J.Vauchel, M.Lashbrook, S.Bowers

schienenfahrzeugtagung.at

J.Vauchel, M.Lashbrook, S.Bowers

Umweltbewusste Hochleistungs-

Transformatoren

14. September 2011

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M&I Materials Ltd.


Überblick

• Trends im europäischen Schienennetz

• Die Anforderungen moderner Schienenfahrzeuge

• Brandschutz

• Thermische Eigenschaften von Transformatoren-

Flüssigkeiten

• Umweltschutz

• Hohe Leistung

• Zusammenfassung

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Trends im europäischen Schienennetz

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Transeuropäisches Verkehrsnetz (TEN-V)

• Kerndaten

• 27 Länder

• 94.000 km Schienen

• Investitionen von €300.000 Mio.

• Fertigstellung 2020

• Hauptziel

• Interoperabilität

Source: TEN-T Priority Projects – Progress Report 2010

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Interoperabilität in Schienennetzen mit

unterschiedlicher Spannung

• 25kV 50Hz Netz

• Weniger Stromverlust

• Weniger Umspannwerke

• Andere Netze

• Wechselstrom, Gleichstrom und

Dieselanlagen

• Verschiedene Spannungen

• Flexible Lösung erforderlich

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Die Anforderungen moderner

Schienenfahrzeuge

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Designlösungen für Schienenfahrzeuge

• Diesel-elektrischer

Hybridantrieb

• Doppelspannungssysteme

• Elektrische Triebzüge

• Vorzüge

• Internationaler Zugverkehr

• Kompakt und effizient

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Technische Spezifikation CEN / TS 45545

• Brandschutz in Schienenfahrzeugen

• Rollmaterial muss mit Flüssigkeiten der Klasse K (Brennpunkt nicht

unter 300˚C) betrieben werden

• Verzicht auf Mineralöl

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Anforderungen an die elektrische

Verteileranlage

• Diverse Bezeichnungen

• Zusatzstromversorgung

• Hotel-Power

• HEP : Head-End Power (USA)

• ETS : Electric Train Supplies (UK)

• Umfasst

• Klimaanlage

• Beleuchtung

• Speisewagen

• Wi-Fi-Anschlüsse und Steckdosen

Ca. 25 % der gesamten Zuglast

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Moderne Traktionstransformatoren

• Kompaktes Design

• Robuste Konstruktion

• Diverse Formen und Konfigurationen

• 3 Elektrizitätsanwendungen

• Traktion (Hauptanlage)

• Hotel-Power (Zusatzstrom)

• Notsystem (Backup)

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Betrieblichen Anforderungen gerecht werden

• Traktionsanwendungen verlangen

• Physisch kleinere Transformatoren

• Kompatibilität mit zunehmend höheren Lasten

• Fortgesetzte/erhöhte Leistung bei Motorenausfall

• Brandsicherheit

• Umweltsicherheit

• Resultat

• Höhere Betriebstemperaturen

• Größere Anforderungen an dielektrische Kühlflüssigkeiten

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Höhere Betriebstemperaturen

• Züge können schneller fahren

• Bessere

Beschleunigungsfähigkeit

• Kürzere Fahrzeiten

• Reduzierung des Fuhrparks

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High Speed Hochleistungstransformatoren - China

• Zefiro (Bombardier)

• CRH3 (Siemens-Hitachi)

• CRH5 (Pendolino, Alstom)

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Brandschutz

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Bahnen unter Grund – Beispiel: Stuttgart 21

• Branchenweiter Trend zu mehr unterirdisch verlaufenden Schienenanlagen

• Stuttgart 21 soll ein unterirdischer Bahnhof mit 8 Gleisen werden

• Ein Zug auf jedem Gleis würde bedeuten, dass 8 Züge nebeneinander auf

engem Raum stehen

• 2 Tonnen Transformatoren-Flüssigkeit pro Zug = 16 Tonnen enflammbarer

Flüssigkeit

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Flamm- und Brennpunkt

Flammpunkt

• Definiert als die Temperatur, bei der sich ein Dampf entzündet, aber bei

Entfernen der Flamme nicht weiter brennt

Brennpunkt

• Definiert als die Temperatur, bei der sich ein Dampf entzündet und nach

Entfernen der Zündquelle mindestens 5 Sekunden weiter brennt

Flüssigkeit

Flammpunkt

(ISO 2719 - Pensky)

Brennpunkt

(ISO 2592 - COC)

Synthetischer Ester 260˚C 316˚C

Mineralöl 150˚C 170˚C

Silikonflüssigkeiten 260˚C >350˚C

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Rauchdichte – Exova-Studie

100

90

80

Rauchdichte (%)

70

60

50

40

30

Mineralöl

Silikonflüssigkeit

Synthetischer Ester

20

10

0

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00

Zeit (min)

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Thermische Eigenschaften von

Transformatoren-Flüssigkeiten

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Wirksame Kühlung durch Wärmeübertragung

• Der Wärmeübertragungskoeffizient (X) gibt die Effizienz der

Kühlung in Pumpenanlagen an

• Cp = spezifische Wärmekapazität

• λ = Wärmeleitfähigkeit

• V = kinematische Viskosität

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Vergleich der Wärmeübertragung

2000000

1800000

Wärmeübertragungszahl X

1600000

1400000

1200000

1000000

800000

600000

400000

200000

Synthetischer Ester

Silikonflüssigkeit

0

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Temperatur (°C)

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Umweltschutz

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Umweltschutz durch synthetischen Ester

• Leicht biologisch abbaubar

• Nicht wassergefährdend

• Ungiftig

• Nicht flüchtig

• Verflüchtigt sich nicht in der

Umwelt

• Unschädlich für den Abbau von

schlamm in Kläranlagen

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Biologischer Abbau von Transformatoren-

Flüssigkeiten

100

90

80

Synthetischer Ester

Biologischer Abbau (%)

70

60

50

40

30

20

10

0

Mineralöl

Silikonflüssigkeit

0 5 10 15 20 25 30

Zeit (Tage)

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Hohe Leistung

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Universität Stuttgart

Studie zur Flüssigkeitsalterung

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Ergebnisse der Durchschlagsspannung

90

80

Durchbruchspannung (kV)

70

60

50

40

30

20

Neu

Gealtert

Neu

Gealtert

10

0

Synthetischer Ester

Mineralöl

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Viskositätsergebnisse

50

45

Kinematische Viskosität (cSt)

40

35

30

25

20

15

10

Neu

Gealtert

5

Neu

Gealtert

0

Synthetischer Ester

Mineralöl

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Weidmann-Studie zum

Alterungsexperiment

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Aufbau des Weidmann-Experiments

• Durchgeführt von Weidmann

• 9 verschiedene Flüssigkeiten,

Ester und Mineralöle

• 3 verschiedene Temperaturen

• 120°C versiegelt und offen

• 135°C versiegelt

• 150°C versiegelt

• Tests auf Papier und mit

Flüssigkeiten

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Reissfestigkeitsergebnisse mit Pressspan

125.00

100.00

Zugfestigkeit (MPa)

75.00

50.00

25.00

Synthetischer Ester

Mineralöl

0.00

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Monat

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Alterung der Transformatoren-Flüssigkeiten

während des Betriebs

2.5

Säurewert (mg KOH/g) __ _

2

1.5

1

IEC 61203 Neutralisierung Grenzwert

1 Transformator

0.5

30 Transformatoren

200 Transformatoren

20 Transformatoren

0

3 Jahr dienst 5 Jahr dienst 10 Jahr dienst 16 Jahr dienst

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Zusammenfassung

• Anforderungen moderner Schienenfahrzeuge

• Schnell, leicht, kompakt und effizient mit flexiblen elektrischen Anlagen

• Keine Veränderung von Größe/Gewicht = höhere Betriebstemperatur

des Transformators

• Anforderungen an Traktionstransformatoren-Flüssigkeiten

• Flüssigkeit CEN/TS 45545 der Klasse K mit hohem Brennpunkt und

geringer Rauchdichte

• Leicht biologisch abbaubar

• Reduzierte Alterung von Flüssigkeit und Papier

• Flüssigkeitsstabilität während der gesamten Betriebslebensdauer

Nur synthetischer Ester bietet das gesamte Leistungs-Paket

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Train and Traction Transformer OEMS using Esters

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