H59/H61-Transformator-Fehleranalyse und Schutzmaßnahmen

1. Ursachen von Schäden an ölgefüllten Verteilungstransformatoren H59/H61 in der Landwirtschaft

1.1 Isolierungsschäden
Die Stromversorgung auf dem Land verwendet häufig ein gemischtes 380/220V-System. Aufgrund des hohen Anteils an Einphasenlasten arbeiten H59/H61 ölgefüllte Verteilungstransformatoren oft unter erheblicher Dreiphasenlastungleichheit. In vielen Fällen übersteigt das Maß der Dreiphasenlastungleichheit die durch Betriebsvorschriften erlaubten Grenzen, was zu vorzeitiger Alterung, Verschlechterung und letztendlich zum Ausfall der Wicklungsisolierung führt, was zu einer Verbrennung führt.

Wenn H59/H61 ölgefüllte Verteilungstransformatoren längere Zeit überlastet sind, es zu Störungen auf der Niederspannungsseite kommt oder plötzlich große Lastzunahmen auftreten, und keine Schutzvorrichtungen auf der Niederspannungsseite installiert sind—während die Hochspannungsseiten-Fallauslöser nicht schnell (oder überhaupt) reagieren—müssen die Transformatoren für längere Zeiträume Störströme weit über ihrem Nennstrom (manchmal mehrere Male den Nennwert) tragen. Dies führt zu einem starken Temperaturanstieg, beschleunigt die Alterung der Isolierung und führt letztendlich zur Verbrennung der Wicklungen.

Nach längerer Betriebsdauer altert, bricht und verliert die Wirksamkeit von Abdichtungskomponenten wie Gummiperlen und Dichtungen in H59/H61 ölgefüllten Verteilungstransformatoren. Wenn dies nicht rechtzeitig erkannt und ersetzt wird, führt dies zu Ölverlusten und einem Sinken des Ölstandes. Feuchtigkeit aus der Luft dringt dann in großen Mengen ins Isolieröl ein, wodurch dessen Dielektrische Festigkeit drastisch sinkt. Bei schwerwiegenden Öldefiziten kann der Schaltstufenwechsler der Luft ausgesetzt werden, Feuchtigkeit aufnehmen und Entladungen oder Kurzschlüsse verursachen, was zur Zerstörung des Transformators führt.

Unzureichende Herstellungsprozesse—wie unvollständige Harzimpregnation zwischen Wicklungsschichten (oder minderwertiges Isolierharz), unzureichende Trocknung oder unsichere Verbindung der Wicklungsanschlüsse—lassen verborgene Isolationsfehler in H59/H61 ölgefüllten Verteilungstransformatoren zurück. Darüber hinaus kann bei der Inbetriebnahme oder Wartung minderwertiges Isolieröl zugegeben oder Feuchtigkeit und Verunreinigungen ins Öl eindringen, was die Ölqualität verschlechtert und die Isolationsstärke reduziert. Im Laufe der Zeit kann dies zu Isolationsdurchschlägen und zur Verbrennung des H59/H61 ölgefüllten Verteilungstransformators führen.

1.2 Überspannung
Der Blitzschutz-Erdeingangswiderstand entspricht nicht den erforderlichen Standards. Selbst wenn er bei der Inbetriebnahme den Anforderungen entsprach, kann Korrosion, Oxidation, Bruch oder mangelhafte Schweißnähte an den Stahlkomponenten des Erdsystems im Laufe der Zeit zu einem dramatischen Anstieg des Erdeingangswiderstands führen, was zu Transformatorschäden bei Blitzschlägen führt.

Eine unzureichende Blitzschutzauslegung ist weit verbreitet: Viele ländliche H59/H61 ölgefüllte Verteilungstransformatoren sind nur mit einem Satz von Hochspannungsdonnerschlägen auf der Hochspannungsseite ausgestattet. Da ländliche Stromsysteme fast ausschließlich Yyn0-verbundene Transformatoren verwenden, können Blitzschläge sowohl Vorwärts- als auch Rückwärts-Transformationsüberspannungen induzieren. Ohne Donnerschläge auf der Niederspannungsseite erhöhen diese Überspannungen das Risiko von Transformatorschäden erheblich.

Im ländlichen 10kV-Stromsystem besteht eine relativ hohe Wahrscheinlichkeit von Ferroresonanz. Während Resonanz-Überspannungsvorfällen steigt der Primärstrom von H59/H61 ölgefüllten Verteilungstransformatoren stark an, was zu einer Verbrennung der Wicklungen oder zu einer Bushing-Entladung—sogar Explosion—führen kann.

1.3 Harte Betriebsbedingungen
Während heißer Sommerperioden oder wenn H59/H61 ölgefüllte Verteilungstransformatoren kontinuierlich unter Überlast betrieben werden, steigt die Ölteiltemperatur stark an. Dies beeinträchtigt die Wärmeabgabe erheblich, beschleunigt die Alterung, Verschlechterung und den Ausfall der Isolierung und verkürzt letztendlich die Lebensdauer des Transformators.

1.4 Unkorrekter Betrieb oder minderwertige Qualität des Schaltstufenwechselers
Ländliche Stromlasten sind zerstreut, hoch saisonabhängig, mit großen Spitzen-Tal-Differenzen und langen Niederspannungsleitungen, was zu erheblichen Spannungsschwankungen führt. Daher passen ländliche Elektriker oft manuell die Schaltstufenwechsler von H59/H61 ölgefüllten Verteilungstransformatoren an. Die meisten dieser Anpassungen folgen nicht den vorgeschriebenen Verfahren, und nach der Anpassung werden die Gleichstromwiderstände jeder Phase selten gemessen und verglichen, bevor sie wieder in Betrieb genommen werden. Folglich leiden viele Transformatoren unter fehlerhaft positionierten Schaltstufenwechseln oder schlechten Kontakten, was zu einem starken Anstieg des Kontaktwiderstands und zur Verbrennung des Schaltstufenwechsels führt.

Minderwertige Schaltstufenwechsler—mit unzureichender Kontaktierung zwischen festen und beweglichen Kontakten oder mit nicht übereinstimmenden externen Positionsanzeigen und tatsächlichen internen Positionen—können nach der Energiezufuhr zu Entladungen oder Kurzschlüssen führen, was zur Zerstörung des Schaltstufenwechsels oder sogar der gesamten Wicklung führt.

1.5 Erdungsprobleme am Transformatorkern
Aufgrund inhärenter Qualitätsprobleme bei H59/H61 ölgefüllten Verteilungstransformatoren altert das Isolierharz zwischen den Siliziumstahlplatten im Laufe der Zeit oder verschlechtert sich vorzeitig aus anderen Gründen, was zu Mehrfacherdungen des Kerns und zu Schäden führt.

1.6 Längerfristiger Überlastbetrieb
Mit der Entwicklung der ländlichen Wirtschaft hat der Strombedarf stark zugenommen. Allerdings wurden neue H59/H61 ölgefüllte Verteilungstransformatoren nicht rechtzeitig installiert, noch wurden bestehende Einheiten durch Modelle mit höherer Kapazität ersetzt. Daher operieren aktuelle Transformatoren unter chronischer Überlast. Zusammen mit dem hohen Anteil an Einphasenlasten im ländlichen Bereich, der eine ausgeglichene Dreiphasenbelastung verhindert, erlebt eine Phase oft schwere langfristige Überlast, und der Neutralleiterstrom übersteigt die zulässigen Grenzen erheblich. Diese Bedingungen führen letztendlich zur Verbrennung des H59/H61 ölgefüllten Verteilungstransformators.

2. Gegenmaßnahmen
Entsprechend den einschlägigen Vorschriften muss jeder H59/H61-Öl-Verteilungstransformator mit drei grundlegenden Schutzmaßnahmen ausgestattet sein: gegen Blitzschlag, Kurzschlüsse und Überlastungen. Der Blitzeinschlagschutz erfordert Überspannungsableiter sowohl auf der Hochspannungs- als auch auf der Niederspannungsseite, wobei Zinkoxid-(ZnO)-Ableiter bevorzugt werden. Kurzschluss- und Überlastschutz sind getrennt zu betrachten: Auf der Hochspannungsseite sollten Fallkapsicherungen hauptsächlich zum Schutz vor inneren Kurzschlüssen dienen, während Überlastungen und Kurzschlüsse in Niederspannungsleitungen durch Niederspannungs-Leistungsschalter oder Sicherungen auf der Niederspannungsseite abgesichert werden sollen.

Im Betrieb sollten Klemmamperemeter regelmäßig zur Messung der dreiphasigen Lastströme verwendet werden, um zu prüfen, ob die Unsymmetrie innerhalb der vorgeschriebenen Grenzwerte bleibt. Falls die Unsymmetrie zulässige Werte überschreitet, muss unverzüglich eine Lastumverteilung durchgeführt werden, um die Einhaltung wiederherzustellen.

Regelmäßige Inspektionen von H59/H61-Öl-Verteilungstransformatoren müssen gemäß den Vorschriften durchgeführt werden, wobei Farbe, Füllstand und Temperatur des Öls auf Normalzustand überprüft sowie auf Ölaustritt geachtet werden muss. Die Oberflächen der Durchführungen sind auf Überschlag- oder Entladungsspuren zu untersuchen. Jegliche Abweichungen müssen sofort behoben werden. Die Außenseite des Transformators, insbesondere die Durchführungen, sollte regelmäßig gereinigt werden, um Schmutz und Verunreinigungen zu entfernen.

Vor Beginn der jährlichen Gewittersaison müssen die Überspannungsableiter auf Hoch- und Niederspannungsseite sowie die Erdungsabzweige gründlich inspiziert werden. Nicht konforme Ableiter müssen ersetzt werden. Erdungsabzweige dürfen keine gebrochenen Litzen, schlechten Schweißstellen oder Brüche aufweisen. Aluminiumdraht darf nicht verwendet werden; stattdessen müssen die Erdungsleiter aus Rundstahl mit einem Durchmesser von 10–12 mm oder aus Flachstahl 30×3 mm bestehen.

Der Erdungswiderstand sollte jährlich bei trockenem Winterwetter (nach mindestens einer Woche andauernd klarem Himmel) geprüft werden. Nicht konforme Erdungssysteme müssen korrigiert werden. Beim Anschließen der Klemmenstifte des Transformators an Freileitungsleiter auf Hoch- und Niederspannungsseite müssen Kupfer-Aluminium-Übergangsverbinder oder Kupfer-Aluminium-Anschlussklemmen verwendet werden. Vor dem Anschließen müssen die Kontaktflächen dieser Verbinder mit Schleifpapier der Körnung 0 poliert und mit einer angemessenen Menge leitfähiger Schmierfett beschichtet werden.

Die Bedienung des Spannungsreglers an H59/H61-Öl-Verteilungstransformatoren muss streng den Vorschriften folgen. Nach einer Einstellung darf der Transformator nicht sofort wieder eingeschaltet werden. Stattdessen müssen die Gleichstromwiderstände aller Phasen vor und nach der Einstellung mittels Wheatstone-Brücke verglichen werden. Wenn keine signifikante Änderung festgestellt wird, müssen die Phasen- und Leiter-Gleichstromwiderstandswerte nach der Einstellung miteinander verglichen werden: Die Phasendifferenzen dürfen 4 % nicht überschreiten, und die Leiterdifferenzen müssen unter 2 % liegen. Werden diese Kriterien nicht erfüllt, muss die Ursache ermittelt und behoben werden. Erst nach Erfüllung dieser Anforderungen darf der H59/H61-Öl-Verteilungstransformator wieder in Betrieb genommen werden.