Kann ein auf 50Hz ausgelegter Starkstromtransformator in einem 60Hz-Netz betrieben werden? Erklärung der wesentlichen Leistungsänderungen

Kann ein für 50Hz ausgelegter Stromtransformator in einem 60Hz-Netz betrieben werden?

Wenn ein Stromtransformator für 50Hz konstruiert und gebaut wurde, kann er dann in einem 60Hz-Netz betrieben werden? Falls ja, wie ändern sich seine wichtigsten Leistungsparameter?

Veränderungen der Schlüsselparameter

• Kurzschlussimpedanz: Für einen gegebenen Transformator (gleiche Spannung und Kapazität) ist die Kurzschlussimpedanz proportional zur Frequenz. Daher steigt die Kurzschlussimpedanz eines für 50Hz ausgelegten Geräts, das bei 60Hz betrieben wird, um 20% an – eine höhere Frequenz verstärkt den wechselnden Leckfeldwiderstand gegen den Strom.

• Leerlaufverlust: Aus U = 4.44fNB_mS folgt, dass bei konstanter Spannung 50Hz auf 60Hz B_m auf 0,83x sinkt. Obwohl der Verlust von Siliziumstahl-Einheiten bei 60Hz etwa 1,31-mal höher ist als bei 50Hz, dominiert die Reduzierung von B_m, was den Gesamt-Leerlaufverlust verringert.

• Lastverlust: Der Lastverlust umfasst den DC-Widerstandsverlust (frequenzunabhängig), Wirbelstromverlust ∝ f² und Streuverlust (≈ ∝ f²). Daher steigt der Lastverlust bei 50Hz auf 60Hz, wobei die Größe davon abhängt, welcher Anteil am DC-Widerstandsverlust liegt.

• Temperaturanstieg: Während der Leerlaufverlust sinkt, steigt der Lastverlust (normalerweise größer), was den Gesamtverlust erhöht. Dies führt zu einer Erhöhung der durchschnittlichen/Öltemperatur; der höhere Wirbelstromverlust im Wicklungskern führt auch zu einer Erhöhung der durchschnittlichen/heißen Stelle der Wicklungstemperatur.

Quantitativer Fallstudie

Um diese Trends quantitativ zu bestimmen, werden Berechnungen für einen 50Hz-ausgelegten 63MVA/110kV-Transformator unten verglichen.

Fazit

Zusammengefasst kann ein für eine Nennfrequenz von 50Hz ausgelegter und hergestellter Stromtransformator vollständig in einem 60Hz-Netz betrieben werden, unter der Voraussetzung, dass die Anregungsspannung und die Übertragungskapazität auf der Primarseite unverändert bleiben. Es sollte beachtet werden, dass in diesem Fall der Gesamtverlust des Transformators um etwa 5% ansteigen wird, was wiederum zu einer Erhöhung des Öltemperaturanstiegs und des durchschnittlichen Wicklungstemperaturanstiegs führt. Insbesondere kann der Temperaturanstieg der heißen Stelle der Wicklung um mehr als 5% ansteigen.

Falls der Transformator bereits einen bestimmten Puffer in Bezug auf den Temperaturanstieg der heißen Stelle der Wicklung und den Temperaturanstieg der heißen Stelle metallischer Strukturelemente (wie Klammern, Aufstiegsflansche usw.) hat, ist solch ein Betrieb vollkommen akzeptabel. Wenn jedoch der Temperaturanstieg der heißen Stelle der Wicklung oder der heißen Stelle metallischer Strukturelemente bereits nahe am Grenzwert liegt, ob ein langfristiger Betrieb unter diesen Bedingungen akzeptabel ist, muss fallbezogen analysiert werden.