Oberschwingungsbedingte Schäden an Trockentransformatoren und Gegenmaßnahmen

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China

Harmonische Verschmutzung ist zu einer großen Bedrohung für den sicheren Betrieb von Trockentransformatoren geworden, da sich nichtlineare Lasten in Stromnetzen ausbreiten. Dieser Artikel erläutert, wie Oberschwingungen Trockentransformatoren schädigen und was getan werden kann, um ihren sicheren Betrieb zu gewährleisten.

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Trockentransformator mit roten Epoxidharzwicklungen und blauem Montagesockel

Durch Oberschwingungen verursachte Schäden

Erhöhte Verluste und anomaler Temperaturanstieg. Oberschwingungsströme verstärken den Skin-Effekt und den Nachbareffekt in den Transformatorwicklungen. Der Wechselstromwiderstand steigt, wodurch die Kupferverluste deutlich zunehmen, und der hochfrequente Oberschwingungsfluss vergrößert auch die Wirbelstrom- und Hystereseverluste im Kern – der Wirbelstromverlust wächst ungefähr mit dem Quadrat der Frequenz und der Hystereseverlust ungefähr mit der Frequenz. Diese zusätzlichen Verluste werden in Wärme umgewandelt, was die Betriebstemperatur anomal in die Höhe treibt.
Schnellere Isolationsalterung und kürzere Lebensdauer. Trockentransformatoren werden durch Luftkonvektion (Naturkühlung AN oder Fremdluftkühlung AF) gekühlt, daher sind sie temperaturempfindlich. Anhaltende hohe Temperaturen beschleunigen die thermische Alterung von Isoliermaterialien wie Epoxidharz und Nomex-Papier. Nach dem Alterungsmodell in IEC 60076-12:2008 steigt die Alterungsrate der Isolierung exponentiell mit der Temperatur an und verdoppelt sich ungefähr bei jedem Temperaturanstieg um 6 K, was das Risiko eines Durchschlags erheblich erhöht.
Reduzierte Belastbarkeit (Herabsetzung erforderlich). Da Oberschwingungen zusätzliche Wärme erzeugen, kann der Transformator seine Typenschildleistung nicht mehr erbringen und muss mit einer geringeren Last betrieben werden. Ein Transformator, der für die gleiche Typenschildkapazität unter Oberschwingungsbedingungen ausgewählt wurde, kann tatsächlich weniger tragen, was die Kapazitätsauslastung senkt und den Vermögenswert mindert.
Mehr Vibrationen und Lärm. Oberschwingungsmagnetfelder verändern die Frequenzkomponenten der Kernmagnetostriktion und können Resonanzen in Strukturteilen anregen, wodurch der Transformator deutlich lauter wird, oft mit einem hochfrequenten Quietschen. Langfristige Vibrationen können auch Befestigungselemente lockern oder Wicklungen verformen.

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Minderungsstrategien

Maßnahme	Vorgehensweise
Filterausrüstung hinzufügen	Ein aktiver Leistungsfilter (APF) erkennt Oberschwingungsanteile in Echtzeit und speist einen gleich großen, aber entgegengesetzten Kompensationsstrom ein, um diese zu eliminieren; er eignet sich für Anwendungen, bei denen Oberschwingungen komplex sind und sich schnell ändern. Ein passiver Leistungsfilter (PPF), eine auf eine bestimmte Frequenz (wie die 5. oder 7. Oberschwingung) abgestimmte Drossel in Reihe mit einem Kondensator, absorbiert diese Oberschwingungen bei geringeren Kosten, erfordert jedoch eine sorgfältige Auslegung, um eine Parallelresonanz mit der Netzimpedanz zu vermeiden, die diese verstärken könnte.
Drosseln sachgerecht einsetzen	Eine Wechselstrom-Reihendrossel an der Transformatorsekundärseite oder am Umrichtereingang unterdrückt höherfrequente Oberschwingungsströme und glättet die Wellenform. Eine Entstimmdrossel in Reihe in einer Blindleistungskompensationsanlage verhindert, dass die Kondensatoren mit dem Netz in Resonanz treten, und schützt die Kompensationseinrichtung.
Oberschwingungsbeständige Transformatoren wählen	Ein K-Faktor-Transformator für nichtlineare Lasten verwendet parallel gewickelte feine Litzenstränge, um den Skineffekt zu reduzieren, sowie eine höhere Isolierstoffklasse, sodass er die zusätzliche Temperaturerhöhung innerhalb seines K-Faktor-Bereichs ohne Leistungsreduzierung bewältigen kann. Eine Dyn11-Schaltgruppe bietet mit ihrer Dreieckswicklung (D-geschaltet) den Nullsystemströmen der 3. Oberschwingung einen Zirkulationspfad, wodurch der in das System eingespeiste Anteil reduziert und die Versorgungsqualität verbessert wird.
Abschirmung und Erdung verstärken	Verstärkung der Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen durch hochfrequente Oberschwingungen, Verwendung abgeschirmter Kabel für Steuersignale und zuverlässige Erdung des Gehäuses, des Kerns und des Pressrahmens. Das Erdungssystem und seine Anforderungen an den Erdungswiderstand sollten den Normen IEC 60364-5-54 und IEC 61936-1:2021 entsprechen, um induzierten Ladungen und Ableitströmen einen niederimpedanten Pfad zur Ableitung zu bieten.

Referenzierte Normen

IEC 60076-12:2008 — Leistungstransformatoren – Teil 12: Belastungsleitfaden für Trockentransformatoren
IEC 60364-5-54 — Niederspannungsanlagen – Teil 5-54: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Erdungsanlagen und Schutzleiter
IEC 61936-1:2021 — Elektrische Anlagen mit Nennspannungen über 1 kV AC – Teil 1: Allgemeine Anforderungen

Zusammenfassung

Oberschwingungen sind der „unsichtbare Killer“ für Trockentransformatoren: Die von ihnen verursachte Überhitzung beschleunigt die Alterung der Isolierung, und diese Alterung ist kumulativ und irreversibel. Keine einzelne Maßnahme reicht aus; ein umfassender Ansatz ist erforderlich – idealerweise eine Dyn11-Schaltung oder ein K-Faktor-Transformator in der Planungsphase sowie richtig konfigurierte aktive Filter oder Drosseln im Betrieb.

Wirksame Minderungsmaßnahmen beseitigen nicht nur Sicherheitsrisiken, sondern verbessern auch die Betriebseffizienz und Lebensdauer, wodurch das Stromnetz stabil und zuverlässig bleibt.

Bearbeitet von：Leon

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Themen:

Trockentransformator