Analyse von Blitzschutzmaßnahmen für Verteilungstransformatoren

Analysе von Blitzschutzmaßnahmen für Verteilungstransformatoren

Zur Verhinderung von Blitzüberspannungs-Einschleppungen und zur Gewährleistung des sicheren Betriebs von Verteilungstransformatoren werden in diesem Beitrag anwendbare Blitzschutzmaßnahmen vorgestellt, die deren Blitzfestigkeit wirksam verbessern können.

1. Blitzschutzmaßnahmen für Verteilungstransformatoren

1.1 Installation von Überspannungsableitern an der Hochspannungsseite (HV) des Verteilungstransformators.
Gemäß SDJ7–79 Technischer Code für den Überspannungsschutzentwurf elektrischer Betriebsmittel: „Die Hochspannungsseite eines Verteilungstransformators sollte im Allgemeinen durch Überspannungsableiter geschützt werden. Der Erdleiter des Ableiters, der Mittelpunkt des Niederspannungswicklungsan schlusses (LV), sowie der Transformatorbehälter müssen miteinander verbunden und geerdet werden.“ Diese Anordnung wird ebenfalls in DL/T620–1997 Überspannungsschutz und Isolationskoordination für Wechselstrom-Energieanlagen empfohlen, herausgegeben von der chinesischen Elektrizitätsbehörde.

Allerdings zeigen umfangreiche Forschungen und praktische Erfahrungen, dass selbst bei alleiniger Verwendung von HV-Seiten-Ableitern Transformatorenfehler unter Blitzüberspannungen weiterhin auftreten. In typischen Gebieten liegt die jährliche Ausfallrate bei etwa 1 %; in blitzreichen Regionen kann sie ungefähr 5 % erreichen; und in extrem starken Gewitterzonen (z. B. Gebiete mit mehr als 100 Gewittertagen pro Jahr) kann die jährliche Ausfallrate auf etwa 50 % ansteigen. Die Hauptursache sind vorwärts- und rückwärtsgerichtete transiente Überspannungen, die entstehen, wenn Blitzüberspannungen in die HV-Wicklung eindringen.

• Rücktransformations-Überspannung:
  Wenn eine Blitzüberspannung (3–10 kV) an der HV-Seite eindringt, entlädt sich der Ableiter, wodurch ein großer Impulsstrom über den Erdungswiderstand fließt und eine Spannungsabfall erzeugt. Dadurch erhöht sich das Potential des LV-Mittelpunkts. Wenn die LV-Leitung lang ist, verhält sie sich wie eine Wellenimpedanz gegen Erde. Folglich fließt ein großer Impulsstrom durch die LV-Wicklung. Da die dreiphasigen LV-Ströme in Betrag und Richtung gleich sind, erzeugen sie einen starken Nullsystem-Magnetfluss, welcher – über das Übersetzungsverhältnis des Transformators – extrem hohe transiente Spannungen in der HV-Wicklung induziert. Da die HV-Wicklung sternförmig mit isoliertem Mittelpunkt geschaltet ist, existiert auf der HV-Seite kein zirkulierender Impulsstrom, um diesen Fluss auszugleichen. Somit wirkt der gesamte LV-Impulsstrom als Magnetisierungsstrom und erzeugt eine hohe induzierte Spannung am HV-Mittelpunkt – wo die Isolation am anfälligsten ist. Zusätzlich steigen die Zwischenwindungs- und Zwischenschicht-Spannungsgradienten deutlich an, was einen Isolationsdurchschlag an anderen Stellen gefährdet. Dieses Phänomen – ausgelöst durch eine HV-Seiten-Überspannung, aber mittels elektromagnetischer Kopplung auf der LV-Seite verursacht – wird als Rücktransformation bezeichnet.
• Vorwärtstransformations-Überspannung:
  Wenn eine Blitzüberspannung über die LV-Leitung eindringt, fließt ein Impulsstrom durch die LV-Wicklung, der über das Windungsverhältnis eine hohe Spannung in der HV-Wicklung induziert. Dies erhöht das HV-Mittelpunktpotential erheblich und verstärkt die Zwischenschicht- und Zwischenwindungs-Spannungsgradienten. Dieser Prozess, bei dem eine LV-Seiten-Überspannung eine Überspannung auf der HV-Seite induziert, wird Vorwärtstransformation genannt. Prüfungen zeigen, dass bei einer 10-kV-LV-Überspannung und einem Erdungswiderstand von 5 Ω der Zwischenschicht-Spannungsgradient in der HV-Wicklung die volle Stoßfestigkeit des Transformators um mehr als 100 % überschreiten kann, was zwangsläufig zum Isolationsausfall führt.

1.2 Installation herkömmlicher Ventilart- oder Metalloxid-Überspannungsableiter auf der LV-Seite.
Bei dieser Konfiguration werden die Erdleiter der HV- und LV-Ableiter, der LV-Mittelpunkt und der Transformatorbehälter gemeinsam verbunden und geerdet (häufig als „Vier-Punkt-Verbindung“ oder „Drei-in-Eins-Erdung“ bezeichnet).

Feldmessdaten und experimentelle Untersuchungen bestätigen, dass selbst bei Transformatoren mit guter Isolierung alleinige HV-Seiten-Ableiter nicht ausreichen, um Schäden durch Vorwärts- oder Rücktransformation-Überspannungen zu verhindern. HV-Ableiter bieten keinen Schutz gegen diese intern erzeugten Transienten. Die resultierenden Spannungsgradienten zwischen Schichten und Windungen sind proportional zur Windungszahl und abhängig von der Wicklungsgeometrie – Fehler können am Wicklungsanfang, -mitte oder -ende auftreten, wobei das Ende am anfälligsten ist. Die zusätzliche Installation von LV-Seiten-Ableitern begrenzt effektiv sowohl Vorwärts- als auch Rücktransformation-Überspannungen.

1.3 Getrennte Erdung für HV- und LV-Seite.
Bei diesem Ansatz wird der HV-Ableiter unabhängig geerdet, während der LV-Mittelpunkt und der Transformatorbehälter gemeinsam verbunden und separat geerdet werden (ohne LV-Ableiter).

Untersuchungen zeigen, dass diese Methode die Erddämpfung nutzt, um die Rücktransformation-Überspannung weitgehend zu eliminieren. Bei der Vorwärtstransformation zeigen Berechnungen, dass eine Reduzierung des LV-Erdungswiderstands von 10 Ω auf 2,5 Ω die Überspannung auf der HV-Seite um etwa 40 % senken kann. Mit geeigneter Behandlung des LV-Erdsystems kann die Vorwärtstransformation-Überspannung wirksam reduziert werden. Diese Lösung ist einfach und kostengünstig, erfordert jedoch niedrige LV-Erdungswiderstände, wodurch sie erheblichen praktischen Nutzen besitzt.

Neben den oben genannten Maßnahmen gehören weitere Optionen dazu, am Transformatorkern Ausgleichswicklungen zur Unterdrückung von Transformationsüberspannungen anzubringen oder Metalloxid-Varistoren (MOVs) innerhalb des Transformators einzubetten.

2. Anwendung der Blitzschutzmaßnahmen

Die obige Analyse zeigt, dass jede Schutzmethode unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Regionen sollten entsprechend der örtlichen Gewitterintensität (gemessen in Gewittertagen pro Jahr) geeignete Strategien auswählen:

• Bereiche mit geringer Blitzaktivität (z.B. Ebenen):Ein Hochspannungs-Begrenzer ist aufgrund der niedrigen jährlichen Ausfallraten ausreichend.
• Bereiche mit mäßiger Blitzaktivität:Begrenzer sowohl auf der Hoch- als auch auf der Niederspannungsseite installieren.
• Bereiche mit hoher Blitzaktivität:Einzelmassnahmen sind oft unzureichend. Es wird ein umfassender Ansatz empfohlen: Hochspannungs-Begrenzer mit eigenständigem Erdungssystem, plus verbundener Niederspannungs-Begrenzer, Niederspannungs-Neutralleiter und Behälter, die an ein separates Erdungssystem angeschlossen sind.
• Bereiche mit extremer Blitzaktivität (insbesondere, wenn trotz umfassender Maßnahmen die jährlichen Ausfallraten hoch bleiben):Nach einer technischen und wirtschaftlichen Bewertung sollten fortschrittliche Lösungen wie kernmontierte Ausgleichswicklungen (d.h. neue blitzsichere Transformatoren) oder intern installierte Metalloxid-Stromableiter in Betracht gezogen werden.

3. Fazit

Blitzschutzmethoden für Verteilungstransformatoren variieren stark, und die Standortbedingungen unterscheiden sich erheblich zwischen Regionen. Durch die Auswahl von Schutzkonzepten basierend auf lokalen Bedingungen und durch die Stärkung des Betriebsmanagements können Versorgungsunternehmen die Blitzbeständigkeit und Zuverlässigkeit von Verteilungstransformatoren erheblich verbessern.