Trocken-Erdungstransformatoren werden häufig mit Zickzack-Schaltung ausgelegt, da diese Wicklungsstruktur im Normalbetrieb eine hohe Erregerimpedanz für Mit- und Gegensystemströme bietet, während sie bei einpoligen Erdschlüssen eine niedrige Impedanz für Nullsystemströme aufweist.
Dies ermöglicht die Schaffung eines künstlichen Sternpunkts und bietet einen zuverlässigen Pfad für den Nullsystemstrom in Mittelspannungsverteilnetzen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren in Stern- oder Dreieckschaltung eignen sich Zickzack-Erdungstransformatoren besser für Erdungsanwendungen in Mittelspannungsnetzen, Wind- und Solarparks, industriellen Verteilungssystemen und Rechenzentren.
1. Welche Funktion hat ein Erdungstransformator?
In vielen Mittelspannungsnetzen ist die Sekundärseite des Haupttransformators in Dreieck geschaltet, oder der Sternpunkt ist nicht direkt zugänglich. In solchen Fällen gibt es keinen natürlichen Sternpunkt zum Anschluss einer Petersen-Spule, eines Sternpunkt-Erdungswiderstands oder einer Nullsystem-Schutzausrüstung.
Ein Erdungstransformator wird verwendet, um:
- Einen künstlichen Sternpunkt N zu schaffen;
- Eine Petersen-Spule, einen Sternpunkt-Erdungswiderstand oder eine Drossel anzuschließen;
- Einen Rückpfad für den Nullsystemstrom bei Erdschlüssen bereitzustellen;
- Lichtbogenbedingte Überspannungen zu begrenzen und die Empfindlichkeit des Nullsystemschutzes zu verbessern;
- Optional Hilfsstrom über eine Sekundärwicklung bereitzustellen.
Trocken-Erdungstransformatoren verwenden üblicherweise eine Isolierung aus Gießharz oder Tränkung. Sie sind ölfrei, schwer entflammbar und geeignet für Innenraum-Unterstationen, Schaltanlagenräume und Anlagen für erneuerbare Energien.
2. Aufbau der Zickzack-Wicklung
Die Zickzack-Wicklung, auch als Zickzack-Wicklung bezeichnet, wird gebildet, indem jede Phasenwicklung in zwei gleiche Teile geteilt wird. Diese beiden Teile werden auf verschiedene Schenkel des Kerns gewickelt und mit entgegengesetzter Polarität verbunden.
Hauptmerkmale:
- Jede Phase verfügt über zwei Wicklungsabschnitte mit gleicher Windungszahl;
- Die beiden Abschnitte werden auf verschiedene Schenkel des Kerns platziert;
- Die Wicklungen werden mit entgegengesetzter Polarität überkreuz verbunden;
- Die Enden der Dreiphasenwicklungen werden zusammengeführt, um den Sternpunkt N zu bilden;
- Die Leiterenden werden mit den Phasen A, B und C verbunden.
Auf diese Weise wird die Spannung jeder Phase nicht von einer einzigen Wicklung auf einem Schenkel getragen, sondern von zwei Wicklungen auf verschiedenen Schenkeln. Dies erzeugt die typische "Zickzack"-Zeigerbeziehung.
3. Funktionsprinzip
Normalbetrieb
Bei symmetrischer Dreiphasenspannung fließen nur Mit- und Gegensystemströme durch den Erdungstransformator. Aufgrund der überkreuz verbundenen Wicklungsstruktur weist der Transformator eine hohe Erregerimpedanz auf.
Daher gilt im Normalbetrieb:
- Es fließen nur Erregerstrom und geringe Verluste;
- Der Transformator arbeitet nahezu im Leerlauf;
- Die Auswirkungen auf den normalen Dreiphasenbetrieb sind minimal;
- Zusätzliche Netzverluste sind sehr gering.
Einpoliger Erdschluss
Wenn ein einpoliger Erdschluss auftritt, treten Nullsystemspannung und Nullsystemstrom auf. Der Nullsystemstrom fließt über die Erde zurück und in den Sternpunkt des Erdungstransformators.
Bei einer Zickzack-Wicklung sind die Nullsystemströme in den drei Phasen gleichphasig. Durch die Überkreuzverbindung heben sich die Nullsystem-Amperewindungen auf demselben Schenkel gegenseitig auf. Infolgedessen ist der Nullsystem-Erregerfluss sehr klein, und die Nullsystemimpedanz wird hauptsächlich durch die Streureaktanz bestimmt.
Dies verleiht dem Erdungstransformator eine relativ niedrige Nullsystemimpedanz, wodurch der Nullsystemstrom zuverlässig über den Sternpunkt und die Erdungseinrichtung fließen kann.
Es ist zu beachten, dass die Nullsystemimpedanz nicht null ist. Ein Zickzack-Erdungstransformator wird hauptsächlich verwendet, um einen künstlichen Sternpunkt bereitzustellen und den Nullsystemstrom zu führen, nicht um Wirkleistung zu übertragen.
4. Warum die Zickzack-Schaltung bevorzugt wird
Niedrige Nullsystemimpedanz
Zickzack-Erdungstransformatoren bieten einen stabilen Pfad für den Erdschlussstrom. In Kombination mit Sternpunkt-Erdungswiderständen ermöglichen sie ein schnelles und selektives Auslösen des Nullsystemschutzes. In Kombination mit Petersen-Spulen unterstützen sie die kapazitive Stromkompensation und Lichtbogenlöschung.
Geringe Normalverluste
Da der Transformator unter normalen Bedingungen nahezu im Leerlauf arbeitet, bleiben Erregerstrom und Ummagnetisierungsverluste gering. Dies macht einen dauerhaften Netzanschluss technisch sinnvoll.
Bessere Ausnutzung der Petersen-Spulen-Kapazität
Herkömmliche Transformatoren können bei Verwendung für Erdungszwecke durch die Nullsystemimpedanz, zusätzliche Verluste und Temperaturerhöhung begrenzt sein. Ein Zickzack-Erdungstransformator kann, wenn er gemäß den geltenden Normen ausgelegt und auf Temperaturerhöhung und Fehlerdauer überprüft wurde, eine Last führen, die der Bemessung der angeschlossenen Petersen-Spule oder des Erdungswiderstands entspricht.
Optionale Hilfswicklung
Viele Trocken-Zickzack-Erdungstransformatoren sind mit ZNyn- oder ZNyn11-Schaltungen ausgelegt. Die Hochspannungsseite verwendet die Zickzack-Schaltung zur Erzeugung des Sternpunkts, während die Niederspannungsseite eine in Stern geschaltete Sekundärwicklung für die Hilfsstromversorgung bereitstellt. Die genaue Schaltgruppe sollte dem Produktdesign und den geltenden Normen entsprechen.
Geeignet für Innenraum- und Anwendungen für erneuerbare Energien
Die Trockenbauweise vermeidet Isolieröl, reduziert das Brandrisiko und vereinfacht Installation und Wartung. Dies macht sie geeignet für Innenraum-Unterstationen, Verteilungsräume, Windparks, PV-Anlagen und Industrieanlagen.
5. Vergleich mit herkömmlichen Transformatoren
| Position |
Zickzack-Erdungstransformator |
Gewöhnlicher Y/Δ-Transformator |
| Hauptfunktion |
Künstlichen Neutralpunkt erzeugen, Nullsequenzstrom führen |
Spannung transformieren, Leistung übertragen |
| Normalbetrieb |
Nahezu im Leerlauf |
Üblicherweise belastet |
| Nullsequenzimpedanz |
Relativ niedrig |
Abhängig von Kernstruktur und Schaltung |
| Einsatz der Lichtbogenlöschspule |
Unter Nennbedingungen geeignet |
Oft eingeschränkt |
| Neutralpunktverfügbarkeit |
Ja |
Abhängig von der Systemschaltung |
Gewöhnliche Dreischenkeltransformatoren ohne eine im Dreieck geschaltete Stabilisierungswicklung oder einen speziellen Nullflusspfad haben normalerweise eine begrenzte Nullstromfähigkeit und sollten nicht ohne detaillierte Überprüfung einfach durch einen Zickzack-Erdungstransformator ersetzt werden.
6. Zusammenfassung
Ein Zickzack-Trockenerdungstransformator stellt einen künstlichen Neutralpunkt für Mittelspannungssysteme bereit. Er arbeitet unter normalen Bedingungen nahezu im Leerlauf und bietet bei Erdschlüssen eine niedrige Nullsequenzimpedanz, was Erdschlusslöschspulen, Neutralpunkt-Erdungswiderstände und Nullsequenzschutz unterstützt. Typische Schaltungen umfassen ZNyn und ZNyn11, mit optionalen Hilfswicklungen.
Für internationale Projekte werden üblicherweise die folgenden Begriffe verwendet:
- Zickzack-Schaltung / Zickzack-Wicklung
- Erdungstransformator / Erdungstransformator
- Nullsequenzimpedanz
- Künstlicher Neutralpunkt
- Erdschlusslöschspule / Petersen-Spule
- Neutralpunkt-Erdungswiderstand
Es ist zu beachten, dass ein Zickzack-Erdungstransformator kein herkömmlicher Leistungstransformator ist. Seine Leistung sollte auf Basis des kapazitiven Systemstroms, der Nennleistung der Erdschlusslöschspule, des Wertes des Neutralpunkt-Erdungswiderstands, der Fehlerdauer, der Temperaturgrenzwerte und der Frage, ob eine Sekundärlast erforderlich ist, bestimmt werden.
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