten führen, insbesondere wenn sie nicht den Herstellerrichtlinien entsprechen.
• Unzureichende Überwachungssysteme: Moderne Überwachungssysteme wie die Gaslösungsanalyse (DGA) und die Thermografie liefern wertvolle Echtzeiteinblicke in den Zustand des Transformators. Wenn Sie sich ausschließlich auf manuelle Inspektionen verlassen und diese Technologien nicht einbeziehen, können Probleme unentdeckt bleiben und das Ausfallrisiko steigt.

Fallstudien und Beispiele aus der Praxis für Ausfälle industrieller Transformatoren

Die Untersuchung realer Transformatorausfälle bietet Einblicke in die beitragenden Faktoren und Präventivmaßnahmen:

• Fallstudie 1: Transformatorausfall durch Überlastung: In einer Industrieanlage kam es zu einem Transformatorausfall, nachdem der Transformator dauerhaft mit 120 % seiner Nennleistung betrieben wurde. Die Überlastung führte zu einer Verschlechterung der Isolierung und schließlich zu einem katastrophalen Ausfall. Die Anlage führte strengere Lastmanagementpraktiken ein und rüstete auf einen Transformator mit höherer Kapazität auf. Eine kontinuierliche DGA-Überwachung hätte die Verschlechterung früher erkennen und das Ergebnis vermeiden können.
• Fallstudie 2: Umweltauswirkungen auf die Lebensdauer von Transformatoren: Ein Transformator in einem Industriegebiet an der Küste fiel aufgrund schwerer Korrosion durch Salzeinwirkung aus. Regelmäßige Inspektionen und das Auftragen von Schutzbeschichtungen reichten nicht aus. Nach dem Ausfall wurden in der Anlage Transformatoren mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit und verbesserten Wartungsprotokollen installiert.

Das Verständnis der Ursachen für Ausfälle von Leistungstransformatoren in industriellen Anwendungen ist entscheidend, um die Zuverlässigkeit zu verbessern und kostspielige Ausfallzeiten zu vermeiden. Zu den Hauptursachen zählen elektrische Fehler, thermische Belastung, mechanische Probleme, Umgebungsbedingungen und unsachgemäße Wartung. Durch die Umsetzung vorbeugender Maßnahmen wie regelmäßige Inspektionen, ordnungsgemäße Wartung, Umweltkontrollen und kontinuierliche Überwachung kann das Risiko von Transformatorausfällen erheblich gesenkt werden.

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Referenzen

• IEEE-Standard C57.91-2011, „Leitfaden zum Beladen von in Mineralöl getauchten Transformatoren.“
• PM Anderson und AA Fouad, „Power System Control and Stability“, Wiley-IEEE Press, 2002.
• DK Paliwal, „Transformatorausfälle, Ursachen und Abhilfe“, Power Systems Engineering Research Center, 2003.

Über die Autorin: Traci Hopkins

Traci Hopkins begann ihre Laufbahn im Bereich der Zuverlässigkeit elektrischer Energie im Juni 2012 als Dozentin in verschiedenen Schulungs- und Ausbildungsabteilungen für Transformatortechnologien. Kurz darauf übernahm sie die Rolle der Diagnostic Analytic Coordinator für den internationalen Markt und unterstützte weiterhin Schulungen und Ausbildungen durch internationale Veranstaltungen. Im Jahr 2022 wechselte sie zu H2scan als Vertriebsleiterin für Lateinamerika und war für die Förderung der Wasserstoffsensorik in verschiedenen Branchen verantwortlich. Traci verfügt über die Schulungszertifikate CRL, MTMP, MTRP und DPS. Sie ist außerdem Senior Member von IEEE PES, der Association of Asset Management Professionals und WIRAM (Women in Reliability and Asset Management).