Verkabelungsverfahren und Parameter von Erdtransformator

Bodenungstransformator-Schaltungen

Bodenungstransformatoren werden nach der Wicklungsschaltung in zwei Typen unterteilt: ZNyn (Zickzack) oder YNd. Ihre Neutralpunkte können mit einer Bogenlöschspule oder einem Erdwiderstand verbunden sein. Derzeit wird der Zickzack-Bodenungstransformator (Z-Typ), der über eine Bogenlöschspule oder einen Niederwiderstand verbunden ist, häufiger verwendet.

1. Z-Typ Bodenungstransformator
Z-Typ Bodenungstransformatoren gibt es sowohl in ölgetränkter als auch in trockener Isolierung. Dazu gehört die Harzguss-Isolierung, die eine Art trockener Isolierung ist. Strukturell sind sie ähnlich wie ein standardmäßiger dreiphasiger Kernenstromtransformator, mit dem Unterschied, dass auf jedem Phasenbein die Wicklung in zwei gleich große Abschnitte – oberen und unteren – geteilt ist. Das Ende eines Abschnitts wird mit umgekehrter Polung in Serie mit dem Ende einer anderen Phasenwicklung verbunden. 

Die beiden Wicklungsabschnitte haben entgegengesetzte Polaritäten und bilden eine neue Phase in einer Zickzack-Konfiguration. Die Anfangsterminale der oberen Wicklungen – U1, V1, W1 – werden herausgeführt und mit den dreiphasigen Wechselstromleitungen A, B und C verbunden. Die Anfangsterminale der unteren Wicklungen – U2, V2, W2 – werden zusammengeführt, um den Neutralpunkt zu bilden, der dann mit einem Erdwiderstand oder einer Bogenlöschspule verbunden wird, wie in der Abbildung dargestellt. Abhängig von der spezifischen Verbindungsmethode werden Z-Typ Bodenungstransformatoren weiter in ZNvn1- und ZNyn11-Konfigurationen unterteilt.

Z-Typ Bodenungstransformatoren können auch mit einer Niederspannungswicklung ausgestattet sein, die in der Regel in Stern mit erdendem Neutralpunkt (yn) geschaltet ist, sodass sie als Stationsversorgungstransformatoren dienen können.

2. Z-Typ Bodenungstransformator
Vorteile der Zickzack-Schaltung bei Z-Typ-Transformatoren:

1. Bei einer Einphasenkurzschlussstörung wird der Erdfehlerstrom etwa gleichmäßig auf die drei Phasenwicklungen verteilt. Die magnetischen Feldstärken (MMF) der beiden Wicklungen auf jedem Kernbein haben entgegengesetzte Richtungen, so dass es keinen Dämpfungseffekt gibt und der Strom frei vom Neutralpunkt zur defekten Leitung fließen kann.

2. Es gibt keine Drittharmonische im Phasenspannung, da in einer zickzackgeschalteten Dreieinzelphasentransformatorgruppe die Drittharmonischen gleiche Größe und Richtung als Vektoren haben. Aufgrund der Wicklungsanordnung heben sich die Drittharmonischen elektromotorischen Kräfte in jeder Phase gegenseitig auf, was zu einer fast sinusförmigen Phasenspannung führt.

In einem Z-Typ Bodenungstransformator fließen die Nullfolgenströme in den beiden Halbwicklungen auf demselben Kernbein in entgegengesetzten Richtungen; daher ist die Nullfolgenreaktanz sehr gering und sie blockiert den Nullfolgenstrom nicht. Das Prinzip hinter seiner geringen Nullfolgenimpedanz ist folgendes: an jedem der drei Kernbeine des Bodenungstransformators gibt es zwei Wicklungen mit gleicher Anzahl von Windungen, die jeweils an verschiedene Phasenspannungen angeschlossen sind. 

Wenn ausgeglichene positiv- oder negativsequentielle dreiphasige Spannungen an die Leiteranschlüsse des Bodenungstransformators angelegt werden, ist das MMF auf jedem Kernbein die Vektorsumme der MMFs von den beiden Wicklungen, die an verschiedene Phasen angeschlossen sind. Die resultierenden MMFs auf den einzelnen Kernbeinen sind um 120° verschoben und bilden ein ausgeglichenes dreiphasiges Set. Das Einphasen-MMF kann einen magnetischen Kreislauf über alle drei Kernbeine herstellen, was zu einer geringen magnetischen Reluktanz, einem großen magnetischen Fluss, einer hohen induzierten EMF und somit einer sehr hohen Magnetisierungsimpedanz führt.

 Wenn jedoch eine Nullfolgenspannung an die dreiphasigen Leiteranschlüsse angelegt wird, sind die durch die beiden Wicklungen auf jedem Kernbein erzeugten MMFs gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet, wodurch ein netto MMF pro Bein null ergibt – es existiert also kein Nullfolgen-MMF in den drei Kernbeinen. Das Nullfolgen-MMF kann seinen Weg nur durch den Tank und das umgebende Medium abschließen, was eine sehr hohe magnetische Reluktanz darstellt; daher ist das Nullfolgen-MMF sehr gering, was zu einer sehr geringen Nullfolgenimpedanz führt.

3.Bodenungstransformator-Parameter
Um den Anforderungen von Verteilnetzen mit Bogenlöschspulen-Erdungskompensation gerecht zu werden und gleichzeitig den Bedürfnissen der Stationsversorgung für Energie und Beleuchtung in Umspannwerken zu entsprechen, werden Z-geschaltete Transformatoren ausgewählt, und die wesentlichen Parameter des Bodenungstransformators müssen sinnvoll eingestellt werden.

3.1 Nennleistung
Die Primärseitekapazität des Bodenungstransformators sollte mit der Kapazität der Bogenlöschspule übereinstimmen. Basierend auf Standardkapazitätsbewertungen für Bogenlöschspulen wird empfohlen, die Kapazität des Bodenungstransformators auf 1,05–1,15 Mal die Kapazität der Bogenlöschspule einzustellen. Zum Beispiel würde eine 200 kVA Bogenlöschspule mit einem 215 kVA Bodenungstransformator kombiniert werden.

3.2 Neutralpunktkompensationsstrom
Der Gesamtstrom, der während einer Einphasenstörung durch den Neutralpunkt des Transformators fließt

In der obigen Formel:

U ist die Leitungsspannung des Verteilnetzes (V);
Zx ist die Impedanz der Bogenlöschspule (Ω);
Zd ist die primäre Nullfolgenimpedanz des Bodenungstransformators (Ω/Phase);
Zs ist die Systemimpedanz (Ω).

Die Dauer des Neutralpunktkompensationsstroms sollte gleich der kontinuierlichen Betriebszeit der Bogenlöschspule sein, die auf 2 Stunden festgelegt ist.

3.3 Nullfolgeimpedanz
Die Nullfolgeimpedanz ist ein kritischer Parameter des Erdtransformators und beeinflusst erheblich die Einstellungen der Relaisschutzanlagen zur Begrenzung von Einphasen-Erdschlussströmen und zur Unterdrückung von Überspannungen. Für Zickzack- (Z-Typ-) Erdtransformator ohne Sekundärwicklung sowie solche mit Stern/Offen-Dreieck-Schaltungen gibt es nur eine Impedanz - nämlich die Nullfolgeimpedanz - was Herstellern ermöglicht, die Anforderungen der Stromversorgungsunternehmen zu erfüllen.

3.4 Verluste
Verluste sind ein wichtiger Leistungsparameter von Erdtransformatoren. Für Erdtransformatoren, die mit einer Sekundärwicklung ausgestattet sind, kann der Leerlaufverlust dem eines Zweispulen-Transformators gleicher Nennleistung gleichgesetzt werden. Was die Lastverluste betrifft, so trägt die Primärseite bei voller Belastung der Sekundärseite eine relativ geringe Last; daher ist ihr Lastverlust geringer als der eines Zweispulen-Transformators mit derselben Sekundärseitenkapazität.

3.5 Temperaturanstieg
Gemäß nationalen Standards wird der Temperaturanstieg von Erdtransformatoren wie folgt geregelt:

1. Der Temperaturanstieg unter dem Nennstrom muss den Vorschriften im nationalen Standard für allgemeine Netzbetriebs- oder Trockenwandlern entsprechen. Dies gilt hauptsächlich für Erdtransformatoren, deren Sekundärseite häufig belastet wird.

2. Wenn der Kurzzeitlaststrom nicht länger als 10 Sekunden anhält (ein Szenario, das typischerweise auftritt, wenn der neutrale Punkt an einen Widerstand angeschlossen ist), muss der Temperaturanstieg den in den nationalen Normen für Netzbetriebswandler unter Kurzschlussbedingungen festgelegten Grenzwerten entsprechen.

3. Wenn der Erdtransformator zusammen mit einem Bogenlöschspule arbeitet, muss sein Temperaturanstieg den Anforderungen an den Temperaturanstieg der Bogenlöschspule entsprechen:

• Für Wicklungen, die ständig den Nennstrom führen, ist der Temperaturanstieg auf 80 K begrenzt. Dies gilt hauptsächlich für Erdtransformatoren mit Stern/Offen-Dreieck-Schaltung.

• Für Wicklungen mit einer maximalen Stromdauer von 2 Stunden (wie für den Nennstrom vorgesehen) beträgt der zulässige Temperaturanstieg 100 K. Diese Bedingung entspricht dem Betriebsmodus der meisten Erdtransformatoren.

• Für Wicklungen mit einer maximalen Stromdauer von 30 Minuten beträgt der zulässige Temperaturanstieg 120 K.

Diese Bestimmungen basieren darauf, sicherzustellen, dass die Hotspot-Temperatur der Wicklungen auch unter den schwersten Betriebsbedingungen nicht über 140 °C bis 160 °C steigt, wodurch sichergestellt wird, dass die Isolation sicher betrieben werden kann und ein drastischer Rückgang der Isolierlebensdauer vermieden wird.