Von der Klassifizierung bis zur Verdrahtungsart – die umfassendste Erklärung zum Erdungstransformator

Die 6-kV-, 10-kV- und 35-kV-Stromnetze im Stromnetz arbeiten im Allgemeinen ohne Erdung des Neutralleiters. Die Niederspannungsseite des Haupttransformators ist üblicherweise dreieckförmig verschaltet, sodass kein Neutralpunkt geerdet werden kann. Tritt in einem solchen System ein einphasiger Erdschluss auf, bleibt das Spannungsdreieck symmetrisch. Das Stromnetz kann die Verbraucher für ein bis zwei Stunden weiter versorgen, und der kapazitive Strom ist relativ gering (unter 10 A), sodass kein intermittierender Lichtbogen entsteht. Einige vorübergehende Erdschlüsse können sich selbstständig beheben, was die Versorgungssicherheit deutlich erhöht und Stromausfälle reduziert. Mit dem kontinuierlichen Ausbau des städtischen Stromnetzes und der stetigen Zunahme von Abzweigleitungen steigt jedoch der kapazitive Strom des Systems gegen Erde stark an, und der kapazitive Strom, der nach einem einphasigen Erdschluss durch den Fehlerpunkt fließt, ist hoch (über 10 A).

Der Lichtbogen ist schwer zu löschen, er kann leicht ferromagnetische Resonanzüberspannungen hervorrufen und intermittierende Lichtbogenüberspannungen gegen Erde verursachen, was zu Isolationsschäden, Leitungsunterbrechungen und einer Ausweitung des Unfalls führen kann.

Speziell:

Das intermittierende Erlöschen und Wiederzünden eines einphasigen Erdungsbogens erzeugt eine Erdungsbogenüberspannung mit einer Amplitude von bis zu 4U (U ist der Spitzenwert der Normalphasenspannung) oder höher und langer Dauer, was die Isolation elektrischer Geräte stark schädigt und bei schwacher Isolation zu Durchschlägen führt; verursacht hohe Verluste.

Die durch den kontinuierlichen Lichtbogen verursachte Luftzerlegung zerstört die Isolierung der umgebenden Luft und ist anfällig für Kurzschlüsse zwischen den Phasen.

Ferromagnetische Resonanzüberspannungen können den Spannungswandler leicht durchbrennen lassen und den Überspannungsableiter beschädigen, was im schlimmsten Fall sogar zu einer Explosion des Ableiters führen kann. Diese Folgen gefährden die Isolation der Netzkomponenten und somit den sicheren Betrieb des Stromnetzes.

Um den kapazitiven Strom gegen Erde bei einem einphasigen Erdschluss zu reduzieren, ist es erforderlich, eine Lichtbogenlöschspule und weitere Kompensationseinrichtungen am Sternpunkt des Transformators zu installieren. Daher muss der Sternpunkt manuell festgelegt werden, damit die Lichtbogenlöschspule dort angeschlossen werden kann. Dies reduziert den Erdschluss-Kurzschlussstrom und verbessert die Zuverlässigkeit der Stromversorgung.

■ Aktuelle Verwendung im In- und Ausland

In China werden Erdungstransformatoren üblicherweise in Z-Schaltung (oder Zickzack-Schaltung) ausgeführt. Um Investitionen und Platz im Umspannwerk zu sparen, wird dem Erdungstransformator in der Regel eine dritte Wicklung hinzugefügt, die den Transformator zur Stromversorgung der Umspannwerksausrüstung ersetzt. Gemäß der nationalen Norm für Reaktoren lässt sich die Erdungsart von Erdungstransformatoren in direkte Erdung und direkte Erdung unterteilen. Bei der direkten Erdung erfolgt die Erdung über Reaktoren, Widerstände und eine Störlichtbogen-Unterdrückungsspule. Die direkte Erdung wird in China nicht angewendet, jedoch diskutieren einige Forschungseinrichtungen im Bereich der elektrischen Energiewirtschaft diesen Aspekt. Im Ausland werden Erdungstransformatoren üblicherweise in Z-Schaltung ausgeführt. Diese werden in ungeerdeten 10-kV-Systemen eingesetzt und bilden den Erdungsschutz des Verteilungsnetzes. Bei einem Erdschluss weist der Erdungstransformator eine hohe Impedanz gegenüber Mit- und Gegenstrom und einen niedrigen Widerstand gegenüber Nullstrom auf, wodurch der Erdungsschutz zuverlässig funktioniert.

■ Dreiphasen-Erdungstransformator

Dreiphasen-Erdungstransformator: Dieser Transformatortyp verwendet eine Z-förmige (oder zickzackförmige) Verdrahtung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Transformatoren ist jede Phasenspule in zwei Gruppen unterteilt und umgekehrt um den Magnetpol dieser Phase gewickelt. Der Vorteil dieser Verdrahtung liegt darin, dass der Nullfluss entlang des Magnetpols fließen kann, während er bei herkömmlichen Transformatoren entlang des Streukreises fließt. Daher ist die Nullimpedanz von Z-förmigen Erdungstransformatoren sehr gering (ca. 10 Ω), während sie bei herkömmlichen Transformatoren deutlich höher ist. Gemäß den Vorschriften darf die Kapazität der Lichtbogenlöschspule bei herkömmlichen Transformatoren 20 % der Transformatorleistung nicht überschreiten. Z-förmige Transformatoren können mit einer Lichtbogenlöschspule mit einer Kapazität von 90 % bis 100 % ausgestattet werden. Zusätzlich zur Lichtbogenlöschspule kann der Erdungstransformator auch mit einer Sekundärlast ausgestattet werden, wodurch der Stationstransformator ersetzt und somit Investitionskosten gespart werden können.

■ Einphasen-Erdungstransformator

Einphasen-Erdungstransformator Einphasen-Erdungstransformator wird hauptsächlich für Generatoren mit Neutralpunkt und Neutralpunkt-Erdungswiderstandsschrank von Satons-Transformatoren verwendet, um Kosten und Volumen des Widerstandsschranks zu reduzieren.

■ Funktionsweise

(1) Niedrige Nullimpedanz, um den Ausgang von Nullstrom zu gewährleisten;

(2) Hohe Erregerimpedanz zur Reduzierung des Leerlaufstroms;

(3) Niedrige Leerlaufverluste zur Senkung des Energieverbrauchs im täglichen Betrieb.

■ Verdrahtungsmodus

YNyn-Verbindung

Transformatoren mit dieser Anschlussart verwenden im Allgemeinen einen dreiphasigen Dreipol-Eisenkern. Der Sternpunkt auf der Hochspannungsseite kann mit einer Lichtbogenlöschspule zur Erdung verbunden werden. Fließt jedoch ein einphasiger geerdeter Nullstrom durch die Wicklung auf der Hochspannungsseite, kann das erzeugte Nullmoment nicht durch das Sekundärmagnetpotenzial ausgeglichen werden. Der Nullmoment-Magnetfluss in gleicher Richtung kann im Dreipol-Eisenkern keinen geschlossenen Stromkreis bilden. Daher fließt ein Großteil des Nullmoment-Magnetflusses über die Klemme, das Öl und den Öltank und bildet dort einen geschlossenen Stromkreis. Dies führt zu zusätzlichen Verlusten im Öltank und in der Klemme, lokaler Überhitzung und einer eingeschränkten Ausnutzung der Transformatorleistung. Die entsprechenden Betriebsvorschriften des chinesischen Energiesektors enthalten folgende Bestimmungen zum Betriebszustand der Lichtbogenlöschspule am Sternpunktanschluss von YNyn-Transformatoren:

(1) Die Leistung der Lichtbogenlöschspule darf 20 % der Nennleistung des Transformators nicht überschreiten;

(2) Der durch den durch die Lichtbogenlöschspule im Transformator fließenden Nullstrom erzeugte Nullspannungsabfall darf 10 % der Bemessungsphasenspannung nicht überschreiten;

Die Anschlussart des YNd-Transformators mit Lichtbogenlöschspule XL zeichnet sich dadurch aus, dass die Dreieckschaltung auf der Sekundärseite einen geschlossenen Pfad für den Nullstrom bildet, wodurch die Nullreaktanz gering ist. Da zudem das Nullpotenzial der Primär- und Sekundärwicklungen an jedem Kernstrang ausgeglichen ist, ist auch die magnetische Nullstreuung gering. Befindet sich die YN-Anschlusswicklung jedoch außerhalb des Transformators, lassen sich zusätzliche Nullstromverluste im Öltank und anderen Komponenten nicht vollständig vermeiden. Auch bei Anschluss an die Lichtbogenlöschspule ist die Ausnutzung der Kapazität begrenzt. Ausländische Prüfuntersuchungen zeigen, dass die zulässige Betriebsart des YNd-geerdeten Transformators folgende ist:

(1) Bei normaler Sekundärlast darf die Kapazität der auf der YN-Seite angeschlossenen Lichtbogenlöschspule 50 % der Nennkapazität des Transformators nicht überschreiten.

(2) Wenn die Sekundärlast nur 50 % der Transformatorleistung im Normalbetrieb beträgt, kann die Leistung der Lichtbogenunterdrückungsspule der Nennleistung des Transformators entsprechen.

Obwohl die sekundäre Seite dieser Verbindung regionale Verbraucher oder das Umspannwerk selbst mit Strom versorgen kann, ist ihre Anwendung stark eingeschränkt, da es mit der Dreiecksverbindung schwierig ist, gleichzeitig Hybridstrom- und Beleuchtungsnutzer mit Strom zu versorgen.

Die offene Dreiecksschaltung (YN) ist mit einer Lichtbogenlöschspule (XL) verbunden, ähnlich der YNd-Schaltung. Bei dieser Schaltung kann ein Widerstand oder eine Drossel an der Seite des offenen Dreiecks angeschlossen werden, um die Nullimpedanz des Transformators anzupassen. Der Widerstand kann zudem die ferromagnetische Resonanz des Netzes unterdrücken. Bei Verwendung eines dreiphasigen Fünfkern-Eisenkerns lässt sich die Nullimpedanz deutlich erhöhen, und es ist sogar möglich, auf eine Lichtbogenlöschspule zu verzichten. Allerdings ist die Konstruktion dadurch komplexer und die Kosten steigen. Da die offene Dreiecksschaltung für die Sekundärnutzung sowohl zur Versorgung regionaler Verbraucher als auch zur Eigenversorgung ungeeignet ist, findet sie keine breite Anwendung.

Der in ZN,yn-Schaltung angeschlossene Transformator ist mit der Lichtbogenlöschspule XL verbunden, was eine gängige Anschlussart für geerdete Transformatoren darstellt. Da bei dieser Zickzack-Schaltung die Nullsystem-Magnetpotentiale in den oberen und unteren Wicklungshälften desselben Eisenkerns gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet sind und sich somit gegenseitig aufheben, wird der Nullsystem-Streufluss stark reduziert. Dadurch ist auch die Nullsystem-Reaktanz sehr gering, und die Kapazität kann der Kapazität der angeschlossenen Lichtbogenlöschspule entsprechen.

Der im In- und Ausland weit verbreitete Erdungstransformator wird hauptsächlich auf diese Weise angeschlossen. Da auf der Niederspannungsseite die yn-Verbindungsmethode verwendet wird, kann er gleichzeitig lokale Energie oder Eigenverbrauchsenergie des Umspannwerks liefern. Die Leistung der Niederspannungsseite ist üblicherweise geringer als die der Hochspannungsseite. In den meisten Fällen liegt die Leistung der Niederspannungsseite im Bereich von 80–200 kVA.

Obwohl die Nennleistung der Hochspannungsseite der Leistung der angeschlossenen Lichtbogenlöschspule entsprechen kann, hat die Z-förmige Verbindung 1,15-mal so viele Windungen wie die Y-förmige Verbindung, sodass die tatsächliche Leistung des Erdungstransformators das 1,15-fache der Leistung der Lichtbogenlöschspule betragen sollte.

■ Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip des Erdungstransformators bei einphasigem Fehler im System wird anhand der üblichen ZNyn-Verdrahtung veranschaulicht. Fließt während des Betriebs ein Nullstrom bestimmter Größe durch den Erdungstransformator, so fließen die Ströme in den beiden einphasigen Wicklungen desselben Eisenkerns in entgegengesetzte Richtungen und sind gleich groß. Dadurch ist das vom Nullstrom erzeugte magnetische Potenzial genau entgegengesetzt und somit die Nullimpedanz sehr gering.

Fällt der Erdungstransformator aus, fließt der Kompensationsstrom durch den Sternpunkt. Aufgrund der geringen Nullimpedanz ist der Spannungsabfall beim Durchfließen des Nullstroms so gering wie möglich, um die Systemsicherheit zu gewährleisten. Da der Erdungstransformator eine niedrige Nullimpedanz aufweist, fließt bei einem einphasigen Erdschluss in Phase C der Erdungsstrom I der Phase C über die Erde zum Sternpunkt und teilt sich in drei gleiche Teile auf, die in den Erdungstransformator fließen. Da die drei Phasenströme im Erdungstransformator gleich groß sind, bleibt die Verschiebung des Sternpunkts N unverändert, und die dreiphasige Leiterspannung bleibt symmetrisch.

Im Herstellungsprozess können die Windungszahlen und geometrischen Abmessungen der oberen und unteren Wicklung der Hochspannungswicklung jedoch nicht exakt übereinstimmen. Dadurch lässt sich das durch den Nullstrom erzeugte magnetische Potenzial nicht exakt in entgegengesetzter Richtung kompensieren und es entsteht eine gewisse Nullimpedanz von üblicherweise 6–10 Ω. Verglichen mit der Nullimpedanz eines sternförmig geschalteten Transformators von 600 Ω sind die Vorteile offensichtlich. Zudem ermöglicht der Zickzack-Erdungstransformator eine Minimierung des Leerlaufstroms und der Leerlaufverluste. Im Vergleich zu einem herkömmlichen sternförmig geschalteten Transformator besteht jeder Phasenkern eines Zickzack-Erdungstransformators aus Wicklungen zweier Eisenkernsäulen. Laut Vektordiagramm ist bei gleicher Spannung eine 1,16-fach höhere Wicklungsanzahl erforderlich als bei einem herkömmlichen sternförmig geschalteten Transformator. Die Amplituden der Null- und Mitimpedanz in städtischen Verteilungsnetzen mit einphasiger Erdung im Sternpunkt-Erdungsmodus unterscheiden sich erheblich. Beim Durchfließen dreiphasiger Mit- und Gegensystemströme entspricht das magnetische Potenzial an jeder Eisenkernsäule des Erdungstransformators der Summe der magnetischen Potenziale zweier Wicklungen unterschiedlicher Phasen an derselben Eisenkernsäule. Das magnetische Potenzial an den drei Eisenkernsäulen stellt eine Gruppe dreiphasiger Gleichgewichtsgrößen mit einer Phasenverschiebung von 120° dar. Der erzeugte magnetische Fluss bildet eine Schleife an den drei Eisenkernsäulen. Der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises ist gering, der magnetische Fluss groß und das induzierte Potenzial hoch, was zu einer hohen Mit- und Gegensystemimpedanz führt. Daher zeichnet sich der Erdungstransformator durch eine hohe Mit- und Gegensystemimpedanz und eine niedrige Nullsystemimpedanz aus.

■ Wichtigste technische Parameter

Um den Anforderungen der Erdungskompensation der Lichtbogenlöschspule im Verteilungsnetz gerecht zu werden und gleichzeitig den Bedarf an Umspannwerksstrom und Beleuchtungslast zu decken, wird ein Transformator mit Z-Anschluss gewählt, wobei die Hauptparameter des Erdungstransformators angemessen eingestellt werden müssen.

(1) Die Primärseitenleistung des Erdungstransformators mit Nennleistung muss der Leistung der Lichtbogenlöschspule entsprechen. Gemäß den Leistungsdaten der vorhandenen Lichtbogenlöschspule wird empfohlen, die Leistung des Erdungstransformators auf das 1,05- bis 1,15-Fache der Leistung der Lichtbogenlöschspule festzulegen. Beispielsweise beträgt die Leistung eines Erdungstransformators mit einer 200-kVA-Lichtbogenlöschspule 215 kVA.

(2) Gesamtstrom, der im Falle eines einphasigen Fehlers durch den Transformator-Neutralpunkt fließt, wenn der Neutralpunktkompensationsstrom beträgt:

Wo:

U ist die Netzspannung (V); Zx ist die Impedanz der Lichtbogenlöschspule (Ω);

Zd ist die primäre Nullsequenzimpedanz des Erdungstransformators (Ω/Phase);

Zs ist die Systemimpedanz (Ω);

Die Dauer des Neutralpunktkompensationsstroms muss der Dauer der Lichtbogenunterdrückungsspule entsprechen und beträgt, wie vorgeschrieben, 2 Stunden.

(3) Nullimpedanz Die Nullimpedanz ist ein wichtiger Parameter von Erdungstransformatoren und hat einen wesentlichen Einfluss auf den Relais-Schutz zur Begrenzung des einphasigen Erdschlussstroms und zur Unterdrückung von Überspannungen. Bei Zickzack- (Z-Typ) und Stern-/Dreieck-Erdungstransformatoren ohne Sekundärwicklung existiert nur eine Impedanz, die Nullimpedanz, sodass die Fertigungsabteilung die Anforderungen der Energieversorgungsabteilung erfüllen kann.

(4) Die Verluste sind ein wichtiger Leistungsparameter von Erdungstransformatoren. Bei Erdungstransformatoren mit Sekundärspule können die Leerlaufverluste denen eines Transformators mit zwei Wicklungen gleicher Leistung entsprechen. Bei Volllastbetrieb der Sekundärseite sind die Lastverluste der Primärseite aufgrund der geringeren Last auf der Primärseite niedriger als die eines Transformators mit zwei Wicklungen gleicher Leistung.

(5) Gemäß der nationalen Norm ist der Temperaturanstieg des Erdungstransformators wie folgt:

1) Der Temperaturanstieg unter Nenndauerstrom muss den Bestimmungen der nationalen Norm für Trockentransformatoren allgemeiner Leistungstransformatoren entsprechen, ist aber hauptsächlich auf geerdete Transformatoren mit häufiger Last auf der Sekundärseite anwendbar;

2) Wenn die Dauer des kurzzeitigen Laststroms weniger als 10 Sekunden beträgt (hauptsächlich, wenn der Neutralpunkt mit dem Widerstand verbunden ist), muss der Temperaturanstieg den Bestimmungen der nationalen Norm für Leistungstransformatoren über die Temperaturanstiegsgrenze unter Kurzschlussbedingungen entsprechen;

3) Der Temperaturanstieg des Erdungstransformators und der Lichtbogenlöschspule im gemeinsamen Betrieb muss den Bestimmungen für den Temperaturanstieg der Lichtbogenlöschspule entsprechen: Die Wicklungstemperatur bei kontinuierlichem Nennstrom beträgt 80 K, was hauptsächlich für Erdungstransformatoren in Stern-/offener Dreieckschaltung gilt; Für Wicklungen mit einer maximalen Nennstromflusszeit von 2 h beträgt die zulässige Temperatur 100 K.