Warum benötigen Mittelspannungsnetze Trockenerdungstransformatoren?

Was ist ein Erdungstransformator?

Ein Erdungstransformator (häufig auch als "Erdungsgruppe" bezeichnet) ist dafür ausgelegt, künstliche Sternpunkte für Stromnetze bereitzustellen, die über keinen solchen verfügen. Dies ermöglicht den Anschluss von Erdschlusskompensationsspulen (Petersen-Spulen) oder niederohmigen Erdungen. Sein Hauptzweck besteht darin, kapazitive Ströme bei Erdschlüssen zu begrenzen und dadurch die Zuverlässigkeit des Verteilnetzes zu erhöhen.

Die Herausforderung in ungeerdeten Systemen

In 6-kV-, 10-kV- und 35-kV-Netzen ist der Sternpunkt häufig ungeerdet. Da die Niederspannungsseite von Haupttransformatoren üblicherweise in Dreieck geschaltet ist, steht kein physischer Sternpunkt für die Erdung zur Verfügung.

Während ungeerdete Systeme einen einpoligen Erdschluss für 1 bis 2 Stunden tolerieren können, haben moderne städtische Netze mit umfangreichen Kabelsystemen die kapazitiven Ströme deutlich erhöht. Wenn diese Ströme 10 A überschreiten, treten mehrere Risiken auf:

• Intermittierende Lichtbögen: Diese können Überspannungen verursachen, die bis zum 4-fachen der normalen Scheitelspannung reichen und die Isolierung der Anlagen gefährden.
• Resonanz: Sie kann Ferroresonanz auslösen, was potenziell Spannungswandler und Überspannungsableiter beschädigt.
• Leiter-zu-Leiter-Kurzschlüsse: Lichtbögen können die umgebende Luft ionisieren, was zu schwerwiegenderen Kurzschlüssen führt.

Weltweite Nutzung und Z-Schaltung

• In China: Erdungstransformatoren verwenden typischerweise eine Zickzack-Schaltung (Z). Um Platz und Investitionen zu sparen, wird häufig eine Tertiärwicklung hinzugefügt, um die Hilfsbetriebe des Umspannwerks mit Strom zu versorgen.
• International: Transformatoren in Z-Schaltung werden auch in 10-kV-ungeerdeten Systemen häufig eingesetzt. Sie weisen eine hohe Impedanz für Mit- und Gegenstrom, aber eine niedrige Impedanz für Nullströme auf, was einen zuverlässigen Betrieb des Erdschlussschutzes gewährleistet.

Drehstrom- im Vergleich zu Einphasengeräten

• Drehstrom (Z-Schaltung): Im Gegensatz zu Standardtransformatoren ist jede Phasenwicklung in zwei Gruppen unterteilt, die in entgegengesetzte Richtungen auf verschiedene Kernschenkel gewickelt sind. Dies ermöglicht es dem Nullfluss, durch die Kernschenkel zu fließen, was zu einer sehr niedrigen Nullimpedanz (ca. 10 Ω) führt. Folglich kann ein Transformator in Z-Schaltung eine Erdschlussspule mit einer Kapazität von 90 %–100 % seiner Nennleistung tragen.
• Einphasig: Diese werden hauptsächlich verwendet, um einen Neutralpunkt für Sternpunkterdungswiderstandsschränke von Generatoren oder Transformatoren zu schaffen, was hilft, die Größe und die Kosten des Widerstandspakets zu reduzieren.

Wichtige Betriebsmerkmale

1. Niedrige Nullimpedanz: Gewährleistet eine effektive Ausgabe des Nullstroms.
2. Hohe Erregerimpedanz: Minimiert den Leerlaufstrom.
3. Niedriger Leerlaufverlust: Verbessert die Energieeffizienz während des täglichen Betriebs.

Vergleich der Schaltungsmethoden

• YNyn-Schaltung:
  Verwendet einen Dreischenkelkern. Der Nullfluss kann jedoch nicht im Kern zirkulieren und muss durch den Kessel und die Joche fließen, was zu lokaler Überhitzung führt. Vorschriften begrenzen die angeschlossene Erdschlussspule streng auf 20 % der Nennleistung des Transformators.
• YNd-Schaltung:
  Die Sekundärseite in Dreieckschaltung bietet einen Pfad für Nullströme, wodurch die Impedanz reduziert wird. Es ist jedoch schwierig, gemischte Beleuchtungs- und Kraftlasten aus einer Dreieckswicklung zu versorgen. Die Kapazität für die Erdschlussspule ist auf 50 % begrenzt, wenn die Sekundärseite voll belastet ist.

• ZNyn-Schaltung (Der Industriestandard):
  Dies ist die weltweit häufigste Konfiguration. Die Zickzack-Schaltung kompensiert die magnetomotorischen Kräfte des Nullsystems auf demselben Kernschenkel, was zu einem minimalen Streufluss und einer sehr niedrigen Impedanz führt.

Kapazität: Sie kann eine Erdschlusskompensationsspule unterstützen, die ihrer eigenen Bemessungsleistung entspricht.

Eigenbedarf: Die yn-Sekundärseite ermöglicht die Versorgung lokaler Verbraucher oder des Eigenbedarfs der Schaltanlage (typischerweise 80-200 kVA).

Konstruktionshinweis: Aufgrund der Vektordanordnung erfordert eine Z-Schaltung bei gleicher Spannung etwa das 1,15- bis 1,16-fache an Windungen im Vergleich zu einer herkömmlichen Sternschaltung.

Funktionsprinzip

Bei einem einpoligen Erdschluss (z. B. Phase C) fließt der Fehlerstrom durch die Erde in den Sternpunkt. Er teilt sich dann gleichmäßig auf die drei Phasen des Erdungstransformators auf.