Mittelspannungs-Festkörpertransformator (SST) Globaler Marktbericht – Vollständige Abdeckung der Primärspannung

1. Hintergrund und Geltungsbereich

Dieser Bericht bietet eine systematische Übersicht über die Anforderungen an die Primärseiten- (Netzseiten-)Spannung für Festkörpertransformatoren (SSTs) – auch als leistungselektronische Transformatoren (PETs) bezeichnet – in den globalen Märkten außerhalb Chinas.

Kerndefinitionen:

• Primär- / Netzseitenspannung: Die Mittelspannungsverteilungsebene, an die der SST angeschlossen ist. Dies ist die grundlegende Basis für die Isolationsauslegung, die Anzahl der in Reihe geschalteten Leistungsmodule, die Auswahl der Überspannungsableiter, die EMV-Konformität und die Netzzulassung.

• Nennspannung (U): Die Systemnennspannung (z. B. 11 kV, 13,8 kV).

• Höchste Spannung für Betriebsmittel (Um): Die Bezugsspannung für die Isolationsauslegung, typischerweise 10 %–20 % über der Nennspannung.

• Grundlegende Blitzstoßspannungsfestigkeit (BIL): Die Widerstandsfähigkeit der Isolierung gegen Blitzüberspannungen.

• Netzfrequenz-Stehspannung: Die Kurzzeit-Stehspannung bei Netzfrequenz, angelegt über die Isolierung und über die Trennstellen (offene Kontakte).

Standarddefinition der Mittelspannung:

• IEC-System (IEC 60038 / IEC 60076 / IEC 62271): Mittelspannung ist als 1 kV bis 35 kV definiert. IEC 60038 Ausgabe 7.1 (2009 + AMD1:2021), Tabelle 3, unterteilt 1-kV–35-kV-Drehstromsysteme in Reihe I (Allzweck, 50/60 Hz) und Reihe II (nordamerikanisch, 60 Hz-spezifisch). Werte in Klammern (z. B. 15 kV, 17,5 kV) werden als "nicht bevorzugt" eingestuft und für neue Systeme nicht empfohlen.

• IEEE/ANSI-System (ANSI C84.1 / IEEE C57 / IEEE C37): Mittelspannung wird allgemein als >1 kV und <100 kV definiert, wobei die Verteilungsspannungen typischerweise von 2,4 kV bis 34,5 kV reichen. Für Isolationszwecke werden die Betriebsmittel nach Spannungsklasse und nicht nach der Nennspannung klassifiziert.

Überblick über die Netzfrequenzen:

• Ungefähr 70 % der Länder/Regionen verwenden 50 Hz (IEC-dominiert).

• Ungefähr 30 % verwenden 60 Hz (IEEE-dominiert, einschließlich Nordamerika, Lateinamerika und Teile Asiens).

• Einige wenige Länder haben einen dualen 50/60-Hz-Betrieb (Japan, einige karibische Nationen).

RW-Serie Festkörpertransformatoren

2. Globale Primärspannungslandschaft – Vollständige Abdeckung aller 13 Ebenen

Unter Kombination der IEC 60038- und ANSI C84.1/IEEE-Standards können die globalen Mittelspannungs-Primärspannungen in die folgenden 13 Schlüsselebenen zusammengefasst werden. Damit SSTs eine "globale Vollabdeckung" erreichen, muss jede Isolationsplattform individuell behandelt werden.

Ebene 1: 3,3 kV / 3,6 kV (IEC-Niedrigbereich)

• Um = 3,6 kV, BIL ≈ 20–40 kV.

• Anwendungen: Industrielle Verteilnetze in einigen Ländern, Bergbau, große Industrieanlagen. In der IEC 60038 klassifiziert als "nicht empfohlen für neue öffentliche Verteilnetze".

• Regionen: Historische Installationen in Österreich, Belgien und anderen europäischen Ländern; Teile Osteuropas und russisch beeinflusste Systeme. Die SST-Nachfrage ist gering; kann durch Abwärtskompatibilität in die 7,2-kV-Plattform integriert werden.

Ebene 2: 6,6 kV / 7,2 kV (IEC 7,2-kV-Klasse)

• Um = 7,2 kV, BIL = 60 kV, Netzfrequenz-Stehspannung = 20 kV.

• Frequenz: Koexistenz von 50/60 Hz.

• Regionen: Japan (primär Ostjapan), Südkorea (industriell), Australien, Neuseeland, Teile Osteuropas (russisches 6 kV), Südafrika (historisch).

• Hinweis: In der IEC 60038 entspricht 6,6 kV Um = 7,2 kV und ist eine "Allzweck"-Ebene.

Ebene 3: 10 kV / 11 kV (IEC 12-kV-Klasse)

• Um = 12 kV, BIL = 75 kV, Netzfrequenz-Stehspannung = 28 kV.

• Frequenz: Überwiegend 50 Hz.

• Regionen: Kern des Vereinigten Königreichs und der ehemaligen britischen Commonwealth-/Kolonialsysteme; eine der weltweit am häufigsten verwendeten Spannungsebenen – Indien, Australien, Neuseeland, Südafrika, Ägypten, Kenia, Nigeria, VAE (DEWA/ADDC), Katar, Kuwait, Oman, Bangladesch, Nepal, Malaysia, Sri Lanka usw.

• Hinweis: Die IEC 60038 führt sowohl 10 kV (älteres kontinentaleuropäisches System) als auch 11 kV (britisches System) auf. Die Ausrüstung ist einheitlich für die Plattform Um = 12 kV / BIL = 75 kV ausgelegt.

Ebene 4: 12,47 kV / 13,2 kV / 13,8 kV (IEEE 15 kV Klasse)

• Um ≈ 15 kV, BIL = 95 kV (in einigen Fällen optional 110 kV), Betriebsfrequenz-Spannungsfestigkeit ≈ 36 kV.

• Frequenz: 60 Hz.

• Regionen: Absolutes Rückgrat von Nordamerika (USA, Kanada), Abdeckung von >60 % der US-Mittelspannungslast; Lateinamerika (Brasilien, Mexiko, Argentinien, Chile); Philippinen.

• Hinweis: 12,47 / 13,2 / 13,8 kV gehören alle zur gleichen "15 kV Isolationsklasse" gemäß ANSI C84.1. Isolierung, Überspannungsableiter und Kabel werden nach Klasse und nicht nach Nennspannung ausgewählt. Dies ist eine universelle Regel in der nordamerikanischen Verteilung.

Ebene 5: 15 kV (IEC-System, nicht bevorzugter Wert) – [Wichtige Ergänzung]

• Um = 17,5 kV, BIL = 95 kV, Betriebsfrequenz-Spannungsfestigkeit = 38 kV (Kabelbewertung: 8,7/15 kV).

• Frequenz: 50 Hz.

• Standardreferenz: In der IEC 60038 Reihe I wird (17,5) – (15) in Klammern als "nicht bevorzugter" Wert angezeigt, bleibt jedoch eine anerkannte Spannung.

• Kernanwendungsregionen – Ostafrika (Horn von Afrika):

  • Äthiopien: Das Mittelverteilungsnetz-Rückgrat besteht aus den zwei Ebenen 15 kV und 33 kV. Das Verteilnetz wird von 132/33 kV-, 132/15 kV- und 45/15 kV-Abwärtstransformatoren gespeist. Ethiopian Electric Power (EEP) hat den Massenaustausch von 15 kV- und 33 kV-Schaltanlagen in mehreren Umspannwerken initiiert (z. B. Haramaya II, Chellenko II, Woliso usw. bei 132/33/15 kV). Der Großteil der Abzweigleitungen in Addis Abeba arbeitet mit 15 kV.

  • Kenia: Historische Netze umfassen 15 kV neben 11/33 kV-Systemen.

  • Tansania, Uganda und andere Mitglieder der Ostafrikanischen Gemeinschaft: Aufgrund der regionalen Netzkoordination existieren einige 15 kV-Anwendungen.

  • Türkei: Die Mittelspannung umfasst 15 kV (neben 6,3 / 11 / 20 / 34,5 kV).

  • Nordafrika / Naher Osten: Einige ältere Bestandssysteme in einzelnen Ländern arbeiten mit 15 kV.

• ⚠️ Kritische Konstruktionswarnung (Häufiger Fehler für SST-Exporteure):

  • IEC 15 kV hat Um = 17,5 kV, während die IEEE 13,8 kV "15 kV Klasse" Um ≈ 15 kV hat. Obwohl beide BIL = 95 kV haben, unterscheidet sich die höchste Spannung für die Ausrüstung.

  • Überspannungsableiter-Restspannung, Kriechstrecken, Spannungsabgleich des Leistungsmoduls und Kabelisolierung müssen für 17,5 kV berechnet werden.

  • Verwenden Sie nicht die IEEE 15 kV-Hardwareplattform für IEC 15 kV-Anwendungen – der Isolationsabstand wird unzureichend sein, was zu langfristigen Durchschlagrisiken führt. Umgekehrt führt die Verwendung der IEC 17,5 kV-Plattform in Nordamerika zu übermäßigen Kosten.

  • Daher müssen IEC 15 kV (Um = 17,5 kV) und IEEE 15 kV Klasse (Um ≈ 15 kV) als zwei völlig unabhängige Isolationsplattformen behandelt werden.

Ebene 6: 20 kV / 24 kV (IEC 24 kV Klasse)

• Um = 24 kV, BIL = 125 kV, Betriebsfrequenz-Spannungsfestigkeit = 50 kV.

• Frequenz: Hauptsächlich 50 Hz.

• Regionen: Kontinentaleuropäische Standardverteilung – Deutschland, Frankreich, Niederlande, Belgien, Österreich, Schweiz, Dänemark, Norwegen, Schweden, Finnland, Spanien, Portugal, Italien; auch Teile Lateinamerikas (Brasilien hat eine gemischte 20 kV-Verteilung).

• Hinweis: Die IEC 60038 führt sowohl 20 kV als auch 24 kV auf (20 kV als Nennspannung, 24 kV als Um). Die Ausrüstung ist einheitlich für Um = 24 kV / BIL = 125 kV ausgelegt. Frankreich verwendet sowohl 20 kV als auch 33 kV.

Ebene 7: 22 kV (Regionaler De-facto-Standard)

• Um = 24 kV, BIL = 125 kV, Betriebsfrequenz-Spannungsfestigkeit = 50 kV.

• Frequenz: 50 Hz.

• Regionen: Indonesien, Thailand, Vietnam (südostasiatische IEC-Systemländer); Südkorea umfasst ebenfalls 22 kV (die KEPCO-Standardverteilungsspannung beträgt 22.900 V, d. h. 22,9 kV, 60 Hz); Westjapan verwendet 22 kV.

• ⚠️ Wichtige Erinnerung: 22 kV steht nicht in der bevorzugten Reihenfolge der IEC 60038; es handelt sich um eine regionale betriebliche Abweichspannung. Die Ausrüstung muss jedoch für Um = 24 kV, BIL = 125 kV ausgelegt sein. Eine falsche Zuordnung wird zu einem Ausfall bei Blitz-/Stoßspannungsprüfungen vor Ort in Südostasien führen. Die IEC 60038 weist darauf hin, dass 22,9 kV (mit Um = 24,2 oder 25,8 kV) in "einigen Ländern" verwendet wird – wobei spezifisch auf Südkorea verwiesen wird.

RW-Serie Hybrider AC-DC-Festkörpertransformator

Stufe 8: 24,94 kV / 26,4 kV (IEEE 25-kV-Klasse)

• Um = 27 kV, BIL = 125 kV (150 kV optional), Betriebsfrequenz-Stehspannung ≈ 50 kV.

• Frequenz: 60 Hz.

• Regionen: Nordamerika (US-Vororte, ländliche lange Speiseleitungen mit geringer Last, entsprechend 24,94 kV GrdY/14,4 kV); Teile Lateinamerikas.

• Hinweis: Klassifiziert als "25-kV-Klasse" gemäß ANSI C84.1. Die Isolationspegel liegen nahe bei IEC 24 kV, aber die Systemspannungstoleranzen unterscheiden sich.

Stufe 9: 30 kV / 33 kV (IEC 36-kV-Klasse)

• Um = 36 kV, BIL = 170 kV, Betriebsfrequenz-Stehspannung = 70 kV.

• Frequenz: 50 Hz.

• Regionen: Großbritannien (33 kV Primärverteilung), Indien (33 kV HT), Südafrika (Eskom), Ägypten, Kenia, Nigeria und andere afrikanische Nationen, Australien, Neuseeland (33 kV), Golfstaaten im Nahen Osten (VAE, Saudi-Arabien, Katar usw.), Äthiopien (33 kV neben 15 kV als Rückgrat).

• Hinweis: Die IEC 60038 führt 30 kV und 33 kV parallel auf; beide sind für Um = 36 kV / BIL = 170 kV ausgelegt. Einige afrikanische Länder stufen 33 kV aus Tarifgründen als "Hochspannung" ein.

Stufe 10: 34,5 kV (IEEE 35-kV-Klasse)

• Um = 38 kV (oder 36-kV-Klasse), BIL = 200 kV (150 kV optional), Betriebsfrequenz-Stehspannung = 80 kV.

• Frequenz: 60 Hz.

• Regionen: Nordamerika (USA, Kanada – ländliche lange Speiseleitungen, Anschluss erneuerbarer Energien), Brasilien, Mexiko, andere lateinamerikanische Länder (Sekundärverteilung/Sub-Transmission), Philippinen (34,5 kV).

• Hinweis: Klassifiziert als "35-kV-Klasse" gemäß ANSI C84.1. Dies ist die Hauptspannung für den Anschluss von erneuerbaren Kraftwerken in Nordamerika.

Stufe 11: 35 kV (IEC, einige Länder)

• Um = 40,5 kV, BIL = 200 kV (in einigen Fällen 145 kV als untere Stufe).

• Frequenz: 50 Hz.

• Regionen: Frankreich, Teile Nordeuropas, Osteuropas, von Russland beeinflusste Systeme, Vietnam (35 kV), Teile Südamerikas.

• Hinweis: Dies ist das obere Ende der IEC 60038 Reihe I. Obwohl numerisch nahe an IEEE 34,5 kV, unterscheiden sich die Isolierung (Um = 40,5 gegenüber 38 kV) und die Frequenz (50 gegenüber 60 Hz). SSTs müssen separat angepasst werden.

Stufe 12: 45 kV / 66 kV (Verteilungs-Übertragungs-Übergang)

• Um = 52 kV / 72,5 kV, BIL ≈ 250 kV / 325 kV jeweils.

• Regionen: Äthiopien (45 kV, 66 kV Sub-Transmission), Großbritannien (66 kV), Südafrika (66 kV), Neuseeland (66 kV), Nordamerika (69 kV).

• Hinweis: Diese nähern sich der MV/HV-Grenze. Wenn hier SSTs eingesetzt werden, muss die Auslegung der 72,5-kV-Klasse folgen. Dieser Bericht konzentriert sich hauptsächlich auf Spannungen bis 38 kV.

Stufe 13: Einleiter-Erdrücklauf (SWER) – Sonderfall

• IEC 60038 Tabelle 7: Um = 24 kV entspricht Systemspannungen von 13,9 kV / Nennspannung 12,7 kV; Um = 36 kV entspricht 20,8 kV / 19,1 kV. Hauptsächlich verwendet in abgelegenen Gebieten Australiens und Neuseelands (12,7 kV / 19,1 kV SWER).

• SST-Anwendungen sind begrenzt, aber die Isolierung orientiert sich weiterhin an den 24-kV-/36-kV-Klassen.

3. Aufschlüsselung nach Normsystem

3.1 IEC-Normsystem (Reihe I, überwiegend 50 Hz)

Bevorzugte Nennspannungsreihe der IEC 60038 Reihe I (1–35 kV):

3.3 — 6.6 — 11 — (15) — 22 — 33 — (35) kV

Entsprechende Um-Sequenz:

3.6 — 7.2 — 12 — (17.5) — 24 — 36 — (40.5) kV

Regionale Gruppierungen:

• Kontinentaleuropa (20/24-kV-System): Deutschland, Frankreich, Niederlande, nordische Länder usw. Isolierung: Um = 24 kV / BIL = 125 kV.

• UK & Commonwealth-System (11/33-kV-Sequenz): Großbritannien, Indien, Australien/Neuseeland, Südafrika, Naher Osten, der größte Teil Südostasiens. Entspricht Um = 12 kV (BIL 75) und Um = 36 kV (BIL 170).

• Südostasien 22 kV gemischt: Indonesien, Thailand, Vietnam – verankert auf der Um = 24 kV-Plattform.

• Ostafrika 15-kV-System (Schwerpunkt): Äthiopien (15+33 kV-Backbone), Kenia, Tansania usw. 15 kV arbeitet als unabhängige Plattform bei Um = 17,5 kV / BIL = 95 kV. Dies ist die weltweit bedeutendste reale Anwendung des von der IEC nicht bevorzugten 15-kV-Werts.

RW-Serie 40,5-kV-SST-Festkörperschalttransformator

3.2 IEEE/ANSI-Standardnetz (Serie II / C84.1, 60 Hz)

Die nordamerikanischen Spannungen leiten sich von der 120 V × √3-Progression ab (2,4 → 4,16 → 12,47 → 13,8 → 24,94 → 34,5 kV), was sich grundlegend von der europäischen 220-V-Basis (3,3/6,6/11 kV) unterscheidet.

Isolationsklasse (Spannungsklasse) gemäß ANSI C84.1 + IEEE C57.12.00:

• 5-kV-Klasse: Umfasst 4,16 kV, Um ≈ 4,76 kV, BIL = 60 kV.

• 15-kV-Klasse: Umfasst 12,47 / 13,2 / 13,8 kV, Um ≈ 15 kV, BIL = 95 kV (110 kV optional).

• 25-kV-Klasse: Umfasst 24,94 kV, Um = 27 kV, BIL = 125 kV (150 kV optional).

• 35-kV-Klasse: Umfasst 34,5 kV, Um = 38 kV, BIL = 200 kV (150 kV optional).

Wichtigste Regionen:

• Nordamerika-Kern (13,8 kV + 34,5 kV): USA, Kanada.

• Lateinamerika (13,8/34,5 kV): Brasilien, Mexiko, Argentinien, Chile usw.

• Asien-Pazifik 60 Hz (IEEE-System): Philippinen (13,8/23/34,5 kV), Südkorea (22,9/34,5 kV, 60 Hz), Saudi-Arabien (Teile bei 13,8 kV, 60 Hz für Öl/Gas/Kommunal).

⚠️ Wichtige Erinnerung: Die nordamerikanische "15-kV-Klasse" ist ein Isolationsklassenkonzept, bei dem 12,47/13,2/13,8 kV dieselbe Isolationsplattform teilen. Dies darf nicht mit der IEC 15 kV (Um = 17,5 kV) verwechselt werden.

3.3 Gemischte und Sonderfälle

• Japan (50/60 Hz Koexistenz – die weltweit einzige Ost-West-Frequenzaufteilung):

  • Ostjapan (Tokio, Hokkaido usw., 50 Hz): 6,6 kV primär, mit 22 kV im Zentrum von Tokio und für Großverbraucher (SST erfordert 22-kV-Plattform).

  • Westjapan (Kansai, Kyushu usw., 60 Hz): 22 kV primär.

  • Mittelspannungsbereich: 6,6 kV bis 66 kV; Verteilungs-Backbone ca. 740.000 km. Zusammengeschaltet über 4 HGÜ-Frequenzumformerstationen.

  • SST-Strategie: Erfordert 7,2-kV- und 24-kV-Plattformen + 50/60-HZ-Dualfrequenz-Firmware-Umschaltung.

• Südkorea (60 Hz, IEC-Spannung + IEEE-Frequenz-Hybrid):

  • Standard-Verteilungsspannung: 22.900 V (22,9 kV); verfügt auch über 6,6 kV und 34,5 kV.

  • 22,9 kV wird unter IEC als nahe der 24-kV-Klasse eingestuft (Um = 24,2/25,8 kV), BIL = 125 kV.

  • SST-Strategie: 24-kV-Plattform + 60 Hz; muss die technischen Spezifikationen für den Netzanschluss von KEPCO einhalten (insbesondere Inselnetzerkennung, Oberschwingungen, Gleichstromeinspeisung <0,5 %, Leistungsfaktor >90 %).

• Südafrika, Australien: Nominell IEC, weisen jedoch mehrere koexistierende Spannungen auf (11/22/33 kV), und Australien verfügt über 12,7/19,1 kV SWER.

4. SST-Primärisolierung und Zuordnung der Schlüsselparameter

SSTs setzen leistungselektronische Wandlung ein (AC-DC-AC + Hochfrequenz-Trenntransformator). Die primäre Isolationskoordination muss beides erfüllen: (a) netzseitige Normen für die Spannungsfestigkeit und (b) interne Abschaltüberspannungen und Spannungsausgleich bei IGBT-/MOSFET-/SiC-Modulen.

Wichtige Isolationszuordnung: