Was sind Störungen in Transformern?

Was sind Fehler in einem Transformator?

Definition von Transformatorfehlern

Fehler in einem Transformator beziehen sich auf Probleme wie Isolierstoffausfälle und Kernfehler, die innerhalb oder außerhalb des Transformators auftreten können.

Externe Fehler im Leistungstransformator

Externer Kurzschluss im Leistungstransformator

Kurzschlüsse können in zwei oder drei Phasen des elektrischen Energieversorgungssystems auftreten. Der Fehlerstrom ist in der Regel hoch, abhängig von der kurzgeschlossenen Spannung und dem Schaltkreisimpedanz bis zum Fehlerpunkt. Dieser hohe Fehlerstrom erhöht den Kupferverlust, was zu einer internen Erwärmung im Transformator führt. Er verursacht auch erhebliche mechanische Belastungen, insbesondere während des ersten Zyklus des Fehlerstroms.

Hochspannungsstörungen im Leistungstransformator

Hochspannungsstörungen im Leistungstransformator gibt es in zwei Arten,

• Übertragungsüberspannung

• Netzfrequenz-Überspannung

Übertragungsüberspannung

Hochspannungs- und Hochfrequenzüberspannungen können im Energieversorgungssystem aus folgenden Gründen auftreten:

• Bogenboden, wenn der Neutralpunkt isoliert ist.

• Schaltvorgänge verschiedener elektrischer Geräte.

• Atmosphärischer Blitzimpuls.

Unabhängig von den Ursachen der Überspannung handelt es sich um eine wandernde Welle mit hoher und steiler Wellenform und auch hoher Frequenz. Diese Welle bewegt sich im elektrischen Energieversorgungsnetzwerk, erreicht den Leistungstransformator und verursacht einen Isolierstoffausfall zwischen den Windungen, die an den Linienanschlusspunkten angrenzen, was zu einem Kurzschluss zwischen den Windungen führen kann.

Netzfrequenz-Überspannung

Es besteht immer die Möglichkeit einer Systemüberspannung aufgrund der plötzlichen Trennung eines großen Lastes. Obwohl die Amplitude dieser Spannung höher als ihr Normalwert ist, bleibt die Frequenz gleich wie im Normalzustand. Die Überspannung im System verursacht eine Erhöhung der Belastung auf der Isolierung des Transformators. Wie wir wissen, führt eine erhöhte Spannung zu einem proportionalen Anstieg des Arbeitsflusses.

Dies führt zu einem Anstieg des Eisenverlusts und einem proportional großen Anstieg des Magnetisierungsstroms. Der erhöhte Fluss wird vom Transformatorkern zu anderen stählernen Strukturelementen des Transformators umgeleitet. Kernbolzen, die normalerweise wenig Fluss tragen, können einem großen Anteil des umgeleiteten Flusses ausgesetzt sein, der von der gesättigten Region des Kerns neben ihnen kommt. Unter solchen Bedingungen kann der Bolzen schnell erhitzt werden und sowohl seine eigene Isolierung als auch die Wickelisolierung zerstören.

Unterfrequenz-Effekt im Leistungstransformator

Da die Spannung durch die Anzahl der Wicklungsdrehungen festgelegt ist, zeigt diese Gleichung, dass bei einer Reduzierung der Frequenz im System der Fluss im Kern zunimmt. Die Auswirkungen sind mehr oder weniger ähnlich wie bei einer Überspannung.

Interne Fehler im Leistungstransformator

Die Hauptfehler, die innerhalb eines Leistungstransformators auftreten, werden wie folgt kategorisiert:

• Isolierstoffausfall zwischen Wicklung und Erdung

• Isolierstoffausfall zwischen verschiedenen Phasen

• Isolierstoffausfall zwischen benachbarten Windungen, d.h. Inter-Turn-Fehler

• Transformator-Kernfehler

Interne Erdfehler im Leistungstransformator

Interne Erdfehler in einer Stern-Schaltung mit Erdung des Neutralpunkts über eine Impedanz

In einer Stern-Schaltung, bei der der Neutralpunkt über eine Impedanz geerdet ist, hängt der Fehlerstrom von der Erdimpedanz und dem Abstand vom Fehlerpunkt zum Neutralpunkt ab. Die Spannung am Fehlerpunkt ist höher, wenn er weiter vom Neutralpunkt entfernt ist, was zu einem höheren Fehlerstrom führt. Der Fehlerstrom hängt auch von der Leckreaktanze des Wicklungsteils zwischen dem Fehlerpunkt und dem Neutralpunkt ab, aber dies ist in der Regel gering im Vergleich zur Erdimpedanz.

Interne Erdfehler in einer Stern-Schaltung mit fester Erdung des Neutralpunkts

In diesem Fall ist die Erdimpedanz idealerweise Null. Der Fehlerstrom hängt von der Leckreaktanze des Wicklungsteils ab, der den Fehlerpunkt und den Neutralpunkt des Transformators überspannt. Der Fehlerstrom hängt auch vom Abstand zwischen Neutralpunkt und Fehlerpunkt im Transformator ab.

Wie im vorherigen Fall hängt die Spannung zwischen diesen beiden Punkten von der Anzahl der Wicklungsdrehungen ab, die den Fehlerpunkt und den Neutralpunkt überspannen. In einer Stern-Schaltung mit fester Erdung des Neutralpunkts hängt der Fehlerstrom von zwei Hauptfaktoren ab: erstens der Leckreaktanze des Wicklungsteils, das den Fehlerpunkt und den Neutralpunkt überspannt, und zweitens der Entfernung zwischen dem Fehlerpunkt und dem Neutralpunkt.

Allerdings variiert die Leckreaktanze der Wicklung komplex mit der Position des Fehlers in der Wicklung. Es wird beobachtet, dass die Reaktanze sehr schnell abnimmt, wenn der Fehlerpunkt sich dem Neutralpunkt nähert, wodurch der Fehlerstrom am höchsten ist, wenn der Fehler nahe am Neutralende liegt. An diesem Punkt ist die für den Fehlerstrom verfügbare Spannung gering, und gleichzeitig ist die Reaktanze, die dem Fehlerstrom entgegenwirkt, ebenfalls gering, wodurch der Wert des Fehlerstroms hoch genug ist.

Wiederum, wenn der Fehlerpunkt weit vom Neutralpunkt entfernt ist, ist die für den Fehlerstrom verfügbare Spannung hoch, aber gleichzeitig ist die Reaktanze, die vom Wicklungsteil zwischen Fehlerpunkt und Neutralpunkt angeboten wird, hoch. Es kann beobachtet werden, dass der Fehlerstrom auf einem sehr hohen Niveau über die gesamte Wicklung hinweg anhält. Mit anderen Worten, der Fehlerstrom behält eine sehr hohe Größe unabhängig von der Position des Fehlers in der Wicklung.

Interne Phasen-zu-Phasen-Fehler im Leistungstransformator

Phasen-zu-Phasen-Fehler im Transformator sind selten. Wenn ein solcher Fehler auftritt, führt er zu einem erheblichen Strom, der den schnellen Überstromrelais auf der Primärseite sowie den Differenzrelais aktiviert.

Inter-Turn-Fehler im Leistungstransformator

Ein Leistungstransformator, der mit einem elektrischen extra-hochspannungsführenden Transmissionsnetz verbunden ist, ist sehr wahrscheinlich starken, steilen und hochfrequenten Impulsspannungen aufgrund von Blitzentladungen auf der Transmissionsleitung ausgesetzt. Die Spannungsspannungen zwischen den Wicklungsdrehungen werden so groß, dass sie den Spannungsspannungen nicht standhalten und zu einem Isolierstoffausfall zwischen den Drehungen an bestimmten Stellen führen. Auch die Niederspannungswicklung ist belastet, da die übertragenen Impulsspannungen auf sie übertragen werden. Ein sehr großer Teil der Transformatorausfälle resultiert aus Fehlern zwischen den Drehungen. Inter-Turn-Fehler können auch aufgrund von mechanischen Kräften zwischen den Drehungen, die durch externe Kurzschlüsse entstehen, auftreten.

Kernfehler im Leistungstransformator

Wenn ein Teil der Kernlamellen beschädigt oder durch leitfähiges Material überbrückt wird, kann dies Wirbelströme und lokale Überhitzung verursachen. Dies kann auch passieren, wenn die Isolierung der Bolzen, die die Kernlamellen zusammenhalten, versagt. Diese Fehler verursachen starke lokale Erwärmung, beeinflussen jedoch den Transformatoreingangs- und -ausgangsstrom nicht signifikant, was sie schwer mit standardmäßigen elektrischen Schutzschemata zu erkennen macht. Starke Überhitzung kann den Transformatoröl zersetzen, Gase freisetzen, die sich im Buchholz-Relais ansammeln und einen Alarm auslösen.