Maßnahmen zur Verbesserung der Kurzschlussfestigkeit von Leistungstransformatoren

Ein Überblick über Leistungstransformatoren

Der elektronische Leistungstransformator wird hauptsächlich mithilfe von Leistungselektronik realisiert. Dabei wird ein Netzfrequenzsignal in ein Netzfrequenzsignal umgewandelt, d. h. die Frequenz reduziert. Durch ein geeignetes Steuerungsschema für die Leistungselektronik kann die elektrische Energie einer Frequenz, Spannung und Wellenform in elektrische Energie einer anderen Frequenz, Spannung und Wellenform umgewandelt werden. Da das Volumen des Zwischentrenntransformators von der Sättigungsmagnetflussdichte des Eisenkernmaterials und der maximal zulässigen Temperaturerhöhung von Eisenkern und Wicklung abhängt und die Sättigungsmagnetflussdichte umgekehrt proportional zur Betriebsfrequenz ist, kann eine Erhöhung der Betriebsfrequenz die Ausnutzung des Eisenkerns verbessern, wodurch die Größe des Transformators reduziert und sein Gesamtwirkungsgrad erhöht wird.

2. Maßnahmen zur Verbesserung der Kurzschlussfestigkeit von Leistungstransformatoren

Der sichere, wirtschaftliche und zuverlässige Betrieb sowie die Leistung von Transformatoren hängen von ihrer Fertigungsqualität, den Betriebsbedingungen und der Qualität der Wartung ab. Dieses Kapitel befasst sich mit Maßnahmen zur wirksamen Vermeidung plötzlicher Ausfälle von Transformatoren während des Betriebs und der Wartung.

Kurzschlüsse im Stromnetz treten häufig aufgrund von Blitzeinschlägen, Fehlfunktionen oder dem Versagen von Schutzrelais etc. auf. Die starken Kurzschlussströme können Transformatoren beschädigen. Daher sollten alle Anstrengungen unternommen werden, die Kurzschlussfestigkeit von Transformatoren zu verbessern. Statistiken zu Kurzschlussunfällen an Transformatoren zeigen, dass etwa 80 % der Ursachen auf Herstellungsfehler und nur etwa 10 % auf Betriebs- und Wartungsmängel zurückzuführen sind. Die Maßnahmen zur Verbesserung von Konstruktion und Fertigung wurden in Kapitel 2 behandelt. Dieses Kapitel konzentriert sich auf die Maßnahmen, die während des Betriebs und der Wartung zu ergreifen sind. Im Rahmen des Betriebs und der Wartung sollten Kurzschlüsse minimiert werden, um die Anzahl der Kurzschlüsse am Transformator zu reduzieren. Gleichzeitig sollte die Verformung der Transformatorwicklung rechtzeitig geprüft werden, um Probleme präventiv zu vermeiden.

(1) Standardisieren Sie die Konstruktion und achten Sie auf den axialen Kompressionsprozess der Spulenfertigung. Bei der Konstruktion sollte der Hersteller nicht nur die Verlustreduzierung und die Verbesserung des Isolationsniveaus des Transformators berücksichtigen, sondern auch die Verbesserung der mechanischen Festigkeit und der Kurzschlussfestigkeit. Da viele Transformatoren isolierende Druckplatten verwenden und Hoch- und Niederspannungsspulen eine gemeinsame Druckplatte nutzen, erfordert diese Konstruktion ein hohes Maß an Fertigungstechnologie. Die Auflageflächen müssen verdichtet werden. Trocknen Sie eine einzelne Spule unter konstantem Druck und messen Sie die Spulenhöhe nach der Kompression. Nachdem jede Spule derselben Druckplatte den oben beschriebenen Prozess durchlaufen hat, wird sie auf die gleiche Höhe eingestellt. Während der Endmontage wird die Spule mithilfe einer Hydraulikvorrichtung mit dem vorgegebenen Druck beaufschlagt, um die Konstruktions- und Prozessanforderungen zu erfüllen. Achten Sie bei der Endmontage neben der Kompression der Hochspannungsspule besonders auf die Kontrolle der Kompression der Niederspannungsspule.

(2) Führen Sie einen Kurzschlusstest am Transformator durch, um Kurzschlüsse präventiv zu verhindern. Die Betriebssicherheit großer Transformatoren hängt primär von ihrer Konstruktion und dem Fertigungsniveau ab, sekundär von verschiedenen Betriebstests, um den Betriebszustand des Geräts rechtzeitig zu erfassen. Durch Kurzschlusstests können Schwachstellen des Transformators identifiziert und behoben werden, um seine strukturelle Festigkeit sicherzustellen.

(3) Zuverlässige Relais- und automatische Wiedereinschaltsysteme sind unerlässlich. Kurzschlüsse im System sind zwar zu vermeiden, lassen sich aber nicht gänzlich ausschließen. Insbesondere bei 10-kV-Leitungen besteht ein hohes Kurzschlussrisiko, bedingt durch Fehlbedienung, Eindringen von Kleintieren, äußere Einwirkungen oder menschliches Versagen. Daher muss jeder in Betrieb genommene Transformator mit einer zuverlässigen Gleichstromversorgung für das Schutzsystem ausgestattet sein, um dessen korrekte Funktion zu gewährleisten. Da die Kurzschlussfestigkeit von Transformatoren im Betrieb oft gering ist, sollten nach einem Kurzschluss die Risiken einer automatischen Wiedereinschaltung oder Zwangs-Inbetriebnahme sorgfältig geprüft werden. Andernfalls kann es zu weiteren Schäden am Transformator und sogar zum Verlust der Reparaturmöglichkeit kommen. Derzeit verzichten einige Betreiber auf die automatische Wiedereinschaltung von Freileitungen in der Nähe (z. B. innerhalb von 2 km) oder Kabelleitungen, je nachdem, ob ein Kurzschluss automatisch und sofort behoben werden kann. Alternativ wird das Intervall zwischen den Wiedereinschaltungen entsprechend verlängert, um Probleme durch ausbleibende Wiedereinschaltungen zu minimieren. Die Gefahr von Kurzschlussauslösungen soll weitestgehend beseitigt werden.

(4) Führen Sie aktiv Verformungsprüfungen und Diagnosen der Transformatorwicklungen durch. Nach dem Einwirken eines Kurzschlussstroms auf den Transformator kommt es üblicherweise zu einer teilweisen Verformung der Wicklung. Selbst wenn diese nicht sofort beschädigt wird, kann dies schwerwiegende, versteckte Probleme nach sich ziehen. Zunächst ändert sich der Isolationsabstand, und die feste Isolation wird beschädigt, was zu Teilentladungen führt. Bei Blitzüberspannung kann es zu Windungsschlüssen und Durchschlägen zwischen den Wicklungselementen kommen, die plötzliche Isolationsschäden verursachen. Auch unter normaler Betriebsspannung können Isolationsschäden durch die Langzeitwirkung von Teilentladungen entstehen.

Daher kann die aktive Durchführung der Diagnose von Transformatorwicklungsdeformationen, die rechtzeitige Erkennung fehlerhafter Transformatoren sowie die geplante Überprüfung und Wartung der Gehäuse nicht nur viel Arbeitskraft und Materialressourcen einsparen, sondern spielt auch eine äußerst wichtige Rolle bei der Verhinderung von Transformatorunfällen.

Die Nullstellen- und Polverteilung der Übertragungsfunktion H(jω) (d. h. die Frequenzgangcharakteristik) hängt eng mit den Bauteilen und der Verschaltung im Zweitornetzwerk zusammen. Zahlreiche experimentelle Untersuchungen zeigen, dass Transformatorwicklungen typischerweise im Frequenzbereich von 10 kHz bis 1 MHz viele Resonanzpunkte aufweisen. Unterhalb von 10 kHz dominiert die Wicklungsinduktivität, wodurch die Anzahl der Resonanzpunkte geringer ist und die Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der Streukapazität abnimmt. Oberhalb von 1 MHz wird die Wicklungsinduktivität durch die Streukapazität überbrückt, wodurch sich die Anzahl der Resonanzpunkte entsprechend verringert und die Empfindlichkeit gegenüber Induktivitätsänderungen sinkt. Mit steigender Frequenz beeinflusst zudem die Streukapazität der Messschleife (Zuleitung) die Messergebnisse signifikant.

Da der Prüfstand für Transformatorwicklungsverformungen teuer ist und hochqualifiziertes Personal erfordert, ist sein Einsatz in Produktion und Betrieb schwierig. Daher kann in der Praxis die Methode zur Beurteilung von Wicklungsverformungen anhand der Änderung der Transformatorwicklungskapazität als sinnvolle Ergänzung zur Frequenzgangmethode dienen. Insbesondere wenn die Frequenzgangmethode nicht anwendbar ist, lässt sich der Betriebszustand der Transformatorwicklung durch den Vergleich der akkumulierten gemessenen Kapazität horizontal und vertikal zeitnah erfassen. Dies reduziert die Unfallwahrscheinlichkeit und gewährleistet einen sicheren und stabilen Betrieb des Stromnetzes.

(5) Die Inspektionen bei der Baustelleneinrichtung sowie im Betrieb und der Instandhaltung sind zu verstärken und ein zuverlässiges Kurzschlussschutzsystem einzusetzen. Bei der Installation des Transformators vor Ort sind die Anweisungen und Spezifikationen des Herstellers strikt zu befolgen, die Qualität streng zu kontrollieren und festgestellte Gefahrenquellen umgehend zu beseitigen. Das Betriebs- und Instandhaltungspersonal hat die Inspektion, Wartung und das Gewährleistungsmanagement des Transformators zu intensivieren, um dessen einwandfreien Betriebszustand sicherzustellen und die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen am Ausgang und in dessen Nähe zu reduzieren. Um Kurzschlüsse im System weitestgehend zu vermeiden, ist bei bereits in Betrieb genommenen Transformatoren zunächst ein zuverlässiges Gleichstromschutzsystem (DC-System) zur Gewährleistung der korrekten Schutzwirkung einzusetzen. Die Frequenzgangmessung dient der Überprüfung des Transformators nach einem Kurzschlussauslösevorgang. Die Ergebnisse der Funktionsprüfung ermöglichen eine gezielte Überprüfung der Schutzvorrichtungen und können so schwerwiegende Unfälle effektiv verhindern.

Die Kurzschlussfestigkeit eines Transformators hängt maßgeblich von seiner Konstruktion und seinem Fertigungsprozess ab und steht in engem Zusammenhang mit dem Betriebsmanagement, den Betriebsbedingungen und dem Stand der Bautechnik. Kurzschlüsse an Transformatoren sind äußerst schädlich für den Betrieb des Stromnetzes. Um solche Unfälle zu vermeiden, sind wirksame Kontrollmaßnahmen in verschiedenen Bereichen erforderlich, um den sicheren und stabilen Betrieb von Transformatoren und Stromnetzen zu gewährleisten.