Übersichten und Tabellen

Transformatoren und Transformatorenöl

Ein Transformator, kurz Trafo, besteht im Prinzip aus einem magnetischen Kreis, einem Eisenkern, um den die Leiter von mindestens zwei nebeneinander liegenden Stromkreisen in Spulen mit meist unterschiedlicher Wicklungsanzahl herumgeführt werden.

Für die Wicklungen wird in der Regel Kupferdraht verwendet. Die Wicklung, die der elektrischen Energiequelle zugewandt ist, wird als Primärseite bezeichnet. Die jenige, an der sich die elektrische Last befindet, als Sekundärseite. Auf der Eingangswicklung wird ein sich änderndes Magnetfeld durch die anliegende Wechselspannung erzeugt, auf der Ausgangswicklung eine Induktionsspannung. Die Höhe dieser Spannung ist abhängig vom Wicklungsverhältnis der Primär- und Sekundärseite des Transformators. Ist die Anzahl der Wicklungen auf der Primärseite größer als auf der Sekundärseite, dann ist die Ausgangsspannung kleiner als die Eingangsspannung. Entsprechendes gilt für den umgekehrten Fall.

Zur Isolation der spannungsführenden Teile werden die Kupferdrähte mit Kunstharz lackiert oder mit Folien oder Spezialpapieren umwickelt. Einen zusätzlichen Schutz gegen Spannungsüberschlag bieten besonders ausgelegte Transformatorenöle. Diese Isolieröle auf Mineralöl-, Ester- oder Silikonölbasis müssen isolieren, kühlen, tieftemperatur- und oxidationsstabil sein sowie mit den Wicklungs- und Isoliermaterialien harmonieren.

Isoliervermögen

Transformatorenöle isolieren die hohen Potenzialdifferenzen, imprägnieren faserige Isolierstoffe und tragen zur Löschung etwaiger Lichtbögen bei. Als Dielektrikum verhindern sie bei Spannungen bis zu 1000 kV Überschläge zwischen den spannungsführenden Elementen. Die Spannung, bis zu der unter genau definierten Bedingungen keine Funkenentladung stattfindet, wird als Durchschlagspannung bezeichnet. Bezüglich der elektrischen Isolierfähigkeit des Öls ist sie die wichtigste Kenngröße überhaupt. Spuren von Wasser, das ein guter elektrischer Leiter ist, wirken sich negativ auf sie und die Lebensdauer der Anlage aus. Frischöle werden daher bei der Produktion mit Vakuum-Dünnschichtverdampfern getrocknet. Die Auslieferung erfolgt in stickstoffüberlagerten Gebinden, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern. Bei hoher Temperatur dehnen sich auch Trafoöle aus und ziehen sich bei tiefen Temperaturen zusammen. Bei 1.000 Liter Öl und 50°C Temperaturunterschied macht dies 35 Liter aus. Trafos haben deswegen einen Ausgleichsbehälter. Je nach Bauart ist dieser mit Trockenkartuschen ausgestattet, die der Luft die Feuchtigkeit entziehen. Bei der Beurteilung der weiteren Gebrauchsfähigkeit von Trafoölen sind die Bestimmung der Durchschlagsspannung und des Wassergehaltes entscheidende Kriterien.

Kühlwirkung

Die Spulen eines Trafos bestehen aus eng gewickelten Drähten. Im Inneren dieser Wicklungen entsteht Wärme, die vom Öl abgeleitet wird. Um die Temperaturen an die Umgebung abzuführen, werden große Oberflächen benötigt. Trafos sehen daher meist aus wie riesige Radiatoren, die manchmal noch mit zusätzlichen Ventilatoren oder Wärmetauschern ausgerüstet sind. Damit die Öle gut zirkulieren können, müssen sie entsprechend dünnflüssig sein. Das Messen der Viskosität, die durch Betriebseinflüsse von den üblichen 8-9 mm²/s bei 40°C auf über 10 mm²/s ansteigen kann, ist Bestandteil jeder Trendanalyse.

Oxidationsstabilität

Transformatorenöle sollen über Jahrzehnte hinweg im Einsatz bleiben. Eine hohe Oxidationsstabilität ist daher ganz besonders wichtig. In Abhängigkeit von der Arbeitstemperatur verstärkt sich aber die Öloxidation, die dann die Lebenszeit der Ölfüllung verkürzt und das Öl „sauer“ und dunkler werden lässt. Auch die Viskosität steigt an und die Leitfähigkeit verringert sich. Zusätzlich verändern Wasser aus der Luftfeuchtigkeit oder Zersetzungsprodukte aus dem Isolierpapier die Durchschlagfestigkeit. Daher müssen diese Öle immer wieder auf ihre Leistungsfähigkeit überprüft werden. Im Rahmen einer Trendanalyse erfolgen somit eine Messung der Farb- und Säurezahl sowie eine Bestimmung des vom Öl durch Alterung aufgenommenen Sauerstoffs mit dem FT-IR-Gerät.

Verträglichkeit

Transformatorenöle müssen mit sämtlichen Materialien, mit denen sie unmittelbar in Berührung kommen, gut verträglich sein. Dazu zählen Kupfer, wie es in den Wicklungen verwendet wird, Lacke, Spezial-Wicklungspapiere und andere isolierende Materialien sowie Dichtungen.

Öltypen und Spezifikationen

Je nach Anlage kommen unterschiedliche Arten von Transformatorenölen zum Einsatz:

Synthetische Transformatorenöle

Silikonöle

Synthetische Ester

Bei der Auswahl sind die Herstellerangaben unbedingt zu beachten. Oft müssen Produkte die Spezifikationen von Institutionen erfüllen wie:

VDE, Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V.
IEC, International Electrotechnical Commission
ASTM, American Society for Testing and Materials
DIN, Deutsches Institut für Normen