Webfähiges Universalrelais mit Ethernet-Schnittstelle
Digitales Herzstück
Nach dem Temperaturrelais TR250, das seit Jahrzehnten Transformatoren weltweit vor Zerstörung durch Überhitzung schützt, ist nun die UR-Serie von Ziehl in den ersten Stationen im Einsatz. Als Beispiel für die Vielfältigkeit dieser jungen Baureihe dient in diesem Fall das UR840IP.
Bild: Ziehl Industrie-Elektronik GmbH + Co KGDas UR840IP von Ziehl Industrie-Elektronik ist ein webfähiges Universalrelais mit Ethernet-Schnittstelle, dass sich zur Implementierung eines ganzheitlichen Condition Monitoring Systems in Trafostationen von Betreibern eignet. Dieses Anwendungsbeispiel demonstriert, wie das System weit über die traditionelle Temperaturüberwachung hinausgeht und zum digitalen Herzstück einer zukunftssicheren Trafo-Infrastruktur wird.
Systemarchitektur und Sensorintegration
Das UR840IP verfügt über acht analoge Messeingänge und vier digitale Eingänge, die es zu einer vielseitigen Überwachungslösung machen. In einer modernen Trafostation bei einem Energieversorger kommt das System z.B. mit folgender Sensor-Konstellation zum Einsatz: Die Wärmezustände des Transformators werden durch mehrere Pt100-Sensoren erfasst: ein Sensor für die Wicklungstemperatur (Hotspot), ein Sensor für die Öltemperatur an der obersten Stelle des Transformators und ein zusätzlicher Sensor zur Kerntemperaturüberwachung. Darüber hinaus wird ein Umgebungstemperatursensor außerhalb der Trafostation angebracht, um die lokalen Betriebsbedingungen zu dokumentieren. Parallel dazu wird ein Luftfeuchte- und Drucksensor installiert, da Feuchtigkeitseintritt eine der Hauptursachen für vorzeitige Isolationsverschlechterung und Trafo-Ausfälle ist. Die Eingänge 0-10V oder 4-20mA ermöglichen die Integration von Messumformern für Kühlsystem-Parameter wie Lüfterleistung, Pumpenleistung sowie die Erfassung von Druck und Durchfluss bei Flüssigkeitskühlung. Die vier digitalen Eingänge werden zur Überwachung kritischer Betriebszustände konfiguriert: Türkontakte zum Erkennen unbefugten Zutritts, Kontakte für den Status von Kühlanlage und Lüftern sowie Signale von Niederspannungsschaltern. Damit wird ein System geschaffen, dass den gesamten Trafo-Zustand in Echtzeit erfasst, nicht nur Temperaturwerte.
Messgrößen für das Condition Monitoring
Bei einer praktischen Installation in einer Trafostation erfasst das UR840IP folgende Kernparameter, die Aufschluss über den Transformatorzustand geben: Die Wicklungstemperatur (Hotspot) stellt die kritischste Größe dar, denn sie bestimmt unmittelbar die Alterungsgeschwindigkeit der Isolierung. Standards wie IEC60076-7 definieren dabei typischerweise Alarmschwellen bei 120°C und Trip-Werte bei 140 bis 160°C. Das Öl-Top-Temperaturverhalten wird kontinuierlich protokolliert und ermöglicht die Berechnung der Papierfeuchte sowie des Alterungsindex - zentrale Indikatoren für den Restzustand des Transformators. Die Luftfeuchtigkeit in der Station korreliert somit direkt mit dem Risiko von Feuchtigkeitseintritt ins Transformatoröl - jeder Prozentpunkt Feuchteerhöhung verkürzt nachweislich die Lebensdauer um mehrere Jahre. Darüber hinaus werden Betriebsparameter erfasst: Erste Indikatoren für innere Fehler werden über die aktuelle Belastung (über sekundäre Stromwandler), Kühlsystem-Status (Lüfter-/Fan-Laufzeit, Pumpenleistung) sowie über Drucksensoren im Öl ausgewiesen. Diese Multi-Parameter-Erfassung ist das entscheidende Merkmal gegenüber älteren Systemen, die nur die Öltemperatur überwachen: Ein Transformator mit stabil hoher Temperatur bei niedriger Last kann ein Kühlsystem-Problem signalisieren, während bei hoher Last und stabiler Temperatur die Belastung optimal ist.
Datenerfassung, Verfügbarkeit und Kommunikation
Das UR840IP besitzt zwei komplementäre Schnittstellen zur Datenübertragung und -archivierung. Die Ethernet-Schnittstelle mit TCP/IP und eingebautem Webserver ermöglicht den direkten Zugriff via Standard-Internet-Browser, sowohl aus dem Intranet der Energieversorger als auch remote von der Leitwarte. Die RS485-Schnittstelle mit Modbus bietet die Anbindung an bestehende Leittechnik-Systeme. Das Gerät protokolliert alle Messwerte mit exaktem Zeitstempel (dank eingebauter Echtzeituhr mit 7-Tage-Gangreserve. Dabei ermöglicht das Datenlogging-Feature des UR840IP eine lokale Speicherung der Messwerte auf dem Gerät selbst. Die Datenarchivierung für längerfristige Trends erfolgt zentral auf Seiten des Betreibers. Per Modbus TCP werden alle Messwerte im Minuten- oder Stunden-Rhythmus an eine zentrale Datenbank übertragen, wo Analysen über Monate und Jahre erfolgen. Diese Langzeitarchivierung ist essentiell: Ein Transformator, dessen Öltemperatur um 10°C pro Jahr ansteigt, zeigt Alterungstrends, die ohne diese Historisierung nicht erkannt werden. Ein Anstieg der Wicklungstemperatur bei gleichbleibender Last über mehrere Monate deutet auf interne Verschlechterung hin.
Bild: Ziehl Industrie-Elektronik GmbH + Co KGCondition Monitoring und Diagnose des Trafozustands
Das UR840IP ermöglicht durch die intelligente Verknüpfung mehrerer Messwerte (sog. virtuelle Sensoren) die Diagnose spezifischer Fehlerszenarien. Die Plattform unterstützt bis zu acht virtuelle Sensoren, die Differenzen sowie Minima oder Maxima von Messwerten errechnen. In der Trafo-Praxis bedeutet dies konkret: Ein Thermisches Alterungs-Modell wird durch Kombination von Wicklungs-, Öl- und Umgebungstemperatur erzeugt. Die Norm IEC60076-7 definiert die Alterungsgeschwindigkeit exponentiell zur Temperatur: jede 6°C Temperaturerhöhung verdoppelt die Alterungsrate. Durch kontinuierliche Erfassung aller Temperaturwerte kann das System den kumulativen Alterungsindex berechnen und vorhersagen, wann die erwartete Lebensdauer (typisch 30 bis 40 Jahre bei normalen Bedingungen) erreicht ist. Ein Feuchtigkeits-Indikator wird abgeleitet aus der Korrelation zwischen Öltemperatur und Umgebungsfeuchte: Wenn bei stabiler Öltemperatur die Umgebungsfeuchte steigt, deutet dies auf potenziellen Feuchtigkeitseintritt hin. Das System kann hierfür Grenzwerte setzen und automatisch Wartungsalarme auslösen. Ein Kühlsystem-Monitoring wird durch Vergleich der Temperaturdifferenz (Öl-Temperatur minus Umgebungstemperatur) in Abhängigkeit der Belastung durchgeführt: Eine unerwartet hohe Differenz bei moderater Last kann auf verschmutzte Kühlrippen, fehlerhafte Lüfter oder Pumpenprobleme hinweisen. Sofort können Techniker vor Ort zur Reinigung oder Wartung alarmiert werden, bevor es zu kritischen Übertemperaturen kommt. Ein Fehlererkennungs-Szenario für interne Defekte wird durch plötzliche Temperatursprünge bei konstanter Last erkannt: Ein sprungartiger Anstieg der Wicklungstemperatur um 10 bis 15°C ohne entsprechende Lasterhöhung könnte auf einen inneren Kurzschluss oder einen Wicklungsschaden hindeuten. Das System benachrichtigt sofort die Netzleitstelle, wo dann Schnellmaßnahmen eingeleitet werden können - etwa die Reduktion der Belastung oder die Vorbereitung eines Transformator-Austauschs.
Commissioning und Inbetriebnahme
Bei der Installation in einer Trafostation durchläuft das UR840IP einen strukturierten Inbetriebnahmeprozess. Die Netzwerk-Konfiguration ist der nächste Schritt: IP-Adresse, Gateway, Subnetz-Maske werden gemäß der IT-Infrastruktur der Energieversorger zugewiesen. Die Test-Kommunikation erfolgt via Web-Browser (TCP/IPZugriff) und über Modbus-Lesezugriffe, um sicherzustellen, dass Daten zuverlässig abfließen. Die Alarm- und Grenzwert-Programmierung ist ein kritischer Schritt, der oft zu wenig Aufmerksamkeit erhält. Für jedes der vier Ausgangsrelais werden Grenzwerte pro Eingang definiert - beispielsweise:
- • Eingang 1 (Wicklungstemperatur): Alarm bei 120°C, Trip bei 145°C
- • Eingang 2 (Öltemperatur): Alarm bei 80°C, Trip bei 90°C
- • Eingang 3 (Umgebungsfeuchte): Alarm bei 75 Prozent relative Feuchte
Die Zeit-Verzögerungen werden konfiguriert, um Fehlalarme (False Positives) zu vermeiden (z.B. Alarm erst nach zehn Minuten Überschreitung, nicht sofort bei kurzzeitigen Spitzen). Diese Datenbank von Schwellenwerten wird dokumentiert und mit dem Transformator-Hersteller und dem Netzbetreiber abgestimmt. Die Datenlogging-Konfiguration wird auf z.B. ein Messwert pro Minute eingestellt - ein Kompromiss zwischen Speicherplatz und Auflösung. Die Zeitserver-Synchronisierung wird aktiviert, damit alle Geräte in der Trafostation-Flotte eine gemeinsame Zeitbasis haben (kritisch für die Fehlerursachen-Analyse bei Ausfällen). Abschließend wird ein Funktionsprüfungs-Protokoll erstellt, in dem für jeden Sensor und jedes Alarm-Szenario dokumentiert wird, dass es korrekt funktioniert.
Fehlerdiagnose und Störungsbeseitigung
Das UR840IP zeigt seine Vorteile bei der Fehlerdiagnose während Störungsbeseitigungen. Ein praktisches Szenario: Ein Transformator in einer Station liefert plötzlich Alarme. Die Wicklungstemperatur springt von 65 auf 92°C, die Öltemperatur bleibt jedoch bei 72°C. Die Umgebungstemperatur beträgt 18°C. Der klassische Ansatz (nur Temperaturmessung): Der Techniker sieht nur 'zu heiß' und versucht, den Trafo abzuschalten oder zu warten. Der UR840IP-basierte Ansatz: Das System speichert nicht nur den aktuellen Wert, sondern die gesamte Historisierung der letzten Stunden. Ein Blick auf die Datenlogging-Kurven zeigt, dass die Wicklungstemperatur vor 20 Minuten stabil war, dann sprunghaft angestiegen ist, während die Lastmessung (über externe Stromwandler im 8. Eingang) konstant bei 60 Prozent bleibt. Ein Blick auf die Kühlsystem-Parameter zeigt, dass der Lüfter nicht aktiv ist, obwohl die Öltemperatur über dem Schwellenwert liegen sollte. Diagnose: Das Kühlsystem (Lüfter oder Pumpe) funktioniert nicht - nicht der Transformator selbst. Der Hotspot-Sensor sitzt in der wärmsten Zone der Wicklung und zeigt zuerst den Fehler. Der Netzbereich reagiert schnell: Belastung wird reduziert, die Serviceeinheit wird zur sofortigen Reparatur des Kühlsystems informiert. Der Transformator selbst bleibt vorerst einsatzfähig, da die Gesamtöltemperatur noch nicht kritisch ist. Das UR840IP-Datenlogging ermöglicht hier eine Fehlerursachen-Analyse statt bloßer Symptombekämpfung. Im klassischen System wäre der Trafo einfach ausgelöst worden, was zu stundenlangen oder tagelangen Versorgungsausfällen führt. Ein weiteres Szenario: Wiederholte Alarme nach Wartung. Nach einer Reinigung oder Reparatur wird ein Trafo wieder in Betrieb genommen. Das UR840IP zeigt jetzt, dass die Öltemperatur 5°C höher ist als vor der Wartung, obwohl die Belastung identisch ist. Mögliche Ursachen:
- • Neue Verschmutzung (Dichtmittel-Rückstände)
- • Feuchtigkeit wurde bei der Wartung ins Öl eingebracht
- • Sensor wurde bei der Reparatur beschädigt
Die Sensor-Redundanz ist hier wertvoll: Das System vergleicht alle Messwerte. Wenn Wicklung und Öl beide um 5°C gestiegen sind, ist die Umgebung wärmer oder der Trafo wirklich 'kälter' geworden. Wenn nur Wicklung steigt aber Öl stabil bleibt, ist ein Sensorfehlerverdacht zu prüfen.
Vorteile für den Hersteller
Die Implementierung des UR840IP in Trafostationen bietet für Hersteller (die Transformatoren verschiedener Hersteller mit ihren Schaltanlagen integrieren) Vorteile:
- • Differenzierung im B2B-Markt: Während Wettbewerber nur ein Standardgerät liefern, kann eine vollständige Überwachung von Trafostation gewährleistet werden - ein wesentlicher Mehrwert für Energieversorger, Industrieunternehmen und Stadtwerke. Dies ermöglicht höhere Margen und längere Kundenbeziehungen.
- • Fernwartung und Service-Modelle: Mit dem TCP/IP-Interface können Hersteller Service-Verträge anbieten, bei denen sie regelmäßig die Trafo-Daten remote überwachen und proaktive Wartungsempfehlungen geben. Dies schafft wiederkehrende Einnahmen.
- • Fehlerreduktion in der Feldinstallation: Durch das Datenlogging und die automatische Protokollierung aller Einstellungen während der Inbetriebnahme können Hersteller Qualitäts- und Gewährleistungsprobleme frühzeitig erkennen. War ein Trafo-Ausfall tatsächlich ein Herstellungsdefekt oder Resultat er aus unsachgemäßer Bedienung? Die Daten des UR840IP beantworten diese Frage.
Die Aggregation von Betriebsdaten aus hunderten oder tausenden installierten Trafostationen erlaubt es Herstellern, Schwachstellen zu identifizieren und kommende Generationen zu verbessern.
Vorteile für den Betreiber
Auch für die Betreiber ergeben sich mit der Installation des Universalrelais einige Vorteile:
- • Zustandsbasierte Wartung statt Zeitintervall-Wartung: Anstatt jeden Trafo nach starrem Zeitplan (z.B. alle vier Jahre) zu prüfen, wird die Wartung basierend auf echtem Zustand geplant. Ein Trafo in idealen Bedingungen (stabile moderate Temperatur, niedrige Feuchte) kann sechs bis acht Jahre laufen, während ein anderer mit hoher Belastung bereits nach zwei Jahren kritische Prüfungen braucht. Dies spart Wartungskosten und reduziert unnötige Reparaturen.
- • Früherkennung von Fehlern spart Millionen: Ein einzelner Transformator-Ausfallzufall in einem Stromverteilnetz kann zu stundenlangen Blackouts führen - mit enormen wirtschaftlichen Schäden.
Beispiel: Der Ausfall einer 30-MW-Transformatorenstation könnte 100.000+ Haushalte betreffen und Schäden in Millionenhöhe anrichten. Das UR840IP erkennt beginnende Probleme (z.B. Kühlsystem-Fehler, Feuchtetrend) Wochen oder Monate vor dem Totalausfall, sodass Austausch oder Reparatur planbar ist.
- • Einhaltung von Regulierungsanforderungen: Moderne Energieversorger müssen regulatorische Anforderungen erfüllen (Netzstabilität, Blackout-Minimierung, Dokumentation). Das Datenlogging des UR840IP mit Zeitstempel bildet einen lückenlosen Audit-Trail: Jeder Alarm, jede Anomalie, jede Grenzwertüberschreitung ist dokumentiert und nachvollziehbar. Im Fehlerfall kann der Regulator prüfen, ob der Betreiber die richtigen Schutzmaßnahmen eingeleitet hat.
- • Cyber-Sicherheit und Datenschutz: Das UR840IP erlaubt Benutzerverwaltung und Kennwortschutz im eingebauten Webserver. Der Zugriff kann auf bestimmte Rollen (z.B. Techniker dürfen Grenzwerte einsehen aber nicht ändern) eingeschränkt werden. Mit der TCP/IP-Schnittstelle können moderne Verschlüsselungs- und Authentifizierungs-Protokolle (HTTPS, Zertifikate) implementiert werden - essentiell für kritische Infrastruktur.
Nach dem Temperaturrelais TR250, das seit Jahrzehnten Transformatoren weltweit vor Zerstörung durch Überhitzung schützt, ist nun die UR-Serie von Ziehl in den ersten Stationen im Einsatz. Als Beispiel für die Vielfältigkeit dieser jungen Baureihe dient in diesem Fall das UR840IP.
Bild: Ziehl Industrie-Elektronik GmbH + Co KGDas UR840IP von Ziehl Industrie-Elektronik ist ein webfähiges Universalrelais mit Ethernet-Schnittstelle, dass sich zur Implementierung eines ganzheitlichen Condition Monitoring Systems in Trafostationen von Betreibern eignet. Dieses Anwendungsbeispiel demonstriert, wie das System weit über die traditionelle Temperaturüberwachung hinausgeht und zum digitalen Herzstück einer zukunftssicheren Trafo-Infrastruktur wird.
Systemarchitektur und Sensorintegration
Das UR840IP verfügt über acht analoge Messeingänge und vier digitale Eingänge, die es zu einer vielseitigen Überwachungslösung machen. In einer modernen Trafostation bei einem Energieversorger kommt das System z.B. mit folgender Sensor-Konstellation zum Einsatz: Die Wärmezustände des Transformators werden durch mehrere Pt100-Sensoren erfasst: ein Sensor für die Wicklungstemperatur (Hotspot), ein Sensor für die Öltemperatur an der obersten Stelle des Transformators und ein zusätzlicher Sensor zur Kerntemperaturüberwachung. Darüber hinaus wird ein Umgebungstemperatursensor außerhalb der Trafostation angebracht, um die lokalen Betriebsbedingungen zu dokumentieren. Parallel dazu wird ein Luftfeuchte- und Drucksensor installiert, da Feuchtigkeitseintritt eine der Hauptursachen für vorzeitige Isolationsverschlechterung und Trafo-Ausfälle ist. Die Eingänge 0-10V oder 4-20mA ermöglichen die Integration von Messumformern für Kühlsystem-Parameter wie Lüfterleistung, Pumpenleistung sowie die Erfassung von Druck und Durchfluss bei Flüssigkeitskühlung. Die vier digitalen Eingänge werden zur Überwachung kritischer Betriebszustände konfiguriert: Türkontakte zum Erkennen unbefugten Zutritts, Kontakte für den Status von Kühlanlage und Lüftern sowie Signale von Niederspannungsschaltern. Damit wird ein System geschaffen, dass den gesamten Trafo-Zustand in Echtzeit erfasst, nicht nur Temperaturwerte.
ZIEHL industrie-elektronik GmbH + Co KG
Dieser Artikel erschien in SCHALTSCHRANKBAU 4 (Juni) 2026 - 22.06.26.Für weitere Artikel besuchen Sie www.schaltschrankbau-magazin.de
