Ein Zickzack-Erdungstransformator, auch als Zickzack-Erdungstransformator oder Neutralpunkt-Erdungstransformator bezeichnet, ist ein Spezialtransformator, der in Mittelspannungsnetzen eingesetzt wird. Seine Hauptfunktion besteht nicht darin, die Spannung zu transformieren oder Lastleistung zu übertragen, sondern einen stabilen Neutralpunkt zu schaffen für Systeme, die keinen solchen besitzen oder bei denen der Neutralpunkt nicht ohne Weiteres zugänglich ist.
Dieser Neutralpunkt kann dann an eine Lichtbogenlöschspule, einen Neutralpunkt-Erdungswiderstand, oder eine kleine Drossel angeschlossen werden, um die Systemerdung, die Fehlerstromsteuerung und die Schutzkoordination zu unterstützen.
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Warum wird ein Erdungstransformator benötigt?
In 6-kV-, 10-kV-, 35-kV- und ähnlichen Mittelspannungsverteilnetzen wird die Niederspannungsseite des Haupttransformators häufig in Dreieck geschaltet, oder der Sternpunkt wird nicht herausgeführt. Infolgedessen steht dem System im Normalbetrieb kein Neutralpunkt zur Erdung zur Verfügung.
Aus mehreren Gründen wird jedoch dennoch ein Neutralpunkt benötigt:
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Begrenzung von Lichtbogen-Erdschlussüberspannungen
Bei einem einpoligen Erdschluss können große kapazitive Ströme intermittierende Lichtbögen an der Fehlerstelle verursachen. Dies kann hohe Überspannungen erzeugen, die Kabel, Schaltanlagen, Messwandler und andere Betriebsmittel gefährden.
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Bereitstellung eines Pfades für den Nullstrom
Erdschlüsse erzeugen einen Nullstrom. Ohne einen Neutralpunkt gibt es keinen stabilen Rückleitungspfad, und der Nullstromschutz spricht möglicherweise nicht empfindlich genug an.
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Unterstützung von Petersen-Spulen oder niederohmiger Erdung
Bei Anschluss über eine Petersen-Spule kann das System den kapazitiven Erdschlussstrom kompensieren. Bei Anschluss über einen Neutralpunkt-Erdungswiderstand kann der Fehlerstrom begrenzt werden, während gleichzeitig ein zuverlässiges Ansprechen des Nullstromschutzes gewährleistet wird.
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Verbesserung der Versorgungszuverlässigkeit
Viele Mittelspannungssysteme ermöglichen einen Kurzzeitbetrieb bei einem einpoligen Erdschluss. Eine fachgerecht ausgelegte Neutralpunkt-Erdungsanordnung hilft, stabile Systemspannungen aufrechtzuerhalten, bis der Fehler beseitigt ist.
Wenn das Stromnetz daher keinen Neutralpunkt bereitstellt, wird ein Erdungstransformator verwendet, um einen solchen zu erzeugen.
Aufbau eines Zickzack-Erdungstransformators
Ein Zickzack-Erdungstransformator weist in der Regel einen ähnlichen Kernbauaufbau wie ein herkömmlicher Drehstromtransformator auf, unterscheidet sich jedoch in seiner Wicklungsschaltung.
Jede Phasenwicklung ist in zwei gleiche Hälften mit entgegengesetzter Wickelrichtung unterteilt. Diese Hälften werden auf verschiedene Schenkel des Kerns gewickelt und dann in einer Zickzack-Anordnung in Reihe geschaltet. Der gemeinsame Punkt der drei Phasen wird als Neutralpunkt N herausgeführt.
Beispielsweise wird Phase A nicht nur auf den Schenkel der Phase A gewickelt. Ein Teil ihrer Wicklung ist mit einer anderen Phase, wie etwa Phase B oder Phase C, verkettet. Nach der Kreuzverbindung bilden die Wicklungen ein Zickzack-Muster.
Zu den gängigen Schaltgruppen gehören:
- ZN: Oberspannungsseite mit Zickzack-Schaltung und herausgeführtem Neutralpunkt;
- ZNyn1 / ZNyn11: Oberspannungsseite mit Zickzack-Schaltung und Unterspannungsseite mit sterngeschalteter Sekundärwicklung, die auch als Eigenbedarfstransformator dienen kann.
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Wie funktioniert ein Zickzack-Erdungstransformator?
Das Hauptmerkmal eines Zickzack-Erdungstransformators besteht darin, dass er Strömen im Mit- und Gegensystem eine hohe Impedanz, jedoch Nullsystemströmen eine niedrige Impedanz bietet.
1. Unter Normalbedingungen: nahezu Leerlaufbetrieb
Wenn die Spannungen des Drehstromsystems symmetrisch sind, fließt nur ein geringer Magnetisierungsstrom durch den Erdungstransformator. Die Zickzackwicklung bietet den Spannungen im Mit- und Gegensystem eine hohe Magnetisierungsimpedanz, sodass die normalen Verluste sehr gering sind und der Transformator nahezu keine Wirkleistung aufnimmt.
2. Bei einem einpoligen Erdschluss: niederimpedanter Pfad für den Fehlerstrom
Tritt ein einpoliger Erdschluss auf, entstehen Nullsystemspannung und Nullsystemstrom. Der Nullsystemstrom fließt vom Sternpunkt in die Drehstromwicklungen. Die Nullsystemströme in allen drei Phasen sind betragsmäßig gleich und phasengleich.
Da die beiden Halbwicklungen auf demselben Schenkel entgegengesetzte Wicklungssinne und entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, heben sich ihre Nullsystem-Magnetomotorischen Kräfte gegenseitig auf. Der resultierende Nullsystemfluss ist daher sehr klein.
Infolgedessen wird die Nullsystemimpedanz hauptsächlich durch die Streureaktanz bestimmt und bleibt relativ niedrig. Der genaue Wert hängt von der Systemspannungsebene, dem Wicklungsdesign, den Fertigungsdetails und den Projektanforderungen ab.
Dies bietet einen niederimpedanten Pfad für den Nullsystemstrom, wodurch der Fehlerstrom ungehindert über den Sternpunkt in die Erdungseinrichtung fließen kann.
Warum wird die Zickzackschaltung für Erdungstransformatoren bevorzugt?
Erdungstransformatoren sind nicht auf die Zickzackschaltung beschränkt, aber die Zickzackanordnung bietet klare Vorteile bei Mittelspannungserdungsanwendungen.
1. Niedrige Nullsystemimpedanz
Die Zickzackwicklung ermöglicht es, dass sich die Nullsystem-Magnetomotorischen Kräfte auf jedem Schenkel aufheben, was zu einer niedrigen Nullsystemimpedanz und einem ungehinderten Fluss des Erdschlussstroms führt.
2. Geringe normale Betriebsverluste
Unter symmetrischen Bedingungen nimmt der Transformator nur einen geringen Magnetisierungsstrom auf und arbeitet nahe am Leerlauf, wodurch die Bereitschaftsverluste niedrig gehalten werden.
3. Gute Kompatibilität mit Erdschlusslöschspulen und Sternpunkt-Erdungswiderständen
Bei der Erdung über Erdschlusslöschspulen ermöglicht der Zickzacktransformator den freien Fluss des Kompensationsstroms, was eine hohe Ausnutzung der Spulenkapazität ermöglicht.
Bei der niederohmigen Erdung stellt er einen ausreichenden Nullsystemstrom für einen empfindlichen und zuverlässigen Schutzbetrieb bereit.
Im Vergleich dazu ist bei Verwendung eines herkömmlichen YNyn-Transformators zum Anschluss einer Erdschlusslöschspule die Spulenkapazität in der Regel auf einen kleinen Anteil der Transformatornennleistung begrenzt. Bei YNd-Transformatoren wird die Ausnutzung ebenfalls durch die Sekundärbelastung und zusätzliche Verluste eingeschränkt.
4. Kann auch als Eigenbedarfstransformator dienen
Viele Zickzack-Erdungstransformatoren sind mit einer Niederspannungssekundärwicklung ausgestattet, die eine ZNyn-Schaltung bildet. Dies ermöglicht es der Einheit, sowohl einen Sternpunkterdungspunkt als auch 380/220 V Hilfsstrom für die Umspannstation bereitzustellen, was Investitions- und Platzanforderungen reduziert.
5. Teilweise Unterdrückung von Drittharmonischen
Die Zickzackschaltung kann dazu beitragen, drittharmonische und andere Nullsystem-Oberschwingungskomponenten zu unterdrücken, was die Qualität der Spannungswellenform verbessert. Dies ist jedoch in der Regel ein sekundärer Vorteil und nicht der Hauptgrund für die Auswahl.
Zickzack-Erdungstransformator im Vergleich zum herkömmlichen Transformator
| Vergleichskriterium |
Zickzack-Erdungstransformator |
Konventioneller Transformator |
| Hauptzweck |
Bereitstellung eines künstlichen Sternpunkts und Unterstützung des Erdungsschutzes |
Spannungstransformation und Leistungsübertragung |
| Wicklungsaufbau |
Jede Phase in zwei Teile mit Zickzackschaltung aufgeteilt |
Standard-Y-, Δ- oder YN-Schaltung |
| Sternpunkt |
Speziell für die Erdung herausgeführt |
Kann fehlen oder nicht für die Erdung verwendet werden |
| Nullsequenzimpedanz |
Niedrig, geeignet für den Nullsequenzstrom |
Höher, begrenzt den Nullsequenzstrom |
| Betriebszustand |
Im Normalbetrieb nahezu im Leerlauf; führt kurzzeitige Fehlerströme |
Im Normalbetrieb kontinuierlich belastet |
| Typische Anwendung |
Mittelspannungserdung, Peterspulen, Sternpunkterdungswiderstände |
Haupttransformatoren und Verteiltransformatoren |
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Typische Anwendungen
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10-kV- und 35-kV-Verteilnetze
Werden eingesetzt, wenn die Niederspannungsseite des Haupttransformators in Dreieckschaltung verbunden ist oder der Systemneutralpunkt nicht verfügbar ist.
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Erdschlussspulen-Erdungssysteme
Werden verwendet, um den kapazitiven Erdschlussstrom zu kompensieren, Lichtbogenfehler zu löschen und transiente Überspannungen zu begrenzen.
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Niederohmige Erdungssysteme
Werden eingesetzt, um den Erdschlussstrom zu begrenzen und gleichzeitig den zuverlässigen Betrieb des Nullsystemschutzes zu gewährleisten.
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Anlagen für erneuerbare Energien, industrielle Netze und Rechenzentren
Werden in wechselrichtergekoppelten Systemen, in Dreieck geschalteten Netzen oder isolierten Stromsystemen eingesetzt, um einen stabilen Erdungspunkt bereitzustellen und die Leistung bei unsymmetrischen Spannungen und den Schutz zu verbessern.
Auslegungs- und Betriebsüberlegungen
- Anpassung der Systemspannungsebene, wie z. B. 6 kV, 10 kV oder 35 kV, an die Nennsystemspannung.
- Nullimpedanz sorgfältig auslegen. Ein zu niedriger Wert kann den Fehlerstrom übermäßig erhöhen; ein zu hoher Wert kann die Empfindlichkeit des Schutzes verringern. Sie muss auf den Neutralpunkt-Erdungswiderstand oder die Erdschlussspule abgestimmt werden.
- Leistung angemessen auswählen. Bei ausschließlicher Nutzung zur Erdung sollte die Primärbewertung auf die Erdschlussspule oder den Neutralpunkt-Erdungswiderstand abgestimmt sein. Wenn nur eine Erdschlussspule angeschlossen ist, wird die Primärleistung in der Ingenieurpraxis üblicherweise auf das 1,05- bis 1,15-Fache der Spulenleistung gewählt. Wird auch eine Sekundärlast versorgt, muss die Eigenbedarfslast des Umspannwerks hinzugerechnet werden.
- Kurzzeitige thermische Belastbarkeit prüfen. Der Transformator arbeitet unter normalen Bedingungen nahezu im Leerlauf, muss jedoch dem kurzzeitigen Erdschlussstrom standhalten.
- Schaltgruppe bestätigen, wie z. B. ZN, ZNyn1 oder ZNyn11, entsprechend den Anforderungen an Schutz, Messung und Hilfsstrom.
- Prüfen, ob tatsächlich ein Erdungstransformator erforderlich ist. Wenn der Haupttransformator bereits einen zugänglichen Neutralpunkt aufweist, beispielsweise in einigen 35-kV- oder 110-kV-Systemen in Sternschaltung mit geerdetem Neutralpunkt (YN), ist ein separater Erdungstransformator möglicherweise nicht erforderlich.
Beziehung zu IEC-Normen
Im Rahmen der IEC werden Zickzack-Erdungstransformatoren in der Regel gemäß den allgemeinen Anforderungen an Leistungstransformatoren in der IEC 60076-Reihe ausgelegt und geprüft. IEC 60076-25 behandelt hauptsächlich Neutralpunkt-Erdungswiderstände und erkennt ausdrücklich deren Verwendung zusammen mit Zickzack-Transformatoren, Transformatoren in offener Dreieckschaltung und Erdschlussspulen an.
In der Praxis werden Zickzack-Erdungstransformatoren gemäß der erforderlichen Nullimpedanz, dem kurzzeitigen Fehlerstrom, der Nennspannung, der Kühlart, der Isolationsstufe und dem Prüfprogramm spezifiziert und verifiziert. Die Konformität mit einem bestimmten Projekt sollte stets anhand der technischen Vertragsspezifikation, der geltenden Ausgabe der Norm und der Prüfberichte Dritter bestätigt werden.
Zusammenfassung
Ein Zickzack-Erdungstransformator ist ein spezieller Transformator, der durch eine Zickzack-Wicklungsanordnung einen künstlichen Neutralpunkt erzeugt. Er wird häufig eingesetzt, da er unter normalen symmetrischen Bedingungen eine hohe Impedanz aufweist, was zu geringen Verlusten führt, während er bei einpoligen Erdschlüssen eine niedrige Impedanz für den Nullsystemstrom bietet. Dies macht ihn besonders geeignet für Erdschlussspulen, Neutralpunkt-Erdungswiderstände und Nullsystem-Schutzkonzepte.
Im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren bieten Zickzack-Erdungstransformatoren klare Vorteile in Mittelspannungs-Verteilnetzen, insbesondere für die Erdschlussstrombegrenzung, die Systemerdung und die Zuverlässigkeitsverbesserung.
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