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 1-10 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 2-10 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. 3-10 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 4-10 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 5-10 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 6-10 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: 7-10 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) 8-10 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. 9-10 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