TRANSFORMATOREN

	TRANSFORMATOREN

5.1. Allgemeines

Transformatoren (Umspanner) diennen zur Übertragung elektrischer Energie von einem Netz mit der Spannung U_OS (Oberspannungsseite des Transformators) in anderem Netz mit der Spannung U_US (Unterspannungsseite des Transformators) oder umgekehrt von einem Netz mit der Spannung U_US in anderem Netz mit der Spannung U_OS .

Transformatoren werden in Kraftwerken als Blocktransformatoren zum Aufspannen der Generatorspannung auf Hoch- oder Höchstspannung der Übertragungsleitungen, als Verteilungstransformatoren zum Abspannen von der Hoch- oder Höchstspannung zum Mittelspannung zur Speisung der Mittelspannungsnetzen und als Netztransformatoren zur unmittelbaren Versorgung von Stromabnehmer verwendet (Bild 5.1). Es gibt auf eine ganze Reihe von Transformatoren, die man für spezielle Zwecke: Eigenbedarftransformatoren und Anfahrtransformatoren in Kraftwerken, Stromrichter­transformatoren für die Versorgung der Gleichspannungsnetzen, Anlaβ­transformatoren für grosse Motoren, Transformatoren für Schweissmaschinen, Transformatoren für Lichtbogenöfen usw.

Im wesentlichen besteht ein Transformator aus dem Eisenkern und mindestens zwei Wicklungen (Bild 5.2). Der Kern besteht, bei der üblich 141v2113b en Frequenzen, aus 0,35 0,5 mm starken Blechen, die mit Lack einseitig isoliert sind.

Wird die Wicklung mit der Windungszahl w₁ an Wechselspannung U_OS angeschlossen, dann fliesst in dem Eisenkern ständig ein Wechselfluβ, der in der Wicklung mit der Windungszahl w₂ eine Wechselspannung U_US induziert. În Leerlaufbetrieb des Transformator gilt es folgende Beziehung

. (5.1)

In der Gleichung (5.1) ist ü Übersetzungs­verhälnis des Transformators.

Im Normalbetrieb ist der Wirkungsgrad des Transformtors sehr gut (S_OS S_US) und bekommt man

. (5.2)

Jeder Schenkel trägt grundzätzlich beide Wicklungen. Bei der Röhrenwichlungen stecken die Spulen konzentrisch ineinander und sind durch Isolierzylinder voneinander getrennt. Aus Isolations­gründen gegen Erde befindet sich die Unterspannungswicklung meist innen (Bild 5.3).

Grundsätzlich kann man einen Drehstromstansformator aus drei Ein­phasen­transformatoren bekommen. Üblich ist aber der dreischenklige Kern­transformator (Bild 5.4)

Îm Bild 5.5 wird einen üblichen Drehstrom-Öltransformator dargestellt. Das Öl 1 soll zuerst die Verlustwärme an das den Kessel 2 weitergeben und ist auch hochwertige elektrische Isolierung. Zur Vergrösserung der kühlenden Oberfläche sind viele Transformatoren mit Kühlrippen vorgesehen.

Temperatur-Überwachungsgeräte werden gegen unzulässige Erwärmung des Transformators eingesetzt. Sie melden das Erreichen einer eingestellten Temperatur oder lösen die Schalter aus. Um zu erfassen innere Schäden, durch Gasung oder Ölströmung benutzt man Bucholtzschutz. Es gibt Meldung bei kleineren und Schaltauslösung bei grösseren Störungen.

5.2 Ersatzschaltung eines Transformators

Die übliche Ersatzschaltung eines Transformators für Netzberechnung oder bei symmetrischen Fehler (dreipoliger Kurzschluss) ist die G-Schaltung, die im allgemeinen Fall Wirkwiderstände und Induktivitäten enthält (Bild 5.6).

Bei der Drehstromtransformatoren unterscheidet man Kurzschluss­impedanzen (Längsimpedanzen) Z_OS oder Z_US und Leerlaufadmitanzen (Quer­admitanzen) Y_OS oder Y_US . Der ideellen Transformator T_i (Bild 5.6 a) und 5.6 c)) gekenzeichnet durch Übersetzungs­verhältnis ü_r und keine impedanzen wird im Ersatzschaltbild (Bild 5.6 b) und 5.6 d)) durch transformierte Werte (bezogene auf

die Primärseite oder auf die Sekundärseite des Transformators) ersetzt.

Die Leerlaufimpedanz des Transformators im symmetrischen Betrieb oder bei symmetrischen Kurzschluss ist etwa 500 bis 2000 mal grösser als die Kurzschlussimpedanz, und deshalb, für übliche Berechnungen, vernachlässigt werden kann.

Die Kurzschlussimpedanz eines Transformators kann messtechnisch ermitteln (Bild 5.7). Sie wird auf Grund der Messwerten von Kurzschlussspannung U_kr und Kurzschlussverluste P_kr gerechnet.

Für die Bestimmung der Kurzschlussspannung U_kr und Kurzschluss­verluste P_kr wird die Sekundärseite des Transformators T kurzgeschlossen und die Spannung des Generators G wird solange gesteigert bis in der Primärseite des Transformators fliesst Bemessungsstrom I_r des Transformators. In diesem Moment misst man die Spannung U_kr und die Kurzschlussverluste P_kr (man benutzt dafür das zwei Wattmeter-Verfahren).

Man rechnet dei Kurzschlussimpedanz Z aus folgender Gleichung

. (5.3)

Führt man die bezogene Kurzschlussspannung

(5.4)

ein, so ergibt sich

. (5.5)

În der Gleichung (5.5) U_r ist die Bemessungsspannung des Transformators (verkettete Spannung) und S_r die Bemessungsleistung des Transformators

. (5.6)

Aus der Gleichung (5.5) kann man die auf die Primärseite des Transformators bezogene Impedanz Z_OS oder die auf die Sekundärseite des Transformators bezogene Impedanz Z_US rechnen

(5.7)

Die gemessenen Kurzschlussverluste P_kr sind von Wirkwiderständen R von Wicklungen des Transformators gegeben

. (5.8)

Aus der Gleichung (5.8) kann man den Wirkwiderstand R finden

. (5.9)

Führt man die bezogene Verluste u_kR

(5.10)

ein, so ergibt sich

. (5.11)

Aus der Gleichung (5.11) kann man die auf die Primärseite des Transformators bezogenen Wirkwiderstand R_OS oder die auf die Sekundärseite des Transformators bezogenen Wirkwiderstand R_US rechnen

(5.12)

Für die Kurzschlussreaktanz X ergibt sich

(5.13)

Ausgehend von dem Versuch nach Bild 5.7 ergibt sich für den Transformator die vereinfachten Ersatzschaltpläne und zugehörige Zeiger­diagramme (Bild 5.8), für die Werte bezogene auf die Oberspannungsseite des Transformators (Bild 5.8 a) und b)) und bezogene auf die Unterspannungsseite des Tranformators (Bild 5.8 c) und d)).

Als Beispiel wird einen 110/20 kV – Transformator mit S_r =31,5 MVA, u_k = 12% und P_kr = 190 kW angenommen.

Es ergibt sich

Man kann auch den Strom im Bemessungsbetrieb rechnen

Bei der Netzberechnungen benutzt man meistens vereinfachten Ersatz­schalt­pläne des Transformators. Der Leerlaufstrom und die Leerlaufverluste kann man meistens vernachlässigen.

Es sind folgende Gleichungen benutzt

(5.14)

oder

(5.15)

Die Gleichungen (5.14) und (5.15) kann in eine Matrizenform dargestellt werden

(5.16)

und

(5.17)

oder

(5.18)

Die Gleichung (5.18) kann man auf folgende Form schreiben

(5.19)

5.3 Einstellbarkeit der Übersetzung

Die Eistellbarkeit der Übersetzung ist eine wichtige Funktion, vor allem der Netztransformatoren. Sie dient zum Anpassen der Betriebsspannung bei Lastschwankungen, zur Lastverteilung oder zum Eistellen von Wirk- und Blindleistung im Verbundnetz, zur Spannungseinstellung bei der Verbraucher usw. Im eifachsten Fall geschiet dies im spannungslosen Zustand durch Änderung der Windungszahl einer Wicklung (die Änderung der Übersetzungsverhältnis des Transformators). Umsteller werden in Netzen mit geringen Belastungs­schwankungen eingesetzt. Normalerweise deckt der Umsteller einen Änderungs­bereich von 4% bis 5% der zu Betriebspannung. Das Umstellen kann nur manuell direkt am Transformator ausgeführt werden.

Zur stufenweisen Einstellung unter Last benutzt man die Stufenschalter. Der Stufenschalter (Bild 5.9) wird in Netzen mit häufigen kurzzeitigen Lastschwankungen eingesetzt. Er besteht im allgemeinen aus zwei Kontakten (Haupkontakt und Entlastungskontakt) und einer Begrenzungsbobine B.

UOS

UUS

UOS

UUS ;4

UOS

UUS4

B

B

Ik

B

Als Beispiel, wird es angenommen, dass die Spannung U_OS konstant bleibt aber die Last wird grösser. Die Spannung U_US wird kleiner wegen der Spannungsabfall auf die Transformatorimpedanz (U_US = U_OSt Z_US I_US). Um die Spannung U_US die Anfangswert zu haben, soll man das Übersetzungsverhältnis ändern.

Im Bild 5.9 wird es angenommen, dass der Transformator auf die Stufe 3 funktioniert und man soll die Spannung U_US grösser machen. Zuerst wird mit dem Entlastungskontakt (Hilfskontakt) die Verbindung mit dem gewünschen Anschluss hergestellt. Es ensteht zwischen Stufen 3 und 4 einen Kreisstrom, der von der Bobine B begrenzt wird aber keine Unterbrechung des Stromes in die OB-Wicklung findet statt. Am Ende bewegt sich Haupkontakt auf die Stufe 4 und die US-Spannung enspricht dem neuen Übersetzungsverhältnis. Der Schalter arbeitet Stomlos aber unter Spannung.

Bei der Verwendung des Stufenschalters wird die ganze Wicklungsstrang in eine Stammwicklung und eine Stufenwicklung aufgeteilt.

5.4 Schaltgruppen und Schaltungen

Die Schaltgruppe kennzeichnet die Schaltung der Wicklungen und die Phasenlage der ihnen zugeordneten Spannungszeiger. Sie besteht aus Kennbuch­staben zur Bestimmung der Schlaltung der Windungsstränge und einer Kennzahl zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen den Spannungzeiger der Wicklungen.

Bei Drehstromtransformatoren unterscheidet man folgende Schaltungen der Wicklungsstränge:

a) Dreieckschaltung (D, d);

b) Sternschaltung (Y, y);

c) Zickzackschlatung (Z, z).

Im Bild 5.10 werden die gebräuchliche Schaltgruppen für Drehstrom­transformatoren dargestellt.

Die Grossbuchstaben werden für die Oberspannungswicklung, die Kleinbuchstaben für die Mittel- und Unterspannungswicklung verwendet. Wenn der Sternpunkt einer Wicklung in Stern-oder Zickzackschaltung heraugeführt ist und am Erde geschaltet ist, lautet die Kennzeichnung YN oder ZN bzw. Yn oder zn.

Für die Phasenverschiebung wird der Zeiger U_A der Oberspannungs­wicklung als Bezugsgrösse betrachtet. Die Kennzahl, mit 30 multipliziert, gibt an, um welche Winkel der Zeiger U_a der US – Wicklung dem ensprechenden OS – Wicklung nachteilt.

Zum Beispiel, die Schaltgruppenbezeichnung Dy 5 besagt also, dass die OS-Wicklung in Dreieck, die US-Wicklung in Stern geschaltet ist und dass der Spannungszeiger U_a der US-Wicklung dem Spannungszeiger U_A der OS-Wicklung um 5 nacheilt.

Die Wahl der Schaltungsarten wird durch folgende Forderungen beeinflusst:

kleiner Isolationsniveau der Wicklung;

symmetrische Belastung aller Primärstränge bei unsymmetrischer Sekundärbelastung;

Oberwellenfreiheit von Strom und Spannung.

Die Sternschaltung hat kleineres Isolationsniveau in Vergleich mit Dreieckschaltung wegen . Wenn Nullleiter vorhanden ist fliessen alle Nullkomponenten (auch alle Stromoberwellen der Ordungszahl 3 n, (n =1, 2, …) durch diesen Leiter. Die Dreieckschaltung erlaubt, durch das Addieren von Strömen verschiedener Phasen, eine kleinere unsymmetrische einsträngige Belastung der Primärseite des Transformators bei unsymmetrischer Belastung der

A B C a b c

UA

N

n

Ua

Ua UA

N

A

B

C

a)

A B C

UA

N

n

Ua

UA

N

A

B

C

b)

a b c

Ua

180

Ynyn 0

Ynyn 6

UA

N

A

B

Ua

330

A B C a b c

UAB

n

Ua

Dyn 11

UAB

C

c)

A B C

UAB

n

Ua

Dyn 5

d)

UA

N

A

B

Ua

150

UAB

C

a b c

Ua UA

UB

UC

Ua UA

UC

UB

Ua UAB

Ua UAB

UB

UC

UC

UB

Sekundärseite des Transformators (Bild 5.11). Als Beispiel, wird im Bild 5.11 angenommen, dass der Verbraucher, der am Sekundärseite des Transformators angeschlossen ist, hat keine Last auf die Phase B (I_b = 0). Es ensteht eine starke unsymmetrische Belastung in die Sekundärseite des Transformators und fliesst grössen Strom I_n in den Nullleiter. Im Versorgungsnetz (Hochspannungsnetz), obwohl die drei Ströme I_At , I_Bt und I_Ct (transformierte Werte) nicht gleich sind, ergibt sich eine kleinere unsymmetrische Belastung als im Niederspannungsnetz.

a

UA

N

A

B

Uac

330

C

A B C a b c

UA

N

Uac

e)

Ynd 11

Uba

Ucb

b

c

Ua

Ua

a

UA

N

A

B

Uac

150

C

A B C

UA

N

Uac

f)

Ynd 5

Uba

Ucb

b

c

Ua

Ua

a b c

A B C

UAB

Ua”

Dzn 6

g)

a b c

Ua’

UA

N

A

B

180

C

UCA

Ua’

UAB

Ua”

Ua

UC

UB

UB

UC

Uac UA ; Uba UB ; Ucb UC

Uac UA ; Uba UB ; Ucb UC

Ua’ UCA ; Ua” UAB

Bild 5.10 Wichtigste Schaltgruppen der Transformatoren.

IWCt

Ia Ib = 0 Ic

In

IWAt

IAt IBt ICt

IWCt

IWat = Ia

IWCt = Ic

IAt = IWAt IWCt ; IBt = IWAt ; ICt = IWCt ; In = Ia + Ic .

IWCt

IAt

IBt

In

a)

b)

Bild 5.11 Die Dyn- Schaltung eines Transformators a) und das Stromzeigerdiagramm b).

Man benutzt YNyn Transformatoren zum Einsatz zwischen zwei Netzen, die beide mit Erdung betrieben werden, z.B. 400/220 kV oder 400/110 kV Transformatoren.

Die Transformatorem mit der Schaltung Dyn benutzt man als Niederspannungstransformatoren, z.B. 20/0,4 kV Transformatoren.

Man benutzt Dyn Transformatoren als Blocktransformatoren in Kraftwerke, z.B. 36/400 kV Blocktransformatoren.

Niederspannungstransformator Dzn mit Erdung auf der US-Seite mit Zickzackwicklung benutzt man in der Industrie zum Erreichen kleinerer Impedanzen als bei Transformatoren Dyn, z.B. 20/0,4 kV Transformatoren.

Zur Vermeidung von gefährlichen Ausgleichströmen bei der Parallelschaltung von Transformatoren soll man folgende Bedindungen erfüllen:

gleiche Schaltgruppe;

gleiche Übersetzung ü_r;

annäherend gleiche Kurzschlussspannungen u_k (zulässsige Abweichungen höchstens

Bemessungsleistungverhältnis kleiner als 3/1.

5.5 Transformatorverluste und Kühlung

Die Gesamtverluste P_V eines Transformators bei beliebiger Belastung a = S/S_r ist die Summe aus den Leerlauf-und den Wicklungsverlusten

P_V = P₀ + a² P_kr (5.20)

Die Leerlaufverluste P₀ bestehen, beim unbelasteten Transformator, aus den Hysteresis- und Wirbelstromverlusten im Eisen und den Ableitungsverlusten im Dielektrikum. Diese Verluste sind von der Belastung unabhängig.

Die Kurzschlussverluste P_k setzen sich zusammen aus den Stromwärmeverlusten in den Wicklung. Sie ändert sich quadratisch mit der Belastung S.

Der Wirkungsgrad h eines Transformators für beliebige Last P = S l, mit l Leistungsfaktor, wird aus der folgende Beziehung bestimmt

. (5.21)

Als Beispiel, wird einen Transformator mit S_r = 31,5 MVA, P₀ = 25 kW, P_kr = 190 kW, bei Halblast (a = 0,5) und l = 0,9 angenommen

= 0,9954.

Um unzulässige Erwärmung der Bauteile des Transformators, insbesondere der Wicklungsisolation, zu vermeiden, muss die Verlustwärme agbeführt werden. Die Lebensdauer der Isolation hängt im wesentlichen von ihrer thermischen Beanspruchung während des Betriebes.

Bei den Trockentransformatoren (Giesshartztransformatoren) geht diese Wärme zum Teil durch Strahlung, zum Teil durch Leitung und Konvektion an die Luft über.

Bei den Öltransformatoren ist der eigentliche Transformator in einem Ölkessel eingebaut (Kern und Wicklung befinden sich in Mineralöl); das Öl ist gleichzeitig Isoliermittel (die Durchschlagfestigkeit von Öl ist wesentlich höher als die Durchschlagfestigkeit von Luft) und Kühlmittel. Die Volumenänderung des Öls bei Erwärmung und Abkühlung, von C im Winter bei abgeschalteten Transformator bis zur Volllasttemperatur im Sommer, macht es notwendig, oberhalb des Kessels ein Ausdehnungsgefäss anzuordnen, dass mit einer Entlüftungseinrichtung versehen ist.

Die vom Öl aufgenommene Wärme soll über die Kesselwände an ein anderes Kühlmittel übertragen werden. Der Kessel kann mit Kühlrippen versehen (für relativ kleinere Bemessungsleistungen) oder man rüstet ihn mit äussere Radiatoren (Bild 5.12) aus.

Bucholtzrelais

Ausdehnungsgefäss

Ölstandanzeiger

Unterspannungs­durchführung

Oberspannungs­durchführung

Eisenkern

Kuhleinrichtung (Radiatoren) Unterspannungs­wicklung Oberspannungs­wicklung

Ölbewegung

Temperatur anzeiger

Fahrgestell

Bild 5.12 Die Kühleinrichtung eines Transformators.

Zum Auslösen des Leistungsschalters

Ölstömung

Öl

Zum Signal

Gas

Bild 5.13 Bucholtzrelais.

Schwimmer

Schwimmer

Das Öl kann auch indirekt zur Anzeige elektrischer Fehler benutzt werden, denn jede Störung ist mit einer Wärmeerzeugung verbunden. In die umliegenden jede Störung enstehen dabei Gase, die nach oben steigen und durch das Verbindungsrohr und das Ausdehnungs­gefäss entweichen. Deshalb schaltet man in das Verbindungsrohr einen Bucholtzrelais (Bild 5.13). Bei der Fehler im Transformator auffängt das Bucholtzrelais die Gasblasen, der oberen Schwimmer betätigt einen Kontakt und ergibt sich ein Warnsignal. Grösse Störungen erzeugen soviel Gas, dass das Öl mit erheblichen Druck durch die Verbinbdungsrohr zum Ausdehnungsgefäss strömt. Es wird unteren Schwimmer betätigt und sein Kontakt erzeugt ein Signal zum Auslösen des Leistungsschlaters.

5.6 Schlussbemerkungen

Der Transformator stellt in einer Umspannanlage das wertvollste Einzelobjekt dar. Die Kosten von Drehstrotransformatoren liegen im Bereich zwischen 10 und 20 €/kVA. Seinem Schutz gegen Überspannungen, Überlastung und Fehler (innere Kurzschlüsse oder Erdkurzschlüsse) wird besondere Bedeutung zugemessen. Defektschutzmassnahmen und andere spezifische Schutzmassnahmen werden eingesetzt.

Die Wartung des Transformators beschränkt sich im allgemeinen auf die Überwachung der Dichtigkeit des Ölkessels sowie des Ölstandes. Die elektrische Durschlagfestigkeit des Öls soll den Wert 80 kV/cm nicht unterschreiten.