Leistungstransformatoren übertragen Energie aus Kraftwerken oder öffentlichen Versorgungsnetzen an die Endverbraucher. Sie regeln die Stromspannungen und -ströme herauf oder herunter, um die Energie wirtschaftlich zu übertragen und die benötigen Spannungen bereitzustellen. Bei der Herstellung dieser Transformatoren wird Vakuumtechnik an verschiedenen Stellen des Produktionsprozesses benötigt: Bei der Trocknung der Wicklungen, bei der Entgasung des Transformatoren-Isolieröls und bei der Evakuierung des Transformatortanks und Expansionsgefäßes vor und während der Ölbefüllung. Aber auch zum Herstellen von Isolatoren und Hochspannungsschaltern ist Vakuum notwendig.
Trocknung der Wicklungen
Bei Hochleistungstransformatoren beträgt die maximal zulässige Restfeuchtigkeit 0,1 bis 0,3 Prozent. Dadurch soll vermieden werden, dass es zu möglichen Spannungsüberschlägen kommt. Außerdem werden so die elektrischen Verluste verringert und der Isolationswiderstand verbessert sich. Im Vakuumbereich von 0,1 bis 10-2 hPa ist der Isolationswiderstand auf einem für die Anwendung optimalen Niveau. Das für die Trocknung von Wicklungen benötigte Vakuum wird mithilfe von Kombinationen aus Wälzkolben- und Drehschieberpumpen erzeugt. Handelt es sich um eine saubere Anwendung, werden Trockenläufer als Vorpumpen für die Wälzkolbenpumpen verwendet.
Für die Trocknung von Wicklungen stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung. Das effektivste darunter ist der Vapour-Phase-Trocknungsprozess (VPD). Dieser nutzt die hohe thermische Leitfähigkeit des in die Trocknungskammer eingesprühten Kerosins oder Alkohols sowie die homogene Aufheizung des Isoliermaterials. Das injizierte Kerosin hat ähnliche chemische Eigenschaften wie das Isolieröl. Da der Prozess unter Vakuum abläuft, ist der Depolimerisationsfaktor reduziert. Das verlängert die Lebensdauer des Isolationsmaterials.
Das Kerosin verfügt über eine besondere Oberflächenspannung. Darüber hinaus ist es aufgrund seiner geringen Dichte in der Lage, selbst in kleinste Spalten dringen zu können. Diese Eigenschaften führen dazu, dass der Trocknungsprozess um 50 bis 60 Prozent schneller abläuft als beispielsweise die Trocknung mit Heißluft. So kann mithilfe von VPD die Trocknung der Wicklungen in wenigen Tagen bis maximal innerhalb einer Woche erfolgen. Das erhöht den Durchsatz und bewirkt durch die gesteigerte Effektivität geringere Kosten.
Abhängig von ihrer Größe werden entweder die gesamten Transformatoren oder lediglich die papierisolierten Kupferwicklungen mithilfe eines Schienensystems in die Trocknungskammer gefahren. Um den Prozess der Entfeuchtung zu beschleunigen, wird die Temperatur in der Trocknungskammer auf etwa 105 bis 110 Grad Celsius gebracht. Die notwendige Isolationstemperatur ist erreicht, sobald in der Kammer mindestens 105 Grad Celsius herrschen. Das Kerosin wird durch den JET-Verdampfer eingesprüht und durch das Heizmodul aufgeheizt. Das Vakuum-/Kondensator-Modul entfernt das Kerosin nach und nach mittels stetiger Druckabsenkung auf etwa 20 hPa. Anschließend werden sämtliche Verbindungen zum Verdampfer- und Kondensationsmodul geschlossen.
Um den Feinevakuierungsprozess zu starten, wird der Vakuumpumpstand eingeschaltet. Der Prozess ist beendet, sobald Vakuumbedingungen von < 10-2 hPa erreicht wurden. Die maximal zulässige Restfeuchte beträgt 0,3 Prozent, bei High-End-Transformatoren liegt sie bei 0,1 Prozent. Der exakte
Wert der vorhandenen Restfeuchte wird am Auspuff der Vakuumpumpen durch Taupunktmesseinrichtungen bestimmt. Unter Vakuum wird entgastes Isolieröl in den Tank gefüllt. Hier ist eine Überlaufschutzeinrichtung essentiell, die die Vakuumpumpen gegen Flüssigkeitsschlag schützt. Nur mit dieser kann verhindert werden, dass Isolieröl in die laufenden Vakuumpumpen eintritt. Insbesondere die Wälzkolbenpumpen werden dadurch vor einer möglichen Zerstörung bewahrt. Schließlich wird das Kerosin während des Feinvakuumprozesses in einem Destillationsmodul aufbereitet und zur weiteren Verwendung in einem separaten Sammeltank gelagert.
Evakuierung des Transformatortanks
Bei der Herstellung von Transformatoren darf keinerlei Feuchtigkeit wie Wasser oder Verunreinigungen durch Kondensation verbleiben. Daher müssen diese gründlich entfernt werden. Dazu sind mobile Vakuumsysteme notwendig, die auf die Anforderungen der spezifischen Anwendung abgestimmt sind. Bei der Evakuierung von Transformatortanks existieren definierte Standards, die zu beachten sind: So beträgt zum Beispiel die Größe des Evakuierungsanschlusses am Transformatortank standardmäßig 80 Millimeter. Diese relativ kleine Öffnung führt bei < 1 hPa zu Leitwertverlusten. Dadurch wird das Saugvermögen des eingesetzten Vakuumpumpstands reduziert. Parallel dazu wirkt sich dieser Standard auch nachteilig auf die Auspumpzeit aus: Sie wird verlängert, was wiederum den Produktionsdurchsatz reduziert. Größere Vakuumpumpen führen hier zu keiner Verbesserung – sie erhöhen lediglich die Produktionskosten.
Die Restfeuchtigkeit ist durch Taupunktmessgeräte am Auspuff der Vakuumeinheit oder durch Vakuumtransmitter messbar. Für die Vakuummessung sollten ausschließlich kapazitive Transmitter verwendet werden. Diese verfügen über eine hohe Messgenauigkeit, sind korrosionsbeständig und führen die Messungen gasartunabhängig durch. Der Wert der Restfeuchtigkeit wird durch das Vakuum indiziert. Daher ist es wichtig, dass das Vakuummessgerät genau ist. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Vorgaben für die maximal zulässige Restfeuchtigkeit erfüllt werden. Kostengünstige Pirani-Vakuumtransmitter erreichen im niedrigen Messbereich eine Messgenauigkeit von lediglich +/- 15 Prozent und bei > 1 hPa kann die Abweichung 30 Prozent oder mehr betragen.
Auch das Isolieröl muss frei von jeglicher Feuchtigkeit und Verunreinigung sein, um innere Spannungsüberschläge zu vermeiden. Dazu wird ein genauer Reinheitsgrad des Öls definiert, der erreicht werden muss. Dies geschieht, indem das Isolieröl einem Entgasungsprozess unterzogen wird. Während dieses Prozesses werden Feuchtigkeit, Luft und andere Verunreinigungen aus dem Isolieröl entfernt, bevor es in den Transformator gefüllt wird. Dafür sind Vakuumbedingungen von < 1 hPa notwendig. Hierzu werden dreistufige Wälzkolben-/Drehschieberpumpstände oder zweistufige Drehschieberpumpen mit Zwischenkondensator eingesetzt.
Hochspannungsschalter und Isolatoren
Schwefelhexaflourid (SF6) – ein geruchloses, inertes und unkritisches Gas – wird in Mittelspannungs- und Hochspannungsschaltern und -anlagen (GIS) sowie gasisolierten Leitungssystemen (GIP) für komplett gekapselte Anlagen im Spannungsbereich von 6 bis 1000 kV als Isoliergas eingesetzt. Außerdem wird das Gas auch für das Ausblasen des Lichtbogens beim Schalten von Hochspannungsschaltern verwendet. Im Vergleich zu Luft und Stickstoff verfügt Schwefelhexafluorid über dreifach höhere Unterbrechungseigenschaften. Dank dieser Eigenschaften und der niedrigen dielektrischen Verluste ist SF6 für die genannten Anwendungen geeignet.
Um die Isoliereigenschaften zu erhalten, steht das Gas unter einem Druck von 5 bis 10 bar. Dieser erhöhte Druck dient der Verringerung der freien Weglänge der Elektronen. Durch diese Reduktion soll verhindert werden, dass die Elektronen zu stark beschleunigen und nicht frühzeitig mit den SF6-Molekülen kollidieren. Vor dem Befüllen von Hochspannungsschaltern mit SF6-Isoliergas werden diese ebenfalls in Vakuumkammern getrocknet. Für diese Trocknungs- und Befüllprozesse sind genau wie bei denen der Transformatoren Vakuumbedingungen von < 10-2 hPa erforderlich.
Drehschieberpumpe oder Trockenläufer
Trockenläufer werden immer beliebter. Doch für Anwendungen wie die VPD-Transformatoren-/Wicklungstrocknung sind Drehschieberpumpen aufgrund ihrer technischen Eigenschaften besser geeignet. Die Ölbetriebstemperatur beträgt bei Drehschieberpumpen mit geöffnetem Gasballastventil 80 bis 85 Grad Celsius. Im Vergleich dazu erreichen Trockenläufer aufgrund ihrer Wärmeentwicklung durch die innere Verdichtung Gastemperaturen zwischen 150 und 180 Grad Celsius.
Treten im VPD-Prozess Polymere und Wachs auf, verbrennen sie beim Einsatz von Trockenläufern auf den heißen Rotoren. Dort bilden sie einen schwarzen Belag, der dafür sorgt, dass die Pumpen nach dem Abschalten nicht mehr anlaufen und komplett gereinigt werden müssen. Beim Einsatz von Drehschieberpumpen bleiben die Polymere und das flüssige Wachs hingegen im Betriebsmittel und werden beim Ölwechsel mit abgelassen. So kann die Pumpe nach dem Befüllen mit frischem Öl sofort wieder eingesetzt werden. Demnach ist lediglich die Entsorgung des Öls eine notwendige und zu berücksichtigende Maßnahme.
Weitere Informationen zu Pfeiffer Vacuum finden Sie im Business-Profil auf Seite 45.
