Was ist die Wirkung des Neutralstroms auf einen Verteilungstransformator?

Auswirkungen des Neutralstroms auf Verteilungstransformatoren

Der Neutralstrom (Neutral Current) hat mehrere bedeutende Auswirkungen auf Verteilungstransformatoren, die wie folgt zusammengefasst werden können:

1. Überlastung des Neutralleiters

• Ursache: In einem Dreiphasen-Vierleiter-System kann der Neutralleiter einen erheblichen Strom tragen, wenn die Dreiphasen-Lasten ungleichmäßig verteilt sind oder es viele Einphasen-Lasten (wie Haushaltsstrom) gibt. Zudem fließen Harmonischenströme (insbesondere Drittharmonische und deren Vielfache) durch den Neutralleiter, was den Neutralstrom erhöht.

• Auswirkung: Die Überlastung des Neutralleiters kann zu Überhitzung führen, wodurch der Neutralleiter oder seine Verbindungspunkte verbrennen können. Dies beeinträchtigt nicht nur die Stromqualität, sondern birgt auch Sicherheitsrisiken, wie Brände.

2. Temperaturerhöhung des Transformatorens

• Ursache: Bei ungleichmäßigen Dreiphasen-Lasten steigt der Neutralstrom, was zu höherem Strom am neutralen Punkt des Transformators führt. Darüber hinaus erhöhen Harmonischenströme die Kupfer- und Eisenverluste im Transformator, was zu einer erhöhten Temperatur führt.

• Auswirkung: Eine übermäßige Temperaturerhöhung kann die Lebensdauer des Transformators verkürzen, die Effizienz reduzieren und Überhitzungsschutzvorrichtungen auslösen, was zu Ausfällen oder Stromausfällen führen kann. Langfristige Überhitzung kann auch die Isolierungsmaterialien des Transformators beschädigen und das Ausfallrisiko erhöhen.

3. Spannungsausgleich

• Ursache: Ungleichmäßige Dreiphasen-Lasten führen dazu, dass der neutrale Punkt verschiebt, was zu einem Spannungsausgleich zwischen den drei Phasen führt. Besonders, wenn es viele Einphasen-Lasten gibt, kann die Spannung in einer Phase zunehmen, während die Spannungen in den anderen Phasen abnehmen.

• Auswirkung: Der Spannungsausgleich kann die normale Funktion von an den Transformator angeschlossenen Geräten beeinträchtigen, insbesondere Motoren und elektronische Geräte, die empfindlich auf Spannungsänderungen reagieren. Der Spannungsausgleich kann zu geringerer Effizienz, Überhitzung, verkürzter Lebensdauer und sogar zu Schäden an diesen Geräten führen.

4. Harmonische Verschmutzung

• Ursache: In modernen Stromsystemen erzeugen nichtlineare Lasten (wie Frequenzumrichter, Gleichrichter und Computer) Harmonischenströme, insbesondere Drittharmonische und deren Vielfache, die durch den Neutralleiter fließen. Diese Harmonischenströme verursachen zusätzliche Verluste im Transformator und können harmonische Resonanz verursachen, was die harmonische Verschmutzung weiter verstärkt.

• Auswirkung: Harmonische Verschmutzung kann die Leistungsfähigkeit von Transformatoren und anderen elektrischen Geräten verringern, den Energieverbrauch erhöhen und die Lebensdauer der Geräte verkürzen. Darüber hinaus können Harmonische die Kommunikationssysteme und Automatisierungskontrollgeräte stören, was die Systemstabilität und -zuverlässigkeit beeinträchtigt.

5. Verschiebung des neutralen Punkts

• Ursache: Wenn die Dreiphasen-Lasten stark ungleichmäßig verteilt sind, verschiebt sich das Potenzial des neutralen Punkts, was zu einer Erhöhung des Neutralstroms führt. Dies ist besonders häufig in Niederspannungs-Verteilungssystemen mit vielen Einphasen-Lasten zu beobachten.

• Auswirkung: Die Verschiebung des neutralen Punkts kann dazu führen, dass einige Phasen höhere Spannungen haben, während andere Phasen niedrigere Spannungen aufweisen, was die Stromqualität beeinträchtigt. Für Geräte, die eine stabile Spannung benötigen, können Spannungsschwankungen zu Fehlfunktionen oder Schäden führen.

6. Reduzierte Kapazitätsnutzung des Transformators

• Ursache: Bei ungleichmäßigen Dreiphasen-Lasten kann eine Phase des Transformators überlastet sein, während die anderen Phasen leichtere Lasten haben. Diese Ungleichgewichtigkeit reduziert die Gesamtkapazitätsnutzung des Transformators, auch wenn die tatsächliche Last den Nennwert noch nicht erreicht hat, aber der Strom in einer Phase den zulässigen Bereich überschreitet.

• Auswirkung: Eine reduzierte Kapazitätsnutzung bedeutet verschwendete Energiemittel und erhöhte Betriebskosten für Energieversorgungsunternehmen. Um ungleichmäßige Lasten zu bewältigen, kann es notwendig sein, den Transformator durch ein Gerät mit größerer Kapazität zu ersetzen, was den Kapitalaufwand erhöht.

7. Fehlfunktionen der Relais-Schutzeinrichtungen

• Ursache: Ein übermäßiger Neutralstrom oder Harmonischeströme können die Relais-Schutzeinrichtungen des Transformators auslösen, was zu unnötigen Ausfällen oder Fehlfunktionen führen kann. In Niederspannungs-Verteilungssystemen kann ein übermäßiger Neutralstrom auch Reststromschalter (RCDs) auslösen.

• Auswirkung: Fehlfunktionen der Relais-Schutzeinrichtungen können zu unnötigen Stromausfällen führen, die den normalen Stromverbrauch beeinträchtigen. In industriellen Produktionsanlagen oder kritischen Einrichtungen können Stromausfälle zu wirtschaftlichen Verlusten oder Sicherheitsproblemen führen.

Lösungen

Um die Auswirkungen des Neutralstroms auf Verteilungstransformatoren zu mildern, können die folgenden Maßnahmen ergriffen werden:

• Optimierung der Lastverteilung: Soweit möglich sollten die Dreiphasen-Lasten ausgeglichen gehalten und Einphasen-Lasten vermieden werden.

• Installation von Harmonischenfiltern: In Systemen mit einer großen Anzahl nichtlinearer Lasten sollten Harmonischenfilter installiert werden, um die Auswirkungen der Harmonischenströme auf den Transformator zu reduzieren.

• Verstärkung des Designs des Neutralleiters: Stellen Sie sicher, dass der Neutralleiter eine ausreichend große Querschnittsfläche hat, um den maximal möglichen Neutralstrom zu handhaben und Überlastungen zu vermeiden.

• Einsatz von Dreiphasen-Unbalance-Kompensationsgeräten: Installieren Sie Dreiphasen-Unbalance-Kompensationsgeräte, um die Lasten auszugleichen und den Neutralstrom zu reduzieren.

• Regelmäßige Wartung und Überwachung: Inspektionen des Betriebszustands des Transformators sollten regelmäßig durchgeführt werden, der Neutralstrom und die Temperatur überwacht werden, und potenzielle Probleme zeitnah behoben werden.

Zusammenfassung

Der Neutralstrom hat vielfältige Auswirkungen auf Verteilungstransformatoren, einschließlich Überlastung des Neutralleiters, Temperaturerhöhung, Spannungsausgleich, harmonischer Verschmutzung, Verschiebung des neutralen Punkts, reduzierter Kapazitätsnutzung und Fehlfunktionen der Relais-Schutzeinrichtungen. Um die sichere und zuverlässige Funktion der Transformatoren zu gewährleisten, müssen effektive Maßnahmen ergriffen werden, um den Neutralstrom zu managen und zu kontrollieren, die Lastverteilung zu optimieren, die harmonische Verschmutzung zu reduzieren und die Systemwartung und -überwachung zu verbessern.