Transformerschutz und Transformatorfehler

Es gibt verschiedene Arten von Transformern, wie z.B. Zwei- oder Dreiwicklungs-Stromtransformer, Autotransformer, Regeltransformer, Erdungstransformer, Gleichrichtertransformer usw. Verschiedene Transformer erfordern je nach ihrer Bedeutung, Wicklungsverbindungen, Erdungsmethoden und Betriebsmodus unterschiedliche Schutzkonzepte für den Transformatorschutz.
Es ist üblich, allen Transformer ab 0,5 MVA einen Buchholzrelais-Schutz zu geben. Für alle kleinen Verteilungstransformer werden nur Hoch-Spannungssicherungen als Hauptschutzeinrichtung verwendet. Für alle größeren und wichtigen Verteilungstransformer wird ein Überstromschutz in Verbindung mit eingeschränktem Erdfehlerschutz angewendet.
Differentialprotektion sollte bei Transformern über 5 MVA angebracht sein.

Je nach den normalen Betriebsbedingungen, der Art der Transformerdefekte, dem Grad des anhaltenden Überlasts, dem Schema der Spannungsstufenänderung und vielen anderen Faktoren werden geeignete Transformatorschutz-Konzepte ausgewählt.

Art der Transformerdefekte

Obwohl ein Stromtransformer ein statisches Gerät ist, müssen innere Spannungen, die durch ungewöhnliche Systembedingungen entstehen, berücksichtigt werden.
Ein Transformer leidet im Allgemeinen unter folgenden Arten von Transformerdefekten:

1. Überstrom aufgrund von Überlastungen und externen Kurzschlüssen,

2. Terminaldefekte,

3. Wicklungsdefekte,

4. Anfangsdefekte.

Alle oben genannten Transformerdefekte verursachen mechanische und thermische Belastungen innerhalb der Transformerwicklungen und deren Anschlussstellen. Thermische Belastungen führen zu Überhitzung, die letztendlich das Isolationssystem des Transformers beeinträchtigt. Die Verschlechterung der Isolation führt zu Wicklungsdefekten. Manchmal führt ein Versagen des Transformerkühlungssystems ebenfalls zu einer Überhitzung des Transformers. Daher sind Transformatorschutz-Konzepte sehr erforderlich.

Der Kurzschlussstrom eines elektrischen Transformers wird normalerweise durch seine Reaktanz begrenzt, und bei geringer Reaktanz kann der Wert des Kurzschlussstroms extrem hoch sein. Die Dauer externer Kurzschlüsse, die ein Transformer ohne Schaden überstehen kann, ist in BSS 171:1936 angegeben.

Die allgemeinen Wicklungsdefekte in einem Transformer sind entweder Erddefekte oder Zwischenwicklungdefekte. Phasen-zu-Phasen-Wicklungsdefekte in einem Transformer sind selten. Die Phasenfehler in einem elektrischen Transformer können durch eine Buschflashover und Fehler in der Spannungsstufenänderungsausrüstung auftreten. Unabhängig von den Defekten muss der Transformer sofort während eines Fehlers isoliert werden, andernfalls könnte es zu einem schwerwiegenden Ausfall im elektrischen Energiesystem kommen.
Anfangsdefekte sind interne Defekte, die keine unmittelbare Gefahr darstellen. Wenn diese Defekte jedoch übersehen und nicht beachtet werden, können sie zu schwerwiegenden Defekten führen. Die Defekte in dieser Gruppe sind hauptsächlich kurze Laminatkurzschlüsse aufgrund von Isolationsversagen zwischen den Kernen, Senken des Ölstandes aufgrund von Ölleckagen, Blockierung der Ölflusswege. All diese Defekte führen zu Überhitzung. Daher ist auch für anfängliche Transformerdefekte ein Transformatorschutz-Konzept erforderlich. Ein Erddefekt, der sehr nahe am neutralen Punkt der Sternwicklung liegt, kann auch als anfänglicher Defekt betrachtet werden.
Einfluss der Wicklungsverbindungen und der Erdung auf die Größe des Erdfehlerstroms.
Es gibt hauptsächlich zwei Bedingungen, damit ein Erdfehlerstrom bei Wicklungs-Erdefehlern fließen kann:

1. Es existiert ein Strom, der in und aus der Wicklung fließt.

2. Es wird ein Ampère-Umdrehung-Gleichgewicht zwischen den Wicklungen aufrechterhalten.

Der Wert des Erdfehlerstroms der Wicklung hängt von der Position des Fehlers auf der Wicklung, der Methode der Wicklungsverbindung und der Erdungsmethode ab. Der Sternpunkt der Wicklungen kann entweder fest oder über einen Widerstand geerdet sein. Auf der Delta-Seite des Transformers wird das System über einen Erdungstransformer geerdet. Ein Erdungstransformer bietet einen niedrigimpedanzigen Pfad für den Nullfolgenstrom und einen hohen Impedanzwert für die positiven und negativen Folgenströme.

Sternwicklung mit neutralem Widerstand geerdet

In diesem Fall wird der neutrale Punkt des Transformers über einen Widerstand geerdet, und der Wert des Widerstands ist viel höher als der Wicklungswiderstand des Transformers. Das bedeutet, dass der Wert des Transformatorwicklungswiderstands im Vergleich zum Erdungswiderstand vernachlässigbar ist. Der Wert des Erdstroms ist daher proportional zur Position des Fehlers in der Wicklung. Da der Fehlerstrom in der Primärwicklung der Transformer proportional zum Verhältnis der kurzgeschlossenen Sekundärwicklungen zur Gesamtzahl der Wicklungen auf der Primärseite ist, wird der primäre Fehlerstrom proportional zum Quadrat des Prozentsatzes der kurzgeschlossenen Wicklung. Die Variation des Fehlerstroms sowohl in der Primär- als auch in der Sekundärwicklung wird unten dargestellt.

Sternwicklung mit fester Erdung

In diesem Fall wird die Größe des Erdfehlerstroms ausschließlich durch den Wicklungswiderstand begrenzt, und der Fehler ist nicht mehr proportional zur Position des Fehlers. Der Grund für diese Nichtlinearität ist das ungleichmäßige Flusslinkage.

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