Forschungsverbund „Umweltverträglichkeit von Transformatorölen – alternative Isolierflüssigkeiten (UMTRIS)“

Das bayerisch-tschechische Verbundprojekt „UMTRIS“ testete alternative Transformatoröle auf deren elektrothermische Eignung zum Ersatz von Mineralölen. Kooperationspartner waren dabei die Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg, die Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden, die Westböhmische Universität in Pilsen (ZČU) sowie die Tschechische Technische Universität in Prag (ČVUT).

Transformatoren nehmen in der Energiewende eine Schlüsselfunktion ein, ihre sichere Betriebsweise ist eine Grundvoraussetzung für die störungsfreie Versorgung mit Elektroenergie. In den derzeit eingesetzten Transformatoren wird zur elektrischen Isolierung und zur Wärmeabfuhr vorzugsweise Mineralöl verwendet. Neben vielen Vorteilen ist damit allerdings ein entscheidender Nachteil verbunden, das Mineralöl ist nicht biologisch abbaubar und somit nicht umweltverträglich. Im Hinblick auf eine nachhaltige Energieversorgung und aus ökologischer Sicht ist daher das bisher verwendete Mineralöl durch alternative Flüssigkeiten zu ersetzen. Für eine breite Anwendung solcher Flüssigkeiten in Transformatoren fehlen jedoch neben Betriebserfahrungen vor allem auch wissenschaftlich-technische Grundlagen.

Diesem Ziel widmete sich ein Team um Prof. Dr.-Ing. Oliver Brückl vom Regensburg Center of Energy and Resources (RCER) der OTH Regensburg mit dem Projekt „Umweltverträglichkeit von Transformatorölen – alternative Isolierflüssigkeiten“, kurz UMTRIS. Die Zusammenarbeit der vier Forschungseinrichtungen wurde für die Dauer von drei Jahren von der Bayerisch-Tschechischen Hochschulagentur mit einer Gesamtsumme von 360.000 Euro gefördert. Projektstart war im Mai 2017.

Als Alternative zu Mineralölprodukten standen bei UMTRIS natürliche Ester-Öle im Fokus. „Es hat sich gezeigt, dass die bisher bekannten Eigenschaften von Ester-Ölen für die Sicherheit des Transformatorenbetriebs nicht ausreichend sind“, erklärte Prof. Dr.-Ing. Oliver Brückl zum Start des Forschungsverbunds. Dies erforderte detaillierte Untersuchungen, bei denen biologisch abbaubare Varianten im Mittelpunkt standen. Deren Eigenschaften sollten im technischen Anwendungsfall des Trafobetriebs verifiziert werden.

Im Rahmen des Projektes fand ein stetiger Datenaustausch der ermittelten Parameter hinsichtlich Analysen und Messungen statt. Die Westböhmische Universität Pilsen und die Technische Universität Prag führten in enger Abstimmung die Untersuchungen zum Durchschlags- und Teilenladungsverhalten der Öle durch, diese wurden dann an der OTH Amberg-Weiden hinsichtlich ihrer chemischen Eigenschaften analysiert. Zudem wurde anhand dieser Messwerte an der OTH Regensburg an den Simulationen zum thermischen Alterungsverhalten geforscht. 

Während der Projektlaufzeit haben sich die Projektpartner regelmäßig gegenseitig zu Projekttreffen eingeladen, bei welchen die beteiligten Forschungseinrichtungen ihre Zwischenergebnisse präsentierten. Außerdem wurden die nächsten Schritte zur Untersuchung der Transformatoröle und deren Belastbarkeit gemeinsam erarbeitet und Möglichkeit des Verlängerns der Zusammenarbeit diskutiert 

Der breiten Öffentlichkeit wurde das Projekt in zwei Vorträgen bei der Veranstaltung „NACHT.SCHAFFT.WISSEN“ im April 2019 an der OTH Regensburg präsentiert. Neben den Forschungszielen und einem Einblick in die bisherigen Ergebnisse war auch die Betriebssicherheit von Transformatoren im Fokus.   

In der Forschungsarbeit arbeiteten die Wissenschaftler an der OTH Regensburg an den Untersuchungen zum Alterungsverhalten von Transformatoren mit alternativen Isolierflüssigkeiten im Vergleich zum herkömmlichen Mineralöl. Das zuvor entwickelte und in MATLAB/Simulink aufgebaute Modell zur thermischen Alterung wurde unter anderem um die Berechnung einer momentabhängigen dynamischen Top-Oil Zeitkonstante erweitert. Die sich ergebenen Simulationen für das Maximum und Minimum des Alterungsfaktors für natürliche Ester stellen ebenso wie der Temperaturgradient einen erheblichen Einfluss auf die Endresultate dar, weshalb im Weiteren Simulationen mithilfe von konkreten Werten für die beiden einflussreichen Parameter des Modells (Temperaturgradient und Alterungsfaktor) vorgenommen werden sollten.
Basierend auf den Forschungsergebnissen aus den Jahren 2017 und 2018 haben die Westböhmische Universität Pilsen und die Technische Universität Prag im Jahr 2019 die Analyse der Daten der untersuchten Öle im homogenen elektrischen Feld und die Messung im inhomogenen elektrischen Feld fortgesetzt. Die statistische Auswertung wurde mit den Daten durchgeführt, die unter Verwendung eines speziell entwickelten Tip-to-Plan-Elektrodensystems erhalten wurden.  
Durch die OTH Amberg-Weiden wurden handelsübliche Öle (mineralisch, pflanzlich und synthetisch) hinsichtlich temperaturabhängiger Dichte und Viskosität charakterisiert. Die Daten wurden zu Simulationszwecken an die OTH Regensburg übermittelt. 
Für die restliche Projektlaufzeit stand die Bestimmung der physikalisch-chemischen Parameter der neuen Transformationsölprobe Nytro Bio 300x auf der Agenda. Anschließend sollte ein Vergleich der physikalisch-chemischen Parameter weiterer Transformationsöle durchgeführt und Ölproben nach BDV- und PD-Experimenten mit Pressspänen zwischen den Elektroden analysiert werden. 

Die von der Bayerisch-Tschechischen Hochschulagentur geförderte grenzüberschreitende Zusammenarbeit dieses Forschungsverbunds wurde im März 2020 abgeschlossen.

Als weitere Kooperationspartner waren die regionale Kontakt- und Koordinationsstelle Oberpfalz der Europaregion Donau-Moldau sowie insbesondere die Firma Starkstrom Gerätebau GmbH (SGB) eingebunden. Die regelmäßige Teilnahme am Projekt und das hohe Interesse an der Thematik seitens der SGB gewährleisten ein Wissenstransfer in die Industrie. Umgekehrt profitieren die beteiligten Forschungseinrichtungen von der Praxiserfahrung des Transformatorherstellers. Darüber hinaus führte der Antrag eines weiteren Forschungsprojekts in Kooperation der OTH Regensburg mit der SGB im Bereich der Transformatorentechnik zum Erfolg.


Beiträge über Projekttreffen in Regensburg und eine Zwischenbilanz zum Projekttreffen in Prag unter www.europaregion.org

Pressemitteilung des Bezirks Oberpfalz

Bild: Prof. Dr. Oliver Brückl vor einem Modelltrafo an der OTH Regensburg. Foto: OTH Regensburg

  • UMTRIS-OTH-Regensburg

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