Aufrufe: 0 Autor: Site-Editor Veröffentlichungszeit: 01.02.2026 Herkunft: Website
Das Stromnetz hängt stark von der Stabilität und Langlebigkeit der Stromverteilungsausrüstung ab. Zu den wichtigsten Vermögenswerten dieser Infrastruktur gehört die Dreiphasen-Öltransformator . Da diese Geräte hohe Spannungen und Ströme verarbeiten, erzeugen sie aufgrund des elektrischen Widerstands und magnetischer Verluste erhebliche interne Wärme. Ohne eine wirksame Wärmeableitungsstrategie würde sich die Isolierung eines dreiphasigen Öltransformators schnell verschlechtern, was zu katastrophalen Ausfällen und weit verbreiteten Stromausfällen führen würde.
ONAN-Kühlung, die für Oil Natural Air Natural steht, ist eine passive Kühlmethode, bei der die Wärme vom Transformatorkern und den Wicklungen durch die natürliche Konvektion des Isolieröls im Tank und die natürliche Zirkulation der Umgebungsluft über den äußeren Kühleroberflächen abgeführt wird. Dieses System erfordert keine externe Stromversorgung für Lüfter oder Pumpen und ist daher die Standardkühllösung für einen Ölverteilungstransformator, der unter mäßigen Lastbedingungen betrieben wird.
Das Verständnis der Nuancen der ONAN-Kühlung ist für Versorgungsingenieure und industrielle Beschaffungsspezialisten von entscheidender Bedeutung. Obwohl es sich um die einfachste Form des Wärmemanagements handelt, beinhaltet sein Design eine komplexe Thermodynamik, um sicherzustellen, dass selbst ein großer dreiphasiger Öltransformator innerhalb sicherer Betriebstemperaturen bleibt. In diesem Leitfaden werden die Mechanik, Vorteile und technischen Spezifikationen von ONAN-Systemen im Vergleich zu intensiveren Methoden, wie sie in einem Oil Natural Air Forced Transformer zu finden sind, untersucht.
Die Quelle der Wärme: Warum müssen Transformatoren gekühlt werden?
ONAN entschlüsseln: Was „Oil Natural Air Natural“ wirklich bedeutet
Die Physik von ONAN: Ein zweistufiger natürlicher Konvektionszyklus
Schlüsselkomponenten eines ONAN-Kühlsystems
ONAN im Kontext: Vergleich mit Zwangskühlungsmethoden
Anwendungen und Einschränkungen der ONAN-Kühlung
Abschluss
Transformatoren müssen gekühlt werden, da elektrische und magnetische Verluste Wärmeenergie erzeugen, die die innere Isolierung beschädigen kann. Ein effizientes Kühlsystem stellt sicher, dass ein dreiphasiger Öltransformator innerhalb seiner thermischen Klassengrenzen arbeitet, um seine Lebensdauer zu maximieren.
Die Wärmeerzeugung in einem dreiphasigen Öltransformator stammt hauptsächlich aus zwei Quellen: Kupferverlusten und Eisenverlusten. Kupferverluste, auch als I^2R$-Verluste bekannt, treten auf, wenn Strom durch die Wicklungen fließt und Wärme proportional zum Quadrat des Stroms erzeugt. Bei einem Ölverteilungstransformator schwanken diese Verluste mit der elektrischen Last. Eisenverluste bzw. Kernverluste entstehen durch Hysterese und Wirbelströme im Magnetkern und sind unabhängig von der Belastung relativ konstant.
Wenn diese Wärme nicht abgeführt wird, steigt die Temperatur der Papierisolierung und des dielektrischen Öls. Die Standardtransformatorisolierung ist für den Betrieb bei bestimmten Temperaturen ausgelegt; Eine Überschreitung dieser Grenzwerte um nur wenige Grad kann die Lebenserwartung der Isolierung halbieren. In einem dreiphasigen Öltransformator fungiert das Kühlsystem als primärer Schutz gegen diese thermische Alterung und hält die „Hot-Spot“-Temperatur auf einem sicheren Niveau.
Darüber hinaus ist das Wärmemanagement eine Frage der Sicherheit. Übermäßige Hitze kann dazu führen, dass das Öl ausläuft Ölgetauchter Verteilungstransformator, der ausfällt und brennbare Gase erzeugt. Eine effiziente Kühlung stellt sicher, dass der Innendruck stabil bleibt und die physische Integrität des Tanks nicht durch Wärmeausdehnung beeinträchtigt wird. Dies macht die Kühlmethode zu einem grundlegenden Konstruktionsparameter für jeden dreiphasigen Öltransformator.
ONAN steht für „Oil Natural Air Natural“, eine Klassifizierung, bei der sowohl das interne Kühlmedium (Öl) als auch das externe Kühlmedium (Luft) durch natürliche Konvektion ohne die Hilfe mechanischer Geräte wie Pumpen oder Lüfter zirkulieren.
Das „O“ in ONAN bezieht sich auf das Mineralöl oder den synthetischen Ester, der im Dreiphasen-Öltransformator verwendet wird . In dieser Konfiguration ist das Öl „natürlich“, was bedeutet, dass es sich aufgrund des Auftriebs bewegt – heißes Öl steigt zur Oberseite des Tanks, während kühleres Öl sinkt. Diese interne Bewegung ist für einen ölgeschützten Verteilungstransformator von entscheidender Bedeutung , da sie die Wärme vom Kern und den Wicklungen weg zu den Tankwänden und Heizkörpern transportiert.
Das „A“ bezieht sich auf die Umgebungsluft, die das Gerät umgibt. Die „natürliche“ Luftkühlung bedeutet, dass die Wärme von den Kühleroberflächen ausschließlich durch die natürliche Luftbewegung an die Atmosphäre übertragen wird. Wenn sich die Luft in der Nähe der Kühlerlamellen erwärmt, wird sie weniger dicht und steigt auf, sodass kühlere Luft von unten einströmen kann. Dieser Prozess ist für einen dreiphasigen Öltransformator äußerst zuverlässig , da er nicht auf elektrische Energie zur Kühlung angewiesen ist.
Während ein Oil Natural Air Forced Transformer (ONAF) Lüfter hinzufügt, um diese Luftbewegung zu erhöhen, wird das ONAN-System für seine Einfachheit und wartungsfreie Kühlung geschätzt. Bei vielen Umspannwerksanwendungen kann ein ölgeschützter Verteilungstransformator mit einer Nennleistung von bis zu 30 MVA nur mit ONAN-Kühlung effizient arbeiten, vorausgesetzt, die Kühleroberfläche wird während der Konstruktionsphase korrekt berechnet.
Der ONAN-Kühlprozess basiert auf einem zweistufigen thermodynamischen Zyklus, der den Thermosiphoneffekt im Inneren des Dreiphasen-Öltransformators und die externe Konvektion von Luft über den Kühlerlamellen umfasst.
In der ersten Stufe wird die von den Wicklungen erzeugte Wärme an das Öl übertragen. Mit steigender Öltemperatur nimmt seine Dichte ab. Dadurch entsteht ein Druckunterschied, der das heiße Öl nach oben treibt. In einem Dreiphasen-Öltransformator erzeugt dieser „Thermosiphon“-Effekt eine kontinuierliche Schleife. Das heiße Öl gelangt oben in die Kühler, gibt Wärme an die Atmosphäre ab, wird dichter und kehrt zum Boden des Transformatorkessels zurück, um den Zyklus erneut zu beginnen.
Die zweite Stufe findet an der Grenzfläche zwischen den Metallstrahlern und der Atmosphäre statt. Der Wirkungsgrad eines Ölverteilungstransformators hängt in dieser Phase von der Gesamtoberfläche ab, die der Luft ausgesetzt ist. Ingenieure müssen die Kühlerlamellen so konstruieren, dass sie einen maximalen Luftstrom ermöglichen. Da es sich um einen „natürlichen“ Prozess handelt, wird die Wärmeableitungsrate direkt von der Umgebungstemperatur und der physischen Platzierung des dreiphasigen Öltransformators beeinflusst.
Im Vergleich zu einem Öl-Lufttransformator ist der natürliche Zyklus langsamer. Es ist jedoch von Natur aus selbstregulierend. Wenn die Belastung des Dreiphasen-Öltransformators zunimmt und mehr Wärme erzeugt wird, erhöht sich der Temperaturgradient zwischen Öl und Luft, was die Konvektionsströme natürlich beschleunigt. Diese thermische Trägheit ist ein Schlüsselmerkmal des Öl-Verteilungstransformators.
Ein ONAN-Kühlsystem besteht aus speziellen Komponenten, darunter Kühlerbänke, Kühlrippen und ein Ausdehnungsgefäß, die alle darauf ausgelegt sind, die natürliche Bewegung von Öl und Luft in einem dreiphasigen Öltransformator zu ermöglichen.
Die sichtbarsten Komponenten eines Ölverteilungstransformators sind die Heizkörper. Dabei handelt es sich häufig um große Reihen gepresster Stahllamellen oder -rohre. Ihr Zweck besteht darin, eine größtmögliche Oberfläche für den Wärmeaustausch bereitzustellen. Bei einem mit hoher Kapazität dreiphasigen Öltransformator sind diese Heizkörper abnehmbar, um den Transport zu erleichtern, und können erweitert werden, wenn sich die thermischen Anforderungen ändern.
Im Inneren des Tanks sind Leitbleche und Kühlkanäle strategisch innerhalb der Wicklungen des Dreiphasen-Öltransformators platziert . Diese Kanäle sorgen dafür, dass das Öl direkt über die heißesten Stellen der Kupferspulen fließt. Ohne diese präzise konstruierten Pfade könnte es bei einem Ölverteilungstransformator zu örtlich begrenzten „Hot Spots“ kommen, die der natürliche Ölkreislauf nicht erreichen kann, was zu einem vorzeitigen Isolationsversagen führen würde.
Der Ausgleichsbehälter ist eine weitere wichtige Komponente. Da sich das Öl in einem Dreiphasen-Öltransformator während des ONAN-Prozesses erwärmt, dehnt es sich aus. Der Konservator bietet Platz für diese Erweiterung und hält gleichzeitig den Haupttank vollständig mit Öl gefüllt. Dies verhindert die Bildung von Lufteinschlüssen, die den natürlichen Konvektionszyklus beeinträchtigen könnten, der für einen Ölverteilungstransformator erforderlich ist.
Während ONAN die grundlegende Kühlmethode für einen Dreiphasen-Öltransformator ist, wird es oft mit ONAF- und OFAF-Systemen verglichen, die Druckluft oder Zwangsöl verwenden, um die Leistungsdichte und Kühlrate zu erhöhen.
| Kühltyp | Internes Medium | Externes Medium | Bewegungstyp | Leistungsbedarf |
| ONAN | Öl | Luft | Natürlich/Natürlich | Null |
| ONAF | Öl | Luft | Natürlich/Zwangsweise | Niedrig (Lüfter) |
| OFAF | Öl | Luft | Gezwungen/gezwungen | Hoch (Pumpen/Lüfter) |
Wie in der Tabelle gezeigt, dient der Oil Natural Air Forced Transformer (ONAF) als Mittelweg. Durch das Hinzufügen von Ventilatoren zu einem Dreiphasen-Öltransformator mit ONAN-Bewertung kann die Leistungskapazität oft um 25 % bis 33 % erhöht werden. Dies liegt daran, dass die Zwangsluft die Wärme viel schneller von den Heizkörpern abführt als die natürliche Konvektion. Allerdings erfordert das ONAF-System elektrische Energie und Steuerschaltungen, wodurch es komplexer ist als ein standardmäßiger Öl-Verteilungstransformator.
Die Wahl zwischen ONAN und einem Oil Natural Air Forced Transformer hängt oft vom Lastprofil ab. Wenn bei einem dreiphasigen Öltransformator hohe Spitzenlasten, aber niedrige Durchschnittslasten auftreten, ist ein ONAF-System mit Ventilatoren, die nur bei Spitzenlasten einschalten, ideal. Für eine stabile und zuverlässige Verteilung bleibt der einfache ONAN- Ölverteilungstransformator aufgrund seiner geringeren Betriebskosten und des Fehlens beweglicher Teile der Favorit der Branche.
Bei sehr großen Leistungstransformatoren reicht möglicherweise sogar ONAF nicht aus. In diesen Fällen kommt die erzwungene Ölzirkulation (OFAF) zum Einsatz. Aber für die überwiegende Mehrheit der Dreiphasen-Öltransformatoren , die in städtischen und industriellen Netzen eingesetzt werden, bietet die ONAN-Methode die perfekte Balance aus Effizienz und Haltbarkeit.
Die ONAN-Kühlung eignet sich ideal für mittelgroße Verteilungsnetze und abgelegene Umspannwerke, in denen der Wartungszugang begrenzt ist, allerdings ist sie durch die geringere Wärmeableitungsrate im Vergleich zu einem Öl-Luft-Umspanntransformator eingeschränkt.
Der Ölverteilungstransformator verwendet fast ausschließlich ONAN-Kühlung. in Wohnvierteln und kleinen Industrieparks zu findende Sein geräuschloser Betrieb ist in besiedelten Gebieten ein großer Vorteil. Darüber hinaus bietet der an abgelegenen Standorten, an denen keine Hilfsstromversorgung für Lüfter verfügbar ist, dreiphasige Öltransformator mit ONAN-Kühlung eine „Einrichten und Vergessen“-Lösung, die mit minimalem Eingriff 30 bis 40 Jahre lang halten kann.
Die Leistung eines ONAN-gekühlten Dreiphasen-Öltransformators hängt stark von der Umgebung ab. In extrem heißen Klimazonen sinkt die Kühlleistung, da der Temperaturunterschied zwischen Öl und Umgebungsluft geringer ist. In solchen Fällen könnte ein Transformator, bei dem es sich normalerweise um eine ONAN-Einheit handelt, zu einem Oil Natural Air Forced Transformer aufgerüstet werden , um einfach die Umgebungswärme zu bewältigen, selbst wenn die elektrische Last Standard ist.
Eine wesentliche Einschränkung von ONAN ist die physische Größe. Um große Wärmemengen auf natürliche Weise abzuleiten, dreiphasiger Öltransformator sehr große Heizkörper. benötigt ein Dadurch erhöhen sich das Gewicht und die Stellfläche des Öl-Verteilungstransformators . Wenn der Platz in einem Umspannwerk knapp ist, können sich Ingenieure für einen Oil Natural Air Forced Transformer entscheiden , da die Lüfter es kleineren Kühlern ermöglichen, die gleiche Menge an Kühlarbeit zu leisten.
Der dreiphasige Öltransformator bleibt das Rückgrat der modernen Stromverteilung, und das ONAN-Kühlsystem ist die zuverlässigste Wärmemanagementmethode. Durch die Nutzung der Grundgesetze der Physik – Auftrieb und Konvektion – ermöglicht das ONAN-System einem Ölverteilungstransformator , seine eigene Temperatur zu regulieren, ohne dass externe Stromversorgung oder komplexe mechanische Teile erforderlich sind. Diese Einfachheit spiegelt sich direkt in der jahrzehntelangen Zuverlässigkeit wider, die die Energiewirtschaft verlangt.
Während intensivere Systeme wie der Oil Natural Air Forced Transformer in Umgebungen mit hoher Kapazität oder beengten Platzverhältnissen ihre Berechtigung haben, ist die ONAN-Methode weiterhin der Goldstandard für die meisten Verteilungsanwendungen. Ganz gleich, ob es sich um einen kleinen Öl-Verteilungstransformator handelt, der eine ländliche Gemeinde versorgt, oder um einen größeren dreiphasigen Öl-Transformator in einer Industrieanlage, der „natürliche“ Kühlansatz bietet eine robuste, leise und wartungsfreie Lösung.
Während wir uns auf eine stärker elektrifizierte Zukunft zubewegen, wird sich die Technik hinter dem dreiphasigen Öltransformator weiterentwickeln. Die Kernprinzipien der ONAN-Kühlung bleiben jedoch ein wesentlicher Bestandteil der Netzstabilität und stellen sicher, dass unsere Strominfrastruktur unter Druck kühl bleibt.
