TMS: Nutzungsausfälle einzelner Windkraftanlagen durch das akute Versagen von Transformatoren

Das plötzliche Versagen von Transformatoren erfordert nicht nur deren Ersatz, sondern daraus folgt auch ein kompletter Nutzungsausfall der Windkraftanlage. Die Instandsetzung eines Transformators vor Ort ist in der Regel nicht durchführbar, der Transport ins Werk aufwändig und kostspielig. Eine Ersatzbeschaffung ist zeitnah wegen der 690 V US-Ebene bei WKA und der Platzverhältnisse in den Kompaktstationen selten möglich.

Transformatoren für Windkraftanlagen unterliegen besonderen Beanspruchungen durch die stark und häufig schwankenden Lastkollektive der Einspeiseströme. Starke Temperaturwechsel sind die Folge. Diese wirken der Transformatorlebensdauer entgegen – hinzu kommen Winter- und Sommerbetrieb. Zudem sind die eingesetzten Transformatoren aus wirtschaftlichen Gründen nicht überdimensioniert, wie das in früheren Jahren bei Verteil- und Maschinentrafos der Fall war.

Erschwerend kommt hinzu, dass die Unterbringung dieser Transformatoren in äußerst kleinen Kompaktstationen eine schlechte Kühlung zur Folge hat. Eine Transformatorüberwachung ist nur selten vorhanden. Transformatoren für diesen Einsatzzweck sind in der Regel mit Öl befülle Hermetiktrafos. Die Zugänglichkeit der normalen Öl-Pro-beentnahmestelle ist in diesen Kompaktstationen nicht gegeben. Weiterhin versagen die Dichtungen an den Transformatoren-Durchführungen.

Defekte Dichtungen an Hermetik-Transformatoren in Kompaktstationen

Wirtschaftliche Methoden, die den inneren Zustand und damit die sichere Funktionsweise speziell dieser Hermetik-Transformatoren überprüfen, fehlten bislang. Eine Zustandsbestimmung besteht im Allgemeinen aus mehreren Prüfungen und Analysen. Im Rahmen der Elektrotechnik gibt es unterschiedliche Messungen, die den Transformator auf einen elektrischen Fehler untersuchen. Diese Messungen können einfach vor Ort durchgeführt werden. Wichtig und für die Erhaltung eines sicheren Betriebs des Trafos unabdingbar ist jedoch der Zustand des Öls. Er gibt Aufschluss darüber, ob bei weiterem Betrieb ein Sicherheitsrisiko besteht oder ob der Trafo in Betrieb bleiben kann. Vergleichbar mit den Blutwerten beim Menschen gibt die Ölanalyse mit ihren Bestandteilen und technischen Werten auch die Entwicklung des Transformator-Zustands wieder. Insbesondere die Ergebnisse der DGA-Analyse (Dissolved Gas Analysis = Gas-in-Öl-Analyse) geben Aufschluss über evtl. vorhandene ‚innere thermische Fehler‘ oder ‚elektrische Fehler‘. Mit Hilfe verschiedener Gas-Konfigurationen können diese Fehler sehr gut nachgewiesen werden.

Bewertung eines 1.600 kVA-WP Trafos über eine DGA-Analyse

Gesamtgasgehalt / Vol % Lösungsdruck / mbar (berechnet)

Prüfergebnis der Öluntersuchung

Das Öl ist teilentgast und besitzt einen Gassättigungsgrad

von 72% Die Fehlergasgehalte sind auffällig und weisen vom Muster auf folgende Fehlerarten hin:

- thermischer Fehler 300 bis 700° C (sehr stark ausgeprägt)

Empfohlene Maßnahmen

Der Weiterbetrieb des Transformators ist gefährdet.

Ziel war es, wirtschaftliche Methoden zu entwickeln, die den inneren Zustand eines Transformators überprüfen, um einen sich ankündigenden Schaden rechtzeitig zu entdecken und zeitnah reagieren zu können. So wird ein plötzlicher Nutzungsausfall vermieden bzw. der weitere, sichere Betrieb gewährleistet.

Es sollte ein einfaches Regelwerk erstellt werden, das Versicherungen, Betreibern und Investoren ermöglicht, unkompliziert und kostengünstig Präventivmaßnahmen im Rahmen von Wartungen durchzuführen.

Dazu gehört auch das Auswechseln der Durchführungsdichtungen, um den Ölaustritt zu verhindern, damit der korrekte innere Druck des Hermetik-Transformators wieder eingestellt werden kann.

Die beschriebenen Methoden werden bereits seit vielen Jahren an Transformatoren angewendet. Sie funktionierten jedoch bei Transformatoren in Windparks wegen der dargelegten Probleme bislang nicht.

Der TMS GmbH ist es gelungen, über den ‚hermetischen Zugang‘ eine Möglichkeit der Ölentnahme zu entwickeln, mit der die o.g. Analysen durchgeführt werden können und ggf. auch eine Ölkonditionierung vor Ort vorgenommen werden kann.

Mit begleitenden elektrischen Messungen ist nun eine gute Beurteilung der Betriebssicherheit vor Ort gegeben. Dichtungen können getauscht werden. Der ‚hermetische Zustand‘ des Transformators wird im Anschluss mit Hilfe einer neu entwickelten Hermetisierungs-Anlage wieder hergestellt.

Hermetisierungsanlage