Ein Erdungstransformator wird auch als Neutralpunkt-Erdungstransformator bezeichnet. Er schafft einen künstlichen Neutralpunkt in Stromnetzen, in denen der Neutralpunkt nicht direkt verfügbar oder ungeerdet ist.
Er führt normalerweise keinen nennenswerten Laststrom. Stattdessen bietet er einen zuverlässigen Pfad für den Nullsystemstrom bei einem einpoligen Erdschluss. Er arbeitet zusammen mit einem Neutralpunkt-Erdungswiderstand, Erdungswiderstand oder einer Löschspule. Dies hilft, den Fehlerstrom zu begrenzen, transiente Überspannungen zu unterdrücken und den Schutzrelaisbetrieb zu ermöglichen.
Trocken-Erdungstransformatoren werden häufig in Umspannwerken, Schaltanlagenräumen, Rechenzentren, Krankenhäusern, Industrieanlagen und Anlagen für erneuerbare Energien eingesetzt. Sie sind ölfrei, brandbeständig und erfordern relativ wenig Wartung.
Warum werden Erdungstransformatoren benötigt?
Viele 6-kV-, 10-kV- und 35-kV-Mittelspannungsverteilnetze verwenden einen ungeerdeten oder über eine Löschspule geerdeten Neutralpunkt. Wenn die Niederspannungsseite des Haupttransformators in Dreieck geschaltet ist, gibt es keinen zugänglichen Neutralpunkt zur Erdung.
Wenn ein einpoliger Erdschluss auftritt, kann der kapazitive Erdschlussstrom groß genug werden, um einen Lichtbogen aufrechtzuerhalten. Dies kann zu Erdschluss-Überspannungen durch Lichtbögen, Ferroresonanz oder sogar zu Kurzschlüssen zwischen den Phasen führen.
Ein Erdungstransformator bietet einen stabilen künstlichen Neutralpunkt. Das System kann dann über einen Widerstand, eine Drossel oder ein anderes Erdungsgerät geerdet werden. Dies verbessert sowohl die Systemsicherheit als auch die Empfindlichkeit des Schutzes.
Funktionsweise: Der Vorteil der Zickzack-Schaltung?
Erdungstransformatoren verwenden üblicherweise eine Zickzack-Schaltung. Jede Phasenwicklung ist in zwei Teile unterteilt. Diese Teile werden in entgegengesetzter Richtung auf verschiedene Kernschenkel gewickelt und dann in Reihe geschaltet, um den Neutralpunkt herauszuführen.
Unter normalen Bedingungen sind die Dreiphasenspannungen im Wesentlichen symmetrisch.
Der Erdungstransformator führt hauptsächlich Magnetisierungsstrom. Er weist Mit- und Gegensystemströmen einen hohen Widerstand entgegen, sodass er nahezu im Leerlauf betrieben wird.
Bei einem einpoligen Erdschluss fließt der Nullsystemstrom über den Neutralpunkt zur Erde.
Die Zickzack-Anordnung ermöglicht es dem Nullsystemfluss, einen geschlossenen Pfad innerhalb des Kerns zu bilden. Dies führt zu einer niedrigen Impedanz für den Nullsystemstrom.
Im Vergleich zu herkömmlichen Leistungstransformatoren weist ein Zickzack-Erdungstransformator eine viel geringere Nullsystemimpedanz auf.
Er ist daher besser geeignet, Erdschlussströme zu führen. Die genaue Nullsystemimpedanz hängt von der Produktkapazität, der Kernstruktur und der Systemspannungsebene ab. Sie sollte aus den Prüfberichten des Herstellers und den Systemfehlerstudien bestätigt werden.
Gängige Typen und Schaltungsanordnungen
Erdungstransformatoren können wie folgt klassifiziert werden:
- Nach Isoliermedium: ölgefüllte Erdungstransformatoren und Trocken-Erdungstransformatoren.
- Nach Phasenanzahl: dreiphasige und einphasige Erdungstransformatoren.
- Nach Wicklungsanordnung: Zweiwicklungs- und Dreiwicklungserdungstransformatoren.
Ein Dreiwicklungserdungstransformator umfasst häufig eine zusätzliche Niederspannungswicklung. Diese Wicklung kann als Eigenbedarfstransformator dienen. Die Einheit stellt dann sowohl einen künstlichen Neutralpunkt als auch eine Hilfsstromversorgung bereit, was die Anzahl der Geräte reduziert und Platz spart.
Typische Schaltungsanordnungen umfassen ZNyn und YNd. Die endgültige Auswahl sollte auf der Systemspannung, der Erdungsmethode, den Schutzanforderungen und einem eventuellen Hilfsstrombedarf basieren.
Wichtige Parameter und Auswahlüberlegungen
Wichtige Parameter für die Auswahl umfassen:
- Nennspannung: sollte der Systemspannung entsprechen, wie z. B. 10 kV oder 35 kV.
- Nullsystemimpedanz: beeinflusst den einpoligen Erdschlussstrom. Sie muss auf den Neutralpunkt-Erdungswiderstand, die Löschspule und die Schutzeinstellungen abgestimmt sein.
- Nennleistung: bestimmt durch den kapazitiven Systemstrom, die Erdungsmethode und den Kurzschlussfehlerstrom.
- Isolationsklasse: gängige Klassen für Trockengeräte sind Klasse F und Klasse H.
- Kurzzeitstromfestigkeit: der Transformator muss dem Erdschlussstrom für die erforderliche Fehlerdauer standhalten.
- Erdungsmethode: niederohmige Erdung, hochohmige Erdung, Blindwiderstandserdung, Löschspulenerdung oder starre Erdung.
In niederohmig geerdeten Systemen muss die Kapazität des Erdungstransformators gegen die Systemspannung und den Ziel-Fehlerstrom geprüft werden. Sie muss auch gegen die erforderliche Fehlerdauer geprüft werden. Die Dauerbelastbarkeit sollte aus der Kurzzeit-Wärmebelastung abgeleitet werden. Wenn die Einheit auch eine Eigenbedarfslast versorgt, muss die Hilfslast hinzugefügt werden, um eine langfristige Überhitzung zu vermeiden.
Typische Anwendungen
- 10-kV-/35-kV-Verteilnetze: Bereitstellung eines künstlichen Neutralpunkts und Begrenzung von Lichtbogen-Überspannungen.
- Kabelnetze: ein höherer kapazitiver Erdschlussstrom erfordert eine kontrollierte Erdungsmethode.
- Anlagen für erneuerbare Energien: Stabilisierung des Neutralpunktpotenzials in Sammelsystemen von PV- und Windparks.
- Rechenzentren, Krankenhäuser und Industrieanlagen: Verbesserung der Erdungssicherheit und Fehlererkennung.
- Eigenbedarfsversorgung von Umspannwerken: Verwendung eines Dreiwicklungserdungstransformators als Eigenbedarfstransformator.
Tägliche Inspektionscheckliste
Ein Trocken-Erdungstransformator arbeitet normalerweise im Leerlauf oder bei sehr geringer Last. Er führt nur während eines Erdschlusses einen nennenswerten Strom. Routineinspektionen sollten sowohl allgemeine Punkte für Trockentransformatoren als auch den Neutralpunkt-Erdungskreis abdecken.
| Inspektionsbereich |
Hauptprüfpunkte |
Normalzustand / Maßnahmen |
| Äußeres und Isolierung |
Gehäuse, Wicklungen, Isolatoren, Durchführungen, Kernverspannungen |
Keine Risse, Verfärbungen, Verkohlung, Kriechstrombildung oder Fremdkörper; angesammelten Staub während der Abschaltung reinigen |
| Elektrische Verbindungen |
Kabelabschlüsse, Sammelschienen, Klemmen, Schrauben |
Keine Lockerungen, Oxidation, Verfärbungen oder Verbrennungen; Überprüfung mittels Infrarot-Thermografie |
| Sternpunkt und Erdung |
Sternpunktabgang, Erdungswiderstand oder Erdschlussspule, Gehäusenerdung, Kerneerdung |
Erdungsleiter sicher und frei von Korrosion; Schutzerdungswiderstand typischerweise ≤ 4 Ω oder wie vom Erdungsnetz gefordert; Sternpunkterdungswiderstand muss durch Systemberechnung bestimmt werden |
| Temperatur und Kühlung |
Temperaturwächter, Wicklungstemperatur, Kühlventilatoren, Luftkanäle |
Einheiten der Klasse F lösen typischerweise bei ca. 130 °C Alarm aus und schalten bei ca. 150 °C ab; Klasse H erlaubt höhere Temperaturen; Einstellungen mit Typenschild und Herstellerdaten abgleichen |
| Geräusche und Vibrationen |
Kern, Verspannungen, Gehäuse, Ventilatoren |
Gleichmäßiges Brummen ist normal; Knacken, Lichtbögen oder metallische Geräusche sofort untersuchen |
| Betriebsparameter |
Spannung, Strom, Phasensymmetrie, Nullsequenzstrom |
Spannungsabweichung vorzugsweise innerhalb von ±5 %; symmetrische Phasenströme; abweichender Nullsequenzstrom erfordert Untersuchung |
| Umgebung |
Belüftung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Kondenswasserbildung, Schädlingsbekämpfung |
Umgebungstemperatur allgemein ≤ 40 °C; relative Luftfeuchtigkeit ≤ 85 %; keine Kondenswasserbildung, keine Ablagerungen oder beschädigte Dichtungen |
Häufige Störungen und Fehlerbehebung
| Symptom |
Mögliche Ursache |
Empfohlene Maßnahme |
| Neutralpunktspannungsverschiebung |
Phasenunsymmetrie, mangelhafte Erdung, Erdschluss im System |
Lastsymmetrie, Erdungskreis und Nullspannung überprüfen |
| Abweichender Nullstrom |
Einpoliger Erdschluss, Fehler am Erdungswiderstand, Schutzproblem |
Systemfehlerzustand überprüfen; Neutralstromkreis, Erdungswiderstand und Nullstromwandler inspizieren |
| Überhitzung von Wicklungen oder Verbindungsstellen |
Lose Verbindung, Überlastung, Lüfterausfall |
Infrarotinspektion durchführen; Verbindungen festziehen; Lüfter und Luftkanäle überprüfen |
| Entladungsgeräusche oder -geruch |
Feuchtigkeit, Staubansammlung, Teilentladung |
Isolierungsoberfläche während der Abschaltung inspizieren; bei Bedarf Isolationsprüfungen durchführen |
| Hoher Kernerdungsstrom |
Mehrere Kernerdungspunkte, Isolationsalterung |
Kernisolationswiderstand messen; unbeabsichtigte Erdungspunkte lokalisieren und beseitigen |
| Auslösung des Nullstromschutzes |
Tatsächlicher Erdschluss, Beschädigung des Erdungswiderstands, Fehlfunktion des Wandlers oder Relais |
Bestätigen, ob ein tatsächlicher Fehler aufgetreten ist; Neutralstromkreis, Erdungswiderstand, Nullstromwandler und Relaiseinstellungen inspizieren |
Wartungs- und Prüfempfehlungen
Führen Sie Betriebsprotokolle über Wicklungstemperatur, Strom, Spannung, Nullsystemstrom und Lüfterbetrieb. Zu den monatlichen Aktivitäten können Sichtprüfungen, das Festziehen der Klemmen und Funktionstests der Lüfter gehören. Vierteljährliche Prüfungen sollten das Erdungssystem, den Kernerdungsstrom und den Isolationszustand umfassen.
Jährliche oder normengerechte Prüfungen können Isolationswiderstand, Gleichstromwiderstand der Wicklungen, Übersetzungsverhältnis, Kalibrierung des Temperaturreglers und Teilentladungsprüfungen umfassen, sofern zutreffend.
Obwohl ein Erdungstransformator im Normalbetrieb nur sehr wenig Last trägt, beeinflusst seine Zuverlässigkeit direkt die Leistung des Erdschlussschutzes. Der Sternpunktableiter, der Erdungswiderstand, die Erdschlusslöschspule und die Nullsystem-Schutzschaltung sollten als vorrangige Inspektionspunkte behandelt werden.
Geltungsbereich und Sicherheitshinweise
Dieser Artikel dient als allgemeine Referenz für in Mittelspannungsverteilnetzen eingesetzte Trockenerdungstransformatoren. Spezifische Parameter, Einstellungen und Wartungsintervalle sollten stets den Angaben auf dem Typenschild des Geräts, den Herstelleranweisungen, den Projektspezifikationen und den geltenden lokalen Normen entsprechen.
Halten Sie bei Inspektionen unter Spannung einen sicheren Abstand zu spannungsführenden Teilen ein. Jegliche Arbeiten, die ein Freischalten, das Festziehen von Klemmen oder Prüfungen beinhalten, müssen den ordnungsgemäßen Verfahren für Freischalten und Kennzeichnen, der Überprüfung der Spannungsfreiheit und den Erdungsverfahren folgen.
Die hier bereitgestellten Informationen dienen ausschließlich der technischen Diskussion und stellen keine Konstruktionsplanung, Schutzabstimmung oder Betriebsanleitung dar.
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