17 häufig gestellte Fragen zu Starkstromtransformatoren

1 Warum muss der Transformatorkern geerdet sein?
Während des normalen Betriebs von Starkstromtransformatoren muss der Kern eine zuverlässige Erdung haben. Ohne Erdung würde eine schwebende Spannung zwischen dem Kern und der Erde zu intermittierenden Durchschlagentladungen führen. Eine Einpunkt-Erdung beseitigt die Möglichkeit eines schwebenden Potenzials im Kern. Wenn jedoch zwei oder mehr Erdpunkte vorhanden sind, entstehen durch ungleiche Potenziale zwischen den Kernabschnitten Zirkulationsströme zwischen den Erdpunkten, was zu Wärmestörungen bei Mehrpunkt-Erdungen führt. Kern-Erdschutzstörungen können lokale Überhitzungen verursachen. In schwerwiegenden Fällen steigt die Kerntemperatur erheblich, löst leichte Gasalarme aus und kann möglicherweise den schweren Gasschutz zum Auslösen bringen. Geschmolzene Kernabschnitte erzeugen Kurzschlüsse zwischen den Laminaten, erhöhen die Kernverluste und beeinträchtigen ernsthaft die Leistung und den Betrieb des Transformators, wobei in einigen Fällen der Austausch der Kernsiliziumstahlplatten erforderlich ist. Daher müssen Transformatorkerne genau einen Erdpunkt haben – nicht mehr und nicht weniger.

2 Warum werden Siliziumstahlbleche für Transformatorkerne verwendet?
Gängige Transformatorkerne bestehen aus Siliziumstahlblechen. Siliziumstahl ist Stahl, der 0,8-4,8% Silizium (auch Sand genannt) enthält. Siliziumstahl wird verwendet, weil er ausgezeichnete magnetische Eigenschaften hat und hohe magnetische Flussdichten in eingekreisten Spulen erzeugen kann, was eine kleinere Transformatorgröße ermöglicht. Transformatorbetriebe finden immer unter Wechselstrombedingungen statt, wobei Verlustleistungen nicht nur in der Spulenwiderstand, sondern auch im Kern unter wechselnder Magnetisierung auftreten. Kernverlustleistungen werden als "Eisenverluste" bezeichnet und bestehen aus "Hystereseverlusten" und "Wirbelstromverlusten". Hystereseverluste treten während der Magnetisierung aufgrund der magnetischen Hysterese auf, wobei der Verlust proportional zur vom Hysteresezyklus eingeschlossenen Fläche ist. Siliziumstahl hat einen schmalen Hysteresezyklus, was geringere Hystereseverluste und reduzierte Erwärmung zur Folge hat.

Wenn Siliziumstahl diese Vorteile hat, warum nicht massive Blöcke verwenden? Weil gelaminierte Kerne einen anderen Typ von Eisenverlusten – Wirbelstromverluste – reduzieren. Während des Betriebs erzeugt der Wechselstrom in den Spulen einen wechselnden magnetischen Fluss, der Ströme im Kern induziert. Diese induzierten Ströme fließen in geschlossenen Schleifen senkrecht zur Flussrichtung, bilden Wirbelströme, die zu Erwärmung führen. Um Wirbelstromverluste zu reduzieren, verwenden Transformatorkerne isolierte Siliziumstahlbleche, die gestapelt werden, um Wirbelströme durch schmale Pfade mit kleinerem Querschnitt zu zwingen, um den Widerstand zu erhöhen. Darüber hinaus erhöht das Silizium im Stahl den spezifischen Widerstand, was die Wirbelströme weiter reduziert. Transformatorkerne verwenden in der Regel 0,35 mm dicke kaltgewalzte Siliziumstahlbleche, die zugeschnitten und in "E-I" oder "C"-Formen gestapelt werden. Theoretisch würden dünnere Bleche und schmalere Streifen Wirbelströme besser reduzieren. Dies würde Wirbelstromverluste, Temperaturanstieg und Materialverbrauch verringern. Praktische Kernfertigung berücksichtigt jedoch mehrere Faktoren – übermäßig dünne Bleche würden die Arbeitskosten erheblich erhöhen und die effektive Querschnittsfläche des Kerns reduzieren. Daher müssen die Abmessungen der Siliziumstahlbleche für Transformatorkerne verschiedene Aspekte abwägen, um ein optimales Design zu erreichen.

3 Was ist der Schutzbereich des Buchholz-Schutzes (Gas-Schutz)?

• Interne Mehrphasenspannungs-Kurzschlüsse im Transformator
• Zwischenwindungskurzschlüsse, Kurzschlüsse zwischen Windungen und Kern oder Gehäuse
• Kernfehler
• Ölniveauabfall oder Ölverlust
• Schlechter Kontakt in den Spannungswählern oder schlechte Schweißnähte der Leiter

4 Was sind die Unterschiede zwischen Haupttransformator-Differential-Schutz und Buchholz-Schutz?

• Der Haupttransformator-Differential-Schutz arbeitet nach dem Prinzip der Umlaufströme, während der Buchholz-Schutz auf der Gasbildung bei internen Transformatorfehlern basiert.
• Der Differential-Schutz dient als Haupt-Schutz für Transformator, während der Buchholz-Schutz der Haupt-Schutz für interne Transformatorfehler ist.
• Die Schutzbereiche unterscheiden sich:
  A) Der Differential-Schutz umfasst:
  • Mehrphasenkurzschlüsse in Haupttransformator-Fühler und Windungen
  • Schwere Einphasen-Zwischenwindungskurzschlüsse
  • Erdschlüsse an Windungen und Fühler in Hochstrom-Erdungssystemen
• B) Der Buchholz-Schutz umfasst:
• • Interne Mehrphasenspannungs-Kurzschlüsse im Transformator
  • Zwischenwindungskurzschlüsse, Kurzschlüsse zwischen Windungen und Kern oder Gehäuse
  • Kernfehler (Überhitzungsschäden)
  • Ölniveauabfall oder Ölverlust
  • Schlechter Kontakt in den Spannungswählern oder schlechte Schweißnähte der Leiter

5 Wie werden Kühlerausfälle des Haupttransformators behandelt?

• Wenn die Arbeitsspannungsversorgungen für die Kühlersektionen I und II verloren gehen, erscheint ein Signal "#1, #2 Spannungsversorgungsfehler", und der vollständige Kühler-Ausfall-Ausschaltkreis des Haupttransformators aktiviert. Berichten Sie sofort an die Leitstelle und deaktivieren Sie diesen Schutz.
• Fällt beim Betrieb der Wechsel zwischen den Spannungsversorgungen I und II aus, leuchtet der "vollständige Kühlerstop" an, und der vollständige Kühler-Ausfall-Ausschaltkreis des Haupttransformators aktiviert. Berichten Sie sofort an die Leitstelle, deaktivieren Sie diesen Schutz und führen Sie schnell eine manuelle Umschaltung durch. Bei einem Versagen der Kontaktoren KM1 oder KM2 sollten Sie keine Zwangserregung durchführen.
• Bei einem Ausfall einer einzelnen Kühlerschaltung soll die fehlerhafte Kühlerschaltung isoliert werden.

6 Welche Folgen haben es, wenn nicht den Parallelbetriebsvoraussetzungen genügende Transformatoren parallel betrieben werden?
Wenn Transformatoren mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen parallel betrieben werden, entstehen Kreisströme, die die Transformatorleistung beeinflussen. Wenn Transformatoren mit unterschiedlichen Prozentsätzen des Blindwiderstands parallel betrieben werden, kann die Last nicht entsprechend den Leistungsratios der Transformatoren verteilt werden, was ebenfalls die Leistung beeinflusst. Wenn Transformatoren mit unterschiedlichen Schaltgruppen parallel betrieben werden, kommt es zu Kurzschlüssen in den Transformатореn.

7 Was verursacht ungewöhnliche Geräusche in Transformatoren?

• Überlastung
• Schlechte innere Kontakte, die zu Entladungsbögen führen
• Lockerer Einzelteile
• Erdung oder Kurzschlüsse im System
• Große Motorstarts, die zu erheblichen Lastschwankungen führen

8 Wann sollte der Spannungsschalter eines unter Last spannungsändernden Transformators nicht justiert werden?

• Während des Überlastbetriebs des Transformators (außer in besonderen Fällen)
• Wenn der leichte Gas-Schutz des unter Last spannungsändernden Spannungsschalters häufig aktiviert wird
• Wenn der Ölstand des unter Last spannungsändernden Spannungsschalters kein Öl anzeigt
• Wenn die Anzahl der Spannungsschritte die vorgesehenen Grenzen überschreitet
• Wenn das Spannungsschaltgerät Auffälligkeiten zeigt

9 Was bedeuten die Nennwerte auf einem Transformatorschild?
Die Nennwerte von Transformatoren sind von Herstellern festgelegte Spezifikationen für den normalen Transformatorbetrieb. Innerhalb dieser Nennwerte zu arbeiten, gewährleistet eine langfristig zuverlässige Betriebsführung mit guter Leistung. Zu den Nennwerten gehören:

• Nennleistung: Die garantierte Ausgabefähigkeit unter Nennbedingungen, angegeben in Volt-Ampere (VA), Kilovolt-Ampere (kVA) oder Megavolt-Ampere (MVA). Aufgrund der hohen Transformatoreffizienz sind die Nennleistungen der Primär- und Sekundärwicklungen in der Regel gleichmäßig gestaltet.
• Nennspannung: Die garantierte Endspannung bei Leerlaufbedingungen, angegeben in Volt (V) oder Kilovolt (kV). Sofern nicht anders angegeben, bezieht sich die Nennspannung auf die Leitungsspannung.
• Nennstrom: Der Leitungsstrom, berechnet aus Nennleistung und Nennspannung, angegeben in Ampere (A).
• Leerlaufstrom: Der Erregungsstrom als Prozentsatz des Nennstroms während des Leerlaufbetriebs.
• Kurzschlussschwächung: Der aktive Leistungsaufwand, wenn eine Wicklung kurzgeschlossen ist und an der anderen Wicklung Spannung angelegt wird, um den Nennstrom in beiden Wicklungen zu erreichen, angegeben in Watt (W) oder Kilowatt (kW).
• Leerlaufsverlust: Der aktive Leistungsaufwand während des Leerlaufbetriebs, angegeben in Watt (W) oder Kilowatt (kW).
• Kurzschlussspannung: Auch Impedanzspannung genannt, der Prozentsatz der angelegten Spannung zur Nennspannung, wenn eine Wicklung kurzgeschlossen ist und die andere Wicklung den Nennstrom führt.
• Schaltgruppe: Gibt die Verbindungsmethoden der Primär- und Sekundärwicklungen sowie die Phasendifferenz zwischen den Leitungsspannungen an, dargestellt in Uhrzeitschreibweise.

10 Warum benötigen Stromquelle-Inverter einen größeren Transformatorleistung?
Das Transformator-Design berücksichtigt in der Regel die Nennleistung und nicht die Nennleistung, da der Strom nur mit der Nennleistung zusammenhängt. Bei Spannungsquelle-Invertern ist der Eingangsleistungsfaktor nahe bei 1, so dass die Nennleistung und die Nennleistung fast gleich sind. Stromquelle-Inverter unterscheiden sich - ihr Eingangsleistungsfaktor entspricht höchstens dem Leistungsfaktor des Lastinduktionsmotors. Daher muss für den gleichen Lastmotor die Nennleistung größer sein als bei Transformatoren, die mit Spannungsquelle-Invertern verwendet werden.

11 Welche Faktoren beeinflussen die Transformatorleistung?
Die Kernauswahl bezieht sich auf die Spannung, während die Leiterauswahl auf den Strom bezieht sich - die Leiterdicke beeinflusst direkt die Wärmeerzeugung. Mit anderen Worten, die Transformatorleistung bezieht sich nur auf die Wärmeerzeugung. Für einen gut konstruierten Transformator, der unter schlechten Kühlbedingungen arbeitet, könnte ein 1000kVA-Gerät mit verbessertem Kühlung bei 1250kVA arbeiten. Darüber hinaus bezieht sich die Nennleistung auf die zulässige Temperaturerhöhung. Zum Beispiel könnte ein 1000kVA-Transformator mit einer zulässigen Temperaturerhöhung von 100K über 1000kVA hinausgehen, wenn er in besonderen Fällen bei 120K betrieben wird. Dies zeigt, dass die Verbesserung der Kühlbedingungen des Transformators seine Nennleistung erhöhen kann. Umgekehrt kann für den gleichen Inverter die Größe des Transformatorgehäuses reduziert werden.

12 Wie kann die Transformatoreffizienz verbessert werden?

• Wählen Sie wenn möglich Transformatoren mit geringen Verlusten und hoher Wirkungsgrad.
• Wählen Sie die Transformatorleistung nach Lastbedingungen sinnvoll aus.
• Halten Sie den durchschnittlichen Lastfaktor des Transformators über 70 %.
• Überlegen Sie, Transformatoren mit geringerer Kapazität zu verwenden, wenn der durchschnittliche Lastfaktor dauerhaft unter 30 % liegt.
• Verbessern Sie den Leistungsfaktor der Last, um die Fähigkeit des Transformators zur Übertragung von Wirkleistung zu erhöhen.
• Konfigurieren Sie die Lasten sinnvoll, um die Anzahl der betriebsbereiten Transformatoren zu minimieren.

13 Warum sollten technische Modernisierungen von hochenergieverbrauchenden Verteiltransformatoren beschleunigt werden?
Hochenergieverbrauchende Verteiltransformatoren beziehen sich hauptsächlich auf SJ, SJL, SL7, S7-Serien-Transformatoren, deren Eisen- und Kupferverluste viel höher sind als bei derzeit weit verbreiteten S9-Serien-Transformatoren. Zum Beispiel sind die Eisenverluste von S7 11 % und die Kupferverluste 28 % höher als bei S9. Neuere Transformatoren wie S10 und S11 sind noch energieeffizienter als S9, während amorphe Legierungstransformatoren nur etwa 20 % der Eisenverluste von S7-Transformatoren aufweisen. Transformatoren haben in der Regel eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten. Das Ersetzen von hochenergieverbrauchenden Transformatoren durch energieeffiziente Modelle verbessert nicht nur die Energieumwandlungseffizienz, sondern erzielt auch erhebliche Stromsparpotentiale über ihre Lebensdauer.

14 Was ist Wirbelstrom? Welche Schäden verursacht Wirbelstrom?
Wenn Wechselstrom durch einen Leiter fließt, entsteht ein wechselndes Magnetfeld um den Leiter. Dieses wechselnde Feld induziert Ströme innerhalb fester Leiter. Da diese induzierten Ströme geschlossene Schleifen innerhalb des Leiters bilden, ähnlich wie Wasserwirbel, werden sie Wirbelströme genannt. Wirbelströme verschwenden nicht nur elektrische Energie und verringern die Effizienz der Ausrüstung, sondern verursachen auch Erwärmungen in elektrischen Geräten (wie Transformatorkernen), was bei starker Erwärmung das normale Betreiben der Geräte beeinträchtigen kann.

15 Warum muss der Transformatorschnellabschaltungsschutz vor dem Kurzschlussstrom auf niedriger Spannung ausgespart werden?
Dies betrifft hauptsächlich die Selektivität des Relaisschutzes. Der Schnellabschaltungsschutz auf der Hochspannungsseite schützt hauptsächlich vor schwerwiegenden externen Transformatordefekten. Bei der Einstellung würde, wenn der Schutz den maximalen Kurzschlussstrom auf der Niederspannungsseite des Transformators nicht ausspart, der Schutzbereich bis zu den Niederspannungsabgangsleitungen reichen, da die Kurzschlussstromwerte in einem kurzen Bereich nahe am Niederspannungsabgang nicht signifikant ändern. Dies würde die Selektivität beeinträchtigen. Obwohl nicht-selektiver Schutz zuverlässiger ist, führt er zu Betriebsunannehmlichkeiten. Zum Beispiel haben viele Industrieparks 10-kV-Hauptverteiler (10-kV-Bus + Ausgangssicherungen), wobei jedes Werk Niederspannungsverteilringe (Ringhauptgeräte + Transformatoren) hat. Wenn Sicherungen den maximalen Kurzschlussstrom auf der Niederspannungsseite des Transformators nicht aussparen, würden Niederspannungs-Hauptschalter (Ringhauptgerät-Lastschaltfuses) und Hochspannungssicherungen gleichzeitig ansprechen, was zu Betriebsproblemen führt.

16 Warum dürfen zwei parallellaufende Transformatoren keine neutralen Punkte gleichzeitig geerdet haben?
In Hochstromsystemen müssen einige Haupttransformatoren zur Erfüllung der Sensitivitätskoordinierungsanforderungen für den Relaisschutz geerdet sein, während andere ungeerdet bleiben. In einer Station mit zwei Haupttransformatoren wird die nicht gleichzeitige Erdung beider neutralen Punkte hauptsächlich zur Koordination des Nullfolgenstroms und des Nullfolgenspannungsschutzes verwendet. In Umspannanlagen mit mehreren parallellaufenden Transformatoren werden in der Regel einige neutrale Punkte von Transformatoren geerdet, während andere ungeerdet bleiben. Dies begrenzt den Erdfehlerstrom auf angemessene Werte und minimiert den Einfluss von Betriebsmodusänderungen auf die Größe und Verteilung von Nullfolgenströmen im Netzwerk, was die Empfindlichkeit von Nullfolgenstromschutzsystemen verbessert.

17 Warum müssen Impulsverschlussprüfungen vor der Inbetriebnahme neu installierter oder überholter Transformatoren durchgeführt werden?
Das Trennen eines unbeladenen Transformators vom Netz erzeugt Schaltüberspannungen. In Systemen mit kleinem Erdschlussstrom können diese Schaltüberspannungen 3-4 Mal die Nennphasenspannung erreichen; in Systemen mit hohem Erdschlussstrom können sie 3 Mal die Nennphasenspannung erreichen. Daher müssen vor der Inbetriebnahme mehrere Impulsverschlussprüfungen durchgeführt werden, um zu überprüfen, ob die Transformatorisolierung die Nennspannung und die Schaltüberspannungen beim Betrieb aushalten kann. Darüber hinaus erzeugt die Einspeisung unbeladener Transformatoren einen Magnetisierungsstrom, der 6-8 Mal den Nennstrom erreichen kann. Da der Magnetisierungsstrom starke elektromagnetische Kräfte erzeugt, dienen Impulsverschlussprüfungen auch dazu, die mechanische Festigkeit des Transformators und mögliche Fehlfunktionen des Relaisschutzes zu überprüfen.