Lebensdauer eines Transformators
In technischen Anlagen ist die Lebensdauer eines Geräts ein wichtiger Faktor. Ziel ist eine möglichst lange Lebensdauer zu erzielen. Einerseits bedeutet das, dass man das Gerät oder die Komponente nicht ersetzen muss und andererseits ist es auch aus wirtschaftlicher Sicht besser, da ein neues Gerät immer eine Investition bedeutet. Jedoch nur eine lange Lebensdauer allein reicht nicht, zusätzlich muss die Komponente gewisse Kriterien erfüllen, um eine gute Perfomance zu gewährleisten.
In diesem Blog wird die Lebensdauer von Transformatoren und deren Faktoren beschrieben und erläutert.
Dalia Rico
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Was bedeutet Lebensdauer?
Die Lebensdauer eines Transformators ist die prognostizierte Zeit, in der der Trafo bei normaler Betriebsbedingung funktionieren kann, bevor eine signifikante Verschlechterung seiner Leistung oder ein Ausfall auftritt. Die Lebensdauer eines Transformators hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel die Qualität der verwendeten Materialien, der Betriebsbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit, der Art der Belastung, sowie die Wartung und Reparatur des Transformators.
Um die Lebensdauer zu verstehen, kann auch von der Nutzungsdauer gesprochen werden. Die Nutzungsdauer hängt von der Anwendung, Abnutzung und dem endgültigen Verschleiss ab. Ausserdem beruht sie auf einer Schätzung. Die Nutzungsdauer eines Produktes, kann durch Instandhaltung, Reparatur oder regelmässige Wartung verlängert werden.
Die tatsächliche Nutzungsdauer ist von diversen Kriterien abhängig, wie:
- Baustoffqualität
- Ausführungsqualität
- Natürliche Einflussfaktoren
- Menschliche Einflussfaktoren
- Beziehungen zwischen Bauelementen
- Instandhaltung
Haltbarkeit
«Die Fähigkeit eines Produkts, seine erforderliche Funktion über einen längeren Zeitraum unter normalen
Verwendungsbedingungen ohne übermässigen Aufwand für Wartung oder Reparatur auszuführen.»
- Cooper
Was die Lebensdauer beeinflusst
Die Lebensdauer eines Transformators wird von verschiedenen Charakteristiken beeinflusst.
In der Elektrobranche sind folgende die Haupt-Charakteristiken:
- Zuverlässigkeit
- Sicherheit
- Effizienz
- Belastbarkeit
Alle Charakteristiken beeinflussen die Lebensdauer unterschiedlich. Wenn eine nicht mehr garantiert werden kann, dann darf das Gerät nicht weiter benutzt werden.
Die Zuverlässigkeit eines Transformators bezieht sich auf seine Fähigkeit, eine konstante und qualitativ hochwertige Leistung über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten, ohne Ausfälle oder unvorhergesehene Probleme zu verursachen. Ein zuverlässiger Transformator ist wichtig, um eine kontinuierliche und stabile Stromversorgung zu gewährleisten und Betriebsstörungen, sowie Schäden an der Ausrüstung oder Anlagen zu vermeiden.
Die Zuverlässigkeit wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, wie beispielsweise der Konstruktion. Wenn hochwertige Materialien verwendet werden und bei der Konstruktion auf eine genaue und saubere Ausführung geachtet wird, wirkt sich das positiv auf die Zuverlässigkeit des Transformators aus.
Die Belastbarkeit eines Transformators bezieht sich auf seine Fähigkeit, einen bestimmten Laststrom oder eine bestimmte Leistung über einen längeren Zeitraum zu liefern, ohne dabei zu überhitzen oder beschädigt zu werden. Die Belastbarkeit hängt von der Konstruktion des Transformators und der Qualität der Materialien ab, aus denen er hergestellt wird.
Zudem ist die Belastbarkeit stark mit der Zuverlässigkeit verknüpft. Wenn ein Transformator überlastet wird, kann dies zu einer Überhitzung und zu Schäden führen, was die Zuverlässigkeit des Trafos beeinträchtigen kann.
Das bedeutet, der Transformator sollte in der Lage sein unter kurzweiligen abnormalen Umständen die gewünschte Leistung zu erbringen. Kurzweilige abnormale Umstände, sind Zustände, die bei einem Transformator auftreten können, aber nur von kurzer Dauer sind. Beispiele für abnormale Umstände sind Überlastungen, Kurzschlüsse, Spannungseinbrüche, Fehlfunktionen der Schutzgeräte und hohe Umgebungstemperaturen, die zur Überhitzung des Transformators führen, wenn keine Massnahmen ergriffen werden.
Sicherheit beschreibt, dass das Gerät zuverlässig und reibungslos arbeitet und es keine Gefahr für die Natur, Menschen und deren Umgebung darstellt. Zusätzlich bedeutet es auch, dass die Wartung ohne Gefährdung durchgeführt werden kann. Wichtige Massnahmen, um die Sicherheit zu gewährleisten sind Schutzschaltungen und Erdung einzubauen. Die Wahl der richtigen Isolation, wie auch für eine Wärmeableitung oder Kühlung zu sorgen erhöht die Sicherheit eines Transformators. Die allerhöchste Sicherheit kann durch eine brandhemmende Konstruktion gewährleistet werden, die im schlimmsten Fall auch die Ausbreitung von Feuer verhindert. Die aufgeführten Punkte sind gültig für den normalen und kurzzeitig überlastenden Betrieb.
Effizienz ist ein Mass dafür, wie gut ein System oder Prozess arbeitet, um ein bestimmtes Ziel mit den verfügbaren Ressourcen zu erreichen. Eine hohe Effizienz bedeutet, dass das System oder der Prozess wenig Ressourcen verschwendet und das gewünschte Ergebnis mit minimalen Verlusten erzielt werden kann.
Ein effizienter Transformator sollte auch mit zunehmendem «Alter» nur minimal von der Ausgangseffizienz abweichen. Anders gesagt, soll der Wirkungsgrad immer noch möglichst hoch sein und die Verlustleistungen mit zunehmendem Alter nur minimal zunehmen.
Mehr über die Effizienz eines Transformators können Sie im Blog «Transformator – Wie Sie Kosten sparen und Effizienz gewinnen» lesen.
Das sind die Anforderungen, die ein Transformator erfüllen muss. Nun gilt es den Transformator möglichst effizient zu nutzen, ohne seine Lebensdauer zu beeinträchtigen. Im Folgenden werden verschiedene Umstände beschrieben, die dem Transformator schaden, wenn sie längerfristig auftreten.
Die Betriebstemperatur beeinflusst die Lebensdauer eines Transformators
Im Normalfall beträgt die Lebensdauer eines Transformators so etwa 30 Jahre, vorausgesetzt er wird unter normalen Bedingungen betrieben. Die Lebensdauer lässt sich durch verschiedene Faktoren beeinflussen. In diesem Abschnitt wird der Faktor der Betriebstemperatur beschrieben.
Die kostengünstigste Lösung bedeutet oft, dass das Produkt an der oberen Grenze der zulässigen Betriebstemperatur betrieben wird, weil günstigere Materialien verwendet werden. Grundsätzlich steigen die Verluste minimal mit längerer Betriebszeit. Verluste führen zu Erwärmungen und somit zu einer höheren Betriebstemperatur.
Eine höhere Betriebstemperatur entsteht, wenn der Transformator überlastet wird. Dies kann geschehen, wenn der Transformator für eine niedrigere Leistung ausgelegt ist als diejenige, die von der angeschlossenen Maschine bezogen wird.
In den meisten Fällen wird zwischen dem Transformator und der angeschlossenen Maschine eine Sicherung eingebaut. Sollte jetzt die Maschine mehr Strom über den Transformator anzapfen wollen, als die Sicherung zulässt, springt sie raus. Dem Transformator hingegen geschieht nichts.
Wenn jedoch keine Sicherung eingebaut wurde und der Transformator überlastet wird, dann überhitzt er. Sobald eine gewisse Temperatur erreicht wird, brennt der Transformator durch. Das heisst die Isolation im Transformator verbrennt und verursacht einen Kurzschluss. Wo der Grenzwert für die Erhitzung liegt, wird durch die Isolation bestimmt. Einige Isolierungsmaterialien kommen mit höheren Temperaturen besser klar als andere.
Eine höhere Temperatur verkürzt die Lebensdauer, da der Arbeitspunkt des Transformators nicht der Optimale ist. Deswegen kann eine kontinuierlich hohe Temperatur eine Reduzierung der Lebenszeit zur Folge haben. Vor allem, wenn die Verluste zu einer Temperatur führen, die höher als die zulässige Maximaltemperatur ist. Um dies zu vermeiden, spielt die Kühlung eine wichtige Rolle.
Wie ein Transformator gekühlt wird
Die Kühlung eines Transformators ist notwendig, um eine Überhitzung des Geräts zu vermeiden und eine effiziente Leistung zu gewährleisten. Es gibt verschiedene Methoden der Kühlung, die je nach Größe und Art des Transformators verwendet werden können. Die Methoden werden in natürliche und Fremdkühlung unterteilt.
Die natürliche Kühlung, auch als Konvektionskühlung bezeichnet, nutzt die natürliche Strömung von Luft durch die Kühlrippen des Transformators, um Wärme abzuführen. Diese Art der Kühlung wird typischerweise bei kleineren Transformatoren eingesetzt und erfordert keine zusätzlichen Kühlsysteme, wie Lüfter oder Pumpen. Der Nachteil der natürlichen Kühlung ist, dass sie bei höheren Leistungen nicht ausreichend effektiv ist.
Die Fremdkühlung, auch als erzwungene Kühlung bezeichnet, ist eine Art der Kühlung, bei der ein Kühlmittel, wie Luft oder Wasser, gezielt durch den Transformator gepumpt wird, um die Wärme abzuführen. Fremdkühlung wird typischerweise bei größeren Transformatoren eingesetzt, da sie eine höhere Kühlleistung als die natürliche Kühlung bietet. Es gibt verschiedene Methoden der Fremdkühlung, wie z.B. Luft-, Öl- oder Wasserkühlung, die je nach Anwendung eingesetzt werden können.
Beide Arten der Kühlung haben ihre Vor- und Nachteile und werden je nach Größe, Leistung und Anwendung des Transformators ausgewählt. Die Wahl der richtigen Kühlungsmethode ist wichtig, um eine effiziente Leistung und eine lange Lebensdauer des Transformators zu gewährleisten.
Wie Bächli die Kühlung in ihren Transformatoren gewährleistet
Bei Bächli haben viele Modelle Luftkanäle zwischen den Windungen, sodass natürliche Kühlung stattfinden kann. Zudem wird der Kern auch passiv gekühlt, da es Stellen gibt, die frei zur Luft sind. Das bedeutet, dass die Stelle von keinem anderen Material überdeckt wird und die Luft direkt an den Kern des Transformators herankommt.
Bei speziellen Anwendungen werden Lüfter eingesetzt, um sicher zu stellen, dass weder Windung noch Kern überhitzen. Dabei wird die Kühlleistung so dimensioniert (berechnet), dass es ökonomisch die beste Lösung ist.
Geringere Verluste und eine hohe Effizienz führen zu einer längeren Lebenszeit, da es weniger Erwärmung gibt. Grössere Transformatoren werden mit Temperatursensoren ausgestattet, damit die Temperatur überwacht wird und man rechtzeitig bei Überlastung des Transformators Gegenmassnahmen ergreifen kann.
Im Fall einer hohen Überhitzung, muss der Transformator ausgeschaltet werden, so können grössere Schäden vermieden werden. Um zu sehen, ob bereits Schäden entstanden sind, muss der Transformator anschliessend analysiert werden.
Sind die Schäden bei der Sichtkontrolle feststellbar, ist das oft ein schlechtes Zeichen. Ansonsten wird eine elektrische Prüfung durchgeführt, um zu sehen, ob der Transformator noch die Ursprungsspannung besitzt. Weiter kann die Hochspannung, Kurzschluss und der Verbrauch gemessen werden, um das reibungslose Laufen des Transformators sicher zustellen. Zum Schluss noch die mechanische Nachmessung, um zu sehen, ob sich das Material bei der Erhitzung verbogen hat.
Somit wird ersichtlich, wenn ein Transformator lange Zeit überlastet wird, führt das zu schädlichen Folgen. Doch nicht nur die Überlastung, welche zu hohen Betriebstemperaturen führt, beeinträchtigt die Lebensdauer, sondern auch das Wetter kann Einfluss auf die Lebensdauer nehmen.
Das Wetter kann die Lebensdauer eines Transformator beeinflussen
Ein ebenso entscheidender Faktor, wie die Betriebstemperatur, ist das Wetter. Durch Feuchtigkeit, Kälte, Hitze oder Eis können vor allem draussen installierte Transformatoren stark beeinflusst werden. Die Wahl der Materialien und der Ort der Installation kann so ausschlaggebend sein. Feuchtigkeit kann ausserdem zu einer höheren Wahrscheinlichkeit eines Durchschlags führen. Allgemein erfüllen alle Bächli Transformatoren die grundlegenden Normen, die Wetterbedingungen berücksichtigen und Vorgaben zur Betriebstemperatur, Isolation, Testspannungen etc. vorgeben.
Dennoch können extreme Wettersituationen, wie anhaltende Kälte oder Monsunregen, etc. die Lebensdauer eines Transformators verkürzen. Da ist auch der Ort der Installation entscheidend. Durch einen geschützten Ort, kann schon viel Vorsorge getroffen werden.
Grundsätzlich kann gesagt werden, was andere technische Produkte nicht mögen, mag auch ein Transformator nicht. Elektronik und Wasser vertragen sich nicht genau so wenig, wie die Technik keine übermässige Hitze verträgt. Wer einen Transformator mit einer langen Lebensdauer will, der auch nach 30 Jahren immer noch einsatzfähig ist, sollte daher darauf achten, dass die empfohlene Betriebstemperatur nicht überschritten wird.
Wer bereits im Vorhinein weiss, dass sein Transformator der Witterung trotzen muss, kann das bei der individuellen Planung ansprechen und es können witterungsfeste Materialien oder feuchtigkeitsabweisende Materialien verwendet werden. Hierbei kann das Gehäuse entscheidend sein.
Neben den verschiedenen Umständen, welche die Lebensdauer beeinflussen, gibt es auch verschiedene Wege die Lebensdauer oder den Zeitpunkt des Ersatzes eines Transformators zu bestimmen. Dies wird in folgenden Abschnitten näher erläutert.
Ökonomische Aspekt der Lebensdauer
Die Lebensdauer eines Transformators ist ein wichtiger ökonomischer Faktor, da die Kosten für Wartung, Reparatur oder Ersatz erheblich sein können. Wie im Verlauf des Blogs ersichtlich wurde, wird die Lebensdauer des Transformators von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Weil ein Transformator, verglichen mit anderen Komponenten eine sehr lange Lebensdauer aufweist, gibt es verschiedene Strategien die Wartung und/oder Ersetzung zu planen.
Eine mögliche Strategie, ist die zeitbasierte Strategie. Diese basiert auf einer vorher festgelegten Lebensdauer, nach deren Ablauf der Transformator ersetzt wird.
Diese Strategie geht davon aus, dass ein Transformator nach einer bestimmten Zeit seine maximale Lebensdauer erreicht hat und dass seine Wartung oder Reparatur nicht mehr effektiv oder wirtschaftlich ist.
Die zeitbasierte Strategie wird häufig dann eingesetzt, wenn nur eine geringe Anforderung oder eine kurze Lebensdauer von Transformator erwartet wird. Die Umsetzung dieser Strategie ist einfach und kosteneffektiv, da keine Wartungen anfallen und der Transformator nach Ablauf der Zeit einfach ersetzt wird, unabhängig davon, ob er noch voll funktionstüchtig ist oder nicht.
Währenddessen, basiert die Zustand basierte Strategie auf dem tatsächlichen Betriebszustand des Transformators. Hierbei wird der Transformator regelmässig überwacht, um den optimalen Zeitpunkt für eine Reparatur oder einen Ersatz zu bestimmen.
Mithilfe von Sensoren und Überwachungssystemen, können die Daten über den Zustand gesammelt und analysiert werden. Weichen diese Werte von den Normalwerten ab, muss dann entschieden werden, ob der Transformator repariert oder ersetzt werden soll. Diese Entscheidung kann auch unter Berücksichtigung von Faktoren, wie den Kosten für eine Reparatur oder einen Ersatz, der Verfügbarkeit für Ersatzteile und der Ausfallzeit getroffen werden.
Diese Strategie, ermöglicht eine gezielte Wartung oder Reparatur und hilft dabei die Lebensdauer eines Transformators zu verlängern. Sie kann bei Transformatoren mit einer höheren Lebensdauer und höheren Anforderungen eingesetzt werden, um ein reibungsloses Laufen zu gewährleisten und ungeplante Ausfallzeiten zu minimieren.
Bei der risikobasierten Strategie wird das Risiko eines Transformatorenausfalls bewertet. Um eine Risikoanalyse zu erstellen, werden verschiedene Faktoren berücksichtig.
Anhand dieser Analyse wird dann eine Prioritätsliste erstellt, welche die Risiken für einen Ausfall des Transformators in absteigender Reihenfolge sortiert. Je höher das Risiko in der Liste steht, desto dringender ist eine Wartung oder Reparatur nötigt.
Diese Strategie wird oftmals bei kritischer Anwendung eingesetzt, bei denen die Kosten für einen Ausfall des Transformators sehr hoch sind. Durch die Verwendung einer risikobasierten Strategie kann das Risiko eines Ausfalls minimieren und gleichzeitig können die Wartungskosten optimiert werden.
Die letzte Strategie, die in diesem Blog vorgestellt wird, ist die lebenszyklusbasierte Strategie. Sie basiert auf einer Kombination von bereits vorhandenen Daten und Prognosen für die Zukunft. Anhand dieser Daten wird dann eine Prognose bezüglich der zukünftigen Leistung des Transformators erstellt. Eingeschlossen sind auch die Erwartugen an die Lebensdauer und die Wahrscheinlichkeit für Ausfälle.
Im Gegensatz zur zeitbasierten Strategie, berücksichtigt die lebenszyklusbasierte Strategie auch den tatsächlichen Zustand und die Erfahrungswerte des Transformators. Auf diese Weise kann eine bessere Entscheidung über den Zeitpunkt und die Art des Ersatzes getroffen werden, um die Gesamtbetriebskosten zu minimieren.
Die lebenszyklusbasierte Strategie erfordert jedoch eine umfassende Datensammlung und -analyse, um eine genau Prognose und daraus fundierte Entscheidung treffen zu können.
In den meisten Fällen wird die lebenszyklusbasierte Strategie angewendet. Die Erfahrungswerte zeigen, dass Transformatoren oftmals sogar länger als 35 Jahre ohne Zwischenfälle im Einsatz sein können. Das grösste Risiko hierbei ist die Wärme, die aus einer Überlastung entsteht. Dass Isolationsmaterial wird bei erhöhter Temperatur spröde und das Risiko für einen Brand steigt.
Um die lange Lebensdauer eines Transformators voll auszunutzen und unnötige Wartungen oder Reparaturen zu vermeiden, hilft es zu wissen, was die Lebensdauer negativ beeinflusst und diese Faktoren wenn möglich zu vermeiden. Auch eine frühzeitige Planung für den Ersatz ist wichtig, besonders wenn es kein Standardtransformator ist. Dieser Blog hat einige mögliche Strategien dazu aufgeführt, jedes Anwendungsfeld bringt ihre bevorzugte Strategie mit.
