Was sind die Unterschiede zwischen einem Erdungstransformator und einem herkömmlichen Transformator?

Was ist ein Erdtransformator?

Ein Erdtransformator, abgekürzt als "Erdtransformator", kann nach dem Füllmedium in ölgetränkt und trocken eingeteilt werden; und nach der Anzahl der Phasen in Drehstrom- und Einphasen-Erdtransformatoren.

Unterschiede zwischen Erdtransformatoren und herkömmlichen Transformatoren

Der Zweck eines Erdtransformators besteht darin, einen künstlichen Neutralpunkt zu schaffen, um eine Bögenlöschanordnung oder einen Widerstand anzuschließen, wenn das System in Delta- (Δ) oder Stern- (Y) Konfiguration ohne zugänglichen Neutralpunkt verbunden ist. Solche Transformatoren verwenden Zickzack- (oder "Z-Typ") Wicklungsverbindungen. Der entscheidende Unterschied zu herkömmlichen Transformatoren besteht darin, dass jede Phasenwicklung in zwei Gruppen aufgeteilt wird, die in entgegengesetzter Richtung auf demselben magnetischen Kernenzweig gewickelt sind. Dieses Design ermöglicht es, dass Nullfolgenmagnetfluss durch die Kernenzweige fließt, während bei herkömmlichen Transformatoren der Nullfolgenfluss über Leckpfade läuft. 

Daher ist der Nullfolgenwiderstand eines Z-Typ-Erdtransformators sehr gering (ca. 10 Ω), während er bei einem herkömmlichen Transformator viel höher ist. Gemäß technischen Vorschriften darf bei der Verwendung eines herkömmlichen Transformators zur Anschluss einer Bögenlöschanordnung die Kapazität des Spulens nicht mehr als 20 % der Nennleistung des Transformators überschreiten. Im Gegensatz dazu kann ein Z-Typ-Transformator eine Bögenlöschanordnung mit 90%–100% seiner eigenen Kapazität tragen. Darüber hinaus können Erdtransformatoren sekundäre Lasten versorgen und als Stationsdiensttransformatoren dienen, wodurch Investitionskosten eingespart werden.

Funktionsprinzip von Erdtransformatoren

Ein Erdtransformator schafft künstlich einen Neutralpunkt mit einem Erderwiderstand, der in der Regel einen sehr geringen Widerstand hat (meist unter 5 Ohm). Aufgrund seiner elektromagnetischen Eigenschaften bietet der Erdtransformator hohen Widerstand für positiv- und negativsequenzielle Ströme, sodass nur ein kleiner Anregungsstrom in den Wicklungen fließt. Auf jedem Kernzweig sind die beiden Wicklungsteile in entgegengesetzter Richtung gewickelt. Wenn gleiche Nullfolgenströme durch diese Wicklungen auf demselben Zweig fließen, zeigen sie geringen Widerstand, was zu einem minimalen Spannungsabfall führt. 

Bei einem Erdfehler tragen die Wicklungen positive-, negative- und nullsequenzielle Ströme. Die Wicklung bietet hohen Widerstand für positive- und negative-sequence Ströme, aber geringen Widerstand für Nullfolgenströme, da innerhalb derselben Phase die beiden Wicklungen in Serie mit entgegengesetzter Polarität verbunden sind—ihre induzierten Elektromotivkräfte sind gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet, so dass sie sich gegenseitig aufheben.

Viele Erdtransformatoren werden ausschließlich verwendet, um einen niedrigwiderständigen Neutralpunkt bereitzustellen, und versorgen keine sekundären Lasten; daher sind viele ohne sekundäre Wicklung konstruiert. Während des normalen Netzbetriebs arbeitet der Erdtransformator im Wesentlichen im Leerlauf. Bei einem Fehler trägt er jedoch nur für kurze Zeit Fehlerströme. In einem niedrigwiderständig geerdeten System, wenn ein Einphasenerdfehler auftritt, identifiziert und isoliert ein hochsensibler Nullfolgenschutz schnell und vorübergehend den fehlerhaften Ausgang. 

Der Erdtransformator ist nur während des kurzen Intervalls zwischen dem Auftreten des Fehlers und dem Betrieb des Nullfolgenschutzes des Ausgangs aktiv. Während dieser Zeit fließt Nullfolgenstrom durch den neutralen Erderwiderstand und den Erdtransformator, gemäß der Formel: IR = U / R₁, wobei U die Systemphasenspannung und R₁ der neutrale Erderwiderstand ist.

Folgen, wenn der Erdungsbogen nicht zuverlässig gelöscht werden kann

• Das intermittierende Erlöschen und Wiederentzünden des Einphasenerdbogens erzeugt Erdungsbogenüberspannungen mit Amplituden, die bis zu 4U (wobei U die Spitzenphasenspannung ist) oder sogar höher reichen und über längere Zeiträume anhalten. Dies stellt ernsthafte Bedrohungen für die Isolation elektrischer Geräte dar, kann zu Durchschlägen an schwachen Isolationsstellen führen und zu erheblichen Verlusten.

• Anhaltendes Bögen ionisiert die umgebende Luft, verschlechtert ihre isolierenden Eigenschaften und erhöht die Wahrscheinlichkeit von Phasen-zu-Phasen-Kurzschlüssen.

• Es können ferroresonante Überspannungen auftreten, die leicht Spannungswandler und Überspannungsschützer beschädigen—potenziell sogar zu Explosionen von Schutzgeräten führen. Diese Folgen gefährden schwer die Isolationsintegrität der Netzausrüstung und bedrohen den sicheren Betrieb des gesamten Stromnetzes.

Was sind positive-, negative- und nullsequenzielle Ströme?

• Negativsequenzstrom: Phase A liegt Phase B um 120° hinterher, Phase B liegt Phase C um 120° hinterher, und Phase C liegt Phase A um 120° hinterher.

• Positivsequenzstrom: Phase A liegt Phase B um 120° voraus, Phase B liegt Phase C um 120° voraus, und Phase C liegt Phase A um 120° voraus.

• Nullsequenzstrom: Alle drei Phasen (A, B, C) sind in Phase—keine Phase liegt einer anderen voraus oder hinterher.

Während dreiphasiger Kurzschlussfehler und normaler Betriebsbedingungen enthält das System nur positivsequenzielle Komponenten.
Während Einphasenerdfehler enthält das System positiv-, negativ- und nullsequenzielle Komponenten.
Während zweiphasiger Kurzschlussfehler enthält das System positiv- und negativsequenzielle Komponenten.
Während zweiphasiger Erdungskurzschlussfehler enthält das System positiv-, negativ- und nullsequenzielle Komponenten.

Betriebscharakteristika von Erdtransformatoren

Der Erdungstransformator arbeitet unter Leerlaufbedingungen während des normalen Netzbetriebs und erfährt kurzfristige Überlastungen bei Fehlern. Zusammengefasst besteht die Funktion eines Erdungstransformators darin, einen künstlichen Neutralpunkt für die Verbindung eines Erdwiderstands zu schaffen. Bei einer Erdfehlersituation zeigt er eine hohe Impedanz gegenüber positiven- und negativen Folgestromen, aber eine geringe Impedanz gegenüber Nullfolgestrom, um den zuverlässigen Betrieb der Erdfehlerschutzanlage sicherzustellen.

Neutraler Erdeinschluss über Bögenlöscher-Spulen-Systeme

Wenn aufgrund von mangelnder Geräteisolierung, externem Schaden, Bedienungsfehlern, internen Überspannungen oder anderen Ursachen ein vorübergehender Einphasen-Erdefehler im Netz auftritt, fließt der Erdfehlerstrom als induktiver Strom durch die Bögenlöscher-Spule, der entgegengesetzt zur kapazitiven Strömung gerichtet ist. Dies kann den Strom am Fehlerort auf einen sehr geringen Wert oder sogar auf Null reduzieren, wodurch der Bogen gelöscht und damit verbundene Gefahren beseitigt werden. Der Fehler wird automatisch beseitigt, ohne dass Relaisschutz oder Leitungssicherung ausgelöst werden, was die Versorgungsreliabilität erheblich verbessert.

Drei Kompensations-Betriebsmodi

Es gibt drei verschiedene Kompensations-Betriebsmodi: Unter-Kompensation, Vollkompensation und Überkompensation.

• Unterkompensation: Der induktive Strom nach der Kompensation ist kleiner als der kapazitive Strom.

• Überkompensation: Der induktive Strom nach der Kompensation ist größer als der kapazitive Strom.

• Vollkompensation: Der induktive Strom nach der Kompensation entspricht dem kapazitiven Strom.

Kompensationsmodus in Systemen mit neutralem Erdeinschluss über Bögenlöscher-Spulen-Systeme

In Systemen mit neutralem Erdeinschluss über Bögenlöscher-Spulen muss die Vollkompensation vermieden werden. Unabhängig von der Größe der Systemungleichgewichtsspannung kann Vollkompensation Serienresonanz verursachen und die Bögenlöscher-Spule gefährlich hohen Spannungen aussetzen. Daher wird in der Praxis Über- oder Unterkompensation angewendet, wobei Überkompensation am häufigsten verwendet wird.

Hauptgründe für die Wahl der Überkompensation

In unterkompensierten Systemen können bei Fehlern leicht hohe Überspannungen auftreten. Wenn beispielsweise Teile der Leitungen aufgrund eines Fehlers oder anderer Gründe getrennt werden, kann ein unterkompensiertes System in Richtung Vollkompensation verschieben, was zu Serienresonanz und sehr hohen Neutralverschiebungsspannungen und Überspannungen führt. Große Neutralverschiebungen in unterkompensierten Systemen bedrohen auch die Isolationsintegrität – ein Nachteil, der so lange nicht vermieden werden kann, wie Unterkompensation verwendet wird.

Während des normalen Betriebs eines unterkompensierten Systems mit signifikanter Dreiphasenungleichgewichtigkeit können sehr hohe ferromagnetische Resonanzüberspannungen auftreten. Dieses Phänomen resultiert aus der ferromagnetischen Resonanz zwischen der unterkompensierten Bögenlöscher-Spule (wo ωL > 1/(3ωC₀)) und der Leitungskapazität (3C₀). Eine solche Resonanz tritt bei Überkompensation nicht auf.

Energieversorgungssysteme expandieren kontinuierlich, und die Kapazität des Netzes zur Erde nimmt entsprechend zu. Mit Überkompensation kann die ursprünglich installierte Bögenlöscher-Spule für einige Zeit im Einsatz bleiben – selbst wenn sie letztendlich in Richtung Unterkompensation verschoben wird. Wenn das System jedoch mit Unterkompensation beginnt, erfordert jede Expansion sofort zusätzliche Kompensationskapazität.

Bei Überkompensation ist der Strom, der durch den Fehlerpunkt fließt, induktiv. Nach dem Erlöschen des Bogens ist die Wiederherstellungsrate der Spannung der fehlerhaften Phase langsamer, was eine erneute Zündung des Bogens unwahrscheinlicher macht.

Bei Überkompensation führt eine Verringerung der Systemfrequenz nur temporär zu einer Erhöhung des Kompensationsgrades, was während des normalen Betriebs kein Problem darstellt. Im Gegensatz dazu kann bei Unterkompensation in Kombination mit reduzierter Frequenz das System nahe an Vollkompensation heranrücken, was zu erhöhter Neutralverschiebungsspannung führt.

Zusammenfassung

Der Erdungstransformator fungiert auch als Stationsdienstleistungstransformator, indem er die Spannung von 35 kV auf 380 V niedriger Spannung herunterstellt, um Energie für Batterieladung, SVG-Lüfter, Wartungsbeleuchtung und allgemeine Stationshilfsleistungen bereitzustellen.

In modernen Stromnetzen ersetzen Kabel zunehmend Freileitungen. Da der einphasige kapazitive Erdfehlerstrom von Kabelleitungen viel größer ist als bei Freileitungen, kann der neutrale Erdeinschluss über Bögenlöscher-Spulen oft nicht ausreichen, um den Fehlerbogen zu löschen und gefährliche resonante Überspannungen zu unterdrücken. Daher verwendet unsere Umspannanlage ein Niederwiderstandsniederohmsystem. Dieser Ansatz ähnelt stark erdenden neutralen Systemen und erfordert die Installation eines Einphasen-Erdfehlerschutzes, der zum Auslösen von Leitungssicherungen dient. Beim Auftreten eines Einphasen-Erdefehlers wird der defekte Leiter schnell isoliert.