Hochspannungstransformatoren

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Hochspannungstransformatoren
Prof. Dr.-Ing. W. Kühn
Aufgabe von Hochspannungs-Transformatoren
Mit Grenzleistungsgeneratoren kann man Leistungen bis um die 1300 MVA erzeugen. Da die
größte Klemmenspannung aus isolationstechnischen Gründen bei maximal 30 kV
(Leiterspannung) liegt, sind die Wicklungsströme entsprechend groß, nämlich 1300 MVA/(30 kV
\/3) = 25 kA. Wollte man eine Leistung von 1300 MVA mit 25 kA übertragen, so würden wegen
der in den Übertragungsleitungen auftretenden Stromwärmeverluste, die quadratisch vom Strom
abhängen, nur ein geringer Teil der Leistung beim Verbraucher ankommen. Abhilfe schafft hier
der Übergang auf eine höhere Spannung. Üblich ist in Deutschland für die Übertragung großer
Leistungen (mehrere Hundert bis Tausende von MW) und für die Kupplung von Netzen mittels
Netzkupplungstransformatoren die Höchstspannungsebene von 380 kV. Bei Annäherung an die
Verbraucher wird die Spannung von 380 kV auf 110 kV umgespannt (100 bis 400 MVA).
Industrielle Großverbraucher, die häufig auch einen Teil ihres Leistungsbedarfs mit eigenen
Kraftwerken erzeugen, bzw. bei Überschussleistung in das Netz einspeisen, werden direkt über
110-kV-Leitungen versorgt (Leistung in der Größenordnung von 50 MW), für mittelgroße
Verbraucher und Ortsnetze wird die Spannung auf 10 kV oder 20 kV transformiert. Im Ortsnetz
findet eine Transformation auf 400 V statt.
Grundsätzlich besteht bei einem Transformator immer die Möglichkeit der Stern- oder
Dreieckschaltung. Welche Schaltung verwendet wird, hängt von Spannungs- und Stromhöhe auf
der Primär- und der Sekundärseite und vom Erdungskonzept ab. Erdung ist nur über einen
Sternpunkt möglich.
Bei Spannungen über 30 kV ist wegen des Isolationsaufwandes eine Sternschaltung günstiger als
eine Dreieckschaltung, da die Wicklungen nur für die Phasenspannung zu bemessen sind. Bei
hohen Strömen ist wegen des Aufwands für den Kupferleiter die Dreieckschaltung günstiger als
die Sternschaltung, denn der Kupferleiter führt nur den 1/\/3-fachen Wert des Phasenstroms.
Um von der Erzeugerebene mit einer maximalen Leiterspannung von 30 kV auf 380 kV zu
kommen, verwendet man einen so genannten Maschinen- oder Blocktransformator. Der
Ausdruck Block wird verwendet, da Kessel, Turbine, Generator und Transformator für sich eine
autonome Kraftwerkseinheit, einen Kraftwerksblock bilden.
Bei Gleichstromkupplungen (Verbindung asynchroner Netze) und Hochspannungs-GleichstromFernübertragungen, die bei großen Entfernungen zwischen den Kraftwerken und den Lastzentren
(nur im Ausland mit genügender Größe wie USA, Kanada, Brasilien, Zaire, Südafrika, China,
Indien, usw.) aus Wirtschaftlichkeitsgründen Anwendung finden, werden spezielle
Stromrichtertransformatoren verwendet.
Transformatoren sind entweder ab einer bestimmten Bemessungsleistung als Einphaseneinheiten
ausgeführt und werden zu einer so genannten Drehstrombank zusammengeschaltet oder sie sind
als Drehstromtransformatoren ausgeführt. Es gibt Zweiwicklungs- und
Dreiwicklungstransformatoren. Dreiwicklungstransformatoren werden in der
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Drehstromübertragungstechnik verwendet, wenn man eine Hilfsstromversorgung für eine
Umspannanlage bereitstellen muss und/oder ein Ausgleichsstrom zur Entlastung des
Transformatorkessels bei unsymmetrischer Belastung fließen soll. Bei der HochspannungsGleichstrom-Übertragung oder bei Frequenzumformern verwendet man den
Dreiwicklungstransformator für die Erzeugung einer 12-pulsigen Gleichspannung. Für
Spezialfälle gibt es auch Vierwicklungstransformatoren.
Aufbau, Isolation und Kühlung
Ein Transformator besteht nach außen sichtbar aus einem Transformatorkessel - auch Tank
genannt, der aus Stahlblech gefertigt ist. In dem Kessel befindet sich der aktive Teil des
Transformators, nämlich dessen Wicklungen, aufgebracht auf den Eisenkern. Der Eisenkern
besteht aus den Schenkeln, die die Wicklungen tragen und den beiden Jochs, die den
magnetischen Weg schließen. Der Eisenkern besteht aus geschichtetem magnetisierbarem
Eisenblech. Wirbelströme und damit verbundene Verluste und Erwärmung werden unterbunden,
da eine isolierende Schicht (Wasserglas) der Bleche quer zur Richtung des Wirbelstroms liegt.
Die unterspannungsseitige Wicklung liegt aus Isolationsgründen innen und die
hochspannungsseitige Wicklung außen am Eisenkern. Die Wicklungen bestehen aus mit
ölgetränktem Papier umwickelten Leitern.
Alle Hohlräume sind zur Isolation und zur Kühlung mit Transformatoröl gefüllt. Zur Befestigung
der Wicklungen und der Wicklungsausleitungen dürfen keine Eisenteile und Eisenschrauben
verwendet werden. Dies würden zum einen den beabsichtigten elektrischen Feldverlauf
verändern, damit zur Erhöhung der elektrischen Beanspruchung der Isolation führen und zum
anderen durch Wirbelströme zur Erwärmung dieser Eisenteile. Verwendet wird lediglich Material
aus so genanntem Transformer Board, das aus Zellulose gefertigt wird. Die Wicklungen sind
entweder als so genannte Scheibenwicklungen oder als Lagenwicklungen ausgeführt. Zwischen
den Lagen gibt es Abstände für Kühlungszwecke.
Die Kühlung des Transformators geschieht durch zirkulierendes Transformatoröl. Gekühlt
werden müssen der Eisenkern und die Wicklungen. Genutzt wird der so genannte Thermo
Syphon Effekt. D.h. das sich aufwärmende Öl steigt auf, durchströmt die Kühler, welche von
Ventilatoren belüftet werden und wird zurückgeleitet. Hierfür wird keine Pumpe benötigt. Die
Kennzeichnung für diese Kühlungsart ist ONAF (oil natural air forced). Eine weitere Kühlungsart
ist OFAF (oil forced air forced), bei der der Ölkreislauf durch Pumpen erzwungen wird. Damit
das Öl im Transformatorinneren den optimalen Kühlungseffekt erzielt, gibt es Ölkanäle, die
zwischen Barrieren, die aus Transformer Board gefertigt sind, liegen. Die Ölkanäle haben ferner
die Aufgabe, die freie Ölstrecke zu begrenzen. Dadurch können die so genannten
Faserbrückendurchschläge vermieden werden, denn die leitenden Fasern werden durch die
Barrieren unterbrochen. Damit sichergestellt ist, dass der gesamte Isolationsraum des
Transformators ständig mit Öl gefüllt ist, gibt es oberhalb der Oberkante des Transformatortanks
ein Ölausdehnungsgefäß mit einer Membran, die das sich verändernde Ölvolumen ausgleicht.
Transformatoren werden für den Betrieb von einer Minimal- bis zu einer Maximaltemperatur
ausgelegt. Bei der Maximaltemperatur wird bei Nennstrom die maximale Wicklungstemperatur
eingenommen. Die Erhöhung der Wicklungstemperatur gegenüber der Außentemperatur von
durchschnittlich 30 Grad Celsius (gemessen über eine 24 h Dauer) soll je nach verwendetem
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Isolationsmaterial nicht mehr als 55 Grad oder 65 Grad Celsius betragen. Die
Heißpunkttemperatur der Wicklung soll dabei um nicht mehr als 70 Grad, bzw. 80 Grad Celsius
über der durchschnittlichen Außentemperatur von 30 Grad Celsius liegen. Die
Heißpunkttemperatur ist die maximale Windungstemperatur. Der Betrieb mit höherer
durchschnittlicher Außentemperatur als 30 Grad Celsius wird bezüglich der Lebensdauer des
Transformators mit einem Betrieb unterhalb von 30 Grad Celsius und durch Ströme, die kleiner
sind als der Nennstrom, kompensiert. Um auch Transformatoren mit kontinuierlicher Überlast
fahren zu können, wird häufig die Lüfterleistung durch Einschalten redundanter Lüfter
vergrößert. Damit wird mehr Wärme abgeführt und die Wicklungstemperatur vergrößert sich
nicht gegenüber dem Normalbetrieb. Allerdings wird die Lüfterstromaufnahme vergrößert, es
werden die Stromwärmeverluste in den Wicklungen vergrößert und es gibt keine Redundanz
mehr.
Zur Überwachung der Wicklungstemperatur gibt es ein so genanntes thermisches Abbild. Eine
Messsonde liegt im oberen Bereich des Transformators in Öl und wird gleichzeitig von dem mit
einem Stromwandler gemessenen Strom geheizt. Damit lässt sich die Wicklungstemperatur
nachbilden. Die Wicklungstemperatur wird neben der Öltemperatur unmittelbar am
Transformator angezeigt.
Betrieb bei zu geringer Temperatur könnte wegen der zu geringen Ölviskosität zu verzögerter
Kühlung und damit zur örtlichen Überhitzung führen. Für solche Temperaturbedingungen ist
OFAF (siehe oben) vorzusehen. Außerdem ist bei Stromrichtertransformatoren zu beachten, dass
die Spannungsaufteilung in der Isolation von dem spezifischen Widerstand der verschiedenen
Isolationsstoffe abhängt. Da der spezifische Widerstand der Isolationsstoffe wiederum
temperaturabhängig ist, und zwar für die verwendeten Stoffe Öl, Papier und Porzellan
unterschiedlich stark, verändert sich die Spannungsaufteilung über die Temperatur. Bei reiner
Wechselspannung ändert sich die Beanspruchung der Materialien kaum, da die
Spannungsaufteilung von den Dielektrizitätszahlen abhängt, welche wiederum weitgehend
unabhängig von der Temperatur sind.
Transformatordurchführungen
Eine wichtige Funktion hat die so genannte Transformatordurchführung. Durch sie wird das
Hochspannungspotential von der Luftseite an die Wicklung im Transformatorkessel
herangeführt. Die Durchführung ist auf dem so genannten Transformatordom angeflanscht.
Nimmt man eine in Luft notwendige Überschlagsweite von ca. 4 bis 5 m für eine Spannung von
380 kV (Blitzstoßpegel 1300 kV) an, so sieht man, dass es unmöglich ist, die Spannung von 380
kV nur über Luftisolation an die Wicklung heranzuführen. Der Abstand zum Kessel müsste
rundherum um den Anschluss 4 bis 5 m betragen. Mittels ölgetränktem Papier, was einer sehr
viel höheren Feldbeanspruchung als Luft standhält, kann man den Abstand beträchtlich
verkleinern. Führt man den Hochspannungsanschluss konzentrisch durch eine runde Öffnung in
den Kessel, so reicht ein Abstand zwischen Innenleiter und Tank von ca. 20 cm. Bei einem
Durchmesser des Innenleiters von z.B. 5 cm müsste die Öffnung des Tanks 2 mal 22,5 cm = 45
cm betragen. Eine Hochspannungsdurchführung muss also bei diesen Werten an der
Durchgangsstelle durch den Kessel eine Papierumwicklung mit einem Außendurchmesser von 45
cm und einem Innendurchmesser von 5 cm haben.
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Unterer Teil der Durchführung eines HochspannungsGleichstrom-Transformators (Darstellung zeigt einen Längsschnitt
durch die Durchführung rechts der Symmetrielinie)
porcelain
Porzellan (oben: unterstes Ende des luftseitigen Porzellans,
unten: ölseitiges Porzellan)
conductor tube hohler Leiter (Verbindung zwischen HSAnschluss und Wicklung)
condensor core Kondensator (bestehend aus ölgetränktem Papier
mit Aluminimumfolien als Zwischenlagen zur Feldsteuerung)
steel
Stahl
bushing oil
Öl in Durchführung
barrier system
Barrieren System
transformer oil
Öl im Transformator
tulip
Abschirmung in Tulpenform
Zum luft- und ölseitigen Anschluss hin wird die Papierisolation stufenweise in der Länge
verringert, so dass sich die Durchführung zu den Anschlüssen hin konisch verjüngt. Es ergibt sich
ein "Zylinderkondensator", wobei die beiden Elektroden durch den Kessel und durch das innen
liegende Rohr gegeben sind. Damit der Potentialabbau zwischen dem Innenleiter und dem Kessel
einen gewünschten Verlauf einnimmt, werden Lagen von Aluminiumfolie zwischen die
Papierumwicklung gelegt. Diese bilden dann Äquipotentialflächen. Mittels der Aluminiumfolien
lassen sich der Potentialverlauf und damit die elektrische Feldstärke steuern. Die luftseitige
Papierisolation ist mit einem Porzellan versehen, welches zur Begrenzung von Isolationsströmen
auf der Porzellanoberfläche aus Porzellankappen besteht. Durch die Schirmform der Kappen lässt
sich ein hinreichend hoher Kriechweg realisieren. Der Kriechweg soll bei Wechselspannung je
nach Umgebungsbedingungen ca. 2 cm/kV bis 3 cm/kV (Effektivwert) betragen, bei
Gleichspannung ca. 1 cm/kV in Innerräumen (Stromrichterventilhallen) und 4 cm/kV außen. Der
ölseitige Teil des "Zylinderkondensators" wird manchmal mit einem glatten Porzellanrohr
versehen (s. Bild oben). Dessen Hauptaufgabe ist der Schutz der Durchführung beim Transport
und beim baustellenseitigen Einbau.
Hochspannungsdurchführungen werden durch den im Innenrohr fließenden Strom erwärmt. Bei
der gezeigten Durchführung wird die erzeugte Wärme durch das Öl der Durchführung an die
Außenluft abgeführt. Das Öl zirkuliert in einem geschlossenen Kreis in der Durchführung. Es
steigt im hohlen Leiter hoch und kehrt über den Kanal zwischen Porzellan und Kondensator
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zurück. Bei anderen Ausführungen gibt es keine Trennung zwischen dem Transformatoröl und
dem Durchführungsöl. Da es sich dann um einen einzigen Ölraum handelt, ist die höchste Stelle
des Öls am Klemmenanschluss der Durchführung, ca. 4 m, oberhalb des Tanks. Das
Ölausdehnungsgefäß muss mindestens oberhalb dieser höchsten "Ölstelle" liegen. Für Einsätze in
erdbebengefährdeten Gebieten ist diese Konstruktion wegen der sicherzustellenden
mechanischen Festigkeit höchst aufwendig.
Werden Einphasentransformatoren in Stern geschaltet und wird der Sternpunkt geerdet, so
braucht das erdseitige Wicklungsende nicht für Hochspannung ausgelegt zu werden. Dann ist
auch die Durchführung nur für eine kleinere Spannung zu isolieren. Da das Potential des
geerdeten Sternpunkt nicht identisch ist mit dem Potential des Transformatorkessels ist
(Trennung von Betriebs- und Schutzerde), wird die erdseitige Durchführung mit einem
Kriechweg versehen, der ausreicht, um eine im Störungsfall auftretende Erderspannung gegen
den Kessel des Transformators, der auch geerdet ist, zu isolieren und um einen eindeutigen Weg
des Erdstroms zu erhalten. Eine direkte Verbindung des Sternpunkts mit dem geerdeten Kessel
würde einen Erdstrom mit undefiniertem Weg über die Kesselwand zur Folge haben. Werden
Einphasentransformatoren in Dreieck geschaltet, so muss jedes Wicklungsende mindestens für
den Wert der Leiterspannung bemessen werden.
Werden Einphasentransformatoren in einer gleichspannungsseitig geerdeten
Drehstrombrückenschaltung verwendet und in Stern geschaltet, so ist das jeweilige
Wicklungsende, das am Sternpunkt angeschlossen wird, gegen Gleichspannungsbeanspruchung
zu isolieren (halbe Gleichspannung der Drehstrombrücke). Die Brückenanschlüsse sind für halbe
Gleichspannung plus überlagerte Phasenspannung zu isolieren.
In den ober- und unterspannungsseitigen Durchführungen sind Stromwandler untergebracht, die
für den Überstromschutz, den Transformatordifferentialschutz, den Sammelschienenschutz, für
das thermische Abbild und für die Strommessung verwendet werden. Im Allgemeinen wird das
Überstromrelais bei einem Strom, der den 1,4-fachen Nennstrom überschreitet, auf eine sofortige
Auslösung eingestellt, bei Strömen, die zwischen dem 1,1- und 1,4-fachen Wert des Nennstroms
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liegen, wird eine Auslösezeit von 1 sec eingestellt. Um einen Körperschluss der Wicklung oder
der Spannungszuführung zu erfassen, gibt es den so genannten Differentialschutz. Ober- und
unterspannungsseitig werden die Ströme erfasst und einem Differentialschutzrelais zugeführt.
Eine Stromdifferenz bedeutet einen Körperschluss und führt zum Auslösen des
Leistungsschalters. Stromwandler für den Sammelschienenschutz ermöglichen den
abschnittsweisen Schutz des Sammelschienensystems. Um Körperschlüsse im
Transformatorinneren, die wegen kleiner Fehlerströme nicht vom Differentialschutz erfasst
werden, zu erkennen, wird im "Erdbein" des Sternpunkts der drei Einphasentransformatoren ein
Stromwandler angebracht. Bei einer Unsymmetrie der drei Phasen fließt ein Erdstrom, der über
ein Relais zum Auslösen des Leistungsschalters führt.
Stufenschalter
Zur Spannungsregelung sind Hochspannungstransformatoren mit so genannten Stufenschaltern
ausgestattet. Damit lässt sich zum Zwecke der Spannungsregelung und der
Blindleistungssteuerung die Transformatorübersetzung verändern. Die Stufenwicklung sind
hochspannungsseitig am unteren Wicklungsende angebracht. Dadurch sind im Vergleich mit
einer Realisierung auf der Mittelspannungsseite die zu schaltenden Ströme geringer
(Kontaktabbrand) und die Isolationsanforderungen geringer. Im Höchst- und
Hochspannungsbereich werden Stufenschalter eingesetzt, die unter Last schaltbar sind. Das
Schalten einer Stufe dauert ca. 5 sec. Die höchste übliche Stufenzahl ist etwa 25. Pro Stufe wird
das Übersetzungsverhältnis um z.B. 0,5 % verändert. Bei Einphaseneinheiten werden in jeder
Einheit die Stufen synchron verändert. Es muss eine Gleichlaufvorrichtung geben. Würden
unterschiedliche Stufen in den drei Phasen eingenommen, so käme es zu unsymmetrischer
Netzspannung. Der Betrieb des Netzes und der Drehstrombetriebsmittel verlangt symmetrische
Spannungen.
Bei Verteiltransformatoren (10 kV/400 V, bzw. 20 kV/400 V) werden Wicklungsabgriffe
vorgesehen, so dass das Übersetzungsverhältnis durch Umklemmen verändert werden kann.
Schaltgruppen
Symbolisch kennzeichnet man die Schaltung der jeweiligen Wicklung mit Y, bzw. y für die in
Stern geschaltete Wicklung und mit D, bzw. d für die in Dreieck geschaltete Wicklung. Der
Großbuchstabe steht für die Oberspannungswicklung und der Kleinbuchstabe für die
Unterspannungswicklung. Mit Z, bzw. z bezeichnet man die Zick-Zack-Schaltung, bei der jeweils
die Hälften ein und desselben Wicklungsstrangs zwei verschiedenen Phasen zugeordnet sind,
oder anders ausgedrückt, auf ein und demselben Schenkel des Eisenkerns zwei Wicklungshälften
verschiedener Phasen sitzen. Wird bei einem Drehstromtransformator der Sternpunkt
herausgeführt, dann wird dies mit N, bzw. n gekennzeichnet. Die Phasenverschiebung zwischen
ober- und unterspannungsseitigen Leiterspannung wird mit dem Vielfachen von 30 Grad
gekennzeichnet. Zick-Zack-Schaltung findet man aus Kostengründen nur bei
Verteilertransformatoren kleiner Bauleistung.
Beispiele für Schaltgruppen:
Yy0, ZNyn5, Dyn5, YNd5, YNyn0d5
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Ableiter, Schutzpegel, Isolationspegel
Transformatoren müssen gegen einlaufende atmosphärische Überspannungen (Blitze) und
Schaltüberspannungen geschützt werden. Dies geschieht mittels Ableiter, die so nah wie möglich
und mit geringer Induktivität an das Erdungsnetz angeschlossen sein sollten. Die Wicklungen und
die Durchführungen sind für bestimmte Isolationspegel zu dimensionieren. Diese Pegel sind
genormt und aus Tabellen abzulesen. Für einen 380-kV-Transformator wäre z.B. ein
Blitzstoßpegel von 1300 kV und ein Schaltstoßpegel von 1050 kV zu wählen. Die Pegel der
Durchführungen werden in der Regel um eine Stufe höher gewählt, also 1425 kV, bzw. 1175 kV.
Dass diese Pegel nicht überschritten werden, ist mittels einer Isolationskoordination
sicherzustellen. Die Ableiter, die zum Schutz verwendet werden, begrenzen die Spannungen auf
so sogenannte Schutzpegel. Die Isolationspegel sollen nicht mehr als 15 % beim Schaltstoß, bzw.
20 % beim Blitzstoß über den Schutzpegeln liegen. Als Ableiter werden heute Metalloxidableiter
ohne Funkenstrecke verwendet. Diese ermöglichen niedrigere Schutzpegel als die früher
verwendeten Siliziumcarbid-Ableiter mit Funkenstrecke. Der Zinkoxid-Ableiter hat eine stark
nichtlineare Kennlinie. Bei Nennspannung fließt nur ein Strom von wenigen mA. Bei einem
Ableitstrom von 10 kA beträgt die Spannung ca. das 1,6-fache des Scheitelwertes der
Bemessungsspannung des Ableiters.
Die Formen (Stirnzeit und Rückenhalbwertzeit) der Spannungsstöße sind genormt. Bei einem
Blitzstoß wird die Stirnzeit mittels einer Tangente gemessen, die man durch den 30-%-Wert und
den 90-%-Wert legt. Der Schnittpunkt der Geraden mit der Zeitachse und mit dem 100-%-Wert
gibt die Stirnzeit an. Diese soll 1,2 s betragen. De Rückenhalbwertszeit wird vom Durchgang
der Geraden durch die Zeitachse bis zum 50-%-Wert der abfallenden Flanke gemessen. Sie soll
50 s betragen. Beim Schaltstoß wird die Zeit bis zum Erreichen des Scheitelwerts tcr (time-tocrest) mit 250 s spezifiziert und der Abfall auf den 50-%-Wert mit th = 2500 s
(Rückenhalbwertszeit) spezifiziert. Die beiden Spannungsformen lassen sich synthetisch durch
Zünden einer Funkenstrecke und anschließendes Umladen eines Kondensators auf einen weiteren
Kondensator mit folgender Entladung über einen Widerstand erzielen.
Transport, Montage, Inbetriebnahme
Große Transformatoren werden ohne Durchführungen und ohne Öl transportiert. Der Ölraum
wird hierfür mit Stickstoff gefüllt. Dadurch wird Feuchtigkeit von der Isolation ferngehalten.
Bei Transport von großen Transformatoren muss man sich über die Frachtmöglichkeiten im
Klaren sein. Wie breit sind Straßen und Schienenwege, wie breit und hoch sind Tunnel?
Manchmal muss aus Transportgründen ein Fünfschenkeltransformator geliefert werden, der eine
niedrigere Bauhöhe als ein Dreischenkeltransformator hat.
Wichtig sind ferner Ersatzteile, insbesondere wenn es sich um Spezialteile handelt, und
Spezialwerkzeuge sowie Vorrichtungen für die Aufstellung des Transformators. Ferner sind die
Anforderungen an das Montage- und Inbetriebnahmepersonal anzugeben.
Typenschilddaten des Transformators
Die wesentlichen elektrischen Daten eines Transformators sind:
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Nennscheinleistung in MVA
Nennspannung kV
Nennübersetzung
relative Kurzschlussspannung uk in %
Verlustleistung Vk in kW
Die Nennübersetzung ist die Leerlaufübersetzung des Transformators bei Nennspannung! Die
Nennübersetzung ist nicht die Übersetzung bei Nennstrom!
Bei Nennstrom und oberspannungsseitiger Nennspannung ist infolge des Spannungsabfalls an der
Streureaktanz und dem Verlustwiderstand des Transformators die Spannung auf der
Unterspannungsseite kleiner als Nennspannung.
Die relative Kurzschlussspannung ist der Spannungsabfall an der Kurzschlussimpedanz des
Transformators bei Nennstrom geteilt durch Nennspannung//3. Man ermittelt ihn durch die
Kurzschlussmessung wie folgt:
Es werden die oberspannungsseitigen Klemmen kurzgeschlossen. Auf der Unterspannungsseite
wird eine Spannung angelegt, die langsam erhöht wird, bis Nennstrom erreicht wird. Die dabei
vorliegende Spannung ist die Kurzschlussspannung in kV. Wird diese auf die Nennspannung//3
bezogen, so ergibt sich die relative Kurzschlussspannung, die auf dem Typenschild des
Transformators angegeben wird. Gleichungsmäßig lässt sich dieser Kurzschlussversuch wie folgt
beschreiben:
oberspannungsseitig
uk = Zk,OS In,OS/[Un,OS/\/3]
unterspannungsseitig
uk = Zk,US In,US/[Un,US/\/3]
Der relative ohmsche Spannungsabfall (Stromwärmeverluste in Kupferwicklung) wird mit ur
bezeichnet und lässt sich aus den obigen Transformatordaten berechnen:
ur = Vk/Sn
Der relative Spannungsabfall ux an der Streureaktanz des Transformators lässt sich aus uk und ur
berechnen:
ux = \/(uk2 - ur2)
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Die Streureaktanz und der ohmsche Verlustwiderstand ergeben sich aus der
Kurzschlussimpedanz:
Xk = Zk *ux/uk
Rk = Zk * ur/uk
oder Rk = \/(Zk2 - Xk2)
Ersatzschaltbild
Bei der Parallelschaltung von Transformatoren sollen die Kurzschlussreaktanzen der
Transformatoren gleich groß sein. Dadurch wird erreicht, dass jeder der parallel liegenden
Transformatoren entsprechend seinem Übertragungsvermögen belastet wird.
Beispiel:
uk1 = 10 % Un,OS = 110 kV, Sn = 40 MVA
uk2 = 10 % Un,OS = 110 kV, Sn = 63 MVA
Xk1 = 0,1 (110 kV)2 / 40 MVA = 30,25 Ohm
Xk2 = 0,1 (110 kV)2 / 63 MVA = 19,2 Ohm
Die über beide Transformatoren fließende Gesamtleistung teilt sich nach dem Verhältnis der
parallel liegenden Leitwerte auf die beiden Transformatoren auf:
S1 = Sges (1/30,25 Ohm) / [1/(30,25 Ohm) + 1/(19,2 Ohm)] = 0,39 Sges
S2 = Sges (1/19,2 Ohm) / [1/19,2 Ohm) + 1/(30,25 Ohm)] = 0,61 Sges
Wird z.B. eine Gesamtscheinleistung von 103 MVA übertragen, wird jeder der beiden
Transformatoren mit seiner eigenen Nennscheinleistung belastet. Voraussetzung ist hierfür
ferner, dass beide Transformatoren dieselbe Übersetzung haben.
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Bei Stromrichtertransformatoren ist es äußerst wichtig, dass die Kurzschlussimpedanzen
übereinstimmen. Abweichungen führen zu unterschiedliche langen Kommutierungszeiten und
damit zu unterschiedlich langen Stromblöcken in den einzelnen Phasen. Damit ergeben sich
unterschiedlich hohe Grundschwingungsinhalte der Stromblöcke. Die Belastung des Netzes wird
unsymmetrisch mit einer in Folge unsymmetrischen Spannung.
Die Kurzschlussreaktanzen werden entsprechend dem vorhandenen Spielraum (12 % bis 20 %)
so groß gewählt, dass es ein Optimum zwischen dem Bedarf an Kommutierungsblindleistung und
der Begrenzung der Oberschwingungsströme gibt. Mit steigender Kurzschlussreaktanz steigt
nämlich der Blindleistungsbedarf des Stromrichters und die Amplituden der
Oberschwingungsströme nehmen ab, d.h. der Aufwand für die Blindleistungskompensation
steigt, aber der Aufwand für die Filterung sinkt. Neben der einzuhaltenden spezifizierten
Filterperformanz spielen also die Kosten für Kondensatorbänke und Filterkreise eine Rolle. Da
die Kurzschlussspannung außerdem die Größe des Kurzschlussstroms bei einem
Ventilkurzschluss in einer Stromrichtergruppe mitbestimmt, ist für eine möglichst geringe
Ventilbelastung eine große Kurzschlussreaktanz zu wählen.
Verlustbewertung
Transformatoren haben Leerlauf- und Lastverluste. Diese müssen in eine Preisbewertung
einbezogen werden, da im Allgemeinen bei hohen Verlusten der Aufwand für den Transformator
geringer ist, dieser also nur scheinbar kostengünstiger ist.
Prüfung von Transformatoren
Windungswiderstand
Übersetzung
Polarität und Phasenbeziehungen
Magnetisierungsstrom
Eisenverluste
Kurzschlussspannung und Lastverluste
Dielektrische Prüfungen
Blitzstoß
Schaltstoß
Teilentladungsmessung
Funktionsprüfungen Kühler und Lüfter
Kühlerleistungsaufnahme
Funktionsprüfung Stufenschalter
Überlastprüfung
10-10
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