Methoden für die Parametrierung von thermischen Modellen von Leistungstransformatoren

Abstract

Ein Leistungstransformator ist eine der wichtigsten Betriebsmittel im Stromnetz. Viele Leistungstransformatoren werden durch natürlichen Ölkreislauf gekühlt. Ihre Lebensdauer ist auf den Verlust von Eigenschaften der Isolationsmaterialen wie Isolierfestigkeit, Zugfestigkeit zurückzuführen. Der Verlauf der Wicklung-Heißpunkttemperatur nach „Leitfaden für die Belastung von mineralölgefüllten Leistungstransformatoren (IEC 60076-7:2018)“ ist ein Schlüsselfaktor für die Bestimmung der Isolationsfähigkeit der Isoliermaterialen von Leistungstransformatoren. Die Wicklung-Heißpunkttemperatur während des Betriebs begrenzt außerdem die Belastbarkeit eines Transformators. Es ist daher von großer Bedeutung, die Wicklungs-Heißpunkttemperatur des Transformators zu kennen.Die Wicklung-Heißpunkttemperatur ist die Summe aus der Temperatur der obersten Ölschicht und dem Heißpunkttemperaturanstieg über die oberste Ölschicht. Normalerweise ist die Messung der Temperatur der obersten Ölschicht einfacher und wirtschaftlicher im Vergleich zur direkten Messung der Heißpunkttemperatur. In unserem Fall ist die oberste Öltemperatur als bekannt vorausgesetzt. So wird der Heißpunkttemperaturanstieg bestimmt und die Wicklungs-Heißpunkttemperatur ermittelt.Mit Hilfe der empfohlenen empirischen stationären oder dynamischen thermischen Modelle (IEEE C 57.91-2011 und IEC 60076-7:2018) kann der Heißpunkttemperaturanstieg abgeschätzt, bestimmt und analysiert werden. Gleichzeitig brauchen die Modelle eine Erwärmungsprüfung vor der Inbetriebnahme des Transformators, um die Parameter der Modelle zu erfassen. Den ermittelten Parameter kann man in thermischen Modellen einsetzen. Die im Betrieb befindende Transformatoren besitzen in der großen Ordnung keine Datensätze der Erwärmungsprüfung. Es ist herausfordernd die Datensätze für die Transformatoren abzuschätzen. Das führt zu den möglichen Abweichungen zwischen dem realen und modellierten thermischen Zustand. Die Untersuchung der Methoden für die Parametrierung bzw. Bestimmung der Definitionsbereiche der Parameter für den Heißpunkttemperaturanstieg über die oberste Ölschicht bei unterschiedlichen Leistungstransformatoren sind daher sinnvoll.Mittels Sensitivitätsanalyse der Eingangsparameter der thermischen Modelle und Zeitreihensimulationen werden für unterschiedliche Belastungsszenarien geeignete Lösungen gegeben, um die praxisgerechte Parametrierung der thermischen Modelle zu ermöglichen.

The power transformer is one of the most important operating equipment in the power grid. Many power transformers are cooled by natural oil circulation. Their service life is constrained due to the loss of properties of the insulation materials such as insulation strength and tensile strength. According to "Guideline for loading of mineral oil-filled power transformers (IEC 60076.7:2018) " the winding hottest-spot temperature profile is as a key factor for determination of residual insulation properties of the transformer’s materials. Moreover, the winding hottest-spot temperature limits the loading capability of the transformer. It is therefore of great importance to know the winding hottest-spot temperature of the transformer.The winding hottest-spot temperature is the sum of the top-oil temperature and the hot-spot temperature rise above the top-oil temperature. Measuring the top-oil temperature is easier and more economical compared to measuring the hottest-spot temperature directly. In our case, the top-oil temperature is assumed to be known. Thus, to obtain the hottest-spot temperature the hot-spot temperature rise should be determined.Using the recommended empirical steady-state or dynamic thermal models (IEEE C 57.91-2011 and IEC 60076-7:2018), the hot-spot temperature rise can be estimated, determined, and analyzed. At the same time, the models need a heat-run test before the transformer is putted into operation, to capture the parameters of the models. The determined parameters can be used in the thermal models. In large order the transformers in operation do not have heat-test data sets. It`s challenging to estimate the parameters for thermal models for the transformers in operation. This leads to the possible deviations between the real and modelled thermal behavior. Therefore, the investigation of the methods for parameterization or determination of the range of values of the model parameters for the hot-spot temperature rise over the top-oil temperature for different power transformers is useful.Using a sensitivity analysis of the input parameters of the thermal models and time-series simulations, suitable solutions are given for different load scenarios in order to enable the practical parameterization of the thermal models.