5.1. Allgemeines
Transformatoren (Umspanner) diennen
zur Übertragung elektrischer Energie von einem Netz mit der Spannung UOS (Oberspannungsseite des
Transformators) in anderem Netz mit der Spannung UUS (Unterspannungsseite des Transformators) oder
umgekehrt von einem Netz mit der Spannung UUS
in anderem Netz mit der Spannung UOS
.
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 UOS angeschlossen, dann fliesst in dem
Eisenkern ständig ein Wechselfluβ, der in der Wicklung mit der Windungszahl
w2 eine Wechselspannung UUS 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 (SOS
SUS) 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) ZOS oder
ZUS und Leerlaufadmitanzen
(Queradmitanzen) YOS oder
YUS . Der ideellen
Transformator Ti (Bild 5.6 a) und 5.6 c)) gekenzeichnet durch Übersetzungsverhältnis ür 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 Ukr und Kurzschlussverluste Pkr gerechnet.
Für die Bestimmung der
Kurzschlussspannung Ukr
und Kurzschlussverluste Pkr
wird die Sekundärseite des Transformators T kurzgeschlossen und die Spannung
des Generators G wird solange gesteigert bis in der Primärseite des
Transformators fliesst Bemessungsstrom Ir
des Transformators. In diesem Moment misst man die Spannung Ukr und die
Kurzschlussverluste Pkr
(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) Ur
ist die Bemessungsspannung des Transformators (verkettete Spannung) und Sr die Bemessungsleistung des Transformators
. (5.6)
Aus der Gleichung (5.5) kann man die
auf die Primärseite des Transformators bezogene Impedanz ZOS oder die auf die Sekundärseite des Transformators
bezogene Impedanz ZUS rechnen
(5.7)
Die gemessenen Kurzschlussverluste Pkr 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 ukR
(5.10)
ein,
so ergibt sich
. (5.11)
Aus der Gleichung (5.11) kann man
die auf die Primärseite des Transformators bezogenen Wirkwiderstand ROS oder die auf die
Sekundärseite des Transformators bezogenen Wirkwiderstand RUS
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 Sr =31,5
MVA, uk
= 12% und Pkr = 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.
a) b) c)
Bild 5.9 – Stufenweise
Einstellung unter Last:
a) Der
Transformator arbeit auf die Stufe 3; b) Der Entlastungskontakt auf die
Stufe 4 (zwischen Stufen 3 und 4 wird der Kreisstrom von der Bobine B
begrenzt); c) Der Transformator arbeitet auf die Stufe 4.
|
Als
Beispiel, wird es angenommen, dass die Spannung UOS konstant bleibt aber die Last wird grösser. Die
Spannung UUS wird kleiner
wegen der Spannungsabfall auf die Transformatorimpedanz (UUS = UOSt ZUS IUS). Um die Spannung UUS
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 UUS
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 UA der Oberspannungswicklung
als Bezugsgrösse betrachtet. Die Kennzahl, mit 30 multipliziert, gibt an, um welche Winkel der Zeiger Ua 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 Ua
der US-Wicklung dem Spannungszeiger UA
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
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 (Ib = 0). Es
ensteht eine starke unsymmetrische Belastung in die Sekundärseite des
Transformators und fliesst grössen Strom In
in den Nullleiter. Im Versorgungsnetz (Hochspannungsnetz), obwohl die drei Ströme IAt
, IBt und ICt (transformierte Werte) nicht gleich sind, ergibt
sich eine kleinere unsymmetrische Belastung als im Niederspannungsnetz.
Bild 5.10
Wichtigste Schaltgruppen der Transformatoren.
|
IAt
= IWAt
IWCt ;
IBt
=
IWAt ;
ICt
= IWCt ;
In
= Ia + Ic .
|
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 ür;
annäherend gleiche Kurzschlussspannungen uk
(zulässsige Abweichungen höchstens
Bemessungsleistungverhältnis kleiner als 3/1.
5.5
Transformatorverluste und Kühlung
Die Gesamtverluste PV eines Transformators bei
beliebiger Belastung a = S/Sr ist die Summe aus den
Leerlauf-und den Wicklungsverlusten
PV = P0
+ a2 Pkr (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
Pk 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 Sr =
31,5 MVA, P0 = 25 kW, Pkr
= 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.
Unterspannungsdurchführung
|
Oberspannungsdurchführung
|
Kuhleinrichtung (Radiatoren)
Unterspannungswicklung
Oberspannungswicklung
|
Bild 5.12 Die Kühleinrichtung eines
Transformators.
|
Zum Auslösen des
Leistungsschalters
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Bild 5.13 Bucholtzrelais.
|
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.
