Arten und Funktionen von Transformator-Isolieröl

Ein Leistungstransformator ist ein elektrisches Gerät zur Energieumwandlung, das Wechselstrom (AC) mit einer bestimmten Spannung und Stromstärke in Wechselstrom mit gleicher Frequenz umwandelt. Transformatorenöl ist ein spezielles flüssiges Medium zur Isolierung und Kühlung von Transformatoren. Es zeichnet sich durch hervorragende Isolationseigenschaften, thermische Stabilität, Lichtbogenlöschfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit aus. Es widersteht den Auswirkungen von Hochspannungsfeldern über lange Zeiträume und verhindert so effektiv interne Transformatorfehler wie Lichtbögen, Entladungen und Explosionen, wodurch der ordnungsgemäße Betrieb des Transformators gewährleistet wird. Je nach Basisölquelle lässt sich Transformatorenöl in vier Haupttypen unterteilen: Mineralöl-Transformatorenöl, pflanzliches Öl-Transformatorenöl, Silikonöl-Transformatorenöl und synthetisches Ester-Transformatorenöl.

Mineralöl-Transformatoröl wurde in Öl-TauchtransformatorMineralisches Transformatorenöl wird aufgrund seiner hervorragenden elektrischen und thermischen Eigenschaften seit fast einem Jahrhundert verwendet. Bis heute ist es das ideale Transformatorenöl für Höchstspannungs- und Extremspannungstransformatoren. Es wird hauptsächlich aus naphthenischen und paraffinischen Basisölen gewonnen. Molekularstrukturell besteht es aus geradkettigen Alkanen, Isoalkanen, Naphthenen und aromatischen Kohlenwasserstoffen, die jeweils spezifische Funktionen im Transformatorenöl erfüllen. Geradkettige Alkane haben hohe Gefrierpunkte und neigen unter Hochspannung zur Wasserstoffbildung. Aus wirtschaftlichen und leistungstechnischen Gründen werden geradkettige Alkane daher in der Regel nicht direkt für die Transformatorenölproduktion eingesetzt. Isoalkane weisen Flammpunkte über 170 °C, niedrige Gefrierpunkte, niedrige Säurezahlen, gute Oxidationsstabilität und moderate Gasbildung auf und eignen sich daher für Transformatorenöl. Naphthene zeichnen sich durch niedrige Gefrierpunkte und relativ niedrige Flammpunkte sowie moderate Gasbildung aus und erfüllen somit die elektrischen Leistungsanforderungen von Transformatoren. Monoaromatische Kohlenwasserstoffe unter den aromatischen Kohlenwasserstoffen weisen gute Gasungseigenschaften auf und können in Transformatorenöl für Höchstspannungsanwendungen eingesetzt werden. Polyzyklische und kondensierte aromatische Kohlenwasserstoffe sind oxidationsschwach und bergen Gesundheitsrisiken, weshalb sie aus Transformatorenöl entfernt werden sollten. Die idealen Bestandteile von Mineralöl-Transformatorenöl sind daher Isoalkane, Naphthene und geringe Mengen monoaromatischer Kohlenwasserstoffe.

Transformatorenöl auf Pflanzenölbasis wird durch Pressung, Raffination und Modifizierung aus natürlichen Ölpflanzen gewonnen. Es bietet Vorteile wie hohe Flammpunkte, gute elektrische Eigenschaften, reichlich vorhandene Rohstoffe, Erneuerbarkeit und biologische Abbaubarkeit. Hauptbestandteil von Pflanzenöl sind Triglyceride, wobei Art und Anteil der Fettsäuren je nach Pflanzenöl stark variieren. Um die Oxidationsbeständigkeit und die Fließfähigkeit bei niedrigen Temperaturen optimal auszubalancieren, eignen sich Pflanzenöle mit einem höheren Gehalt an einfach ungesättigten Fettsäuren am besten für die Herstellung von Transformatorenöl auf Pflanzenölbasis. Obwohl Transformatorenöl auf Pflanzenölbasis gegenüber Mineralöl-Transformatorenöl gewisse Vorteile bietet, bestehen weiterhin Herausforderungen. Dazu gehören höhere Kosten – etwa drei- bis viermal so hoch wie bei Mineralöl –, höhere Viskosität, Anfälligkeit für Hydrolyse mit Bildung saurer Substanzen, schlechte Tieftemperatureigenschaften, Oxidations- und Gelierungsprobleme, uneinheitliche Ölleistungsstandards, begrenzte Erfahrung in der Wartung und unvollständige Prozesse. Diese Faktoren schränken die Verbreitung und Anwendung von Transformatorenöl auf Pflanzenölbasis ein.

Silikonöl für Transformatoren bietet nicht nur hervorragende elektrische Isolationseigenschaften, sondern auch Vorteile wie hohe Flammpunkte, niedrige Pourpoints und eine geringe Viskositätsänderung mit der Temperatur. Es wird häufig als Ersatz für herkömmliches Transformatorenöl in Transformatoren mit geringer Leistung unter 35 kV eingesetzt. Allerdings reagiert Silikonöl empfindlich auf Zersetzungsprodukte durch Teilentladungen oder Durchschläge, weist eine relativ geringe Stabilität gegenüber elektrischen Funken auf und zeigt unter wiederholter elektrischer Belastung eine abnehmende Isolationsstabilität. Daher wird Silikonöl typischerweise in Transformatoren unter 35 kV verwendet, und die Betriebstemperaturen sollten nicht zu hoch sein. Silikonöl erfreute sich im letzten Jahrhundert aufgrund seiner überlegenen Brandschutzeigenschaften großer Beliebtheit. Aufgrund seiner Nachteile in Bezug auf Umweltverträglichkeit und Kosten hat es sich jedoch nicht weit verbreitet. Derzeit ist die Verwendung von Silikonöl weltweit rückläufig und wird nur noch in bestimmten Ländern oder Regionen (wie den Vereinigten Staaten) und in speziellen Branchen (wie Tunnelbaumaschinen) eingesetzt.

Synthetisches Ester-Transformatoröl basiert hauptsächlich auf Polyolesteröl. Seine herausragendste Eigenschaft ist seine ausgezeichnete biologische Abbaubarkeit. Es wird innerhalb kurzer Zeit von Mikroorganismen (Bakterien) in Kohlendioxid und Wasser zersetzt und ist somit umweltverträglich. Dadurch eignet es sich besonders für Anwendungen mit hohen Umweltanforderungen, wie beispielsweise Offshore-Windparks. Synthetisches Ester-Transformatoröl bietet neben seiner biologischen Abbaubarkeit umfassende Leistungseigenschaften, darunter gute Brandsicherheit, elektrische Isolationseigenschaften, Oxidationsbeständigkeit und Alterungsbeständigkeit. Darüber hinaus weist es eine hohe Polarität und Affinität zu Wassermolekülen auf und behält seine hohe Durchschlagspannung auch bei hoher Luftfeuchtigkeit bei. Seine Feuchtigkeitsbeständigkeit übertrifft die von Mineralöl- und Silikonöl-Transformatoröl.