Ölgefüllte Transformatoren – Maximale Umgebungstemperatur: Grenzwerte und Leitfaden zur Überwachung 2027

• Die Umgebungstemperatur ist die Temperatur der Luft rund um den Transformator. Es handelt sich dabei nicht um die Öl- oder Wicklungstemperatur, und die Öltemperatur kann im Normalbetrieb deutlich höher sein als die Umgebungstemperatur. Der Messwert muss unter Berücksichtigung der Transformatorauslastung, der Kühlbedingungen und der vom Hersteller angegebenen thermischen Grenzwerte bewertet werden.
• Auf die Frage nach der maximalen Umgebungstemperatur für Öltransformatoren gibt es keine pauschale Antwort. Sie hängt von der Norm, der Bauart, der Kühlklasse, der Auslegungsgrundlage, der Höhenlage und der Aufstellungsart (im Freien, in Innenräumen, in einem Gehäuse) ab.
• Die Norm IEC 60076-1 nennt 40 °C, 30 °C und 20 °C als übliche Betriebsbedingungen. Dabei handelt es sich um drei verschiedene Kennzahlen, von denen keine eine Betriebsgrenze darstellt.
• Eine höhere Umgebungstemperatur verringert die thermische Reserve. Im stationären Betrieb steigen die Öl- und Wicklungstemperaturen bei gleicher Last in der Regel in etwa parallel dazu an, wobei Abweichungen aufgrund der Ölviskosität, von Verluständerungen und der Kühlungsregelung auftreten können.
• Die Temperaturen von Top-Oil, Wicklung und Hot-Spot sind unterschiedliche Größen, die mit unterschiedlichen Messmethoden ermittelt werden.
• Beurteilen Sie Temperaturtrends unter Berücksichtigung von Last, Umgebungstemperatur und Kühlstatus. Ein einzelner OTI-Wert sagt für sich genommen wenig aus.

Inhaltsverzeichnis

• 1. Was bedeutet „maximale Umgebungstemperatur“?
• 2. Umgebungstemperatur im Vergleich zum Temperaturanstieg des Transformators
• 3. Wie sich hohe Umgebungstemperaturen auf die Belastung von Transformatoren auswirken
• 4. Öloberflächentemperatur, Wicklungstemperatur und Hot-Spot-Temperatur
• 5. Kühlleistung bei hohen Umgebungstemperaturen
• 6. Wie man die Temperatur in Ölgefüllten Transformatoren überwacht
• 7. Verfahren und Produkte zur Temperaturüberwachung
• 8. Checkliste für den Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen
• 9. Häufig gestellte Fragen

1. Was bedeutet „maximale Umgebungstemperatur“?

Die Umgebungstemperatur ist die Temperatur der Luft oder des Kühlmediums am Aufstellungsort. Die Nennleistungen von Transformatoren sind an bestimmte Betriebsbedingungen gebunden, und der Begriff "maximale Umgebungstemperatur" wird häufig recht locker für verschiedene Kennzahlen verwendet.

Die Norm IEC 60076-1 beschreibt die üblichen Betriebsbedingungen anhand von drei Werten:

• 40 °C ist die höchste Kühllufttemperatur, die zu einem beliebigen Zeitpunkt auftreten kann. Es handelt sich um einen Spitzenwert, für den die Kühlanlage ausgelegt sein muss.
• 30 °C ist der Monatsdurchschnitt des heißesten Monats, der sich aus dem Mittelwert der täglichen Höchsttemperaturen und dem Mittelwert der täglichen Tiefsttemperaturen ergibt. Er beschreibt die anhaltenden Bedingungen während der heißen Jahreszeit und nicht einen Spitzenwert.
• 20 °C ist der Jahresdurchschnitt. Die Norm IEC 60076-2 verwendet diesen Wert als Grundlage für die Temperaturanstiegsgrenzwerte des Kühlmediums.

IEEE C57.12.00 legt eine andere Grundlage zugrunde: eine durchschnittliche Umgebungstemperatur von 30 °C über einen beliebigen zusammenhängenden Zeitraum von 24 Stunden, mit einem Höchstwert von 40 °C. Ein 24-Stunden-Durchschnitt und ein IEC-Monatsdurchschnitt sind unterschiedliche statistische Größen und können nicht miteinander vertauscht werden.

Keine dieser Angaben stellt eine absolute Betriebsobergrenze für jeden Öltransformator dar. Es handelt sich vielmehr um Referenzbedingungen, die einer Nennleistung zugrunde liegen. Ein für einen „Hot Site“-Einsatz vorgesehener Transformator kann eine höhere Umgebungsbasis aufweisen, und bei einem Gerät in einem schlecht belüfteten Raum kann die effektive Umgebungstemperatur höher sein, als die Wetterdaten vermuten lassen. Maßgeblich sind das Typenschild und die vom Hersteller angegebenen Betriebsbedingungen.

2. Umgebungstemperatur im Vergleich zum Temperaturanstieg des Transformators

In erster Näherung und im stationären Zustand entspricht die Temperatur an einem bestimmten Punkt der Umgebungstemperatur zuzüglich des Temperaturanstiegs an diesem Punkt. Der Temperaturanstieg wird in einem Wärmelaufversuch bei Nennleistung ermittelt, weshalb Grenzwerte für den Temperaturanstieg von Transformatoren beziehen sich auf eine Referenztemperatur des Kühlmediums und nicht auf einen bestimmten Standort.

Die häufig zitierten Werte gemäß IEC 60076-2 betragen 60 K für den maximalen Ölanstieg und 65 K für den durchschnittlichen Wicklungsanstieg. Sie gelten für Transformatoren mit fester Isolierung der Klasse 105 (IEC 60085), die in Mineralöl oder einer synthetischen Flüssigkeit mit einem Flammpunkt von höchstens 300 °C getaucht sind, unter den in der Temperaturanstiegstabelle der Norm aufgeführten Kühlungsarten. Es handelt sich um Grenzwerte im stationären Zustand bei Nenn-Dauerleistung, bezogen auf ein Kühlmedium mit einer Jahresdurchschnittstemperatur von 20 °C. Bei gezielter Ölkühlung, Hochtemperatur-Isolationssystemen und Konstruktionen nach IEEE mit 65 °C Temperaturanstieg gelten andere Grenzwerte; überprüfen Sie daher die gültige Normausgabe und die spezifischen Daten des Transformators, bevor Sie diese Zahlen übernehmen.

Der tatsächliche Betrieb weicht vom Modell "Umgebungswert plus Anstieg" ab. Laständerungen, Ölzirkulation, thermische Trägheit und der Gradient zwischen Wicklung und Öl beeinflussen das Ergebnis. Das Öl reagiert im Stundenbereich, die Wicklungen hingegen im Minutenbereich, sodass die Messwerte während eines Lastsprungs nicht mit den Werten im stationären Zustand übereinstimmen.

3. Wie sich hohe Umgebungstemperaturen auf die Belastung von Transformatoren auswirken

Bei höheren Umgebungstemperaturen bleibt weniger Spielraum zwischen der Umgebungsluft und den Temperaturen, für die das Isolationssystem ausgelegt ist. Bei gleicher Belastung und gleicher Kühlstufe liegen die Öl- und Wicklungstemperaturen in der Regel höher. Um die Temperatur an den Hotspots innerhalb der Auslegungsgrundlagen zu halten, ist daher entweder eine geringere Belastung oder eine stärkere Kühlung erforderlich.

Sowohl die Norm IEC 60076-7 als auch der IEEE-Leitfaden C57.91 gehen von der Umgebungstemperatur und der Belastung aus, berechnen die Oberflächentemperatur des Öls und die Hot-Spot-Temperaturen und setzen diese in Beziehung zur Alterung der Isolierung. Für Isolationssysteme mit einem Temperaturanstieg von 65 °C verwendet der IEEE-Leitfaden bei einer durchschnittlichen Umgebungstemperatur von 30 °C und normaler Belastung einen Hot-Spot-Referenzwert von 110 °C. Dieser Wert gilt nur für dieses Isolationssystem und diese Umgebungstemperatur und lässt sich nicht auf andere Konstruktionen übertragen.

Die Leistungsreduzierung bei hohen Umgebungstemperaturen sollte sich nach den Belastungsdaten des Herstellers oder den geltenden Richtlinien richten. Im Internet zu findende Regeln, die eine prozentuale Leistungsreduzierung pro Grad vorgeben, gehen von bestimmten Kühlungsarten und Isolationssystemen aus und sollten nicht auf einen nicht näher spezifizierten Transformator angewendet werden. Bei der Belastungsberechnung wird zudem die vom Hersteller festgelegte Umgebungstemperatur zugrunde gelegt, die nicht immer dem täglichen Spitzenwert entspricht.

4. Öloberflächentemperatur, Wicklungstemperatur und Hot-Spot-Temperatur

Die Temperatur des oberen Ölanteils bezieht sich auf das Öl im oberen Bereich des Tanks. Da sich dieses Öl langsam bewegt, spiegelt es die gesamte Wärmeabfuhr gut wider, lokale Erwärmungen hingegen nur unzureichend.

Die Wicklungstemperatur hängt davon ab, wie sie ermittelt wurde. Ein herkömmlicher Indikator liefert einen berechneten Wert, der sich aus der Temperatur des Oberflächenöls und einem Laststrom-Term zusammensetzt, während bei einem Wärmelaufversuch ein aus dem Wicklungswiderstand abgeleiteter Durchschnittswert ermittelt wird.

Temperatur an den Hotspots der Transformatorwicklungen ist die Temperatur am heißesten Punkt innerhalb der Wicklung. In den Belastungsrichtlinien entspricht sie der Umgebungstemperatur zuzüglich des Öl-Temperaturanstiegs an der Oberfläche sowie des Hot-Spot-Gradienten oberhalb der Öloberfläche und dient als Grundlage für die Berechnung der Isolationsalterung. Bei externen Ölmessungen ist dieser Wert nicht erfassbar, und ein WTI-Messwert sollte nicht als direkte Hot-Spot-Messung gewertet werden.

5. Kühlleistung bei hohen Umgebungstemperaturen

Kühler geben Wärme an die Umgebungsluft ab, wobei die treibende Kraft der Unterschied zwischen Öl- und Lufttemperatur ist. Wärmere Luft verringert diesen Unterschied, sodass dieselben Kühler weniger Wärme abführen, sofern dies nicht durch Lüfter oder Pumpen ausgeglichen wird. Die Kühlstufen setzen früher ein und laufen länger, und die verbleibende Reserve ist geringer.

Eine hohe Umgebungstemperatur ist an sich kein Fehler. Sie führt jedoch dazu, dass Kühlungsprobleme früher sichtbar werden: Ein defekter Lüfter, ein eingeschränkter Luftstrom, eine schwache Ölzirkulation oder verschmutzte Kühler bleiben bei 15 °C möglicherweise unbemerkt, zeigen sich bei 38 °C jedoch als deutlicher Temperaturanstieg. Beurteilung Kühlleistung des Transformators Das bedeutet, dass die Entwicklungen bei der Oberflächenöl- und Wicklungstemperatur im Zeitverlauf mit der Last, der Umgebungstemperatur sowie dem Status von Lüfter oder Pumpe verglichen werden müssen. Steigt die Temperatur nach dem Start einer Kühlphase weiter an, muss der Kühlkreislauf überprüft werden; allerdings müssen zuvor die Last, die Umgebungstemperatur und der Zustand der Sensoren berücksichtigt oder ausgeschlossen werden, bevor auf einen Kühlungsfehler geschlossen werden kann.

6. Wie man die Temperatur in Ölgefüllten Transformatoren überwacht

Ein Höchstwert von 80 °C bei der Öl-Temperatur bedeutet bei geringer Belastung an einem kühlen Morgen etwas anderes als bei Volllast während einer Hitzewelle, wenn die Lüfterstufe nicht schaltet. Für die Beurteilung müssen alle Faktoren berücksichtigt werden:

Umgebungstemperatur + Transformatorlast + Öloberflächentemperatur + Wicklungs-/Hotspot-Temperatur + Kühlzustand → Bewertung des thermischen Zustands

Die Umgebungstemperatur wird in dieser Darstellung leicht außer Acht gelassen, doch sie erklärt viele Temperaturschwankungen, die auf dem Diagramm unerklärt erscheinen. Temperaturüberwachung von Transformatoren Da dabei Umgebungs-, Last-, Öl-, Wicklungs- und Kühlungszustände gemeinsam erfasst werden, lassen sich Trendverläufe und Alarmhistorien über einen längeren Zeitraum hinweg vergleichen. Bei der Überwachung von Öltransformatoren wird derselbe Ansatz auf den Ölzustand und die Kühlanlagen ausgeweitet.

7. Verfahren und Produkte zur Temperaturüberwachung

Jede Methode beantwortet eine andere Frage, und keine ersetzt die anderen.

Was Öl betrifft, so ist die BWY2-Transformatoröl-Temperaturanzeige ist ein mechanisches OTI mit einstellbaren Kontakten für den Kühlstart und den Übertemperaturalarm sowie Pt100- und optionalen 4–20-mA-Ausgängen. Es zeigt die Öloberflächentemperatur an und gibt keine direkten Auskünfte über die Wicklung.

Für die Wicklung wird die Temperaturanzeige für die Transformatorwicklungen des BWR2 ergänzt die Öltemperatur um einen Laststrom-Term und zeigt einen simulierten Wicklungswert für die lokale Anzeige, die Kühlungsregelung, den Alarm und die Abschaltung an.

Bei der Verwendung an Orten mit hohen Temperaturen ist bei den Gerätezulassungen Vorsicht geboten. Auf den Produktseiten ist für das Modell BWY2 ein Betriebsumgebungsbereich von −40 °C bis +80 °C und für das Modell BWR2 ein Bereich von −40 °C bis +65 °C angegeben. Diese Werte beschreiben, in welchem Bereich das Gerät selbst betrieben werden kann. Sie geben nicht die maximale Umgebungstemperatur an, bei der der Transformator betrieben werden darf.

Für die direkte Messung wird ein Temperatursensor aus Polyimid-Lichtleitfaser-Wicklung Eine fluoreszierende Messspitze wird an der Stelle der installierten Wicklung angebracht. Die Spitze ist elektrisch isolierend und unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen. Sie wird in der Regel während der Herstellung oder bei einer umfassenden Sanierung installiert, und da jede Sonde einen Punkt misst, sollte die Platzierung dem thermischen Design entsprechen. Herkömmliche WTI- und Pt100-Verfahren behalten ihre Gültigkeit für die Regelung und den Schutz, und die beiden Ansätze werden oft gemeinsam eingesetzt.

Wenn mehrere Wicklungen oder Phasen abgedeckt werden müssen, unterstützt das Mehrkanal-Glasfasersystem 1 bis 64 Kanäle mit RS485/Modbus-Kommunikation. Die Anzahl der Kanäle sollte sich nach den thermisch relevanten Punkten richten und nicht nach der maximalen Anzahl, die der Host verarbeiten kann.

8. Checkliste für den Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen

• Überprüfen Sie die Angaben auf dem Typenschild und die Betriebsbedingungen des Herstellers, einschließlich der Umgebungsbedingungen, der Kühlklasse und der Höhe über dem Meeresspiegel.
• Vergleichen Sie die Umgebungsbedingungen vor Ort mit der Auslegungsgrundlage unter Verwendung der von dieser Grundlage definierten Kennzahl.
• Berücksichtigen Sie Gehäuse- oder Raumeffekte, wenn sich der Transformator in einem Innenraum befindet.
• Überprüfen Sie den Verlauf der Oberöl-Temperatur bei vergleichbarer Last und Umgebungstemperatur.
• Überprüfen Sie die Wicklungs- oder Hot-Spot-Temperatur, sofern eine Messung vorliegt, und vermerken Sie, ob es sich um einen berechneten oder einen direkten Messwert handelt.
• Vergleichen Sie die Temperaturen mit der Belastung, anstatt sie nur zu messen.
• Stellen Sie sicher, dass Lüfter und Pumpen auf Befehl anlaufen und dass die Temperatur entsprechend reagiert.
• Achten Sie auf anhaltende Ungleichgewichte bei der Phasen- oder Wicklungstemperatur.
• Überprüfen Sie den Alarmverlauf auf wiederkehrende Ereignisse, anstatt nur auf einen einzelnen Spitzenwert zu reagieren.
• Entscheiden Sie, ob gemäß den Herstellerangaben oder der geltenden Belastungsrichtlinie eine reduzierte Belastung erforderlich ist.

Alarm- und Auslösewerte sind transformatorspezifisch und entnehmen sich der Dokumentation des Herstellers sowie der Schutzauslegungsstudie.

9. Häufig gestellte Fragen

Wie hoch ist die maximale Umgebungstemperatur für einen Öltransformator?

Es gibt keinen für alle Geräte geltenden absoluten Wert. Die Norm IEC 60076-1 legt als übliche Betriebsbedingungen 40 °C zu jedem Zeitpunkt, 30 °C als Monatsdurchschnitt des heißesten Monats und 20 °C als Jahresdurchschnitt fest. IEEE C57.12.00 verwendet einen Durchschnitt von 30 °C über einen beliebigen zusammenhängenden Zeitraum von 24 Stunden und eine Höchsttemperatur von 40 °C. Dabei handelt es sich um Nennbedingungen, nicht um allgemeingültige Grenzwerte. Das Typenschild und die Herstellerangaben legen die Grenzwerte für einen bestimmten Transformator fest, und für höhere Umgebungstemperaturen können Ausführungen für heißes Klima spezifiziert werden.

Wie wirkt sich die Umgebungstemperatur auf die Belastung eines Transformators aus?

Eine höhere Umgebungstemperatur verringert den Spielraum zwischen der Umgebungsluft und den Temperaturen, die die Isolierung vertragen kann. Im stationären Betrieb tendieren Öl- und Wicklungstemperaturen dazu, sich bei gleicher Last auf einem höheren Niveau einzupendeln, sodass die Last, bei der die Hot-Spot-Temperatur innerhalb der Auslegungsgrundlagen bleibt, sinkt. Das Ausmaß hängt von der Kühlart, dem Isolationssystem und den verwendeten Belastungsrichtlinien ab, wie beispielsweise IEC 60076-7 oder IEEE C57.91.

Was ist der Unterschied zwischen Umgebungstemperatur, Öloberflächentemperatur und Wicklungstemperatur?

Die Umgebungstemperatur ist die Temperatur der Luft um den Transformator herum. Die Temperatur des oberen Ölbereichs bezieht sich auf das Öl im oberen Bereich, und die Wicklungstemperatur ist je nach Messmethode ein Durchschnittswert, ein angezeigter oder ein berechneter Wert. Die Hot-Spot-Temperatur ist die Temperatur an der heißesten Stelle der Wicklung. Diese Werte liegen jeweils schrittweise über der Umgebungstemperatur und werden unterschiedlich gemessen.

Sollte die Transformatorauslastung bei hohen Umgebungstemperaturen reduziert werden?

Dies hängt davon ab, inwieweit die Betriebsbedingungen vor Ort die Auslegungsgrundlagen überschreiten und wie gut die Kühlung ist. Wenn sie diese überschreiten, legen die Belastungsdaten des Herstellers oder die geltenden Richtlinien die Anpassung fest. Bleibt die Umgebungstemperatur innerhalb der Auslegungsgrundlagen und ist die Kühlung ausreichend, ist möglicherweise keine Änderung erforderlich. Die Entscheidung sollte neben der Umgebungstemperatur auch auf der Grundlage der Belastung, der Temperaturtrends und des Kühlzustands getroffen werden.