ONAN vs. ONAF: Ein umfassender Leitfaden zu Kühlsystemen für ölgefüllte Transformatoren

Die Auswahl des richtigen Kühlsystems für Ihren ölkühler Transformator ist eine entscheidende Maßnahme, die Leistung, Lebensdauer und Betriebskosten beeinflusst. Dieser Leitfaden bietet einen umfassenden Vergleich der beiden gebräuchlichsten Kühlmethoden – ONAN (Öl natürlich, Luft natürlich) und ONAF (Oil Natural Air Forced) – um Ihnen bei der fundierten Entscheidungsfindung zu unterstützen.

1. Warum Ölgekühlte Transformereinheiten Brauchen Sie Kühlung?

Transformatoren sind die Arbeitstiere elektrischer Stromversorgungssysteme und wandeln Spannungsniveaus um, um eine effiziente Übertragung und Verteilung zu ermöglichen. Dieser Prozess ist jedoch nicht zu 100 % effizient. Während des Betriebs entstehen... kernverluste (Leerlaufverluste) und kupferverluste (Lastverluste) erzeugt signifikante Wärme.

Diese Wärme ist nicht bloß ein Nebenprodukt – sie ist der entscheidende Faktor, der die Lebensdauer eines Transformators begrenzt. Das innere Isolationssystem des Transformators, das üblicherweise aus ölimprägniertem Zellulosepapier besteht, altert bei höheren Temperaturen schneller. Als Faustregel gilt: verdoppelt sich die Alterungsrate der Isolation bei jeder Erhöhung der Hot-Spot-Temperatur um 6 °C . Übermäßige Wärme kann zu folgenden Folgen führen:

• Beschleunigte Alterung der Isolation und verkürzte Betriebsdauer
• Bildung von Schlamm und Säuren, die die Ölqualität beeinträchtigen
• Erhöhtes Risiko für Wicklungshotspots und lokale Überhitzung
• Möglicher katastrophaler Ausfall mit Stromausfällen und wirtschaftlichen Verlusten

Eine effektive thermische Steuerung ist unerlässlich, um sichere Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten, Zuverlässigkeit sicherzustellen und die erwartete Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren bei Leistungstransformatoren zu erreichen.

2. ONAN-Kühlverfahren – Öl natural Luft natural

ONAN (Öl natürlich, Luft natürlich) ist die einfachste und am häufigsten verwendete Kühlungsmethode für Verteilungs- und kleinere Leistungstransformatoren. Sie beruht vollständig auf passivem Wärmetransport – es sind keine Lüfter, Pumpen oder beweglichen Teile erforderlich.

2.1 So funktioniert die ONAN-Kühlung

Der Kühlkreislauf wird angetrieben durch natürliche Konvektion (Thermosiphon-Effekt) :

1. Wärmeerzeugung: Die Wicklungen und der Kern erzeugen während des Betriebs Wärme.
2. Öl steigt auf: Das heiße Öl wird weniger dicht und steigt nach oben im Tank.
3. Wärmeabbau: Das heiße Öl fließt in externe Kühler (oder Kühlrohre), wo es über die Kühlerwände Wärme an die umgebende Luft abgibt.
4. Kühlung und Rückführung: Das gekühlte Öl wird dichter, sinkt wieder nach unten im Tank und durchläuft den Kreislauf erneut.

Diese Methode ist vollständig schwerkraftgetrieben und erfordert keinerlei externe Energiezufuhr für die Kühlung.

2.2 Vorteile der ONAN-Kühlung

• Keine beweglichen Teile: Keine Lüfter oder Pumpen bedeuten nahezu kein Risiko mechanischer Ausfälle. Dies führt zu höchster Zuverlässigkeit und längsten Wartungsintervallen.
• Geräuschloser Betrieb: Ohne Lüftergeräusch eignen sich ONAN-Transformatoren ideal für Wohngebiete, Krankenhäuser und geräuschempfindliche Anlagen. Geräuschpegel liegen typischerweise bei ≤55 dB.
• Niedrigste Gesamtkosten der Nutzung: Kein Zusatzstromverbrauch, minimale Wartung (jährliche Ölprüfung) und geringere Anschaffungskosten im Vergleich zu Zwangskühlsystemen.
• Nachgewiesene Zuverlässigkeit: Diese Technologie verfügt über eine Einsatzhistorie von über einem Jahrhundert und ist gut erforscht.

2.3 Nachteile der ONAN-Kühlung

• Eingeschränkte Kühlleistung: Die Effizienz der passiven Kühlung ist geringer, weshalb ONAN für sehr große Transformatoren ungeeignet ist. Praktische Leistungsgrenzen liegen typischerweise bei bis zu 25–30 MVA.
• Schlechte Leistung bei hohen Außentemperaturen: Bei Umgebungstemperaturen über 30 °C müssen ONAN-Transformatoren möglicherweise um 20–30 % herabgestuft (Leistungsreduktion) werden, um Überhitzung zu vermeiden.
• Größere Bauform: Um eine bestimmte MVA-Leistung zu erreichen, benötigen ONAN-Transformatoren im Vergleich zu zwangsgekühlten Ausführungen größere Kühler und damit mehr Installationsraum.

2.4 Typische Anwendungen für ONAN-Kühlung

• Verteiltransformatoren bis 30 MVA
• Ländliche Umspannwerke und Wohngebiete, in denen Geräuschbelastung ein kritisches Kriterium ist
• Grundlastanwendungen mit konstanten, vorhersehbaren Lastprofilen
• Anlagen mit minimalem Wartungspersonal vor Ort

3. ONAF-Kühlverfahren – Öl natürliche Luft erzwungen

ONAF (Oil Natural Air Forced) baut auf dem ONAN-Prinzip auf, indem elektrische Lüfter an den Kühlerbanken hinzugefügt werden. Das Öl zirkuliert weiterhin natürlich durch Konvektion, jedoch erzwungene Luftzirkulation durch die Lüfter wird die Wärmeabfuhr deutlich verbessert.

3.1 Funktionsweise der ONAF-Kühlung

5. Natürliche Ölzirkulation: Wie bei ONAN steigt heißes Öl durch den Thermosiphon-Effekt von den Wicklungen zu den Kühlerbanken auf.
6. Erzwungene Luftkühlung: Elektrische Lüfter, die an den Kühlerbanken montiert sind, blasen Luft über die Kühleroberfläche und erhöhen dadurch signifikant den Wärmeübergangskoeffizienten sowie die Kühlrate.
7. Automatische Steuerung: Die Lüfter werden typischerweise von Temperatursensoren aktiviert, sobald Last und Innentemperatur steigen. Sie schalten sich ab, sobald keine Kühlung mehr erforderlich ist, um den Energieverbrauch zu optimieren.

Dies ist ein halbaktives Kühlsystem das zusätzliche thermische Kapazität bietet, ohne Ölpumpen zu erfordern.

3.2 Vorteile der ONAF-Kühlung

• Erhöhte Kühlkapazität: ONAF bietet 25–40 % zusätzliche Kühlkapazität im Vergleich zu ONAN. Dadurch kann der Transformator höhere Lasten bewältigen, ohne die Temperaturgrenzen zu überschreiten.
• Flexible Doppel-Nennleistung: Die meisten Leistungstransformatoren sind mit einer Doppel-Nennleistung spezifiziert (z. B. 40/50 MVA ONAN/ONAF). Sie arbeiten im geräuscharmen, wartungsarmen ONAN-Modus bei der Grundlast und schalten automatisch in den ONAF-Modus während der Spitzenlast.
• Leistungssteigerungen: Der Leistungsanstieg hängt von der Größe des Transformators ab:
  • Unter 2500 kVA: ~15 % Leistungssteigerung im ONAF-Betrieb
  • 2500–10.000 kVA: ~25 % Leistungssteigerung
  • Über 10.000 kVA: Bis zu 33 % Leistungssteigerung (ONAF1) oder bis zu 67 % mit einer zweiten Lüfterstufe (ONAF2)
• Effizient bei variablen Lasten: Ideal für Anwendungen mit erheblichen täglichen oder saisonalen Lastschwankungen.

3.3 Nachteile der ONAF-Kühlung

• Zusätzlicher Wartungsaufwand: Lüfter besitzen bewegliche Teile (Lager, Motoren), die regelmäßig inspiziert und ausgetauscht werden müssen (typischerweise alle 7–10 Jahre).
• Höhere Betriebskosten: Der Lüfterbetrieb verbraucht Hilfsenergie (~1–3 kW/h) und erhöht die Betriebskosten im Vergleich zum reinen ONAN-Betrieb.
• Geräuschentwicklung: Lüfter erzeugen Geräusche im Bereich von 55–65 dB(A). Dies ist zwar in industriellen Umgebungen akzeptabel, kann jedoch in städtischen oder Wohngebieten problematisch sein.
• Abhängigkeit von externer Stromversorgung: Lüfter benötigen eine zuverlässige externe Hilfsstromversorgung, um zu funktionieren.

3.4 Typische Anwendungen für ONAF-Kühlung

• Mittelgroße bis große Leistungstransformatoren (30–100-MVA-Bereich)
• Suburbane Umspannwerke und industrielle Anlagen mit schwankenden Lasten
• Doppelbewertete Installationen, die saisonale oder bedarfsgesteuerte Leistungssteigerungen erfordern
• Transformatorkonstruktionen, bei denen die Grundfläche eine Rolle spielt

4. ONAN vs. ONAF – Vergleichstabelle

5. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F1: Kann ein ölgekühlter Transformator sowohl ONAN- als auch ONAF-Kennwerte aufweisen? Ja. Dies wird als zweifach bewerteter Transformator bezeichnet und ist bei Leistungstransformatoren sehr verbreitet. Die Grundkenngröße ist ONAN. Bei steigender Last schalten sich Lüfter ein, um die höhere ONAF-Kenngröße bereitzustellen (z. B. 40/50 MVA ONAN/ONAF).

F2: Wie viel zusätzliche Leistung bietet ONAF gegenüber ONAN?

Die zusätzliche Leistung variiert je nach Größe: bis zu 15 % bei kleineren Transformatoren, 25 % bei mittleren Einheiten und 33–67 % bei großen Transformatoren (über 10 MVA).

F3: Welche Kühlart ist bei ölgekühlten Transformatoren zuverlässiger?

ONAN ist zuverlässiger da es keine beweglichen Teile besitzt und daher nicht mechanisch ausfallen kann. ONAF fügt Lüfter hinzu, die Wartung erfordern und ausfallen können, obwohl sie leicht austauschbar sind.

F4: Was ist kostengünstiger – ONAN oder ONAF?

ONAN weist niedrigere Anschaffungs- und Betriebskosten auf oNAF hat höhere Anfangskosten (15–20 %) sowie zusätzliche langfristige Betriebskosten (Lüfterleistung, Wartung).

Frage 5: Wie wähle ich zwischen ONAN und ONAF?

Berücksichtigen Sie Ihre lastprofil, Umgebungstemperatur, Lärmbeschränkungen und Wartungsmöglichkeiten. Für konstante Grundlasten in kühlen Klimazonen ist ONAN ideal. Für variable Lasten mit gelegentlicher Spitzenlastkapazität bietet die doppelt bewertete Ausführung ONAN/ONAF die beste Flexibilität.

6. Schlussfolgerung

Die Auswahl zwischen ONAN und ONAF beruht nicht einfach auf der Wahl eines Kühlcodes – sie zielt darauf ab, Leistung, Zuverlässigkeit und Gesamtbetriebskosten Ihres Transformators an Ihre spezifische Betriebsumgebung optimal anzupassen. Ob Sie die geräuschlose, wartungsfreie Einfachheit von ONAN für eine Wohnanwendung benötigen oder die flexible Spitzenlastkapazität einer doppelt bewerteten ONAN/ONAF-Ausführung – ein kompetenter technischer Partner ist entscheidend.

Für Projekte, die zuverlässige ölgefüllte Transformatoren erfordern, bietet Jiangsu Unita Electric Equipment Co., Ltd. (JSZONMA) Transformatorlösungen, die speziell auf bestimmte Spannungsebenen, Leistungsanforderungen, Einsatzumgebungen und Kühlbedingungen zugeschnitten sind.

Warum mit JSZONMA zusammenarbeiten?

• Integrierte Fertigungskapazität: Mit einer Fabrikfläche von über 46.600 m² und eigener Fertigungskapazität für Transformatoren und Schaltanlagen unterstützt JSZONMA komplette Transformatorlösungen – von der Konstruktion und Fertigung bis zur Prüfung und Lieferung.
• Qualitätskontrolle und Zertifizierung: Die Produkte von JSZONMA erfüllen internationale und branchenspezifische Qualitätsanforderungen und sind mit den Zertifikaten CCC, ISO 9001 und ISO 14001 ausgezeichnet. Die Transformatorprodukte haben zudem die vom State Grid Corporation of China anerkannte Typenprüfung erfolgreich abgeschlossen.
• Technische Unterstützung und F&E: JSZONMA arbeitet mit Universitäten und Forschungseinrichtungen zusammen, darunter die China University of Petroleum und die China University of Mining and Technology, um das Transformatordesign, die Effizienz und die Anwendungsleistung zu verbessern.
• Erfahrung in verschiedenen Stromversorgungsanwendungen: JSZONMA hat Transformatoren für zahlreiche Stromprojekte geliefert, darunter Anwendungen im Bereich Energieversorgung, Industrieanlagen und erneuerbare Energiesysteme.
• Anpassung an unterschiedliche Projekte: Aufgrund ihrer Erfahrung mit Photovoltaik-Boost-Stationen und maßgeschneiderten Transformatoren bietet JSZONMA Produkte, die an verschiedene Lastbedingungen, Installationsumgebungen und technische Spezifikationen angepasst sind.

Falls Sie ein Kühlsystem für einen ölgekühlten Transformator auswählen oder ein neues Transformatorprojekt planen, kann JSZONMAs Ingenieurteam gemeinsam mit Ihnen eine geeignete Lösung bewerten – basierend auf Ihren Anforderungen hinsichtlich Leistung, Kühlverfahren, Betriebsbedingungen und Zuverlässigkeitsanforderungen.