Erdungstransformatoren, auch Neutralpunktkuppler genannt, werden in Drehstromnetzen eingesetzt, in denen kein Neutralpunkt verfügbar ist oder der Neutralpunkt nicht herausgeführt wird. Sie stellen einen künstlichen Neutralpunkt bereit, sodass das System direkt, über einen Widerstand oder über eine Löschspule geerdet werden kann. Dies hilft, einpolige Erdschlussströme zu begrenzen und Überspannungen auf den gesunden Außenleitern zu unterdrücken.
Erdungstransformatoren werden in IEC 60076-6:2007 als Drosseln klassifiziert. Ihre Auslegung hängt von den Betriebsbedingungen des Netzes und den Anforderungen der Umspannwerke ab. Da die vorhandene Literatur nur begrenzte Hinweise zu Prüfungen bietet, behandelt dieser Artikel die Erwärmungsprüfungen für mehrere gängige Typen von ölgefüllten Erdungstransformatoren.
Die allgemeinen Anforderungen an die Erwärmungsprüfung richten sich nach IEC 60076-2:2011. Für ölgefüllte Transformatoren mit ONAN- oder ONAF-Kühlung betragen die typischen Grenzwerte 60 K für die Temperaturerhöhung der oberen Öltemperatur und 65 K für die mittlere Temperaturerhöhung der Wicklung, sofern in der Beschaffungsspezifikation nichts anderes festgelegt ist.
Zickzack-Erdungstransformator
2. Betriebszustände und Erwärmungsprüfungen
2.1 Erdungstransformatoren mit bemessungsmäßigem Dauerstrom im Neutralpunkt und einer Sekundärwicklung
Erdungstransformator mit Sekundärwicklung
Bei diesem Typ gibt der Besteller den Bemessungs-Dauerstrom im Neutralpunkt auf Basis der erwarteten Neutralpunktverlagerung und der gewählten Neutralpunkt-Erdungsmethode an. Zusätzlich kann eine Sekundärwicklung für die Eigenbedarfsversorgung des Umspannwerks vorgesehen werden.
Unter normalen Netzbedingungen kann der Erdungstransformator in folgenden Zuständen betrieben werden:
- einem symmetrischen Drehstrom-Lastzustand, bei dem der Neutralpunkt nahe dem Erdpotenzial bleibt;
- einem unsymmetrischen Drehstrom-Lastzustand, bei dem die Neutralpunktverlagerung einen dauerhaften Nullsystemstrom erzeugt;
- einem Lastzustand der Sekundärwicklung.
Bei symmetrischer Last fließt nur der Magnetisierungsstrom in der Primärwicklung. Die Verluste bestehen hauptsächlich aus den Eisenverlusten und sehr geringen Gleichstromverlusten der Primärwicklung. Die Temperaturerhöhung der Wicklung gegenüber dem Öl ist daher nahezu null.
Tritt eine Neutralpunktverlagerung auf, fließt ein dauerhafter Nullsystemstrom durch die Primärwicklung des Erdungstransformators. Dies erzeugt Gleichstromverluste in der Wicklung und zusätzliche Streuverluste, die durch den Nullsystemfluss verursacht werden. Wenn die Sekundärwicklung belastet wird, müssen auch die Gleichstromverluste der Sekundärwicklung und die zusätzlichen Lastverluste berücksichtigt werden.
Da der symmetrische Zustand und der Zustand der Neutralpunktverlagerung nicht gleichzeitig auftreten, der Sekundär-Lastzustand jedoch jedem von beiden überlagert sein kann, muss die Erwärmungsprüfung die ungünstigste Kombination simulieren.
Beispiel-Prüfablauf
Es wird ein ölgefüllter Erdungstransformator mit den folgenden Daten angenommen.
Beispiel-Technische Daten eines ölgefüllten Erdungstransformators
| Parameter |
Wert |
| Vektorgruppe |
ZNyn11 |
| Bemessungsstrom |
3,5 / 288,7 A |
| Leerlaufverlust |
1.337 W |
| Lastverlust bei 75 °C bezogen auf 200 kVA |
969 W |
| Gleichstromverlust der NS-Wicklung bei 75 °C |
754 W |
| Bemessungs-Dauerstrom im Sternpunkt |
70 A |
| Verlust bei Bemessungs-Dauerstrom im Sternpunkt bei 75 °C |
4.930 W |
Der Temperaturanstiegsversuch kann wie folgt durchgeführt werden.
Schritt 1 — Stufe des maximalen Gesamtverlusts
Der anzulegende Gesamtverlust beträgt:
Pmax = PkN(75 °C) + P0 + Pr(75 °C)
Pmax = 4,930 + 1,337 + 754 = 7,021 W
wobei:
- PkN(75 °C) ist der Verlust, der durch den bemessungsmäßigen kontinuierlichen Neutralstrom erzeugt wird;
- P0 ist der Leerlaufverlust bei bemessungsmäßiger Spannung und Frequenz;
- Pr(75 °C) ist der Gleichstromverlust der Niederspannungswicklung bei bemessungsmäßigem Sekundärlaststrom.
Der durch den bemessungsmäßigen kontinuierlichen Neutralstrom erzeugte Verlust muss auf gemessenen Werten basieren. Vor dem Versuch wird die Sekundärwicklung im Leerlauf betrieben und der bemessungsmäßige kontinuierliche Neutralstrom von 70 A wird zwischen den Oberspannungsklemmen ABC und dem Neutralpunkt O angelegt. Der gemessene Verlust wird dann auf die Bezugstemperatur von 75 °C korrigiert.
Anschlussplan für den Temperaturanstiegsversuch am Erdungstransformator
Pr(75 °C) ist der Gleichstromverlust der Niederspannungswicklung bei dem bemessungsmäßigen Sekundärstrom von 288.7 A. Der Oberspannungsstrom, der der Sekundärlast von 200 kVA entspricht, beträgt 3.5 A, was bereits in den 70/3 A pro Phase enthalten ist. Daher darf der in einem herkömmlichen Lastversuch gemessene Vollastverlust nicht direkt verwendet werden, da sonst der Gleichstromverlust der Oberspannungsseite doppelt angerechnet würde und das Temperaturanstiegsergebnis zu hoch ausfallen würde.
Nach Bestimmung des Gesamtverlusts wird der Transformator gemäß dem Verdrahtungsplan des Versuchs in Betrieb genommen. Der Öltemperaturanstieg an der Oberfläche und der mittlere Öltemperaturanstieg werden gemäß IEC 60076-2:2011 ermittelt.
Schritt 2 — Temperaturanstieg der Oberspannungswicklung
Der Strom für diese Stufe muss den bemessungsmäßigen kontinuierlichen Neutralstrom und den Oberspannungsstrom entsprechend der bemessungsmäßigen Sekundärleistung umfassen. Für dieses Beispiel beträgt der angelegte Strom:
I = 3 × 3.5 + 70 = 80.5 A
Dieser Strom wird eine Stunde lang aufrechterhalten. Der Warmwiderstand der Oberspannungswicklung zwischen der Klemme B und dem Neutralpunkt O wird gemessen, um die Temperaturdifferenz zwischen Oberspannungswicklung und Öl und damit den Temperaturanstieg der Oberspannungswicklung zu bestimmen. Dieses Vorgehen folgt dem in IEC 60076-6:2007 für Erdungstransformatoren mit Sekundärwicklung angegebenen Prinzip.
Schritt 3 — Temperaturanstieg der Niederspannungswicklung
Der Erdungstransformator wird dann für den Versuch der Niederspannungswicklung ähnlich wie ein Verteiltransformator behandelt. Die Niederspannungswicklung wird kurzgeschlossen und ein symmetrischer Drehstrom von 3.5 A wird an der Oberspannungsseite angelegt, was der bemessungsmäßigen Sekundärleistung entspricht. Die Versuchsdauer beträgt eine Stunde.
Der Warmwiderstand der Niederspannungswicklung und die mittlere Öltemperatur werden gemessen. Die Temperaturdifferenz zwischen Niederspannungswicklung und Öl wird berechnet und zum in Schritt 1 ermittelten mittleren Öltemperaturanstieg addiert, um den Temperaturanstieg der Niederspannungswicklung zu bestimmen.
Erdungstransformator ohne Sekundärwicklung
2.2 Erdungstransformatoren mit bemessungsmäßigem Dauer-Neutralstrom, aber ohne Sekundärwicklung
Dieser Typ deckt den symmetrischen Zustand und den Neutralpunktverlagerungszustand ab. Der Temperaturanstiegsversuch muss den Neutralpunktverlagerungszustand repräsentieren.
Die Versuchsparameter sind:
- Stufe des maximalen Gesamtverlusts: Pmax = PkN(75 °C) + P0
- Stufe des Bemessungsstroms: I = IN
2.3 Erdungstransformatoren in Kombination mit Erdschlusslöschspulen
Bei diesem Typ ist die Erdschlusslöschspule in den Transformatorneutralpunkt integriert. Der Erdungstransformator und die Erdschlusslöschspule müssen gemeinsam geprüft werden. Wenn die Erdschlusslöschspule einstellbar ist, muss der Versuch an der Position durchgeführt werden, die den höchsten Verlust erzeugt.
Kombination aus Erdschlusslöschspule und Erdungstransformator
Die Methoden zur Bestimmung des maximalen Gesamtverlusts und des Bemessungsstroms sind dieselben wie in Abschnitt 2.1. Heißwiderstandsmessungen müssen zweimal durchgeführt werden:
- Zwischen einem Leitungsanschluss und dem Erdungsanschluss der Erdschlusslöschspule, üblicherweise BO;
- Zwischen zwei Leitungsanschlüssen des Erdungstransformators, üblicherweise AC.
Diese Messungen ermöglichen die separate Bestimmung der Temperaturdifferenzen der Hauptwicklung des Erdungstransformators und der Wicklung der Erdschlusslöschspule.
3. Fazit
Der Temperaturanstieg ist ein wichtiger Leistungsindikator für den sicheren Betrieb und die Lebensdauer von Erdungstransformatoren. Da Erdungstransformatoren vielfältige Strukturen und Betriebsarten aufweisen, können falsche Prüfmethoden zu irreführenden Ergebnissen führen. Durch die Simulation der schwersten Betriebsbedingungen gemäß IEC 60076-6:2007 und IEC 60076-2:2011 können Hersteller zuverlässigere Temperaturanstiegsdaten für ölgefüllte Erdungstransformatoren ermitteln.
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