Hohe Oberschwingungen? Ihr Transformator könnte überhitzen und schnell alternd sein.

Dieser Bericht basiert auf der Analyse von ein Tage langen Daten zur Netzfrequenzqualität Ihres Unternehmens. Die Daten zeigen, dass es in dem System erhebliche Verzerrungen der Drei-Phasen-Stromharmonischen gibt (mit hoher Gesamtverzerrung des Stroms, THDi). Gemäß internationalen Standards (IEC/IEEE) stellen die Harmonischen Ströme in diesem Umfang erhebliche Risiken für den sicheren, zuverlässigen und wirtschaftlichen Betrieb des Netztransformators dar, was hauptsächlich durch zusätzliche Wärmeerzeugung, Verringern der Lebensdauer und sogar Beschädigung des Transformators zum Ausdruck kommt.

1. Überblick über die Testdaten

• Überwachter Parameter: Gesamte Verzerrung der Drei-Phasen-Stromharmonischen (A THD[50] Avg [%] L1, L2, L3)

• Überwachungszeitraum: 16:00 Uhr am 8. September 2025 bis 08:00 Uhr am 9. September 2025 (Rwandische Zeit)

Datenquelle: FLUKE 1732 Power Logger

• Während des Überwachungszeitraums blieb die gesamte Verzerrung der Drei-Phasen-Stromharmonischen (THDi) auf einem hohen Niveau (z.B. konstant etwa 60%).

• Diese Harmonisierungsniveaus überschreiten erheblich den empfohlenen Best-Practice-Bereich (THDi < 5%) und den allgemein zulässigen Bereich (THDi < 8%) für Verteilungssysteme, wie sie in internationalen Standards wie IEEE 519-2014 und IEC 61000-2-2 festgelegt sind.

2. Mechanismus der Auswirkungen von Harmonischen Strömen auf Transformator (Problemanalyse)

Transformator werden auf Basis von rein sinusförmigen 50Hz-Strömen entworfen. Harmonische Ströme (insbesondere die 3., 5. und 7. Harmonische) verursachen zwei Kernprobleme:

• Verdoppelung der Wirbelstromverluste: Die Wirbelstromverluste in den Transformatorwindungen sind proportional zum Quadrat der Stromfrequenz. Hochfrequente harmonische Ströme führen zu einem starken Anstieg der Wirbelstromverluste, die weit über den aufgrund des Grundstroms berechneten Wert hinausgehen.

• Zusätzliche Wärmeerzeugung und thermische Belastung: Die genannten zusätzlichen Verluste werden in Wärme umgewandelt, was zu ungewöhnlichen Temperaturanstiegen in den Transformatorwindungen und Eisenkernen führt.

3. Risikobewertung gemäß internationalen Standards

Gemäß den Vorschriften von IEC 60076-1 und IEEE Std C57.110 bezüglich des Betriebs von Transformator unter nicht-sinusförmigem Strom stellen die aktuellen Harmonischen folgende Hauptrisiken für Ihren Transformator dar:

• Risiko 1: Beschleunigte Alterung der Isolierung und erhebliche Verringern der LebensdauerDie Lebensdauer eines Transformators wird direkt durch seine Betriebstemperatur bestimmt. Eine Faustregel besagt, dass bei jedem anhaltenden Temperaturanstieg von 6-10°C die Alterungsrate der Isolierung verdoppelt und die erwartete Lebensdauer des Transformators entsprechend halbiert wird. Langfristige Überhitzung führt dazu, dass die Isolierung brüchig wird und letztendlich zu Bruchstellen führt.

• Risiko 2: Reduzierte tatsächliche Lastkapazität (Abstufung erforderlich)Um eine Überhitzung zu vermeiden, kann der Transformator unter dem aktuellen Harmonischenpegel nicht mit seiner Nennleistung betrieben werden. Gemäß der Berechnungsmethode in IEEE Std C57.110 muss der Transformator abgestuft werden (z.B. wenn THDi 12% beträgt, könnte der Abstufungsfaktor 0,92 oder niedriger sein). Dies bedeutet, dass ein Transformator mit einer Nennleistung von 1000 kVA eine tatsächliche sichere Lastkapazität von weniger als 920 kVA haben könnte, was das Potenzial zur Kapazitätserweiterung des Systems einschränkt.

• Risiko 3: Erhöhte Feldstärke des TransformatorsGemäß der Formel für die elektrische Spannung Et = 4,44 ⋅f⋅Φm (wobei f die Frequenz ist), erzeugen Harmonische hochfrequente magnetische Fluss, was signifikante Wirbelströme in den Leiterwindungen induziert, was lokale Heißpunkte und Überhitzung verursacht. Die Überfrequenz der Harmonischen wirkt als „Verstärker“ – selbst wenn die Amplitude des harmonischen magnetischen Flusses Φmh gering ist, wird ihre hochfrequente Eigenschaft die induzierte Spulen-zu-Spulen-Spannung um h-mal verstärken. Diese verstärkte Spannung wird auf die Wickelisolierung, insbesondere auf die ersten Windungen, angewendet, was zu lokalen Überspannungen führt und das Risiko einer Isolierungsbruchstelle erheblich erhöht.