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Jens Paetzold

Ergebnisbericht

Verschleiß elektrischer Komponenten bei Blindleistungslieferung

Ergebnisbericht vom 05.12.2014

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1. Verschleißmechanismen an elektrischen Komponenten

Der Inhalt dieser Untersuchung bezieht sich auf bekannt Verschleißmechanismen welche durch die

Lieferung von Blindleistung an elektrischen Komponenten von Erzeugungsanlagen auftreten.

Der Fokus der Untersuchungen bezieht sich auf folgende Komponenten:

• Generator

• Maschinentransformator

• Stufenschalter des Maschinentransformators

• Eigenbedarfstransformator

• Stufenschalter der Eigenbedarfstransformatoren

• Erregeranlage

• Generatorableitung

• Generatorleistungsschalter

Als Verschleißmechanismen sind folgende Einflüsse bekannt:

• Wärmeeintrag durch erhöhte Strombelastung

• Verschleiß durch erhöhte Schalthäufigkeit der Stufenschalter

• Magnetische Kräfte

• Schwingungen

2. Generator

Die Untersuchungen zum Generator wurden durch Sensoplan durchgeführt /9/. Die bekannten

Mechanismen der Beanspruchung von Stator und Rotor wurden in den Tabellen 1 und 2

zusammengefasst dargestellt.

Detailliert wurden Alterungsmechanismen am Beispiel eines luftgekühlten Generators im

Leistungsbereich von 150 - 350 MVA analysiert und bzgl. des zusätzlichen Instandhaltungsaufwands

für die folgenden Verschleißmechanismen bewertet:

• Mechanische Wechselbelastung der hoch belasteten Bereiche des Rotorwicklungskupfers

• Mechanische Wechselbelastung des Schrumpfsitzes zwischen Rotorkappe und Rotorballen

• Dehnungsbehinderungen im Statorwickelkopf durch thermische Ausdehnung / Kontraktion relativ

zu Blechpaket / Pressplatte

• Setzeffekte in der Statornut, die zu Lockerungen der Nutverkeilung führen


3

Tabelle 1: Schadensmechanismen Stator

Bauteil Ursache Mechanisch Thermisch Thermo-mechanisch

Blech Veränderlicher

Statorstrom

Abrieb,

Verformung

Blechisolation Hoher Statorstrom Abrieb Alterung

Schichtbalken Hoher Statorstrom,

Hoher magnetischer

Fluß

Thermische

Überlastung

Schichtbalken-

isolation

Hoher Statorstrom,

Veränderlicher

Statorstrom

Abrieb

Spannbolzen,

Spannbolzenisolation

Veränderlicher

Statorstrom

Abrieb

Pressplatte,

Pressfinger, im Bereich der Abtreppung Blech und Wicklung

Kapazitiver Betrieb, hoher Statorstrom, hohe magnetische Felder

Thermische Überlastung

Wicklung, Nutfüllung, Wickelkopf-abstützung

Hoher Statorstrom, induktiver Betrieb

Versagen von Klebe-verbindungen und Abstützelementen im Wickelkopf, Ermüdung

Alterung Ermüdung der Wellfedern, Alterung

Wicklungsisolation

Wicklung, Nutfüllung, Wickelkopf-abstützung

Veränderlicher Statorstrom

Abrieb, Ablösung

Isolationshülse

vom Kupfer,

Versagen von Klebe-verbindungen

Ablösung der

Isolationshülse

Wicklung,

Wickelkopf-

abstützung

Schwingungen

aufgrund hohen

Statorstroms, evtl. Resonanznähe

Abrieb /

Verschleiß der

Isolation, Lockerung,

Ermüdung

Gehäuse Hoher Statorstrom, Schwingungen

aufgrund hohen

Statorstroms

Ermüdung

Flexverbinder Hohe Statorstrom

Statorstromänderungen

Ermüdung

Ausleitung Hoher Statorstrom Ermüdung,

Abrieb

Alterung


4

Tabelle 2: Schadensmechanismen Rotor

Bauteil Ursache Mechanisch Thermisch Elektrisch

Isolationskomponenten Hoher Erregerstrom Alterung

Isolationskomponenten Veränderlicher

Erregerstrom

Abrieb,

Ermüdung

Nutaustritt

Windungsschluss,

Erdschluss

Zwischenisolation Hoher Erregerstrom Versagen von

Klebe-

verbindungen

aufgrund von

axialen Kräften

Alterung

Wickelkopfabstützung Hoher und veränderlicher

Erregerstrom

Abrieb,

Belastung durch hohe

Axialkräfte

Alterung

Wicklungskupfer, Wicklungsanschluss, Polverbinder

Veränderliche/r Erregerstrom / Drehzahl

Ermüdung, Verformung, Abrieb

Rotorkörper Veränderliche/r

Erregerstrom / Drehzahl

Abrieb,

Ermüdung

Schrumpfsitz – Top Tooth

Veränderliche/r Erregerstrom / Drehzahl

Ermüdung

Kappe Veränderliche/r Erregerstrom / Drehzahl

Ermüdung

Keile Veränderliche/r Erregerstrom / Drehzahl

Ermüdung

Schleifringe und

Bürsten

Hoher Erregerstrom Verschleiß,

Abrieb

Alterung

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen signifikante Einflüsse durch die untersuchte

Blindleistungsänderung auf die Lebensdauer des untersuchten Generators für die beiden folgenden

Komponenten:

- Rotorzahn im Schrumpfsitzbereich

- Eckverbinder der Rotorwicklung

Da die Lebensdauer dieser Komponenten durch zwei unterschiedliche Schadensmechanismen in ihrer

Lebensdauer beeinflusst wird, wurde die Lebensdauerausnutzung mit der Hypothese der linearen

Schadensakkumulation nach Palmgren-Miner bewertet. Die ausführlichen Ergebnisse sind im

Bericht/9/ dokumentiert.

Weitere Beanspruchungen, insbesondere im kapazitiven Bereich wurden nicht detailliert untersucht,

sondern nur als Wirkmechanismus beschrieben.


5

3. Maschinentransformator

Für die Maschinentransformatoren sind folgende Beanspruchungen durch Blindleistungslieferung

identifiziert worden:

• zusätzlicher Wärmeeintrag durch höheren Belastungsstrom

• zusätzliche Beanspruchung von Stufenschaltern durch häufigere Regelanforderungen

Nicht betrachtet werden in diesem Zusammenhang Veränderungen der Induktion des Kerns und

möglicherweise erhöhte Spannungsbeanspruchung der Isolation des Transformators, da beide

Beanspruchungen auch ohne erhöhte Blindleistungslieferung der Erzeugungsanlage abhängig vom

Niveau der Netzspannung auftreten können.

3.1 Beanspruchung durch höheren Wärmeeintrag

Verglichen werden folgende Leistungsszenarien:

1. Leistungsabgabe 100% Bemessungsscheinleistung; cosϕ=0,9

2. Wirkleistung unverändert, Blindleistung 0 (entspricht 90% Bemessungsscheinleistung;

cosϕ=1)

Dementsprechend ergibt sich für beide Fälle folgender Belastungsstrom:

1. ITrafo = 1,0 IrTrafo

2. ITrafo = 0,9 IrTrafo

Die untersuchten Fälle gehören zum Normalbetrieb von Transformatoren, das bedeutet, dass die

Betriebsgrößen wie Betriebsspannung, Betriebsstrom, Betriebsfrequenz und die

Betriebsbedingungen wie Umgebungstemperatur und Kühlregime in den für den ständigen,

ununterbrochenen Betrieb zulässigen Grenzen liegen./2/ Die Verluste eines Transformators (PV), die

zu dessen Erwärmung führen setzen sich aus den Leerlaufverlusten (Plr) und den Kurzschlussverlusten

(Pkr) (lastabhängige Verluste) zusammen.

[3.1]

2

+=

rTrafo

Trafo

krlrVI

IPPP


6

Tabelle 3: Beispieldaten Transformatoren

Übersetzung Baujahr SrTrafo / MVA uk / % Pkr / kW Plr / kW Pkr / Plr

236±5%/21 2001 400 16 788 184 4,3

420±11,25%/21 2008 330 15,5 575 90 6,4

420±11,25%/21 2008 360 14,8 595 94 6,3

420±11,25% /21 2009 520 19,5 882 162 5,4

407,38/21 2005 700 14 1025 206 5,0

Im Leistungsbereich der zu untersuchenden Maschinentransformatoren ergibt sich ein

näherungsweise anzunehmendes Verhältnis Pkr / Plr =6.

Dieses Verhältnis wird in der IEC 60076-7 /1/ mit R bezeichnet.

Bei Berücksichtigung dieses Ansatzes ergibt sich für das Verhältnis der Transformatorverluste aus

Betriebsfall 2 zu Betriebsfall 1 PV2/PV1=0,837.

Die höheren elektrischen Verluste führen im Transformator zu einem höheren Wärmeeintrag.

Wird dieser höhere Wärmeeintrag nicht abgeführt, so reduziert sich die erwartete Lebensdauer der

Isolation des Transformators.

In der IEC 60076-7 wird die Temperaturverteilung innerhalb von Transformatoren schematisch in

folgender Grafik dargestellt.


7

Abb. 1: Temperaturverlauf im Transformator nach IEC 60076-7 /1/

A Öltemperatur Kessel oben

B Öltemperatur – Wicklung oben (Mischtemperatur)

C durchschnittliche Öltemperatur im Kessel

D Öltemperatur – Wicklung unten

P Hot-spot Temperatur

Q Mittlere Wicklungstemperatur

gr Gradient zwischen durchschnittlicher Wicklungstemperatur und durchschnittlicher

Öltemperatur

H Hot-spot-Faktor

Um den Effekt der Lebensdauerverkürzung zu vermeiden muss die Kühlleistung der Kühlanlage

gesteigert werden. Empfohlen wird von Herstellern der Betrieb von Transformatoren mit möglichst

konstanter Temperatur, um ein „atmen“ des Transformators und somit einen zusätzlichen Beitrag zur

Alterung auszuschließen.


8

Bei den in Kraftwerken für die Maschinentransformatoren verwendeten Kühlsystemen handelt es

sich in Deutschland häufig um Transformatoröl-Wasserkühler mit einer gerichteten Strömung im

Transformator.

Tabelle4: Typische Leistungsklassen von Transformator-Kühlanlagen (Wasserkühler) /3/

Kühlerparameter 630 800 1000 1600 2000

Nennleistung kW 630 800 1000 1600 2000

Ölströmung m3/h 150 150 150 200 250

Wasserströmung m3/h 51 62,5 75,0 152,0 171,5

Druckverlust Öl bar 0,50 0,61 0,55 0,80 0,9

Druckverlust Wasser bar 0,16 0,19 0,18 0,35 0,19

Diese Kühlanlagen beziehen ihr Wasser in der Regel aus dem Kühlsystem des Kraftwerkes. Eine

temperaturabhängige Regelung der Kühlung ist einerseits möglich durch eine gezielte Zu- bzw.

Abschaltung von Pumpen, bzw. wenn konstruktiv vorgesehen durch eine Drehzahlregelung der Öl-

Pumpen.

Hierfür ist allerdings bei OD-Kühlung eine exakte Kenntnis des Temperaturverhaltens der Wicklungen

des Transformators notwendig, so dass eine Reihe von Betreibern die Kühlanlagen immer mit

maximaler Ölpumpenleistung betreiben. Die gesamte Ölpumpenleistung bei 300 – 500 MVA-

Transformatoren schwankt je nach konstruktiver Ausführung in der Regel im Bereich von 12 kW bis

20 kW.

Bei luftgekühlten Transformatoren ist allerdings eine Steuerung der Lüfter (Drehzahlregelung) zur

Temperatursteuerung und Beeinflussung der Geräusche heute als Standard anzusehen.

Bei konstanter Kühlleistung stellt sich bei Leistungsveränderung ein Temperaturverlauf ein, wie in

Abb. 2 dargestellt.


9

Θh Hot-spot Temperatur der Wicklung

Θo Öltemperatur Kessel oben

K1 – 1,0 K2 – 0,6 K3 – 1,5 K4 – 0,3 K5 – 2,1

Abb. 2: Beispiel für Temperaturverläufe abhängig von stufenweisen Veränderungen des Laststromes /1/

Der formelmäßige Zusammenhang/1/ des dargestellten Verlaufes ist in folgenden Formeln für den

Temperaturanstieg [3.2] und den Temperaturabfall [3.3] beschrieben.

{ } )()(1

1)(

21

2

tfKHgtfR

KRt hi

y

rhioi

x

oroiah •∆Θ−+∆Θ+•

∆Θ−

+

•+•∆Θ+∆Θ+Θ=Θ

[3.2]


10

y

r

x

oroi

x

orah KHgtfR

KR

R

KRt +•

+

•+•∆Θ−∆Θ+

+

•+•∆Θ+Θ=Θ )(

1

1

1

1)(

3

22

[3.3]

Die Funktion f1(t) beschreibt den relativen Anstieg der oberen Öltemperatur nach folgendem

Zusammenhang:

−=

•−

0111)(1

τk

t

etf [3.4]

Die Funktion f2(t) beschreibt den relativen Anstieg des Hot-spot-top-Öl-Gradienten nach folgendem

Zusammenhang:

−•−−

−•=

−

•−

22

0

22 1)1(1)(21212

k

t

k

t

ekektf w

ττ [3.5]

Die Funktion f3(t) beschreibt den relativen Abfall des Hot-spot-top-Öl-Gradienten nach folgendem

Zusammenhang:

011)(3

τ•−

=k

t

etf [3.6]

Die verwendeten Parameter sind transformatorspezifisch. Für gerichtete Ölströmungen (OD- Kühlung)

wie sie bei Maschinentransformatoren häufig verwendet wird, sind folgende Parameter empfohlen /1/

Öl-Exponent x=1,0

Wicklungs-Exponent y=2,0

Konstante k11 k11=1,0



Zeitkonstante τ0 τ0=90min

Zeitkonstante τw τw=7min

Verlustfaktor R R=6

Hot-spot-Faktor H H=1,3

Umgebungstemperatur Θa=20°C

Hot-spot-to-top-oil (Bemessungsstrom) ΔΘhr=78 K

Top-oil rise (Bemessungsstrom) ΔΘor=49 K

Hot-spot-to top-oil gradient Hgr=29

Top-oil rise (Start) ΔΘoi

Hot-spot-to-top-oil (Start) ΔΘhi


11

Mit den vorgeschlagenen Parametern ergeben sich folgende Funktionen:

−=

−min90

11)(

t

etf

−=

−min7

21)(

t

etf

min90

3 )(

t

etf−

= [3.7]

Mit den angegebenen Standardparametern erfolgen im Folgenden Temperaturabschätzungen für

den Betrieb bei ausschließlicher Wirkleistungslieferung im Vergleich zum Betrieb mit

Bemessungsstrom (Nennbetrieb).

Ausgehend von einem angenommenen stationären Zustand bei Bemessungsstrom mit den

Startwerten ΔΘoi=78 K und ΔΘor=49 K wird mit Gleichung [3.2] der stationäre Zustand für die

Belastung nur mit Wirkleistung also K=0,9 ermittelt.

Es ergibt sich für K=0,9 folgender stationärer Endwert:

Θh(t=∞)=87,12°C

Startwerte für die folgende Erwärmungsberechnung sind dann:

ΔΘoi=38,12K ΔΘhi=67,12K

Als stationärer Endwert ergibt sich hier wieder bei Bemessungsstrom der Wert: Θh(t=∞)=98°C.

Die Anwendung der Montsinger-Regel für den Lebensdauerverbrauch von Isolationspapier bestimmt

sich gemäß /1/ nach:

6)98(

2Kh

V−Θ

= [3.8]

Für den ermittelten stationären Wert von Θh(t=∞)=87,12°C ergibt sich damit ein

Lebensdauerverbrauch von V=0,285.

Der Lebensdauerverbrauch über mehrere Zeitabschnitte bestimmt sich nach:


12

∫=2

1

t

t

VdtL

oder ∑

=

•=N

n

nn tVL1 [3.9]

Bei einem angenommenen Lastwechsel von 12h Bemessungsleistung, 12h reine Wirkleistung ergibt

sich ein spezifische Lebensdauerverbrauch von 0,6425.

Tabelle 5: Lebensdauerverbrauch / Lebensdauer – Beispiel für angenommene Lastszenarien

STr = Pn 50 % Zeit: STr = Sn ;

50 % Zeit: STr = Pn

STr = Sn

Lebensdauerverbrauch 0,285 0,6425 1

Lebensdauer / Beispiel 80 a 35 a 22,5a

3.2 Beanspruchung der Stufenschalter durch vermehrte Blindleistungsregelanforderungen

Maschinentransformatoren mit Stufenschaltern sind für die Erfüllung der Regelanforderungen bei der

Blindleistungslieferung heute häufig mit automatischen Einrichtungen versehen, die ihr

Anforderungssignal vom Netzbetreiber erhalten. Die Veränderung der Blindleistungslieferung eines

Kraftwerkes wird in diesem Fall durch eine Veränderung der Stufenstellung des Stufenschalters

eingeleitet.

MR als Hersteller für Laststufenschalter empfiehlt für seinen Stufenschaltertyp R III 1200 als

Inspektionsabstand 7 Jahre bzw. eine Schaltzahl von 60.000 Schaltungen, abhängig davon was zuerst

erreicht wird./4/

Die Zahl der Eingriffe der Stufenschalter hat sich in den letzten Jahren abhängig vom Kraftwerks-

standort von einzelnen per Handstufung durchzuführenden Schaltungen auf derzeit ca. 20 - 50

tägliche Eingriffe erhöht.

Damit verkürzt sich der empfohlene Inspektionszyklus von 7 Jahre auf 6 Jahre.

Die in der Praxis durchgeführten Inspektionsintervalle liegen typischerweise zwischen 5 und 7 Jahren.

Es ergibt sich hier also derzeit durch vermehrtes Schalten der Stufenschalter noch kein erkennbarer

Mehraufwand an Inspektionsleistungen.

4. Eigenbedarfstransformatoren

Für die Eigenbedarfstransformatoren gelten die gleichen Beanspruchungen durch

Blindleistungslieferung wie für die Maschinentransformatoren:


13

• zusätzlicher Wärmeeintrag durch höheren Belastungsstrom

• zusätzliche Beanspruchung von Stufenschaltern durch häufigere Regelanforderungen

Als Besonderheit ist hier jedoch zu betrachten, dass der erhöhte Belastungsstrom für

Eigenbedarfstransformatoren nicht durch den Blindleistungstransport, sondern durch die erhöhte

Bereitstellung von Erregerleistung erfolgt, soweit die Erregeranlage aus dem Eigenbedarfsnetz

versorgt wird.

Werden Maschinentransformatoren nicht mit Stufenschaltern ausgerüstet, so müssen

Eigenbedarfstransformatoren zum Zweck der Spannungsregelung der Eigenbedarfsspannung mit

Stufenschaltern ausgerüstet sein. In diesem Fall erfolgt die Blindleistungsregelung direkt über den

Spannungsregler des Generators.

4.1 Beanspruchung durch höheren Wärmeeintrag

Verglichen werden folgende Leistungsszenarien:

1. Leistungsabgabe 100% Bemessungsscheinleistung; cosϕ=0,9

2. Wirkleistung unverändert, Blindleistung 0 (entspricht 90% Bemessungsscheinleistung;

cosϕ=1)

Für GuD-Anlagen lassen sich die folgenden Abschätzungen treffen. Generatoren im Leistungsbereich

von 300 bis 500 MVA haben Erregerleistungen um 2 MW. Bei reiner Wirkleistungslieferung reduziert

sich die benötigte Erregerleistung zum Nennarbeitspunkt etwa auf 0,75p.u.; demzufolge entfallen

etwa 500 kW Eigenbedarfsleistung. Die Größenordnung der Eigenbedarfstransformatoren beträgt

etwa 10MVA.

Durch die Reduktion der Blindleistung reduziert sich hier die Belastung der

Eigenbedarfstransformatoren auf 0,95.

Für ON- Kühlung wie sie bei Eigenbedarfstransformatoren häufig verwendet wird, sind folgende

Parameter empfohlen /1/

Öl-Exponent x=0,8

Wicklungs-Exponent y=1,6




Zeitkonstante τ0 τ0=180min

Zeitkonstante τw τw=4min


14

Verlustfaktor R R=5

Hot-spot-Faktor H H=1,1

Umgebungstemperatur Θa=20°C

Hot-spot-to-top-oil (Bemessungsstrom) ΔΘhr=78 K

Top-oil rise (Bemessungsstrom) ΔΘor=55 K

Hot-spot-to top-oil gradient Hgr=23

Top-oil rise (Start) ΔΘoi

Hot-spot-to-top-oil (Start) ΔΘhi

Durch die eingesetzten Parameter ergeben sich folgende Funktionen für die

Eigenbedarfstransformatoren:

−=

−min180

11)(

t

etf

−=

−min8

21)(

t

etf min1803 )(

t

etf−

= [4.1]

Mit den angegebenen Standardparametern erfolgen Temperaturabschätzungen für den Betrieb bei

ausschließlicher Wirkleistungslieferung und für den Betrieb mit Bemessungsstrom (Nennbetrieb).

Ausgehend von einem angenommenen stationären Zustand bei Bemessungsstrom mit den

Startwerten ΔΘoi=78 K und ΔΘor=55 K wird mit Gleichung [2.2] der stationäre Zustand für die reine

Wirkleistungs-lieferung, also K=0,95 ermittelt.

Es ergibt sich folgender stationärer Endwert: Θh(t=∞)=92,58°C

Startwerte für die folgende Erwärmungsberechnung sind dann:

ΔΘoi=37,58K ΔΘhi=72,58K

Als stationärer Endwert ergibt sich hier wieder bei Bemessungsstrom der Wert: Θh(t=∞)=98°C.

Der Lebensdauerverbrauch nach Gleichung [3.7] für Isolationspapier beträgt für den ermittelten

stationären Wert von Θh(t=∞)=92,58°C V=0,535.

Bei einem angenommenen Lastwechsel von 12h Bemessungsleistung, 12h reine Wirkleistung ergibt

sich nach Gleichung [3.8] ein spezifische Lebensdauerverbrauch von 0,6425.


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Tabelle 6: Lebensdauerverbrauch / Lebensdauer – Beispiel für angenommene Lastszenarien - EB

STr = Pn 50 % Zeit: STr = Sn ;

50 % Zeit: STr = Pn

STr = Sn

Lebensdauerverbrauch 0,535 0,7675 1

Lebensdauer / Beispiel 42 a 30 a 22,5 a

4.2 Beanspruchung von Stufenschaltern der EB-Transformatoren

Eigenbedarfstransformatoren sind immer dann mit Stufenschaltern ausgeführt, wenn die

Maschinentransformatoren ohne Stufenschalter ausgeführt sind. Die Blindleistungsveränderung eines

Kraftwerksblockes erfolgt in diesem Fall direkt durch die Veränderung der Erregung des Generators.

Damit daraus nicht unzulässige Betriebsspannungen im Eigenbedarfssystem resultieren sind die

Stufenschalter häufig mit automatischen Spannungsreglern versehen, die abhängig von der

auftretenden Eigenbedarfsspannung durch eine Veränderung der Stufenstellung des Stufenschalters

die Eigenbedarfsspannung innerhalb des eingestellten Spannungsbandes halten.

MR als Hersteller für Laststufenschalter empfiehlt für seine Stufenschalterreihe VACUTAP VT als

Inspektionsabstand eine Schaltzahl von 100.000 Schaltungen, bzw. eine Erstinspektion nach 2 Jahren,

abhängig davon was zuerst erreicht wird./5/

Unter Zugrundelegung der Zahl der Eingriffe der Stufenschalter wie bei Maschinentransformatoren

ergibt sich hier ein notwendiger Inspektionszyklus von 8 bis 10 Jahren.

Die in der Praxis durchgeführten Inspektionsintervalle liegen typischerweise zwischen 5 und 7 Jahren.

Es ergibt sich hier also derzeit durch vermehrtes Schalten der Stufenschalter kein erkennbarer

Mehraufwand an Inspektionsleistungen.


16

5. Erregeranlagen

Für Erregeranlagen gilt, dass der Erregerstrom mit der zu liefernden Blindleistung ansteigt. Hierbei

treten proportional zum Quadrat des Erregerstromes die sogenannten Erregerverluste auf. Die

Auswirkungen des erhöhten Erregerstromes auf den Läufer des Synchrongenerators werden in der

Untersuchung Generator betrachtet. Die Auswirkungen auf den Erregertransformator entsprechen

den Mechanismen für die Eigenbedarfstransformatoren, soweit es sich um ölisolierte

Transformatoren handelt.

Alterungsmechanismen für statische Erregereinrichtungen entsprechen üblicherweise den

Alterungsmechanismen von anderen leistungselektronischen Anlagen. Hierbei ist unter der

Randbedingung der Einhaltung der zulässigen Grenztemperaturen für die Halbleiter kein zusätzlicher

Verschleiß zu erwarten.

Bei Ausführungen mit Erregermaschinen ist die Alterung der Isolation von der Ausführung der

Wärmeklasse (früher Isolierstoffklasse) der Erregermaschine abhängig.

Tabelle 6 :Wärmeklassen nach DIN EN 60034-1 /6/ und DIN EN 60085/7/

Wärmeklasse

(Isolierstoffklasse)

Grenztemperatur des

Isolierstoffes [°C]

Grenz-Übertemperatur der

Wicklung [K]

B 130 80

F 155 105

H 180 125

Die Montsinger-Regel besagt für die verwendeten Isolierstoffe, dass abhängig von den verwendeten

Isolierstoffen eine Temperatursteigerung von 8 bis 10 K die Lebensdauer des Isolierstoffes halbiert.

Die veränderten Parameter sind bei der Anwendung der Gleichung [3.8] zu beachten.

Bei der Einteilung der Wärmeklassen ist man von theoretischen Lebensdauern von 20.000 h als

Beurteilungsmaßstab ausgegangen. Hierbei handelt es sich um einen rein theoretischen Wert, der als

Vergleichswert für unterschiedliche Isolierstoffe herangezogen wird.

Bei der typischen Auslegung im Kraftwerk einer Ausführung nach 155 (F) und Ausnutzung nach 130

(B) bedeutet das einen Lebensdauerverbrauch von 0,1767.

Wie im Abschnitt 4.1 behandelt, kann man als Beispiel davon ausgehen, dass die Erregerleistung bei

reiner Wirkleistungslieferung auf 0,75p.u. reduziert wird; das bedeutet, dass der laststromabhängige

Wärmeeintrag in die Wicklung der Erregermaschine sich auf etwa 60% reduziert. Die weiteren

Wärmequellen, wie Eisenverluste, Zusatzverluste und Erregerverluste dieser Maschine sind davon


17

nicht betroffen. Durch eine Abschätzung zur sicheren Seite kann angenommen werden, dass die

Temperatur der Isolation in diesem Belastungsfall nicht über 110°C hinaus ansteigt. Damit ergibt sich

für diesen Belastungsfall ein Lebensdauerverbrauch von 0,0442. Für das betrachtete Lastspiel ergibt

sich damit eine theoretische Lebensdauer von ca. 180.000 h Betrieb mit 100% Blockleistung.

Dieses stellt derzeit keine Einschränkung der Lebensdauer der Erregeranlage dar.

6. Generatorableitung

Generatorableitungen werden durch den höheren Generatorstrom bei Blindleistungslieferung

beansprucht. Generatorableitungen müssen so betrieben werden, dass die zulässige

Leitertemperatur und der zulässige Hüllentemperatur nicht überschritten werden. Dieses wird

einerseits durch den Materialeinsatz und andererseits durch die Kühlung der Generatorableitung

erreicht. Konstruktive Maßnahmen der Gestaltung der stromführenden Leiter verbessern die

Stromtragfähigkeit der Leiter.

Solange die Temperaturgrenzwerte eingehalten werden ist kein erhöhter Verschleiß auf Grund von

Blindleistungslieferung zu erwarten. Um allerdings diese Temperaturgrenzwerte einhalten zu können,

ist ein erhöhter Materialeinsatz für den höheren Strom notwendig.

Als grobe Abschätzung lässt sich hier folgender Ansatz verwenden: 10% höherer Gesamtstrom durch

die Blindleistungslieferung erfordert 10% mehr Materialeinsatz in Hülle und Leiter. Dieser

Materialkostenanteil der Investition kann der Blindleistungslieferung zugeordnet werden.

7. Generatorschalter

Generatorschalter werden durch den höheren Generatorstrom bei Blindleistungslieferung

beansprucht. Da dieser Laststrom weit unterhalb des Schaltvermögens des

Generatorleistungsschalters ist, sind bei Schaltungen des Generatorschalters keine wesentlichen

Verschleiß-Effekte an den Leistungsschalterkontakten durch die Bereitstellung von Blindleistung zu

erwarten.

8. Zusammenfassung

Durch die Lieferung von Blindleistung werden Betriebsmittel von Kraftwerken zusätzlich beansprucht.

Für Maschinentransformatoren und Eigenbedarfstransformatoren zeigt sich ein Einfluss auf die

Lebensdauer der Komponenten. Bei Generatorableitungen ist der Materialeinsatz mit zu betrachten.


18

Die VGB-Arbeitsgruppe hat folgende Tabelle zur Betrachtung der Beanspruchungen durch

Blindleistungslieferung erstellt.

Tabelle 7: Betrachtungsumfang Blindleistung

Bewertungskriterium

Komponente Invest Wartung/IH/Verschleiß Betrieb

Knotenpunkt-

Rechner

X - -

LT / DV-Technik X - -

MT-Stufenschalter X �Betreiber fragen nach Veränderungen des Betriebes vermehrte Stufungen

(Aufzeichnungen aus Wartung)

MT X �Prof. Paetzold untersucht die erhöhte Strombelastung der Wicklungen:

Ergebnis ist Reduzierung der Lebensdauer gegenüber einer Fahrweise ohne

Blindleistungsanforderungsprofil

EBT-Stufenschalter X in Anlehnung an Stufenschalter MT

EB-Trafo (EBT) X in Anlehnung an MT

GAL X - ggf. Kühlanlage:

� Prüfung durch PG-

Mitglieder

GLS X - ggf. Kühlanlage:

� Prüfung durch PG-

Mitglieder

Generator X Sensoplan (z.T., s. a. Tab. 2) Kühlung, ggf. Bewertung

Kaltgastemperatur:

�Prüfung durch GKM +

Vattenfall

Erregermaschine X In Anlehnung an Generator (Übernahme

Ergebnisse von Sensoplan)

Verschleiß Bürsten durch erhöhte

Strombelastung

�GKM

-

Erregertrafo X - -

- Aufwendungen vorhanden; wird jedoch nicht betrachtet, da deren Ermittlung nach Einschätzung durch die PG

nicht im Verhältnis zu einer möglichen Vergütung steht


19

Die Detailbetrachtungen für Generatoren werden durch Sensoplan durchgeführt. Die zusätzlichen

Beanspruchungen von Generatoren durch die Lieferung von Blindleistung sind in Tabelle 8

zusammengefasst.

Tabelle 8: Beanspruchungen von Generatoren durch die Lieferung von Blindleistung

Übererregt, Lieferung induktiver Blindleistung

Stator Rotor

Steigende Verluste durch steigende Ströme Steigende Verluste durch steigende Ströme

Zusätzliche Radialkräfte im Wickelkopf Verstärkte Alterung/Schädigung Hauptisolation

durch steigende Ströme

Steigende Induktion im Aktivteil

Untererregt, Lieferung kapazitiver Blindleistung

Stator Rotor

Steigende Temperaturen und Verluste durch

steigenden Statorstrom

Steigende Kräfte im Wickelkopf

Steigende Temperatur in den Pressplatten

Blindleistungs-Lastwechsel

Zusätzliche Temperaturzyklen führen zu einer Verringerung der Lebensdauer

Ströme in der Dämpferwicklung, Dämpferkäfig bei schnellen Q-Lastwechseln führen zu Schwingungen

Thermische Verformungen einzelner Cu-Leiter im Rotorwickelkopf führen zu lokalen Überhitzungen

Weitere Effekte siehe nachfolgende Abbildung (Folie aus dem KELI-Vortrag von RWE/Siemens)


20

Tabelle 9: Auswirkung flexiblerer Betriebsweise Vergleich indirekt und direkt gekühlter Generatoren/8/

Erhöhte

Netzanforderungen

Physikalische

Auswirkungen

Ausprägung der Zusatzbeanspruchung

Generatorkomponenten Luft

indirekt

Wasser

direkt

Überspannung bei

Unterfrequenz

(1,15UN bei 47,5 Hz)

Hoher Erregerstrom

� hoher magn. Fluss

Blechpaketisolierung gering (1) gering (1)

Schichtbalken im

Blechpaketrücken stark (3) stark (3)

Läuferwicklung stark (3) mittel (2)

Unterspannung bei

Untererregung (hohe

kapazitive Blindleistung)

Hohe magn. Felder in

Blechpaketendzone

Endzähne, Druckfinger,

Druckplatte stark (3) mittel (2)

Ständerwicklung in der

abgetreppten Blechpaketzone stark (3) gering (1)

Hohe Wirkleistungs-

gradienten (0,24PN/min)

Schnelle Änderung der

Wicklungsströme

Komplette Ständerwicklung stark (3) gering (1)

Komplette Läuferwicklung stark (3) gering (1)

Häufige und schnelle

Lastwechsel

Spitzenlastbetrieb

Sehr oft wechselnde

dynamische und

thermo-mechanische

Beanspruchungen

Ständerwicklung, insbes.

Wickelköpfe stark (3) gering (1)

Läuferwicklung, insbes.

Wickelköpfe stark (3) mittel (2)

Hauptstromdurchführungen mittel (2) gering (1)

Kohlebürsten/Schleifringe der

Erregung gering (1) gering (1)

Blechpaketendzonen mittel (2) gering (1)

Tabelle 9 zeigt beispielhaft, dass flexiblere Kraftwerke in Bezug auf Wirk- und

Blindleistungslieferung veränderte technische Ausführungen und Lösungen erfordern. Damit

verändern sich auch die spezifischen Investitionen für die Errichtung einer Erzeugungsanlage.

9. Quellen

/1/ IEC 60076-7 Power Transformers Part 7 Loading guide for Oil-immersed Power Transformers

/2/ Lawrenz, R. Erhöhung der Auslastbarkeit von Transformatoren IEV-Bericht 74-2721-(1986) FE

(Institut für Energieversorgung; KEMA-IEV)

/3/ GEA Produktwerbung „GEA Transformatoröl-Wasserkühler 2014“

http://www.gea-heatexchangers.com/de/produkte/rohrbuendelwaermetauscher/transformatorkuehlsysteme/transformatoroel-wasserkuehler/


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/4/ Laststufenschalter R – Betriebsanleitung - MR Reinhausen Germany 119/04/00/0

/5/ Laststufenschalter VACUTAP VT – Betriebsanleitung – MR Reinhausen Germany 139/01/00/0

/6/ DIN EN 60034-1 Drehende elektrische Maschinen Teil 1 Bemessung und Betriebsverhalten 2004

/7/ DIN EN 60085:2008-08 Elektrische Isolierung – Thermische Bewertung und Bezeichnung

/8/ VGB KELI 2014 Auswirkungen der neuen flexibleren Netzanforderungen auf die zukünftige

Betriebsbeanspruchung der Turbogeneratoren

Stephan Wittner, RWE Technology GmbH, Essen, Jürgen R. Weidner, Siemens AG, Mülheim

/9/ Untersuchung der Verschleißmechanismen bei Blindleistungslastwechseln an Generatoren

08/2014 Abschlussbericht Sensoplan

ergebnisbericht verschleiß elektrischer komponenten bei ... · maximaler Ölpumpenleistung...

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