Funktionsprinzip und Schutzkonfiguration von Erdungstransformatoren

Zickzack-Erdungstransformator

Wicklungsstruktur: Die Wicklungen eines Zickzack-Erdungstransformators verwenden eine Zickzack-Schaltung. Jede Phasenwicklung besteht aus zwei Abschnitten, die auf verschiedene Kernschenkel gewickelt sind. Diese beiden Abschnitte haben die gleiche Windungszahl und entgegengesetzte Wicklungsrichtungen.

Funktionsprinzip: Im Normalbetrieb sind die Dreiphasenspannungen symmetrisch, sodass die Summe der Ströme in den Drehstromwicklungen null ist und der Erdungstransformator im Leerlaufzustand mit nur einem kleinen Magnetisierungsstrom arbeitet. Wenn im System ein einpoliger Erdschluss auftritt, sinkt die Spannung der fehlerhaften Phase auf null, während die Spannung der nicht fehlerhaften Phasen auf die Außenleiterspannung ansteigt.

Aufgrund der speziellen Struktur der Zickzackwicklung heben sich die durch die beiden Abschnitte jeder Phasenwicklung erzeugten Nullsequenz-Magnetflüsse unter der Einwirkung der Nullspannung im Kern gegenseitig auf.

Dies führt zu einer sehr geringen Nullsequenzimpedanz, wodurch dem System ein ausreichend großer Nullsequenzstrompfad bereitgestellt wird, um den zuverlässigen Betrieb der Erdschlussschutzeinrichtungen zu gewährleisten.

Aus einem herkömmlichen Drehstromtransformator umgewandelter Erdungstransformator

• Wicklungsschaltung: Typischerweise werden die Wicklungen eines herkömmlichen Drehstromtransformators in Sternschaltung (Y) verbunden, wobei der Sternpunkt über einen Erdungswiderstand oder eine Erdschlusslöschspule (Petersen-Spule) geerdet ist.
• Funktionsprinzip: Im Normalbetrieb sind die Drehspannungen symmetrisch, das Sternpunktpotenzial ist null und es fließt kein Nullstrom in den Wicklungen. Tritt ein einpoliger Erdschluss auf, steigt das Sternpunktpotenzial an, wodurch eine Nullspannung erzeugt wird. Unter der Einwirkung dieser Nullspannung tritt ein Nullstrom in den Wicklungen auf. Durch die sinnvolle Auswahl der Parameter des Erdungswiderstands oder der Erdschlusslöschspule kann die Größe des Nullstroms so gesteuert werden, dass die Anforderungen des Erdschlusses erfüllt und Überspannungen bei Fehlern begrenzt werden.

Schutzkonfiguration von Erdungstransformatoren

Nullstromschutz

• Konfigurationsprinzip: Am Abgang des Sternpunkts des Erdungstransformators wird ein Nullstromwandler installiert. Im normalen Systembetrieb ist die Vektorsumme der Drehströme null, sodass der Nullstromwandler kein Ausgangssignal liefert. Tritt ein einpoliger Erdschluss auf, wird ein Nullstrom erzeugt. Erreicht dieser Strom den eingestellten Wert, spricht die Schutzeinrichtung an.
• Funktion: Erkennt und beseitigt Erdschlüsse schnell, um eine Ausweitung des Fehlers zu verhindern und die Sicherheit der Anlagen und des Systems zu gewährleisten.

Überstromschutz

• Konfigurationsprinzip: Stromwandler werden auf der Primär- oder Sekundärseite des Erdungstransformators installiert, um dessen Strom zu überwachen. Überschreitet der Strom den eingestellten Überstrom-Schwellenwert, spricht die Schutzeinrichtung nach einer Zeitverzögerung an.
• Funktion: Schützt den Erdungstransformator vor Beschädigungen bei Überlastungen oder Kurzschlüssen.

Gasschutz (Buchholz-Schutz)

• Konfigurationsprinzip: Bei ölgefüllten Erdungstransformatoren wird ein Gasrelais (Buchholz-Relais) installiert. Tritt ein kleiner interner Fehler auf, bei dem eine geringe Menge Gas erzeugt wird, spricht der leichte Gasschutz an und sendet ein Signal. Tritt ein schwerer Fehler auf, bei dem eine große Menge Gas und ein Ölstromstoß erzeugt werden, spricht der schwere Gasschutz an und löst den Leistungsschalter aus.
• Funktion: Reagiert empfindlich auf interne Fehler im Erdungstransformator, insbesondere auf frühe kleine Fehler, um rechtzeitige Maßnahmen zu ermöglichen.

Temperaturschutz

• Konfigurationsprinzip: Temperatursensoren werden an den Wicklungen oder dem Kern des Erdungstransformators installiert, um die Temperatur in Echtzeit zu überwachen. Überschreitet die Temperatur den eingestellten Wert, spricht die Schutzeinrichtung an.
• Funktion: Verhindert, dass der Erdungstransformator seine Isolierung durch Überhitzung beschädigt, verlängert die Lebensdauer der Anlage und gewährleistet einen sicheren Betrieb.

Überspannungsschutz

• Konfigurationsprinzip: Überwacht die Spannung des Erdungstransformators durch Installation von Überspannungsrelais oder Nutzung der Überspannungsschutzfunktion in integrierten Schutzeinrichtungen. Tritt eine Überspannung auf, spricht die Schutzeinrichtung an.
• Funktion: Begrenzt potenzielle Überspannungen im System und schützt die Isolierung des Erdungstransformators und anderer Anlagen.