Optimierung der Erdungsmethoden für den Kern und die Klammern von Starkstromtransformator

Die Erdungsschutzmaßnahmen für Transformator werden in zwei Arten unterteilt: Die erste ist die Erdung des neutralen Punkts des Transformators. Diese Schutzmaßnahme verhindert das Driften des Spannungspunkts aufgrund eines ungleichmäßigen Drehstromlastverhältnisses während des Betriebs des Transformators, ermöglicht einen schnellen Auslöser der Schutzvorrichtungen und reduziert Kurzschlussströme. Dies wird als funktionale Erdung des Transformators betrachtet. Das zweite Maßnahmeschema beinhaltet die Erdung von Transformatorkern und -klammern.

Dieser Schutz verhindert, dass induzierte Spannungen auf den Oberflächen des Kerns und der Klammern aufgrund interner magnetischer Felder während des Betriebs entstehen, was zu partiellen Entladungsfehlern führen könnte. Dies wird als Schutzeerdung des Transformators betrachtet. Um einen sicheren und zuverlässigen Transformatorbetrieb zu gewährleisten, analysiert und optimiert dieser Artikel speziell die Erdungsmethoden für Transformatorkerne und -klammern.

1. Bedeutung der Erdung von Kern und Klammer

Die Hauptkomponenten im Inneren eines Transformators umfassen: Wicklungen, Kern und Klammern. Die Wicklungen bilden den elektrischen Kreis des Transformators, der Kern bildet den magnetischen Kreis und die Klammern dienen hauptsächlich zur Befestigung der Wicklungen und Siliziumstahlplatten des Kerns. Während des normalen Betriebs erzeugen Primär- und Sekundärwicklungen magnetische Felder, wenn Strom durch sie fließt. In dieser magnetischen Umgebung entstehen induzierte Spannungen an den Oberflächen des Kerns und der Klammern. 

Mit zunehmender Stärke des magnetischen Feldes wächst der magnetische Fluss allmählich, was zu einer stufenweisen Erhöhung der induzierten Spannungen führt. Aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung des magnetischen Feldes führen ungleichmäßige induzierte Spannungen zu Potentialunterschieden, was zu kontinuierlichen Entladungen an den Oberflächen des Kerns und der Klammern führt und zu internen Transformatorfehlern. Diese Spannung, die interne Entladungsfehler im Transformator verursacht, wird "Schwebespannung" genannt. Daher müssen während des Betriebs der Transformatorkern und -klammern an einem einzigen Punkt geerdet werden, um induzierte Spannungen zu reduzieren und zu eliminieren.

Bei der Erdung des Transformatorkerns und -klammern ist nur ein Erdpunkt zulässig, um zirkulierende Ströme zwischen Kern und Klammern zu vermeiden. Wenn es zwei oder mehr Erdpunkte gibt, führen Potentialunterschiede zu zirkulierenden Strömen zwischen Kern und Klammern, was zu unnormalen Temperaturerhöhungen im Innern des Transformators führt. Dies schädigt direkt die innere feste Isolierung und beschleunigt das Altern des Isolieröls, was die normale Nutzungszeit des Transformators beeinträchtigt.

2. Erdungsmethoden für Kern und Klammer und Optimierungsansätze

In der aktuellen chinesischen Transformatorauslegung wird die Erdung von Kern und Klammer hauptsächlich erreicht, indem Verbindungen über kleine Büschel oder isolierte Bolzen zum Außenbereich des Transformatortanks geführt werden, bevor sie geerdet werden. Diese Erdungsansätze werden weiter in zwei Methoden unterteilt:

Die erste Erdungsmethode (Abbildung 1) verbindet den Kern und die Klammern über Büschel oder isolierte Bolzen und kürzt sie dann direkt miteinander, bevor sie geerdet werden. Während des normalen Betriebs des Transformators zeigt diese Erdungsmethode drei Stromflusspfade, gekennzeichnet als I1, I2 und I3:

• I1: Kern → Erdterminal → Erde

• I2: Klammern → Erdterminal → Erde

• I3: Kern → Erdterminal → Erde → Klammern

Die zweite Erdungsmethode (Abbildung 2) führt den Kern und die Klammern über Büschel oder isolierte Bolzen zu getrennten Erdpunkten. Diese Erdungsmethode zeigt ebenfalls drei Stromflusspfade während des normalen Betriebs:

• I1: Kern → Erdpunkt des Kerns → Erde

• I2: Klammern → Erdpunkt der Klammern → Erde

• I3: Kern → Erdpunkt des Kerns → Erde → Erdpunkt der Klammern → Klammern

Von den beiden oben erwähnten Erdungsmethoden repräsentieren die induzierten Erdströme I1 und I2 Normalbedingungen. Der induzierte Erdstrom I3 unterscheidet sich jedoch signifikant:

Bei der in Abbildung 1 dargestellten Erdungsmethode fließt der induzierte Strom über den Pfad: Kern → Erdterminal → Klammern, was einen "Zirkulationsstrom" zwischen dem Transformatorkern und -klammern erzeugt. Unter dem Wärmeeffekt dieses Stromes steigt die interne Temperatur des Transformators unnormal. Hohe Temperaturen führen direkt zur Degradation der festen Isolation und zum Altern des Isolieröls. Darüber hinaus kann aufgrund des Einflusses des Zirkulationsstroms das Online-Monitoring-System die Erdströme des Kerns und der Klammern nicht genau messen, was zu Fehldiagnosen bei Gerätefehlern führt. Daher hat die erste Erdungsmethode signifikante Nachteile.

Im Gegensatz dazu führt die in Abbildung 2 dargestellte Erdungsmethode den induzierten Strom über: Kern → Erdpunkt des Kerns → Erde → Erdpunkt der Klammern → Klammern. Da der Strom über eine hochohmsche Erde fließt, kann kein "Zirkulationsstrom" zwischen Kern und Klammer entstehen. Dies verhindert unnormale Temperaturerhöhungen im Transformator und ermöglicht es dem Online-Monitoring-System, die Erdströme von Kern und Klammern präzise zu messen (gemäß DL/T 596-2021 Leitfaden für Präventivprüfungen, darf der Erdstrom des Kerns während des Betriebs des Transformators nicht 0,1 A und der Erdstrom der Klammern nicht 0,3 A überschreiten). Dies bietet zuverlässige Beweise dafür, ob interne Fehler im Transformator vorhanden sind.

Für den xx-223000/500 spannungslos regelbaren Energieumformer wird der Kern und die Klammern mit der in Abbildung 1 dargestellten Methode geerdet, was einige Betriebsprobleme aufweist:

(1) Während des Betriebs entsteht leicht ein "Zirkulationsstrom" zwischen dem inneren Kern und den Klammern. Der Wärmeeffekt führt zu unnormalen Temperaturerhöhungen, was die Degradation der festen Isolation und das Altern des Isolieröls beschleunigt und die Lebensdauer des Transformators verringert.

(2) Aufgrund des Einflusses von "Kreisstrom" können Online-Überwachungssysteme die Erdschleifenströme von Kern und Klammern nicht genau messen, was es unmöglich macht, schlüssige Beweise für die Bestimmung interner Fehler zu liefern.

(3) Die induzierten Erdschleifenströme von Kern und Klammern können kontinuierlich gemessen und mit den Leckströmen verglichen werden, die vom Online-System überwacht werden, um die Genauigkeit des Überwachungssystems zu überprüfen.

(4) Bei der Wartung und Reparatur von Transformatoren, wenn die Isolationswiderstände zwischen Kern/Klammern und Erde gemessen werden, müssen externe Erdungsleitungen getrennt werden. Da dieses Transformator-Modell M10-Kupferbolzen (geerdet isoliert) für die Verbindung von Kern und Klammer verwendet, die ausgezeichnete Leitfähigkeit, aber geringe mechanische Festigkeit aufweisen und leicht brechen können. Während der Feldarbeit können beengte Räume und ungleichmäßige Kräfte leicht zu Brüchen der Kupferbolzen führen. Angesichts der kompakten internen Struktur des Transformators erfordert die Behebung dieses Fehlers das Anheben des Tankdeckels zur Ersetzung, was die normalen Wartungszyklen und die Betriebswirtschaftlichkeit beeinträchtigt.

Angesichts dieser vier Probleme wird empfohlen, um eine genaue Erfassung der induzierten Erdschleifenströme von Kern und Klammer während des Betriebs sicherzustellen, die Lebensdauer des Transformators zu verlängern, "Kreisströme" zu beseitigen und Wartungsarbeiten vorzubeugen, die Schäden verursachen, die den Reparaturumfang erweitern, die Erdungsart des Transformator-Kerns und -Klammern von der Konfiguration in Abbildung 1 auf die in Abbildung 2 zu optimieren.

3. Schlussfolgerung

Durch eine detaillierte Einführung in die internen Komponenten und Funktionen des Transformators sowie eine wissenschaftliche Analyse von Entladungsfehlern, die während des Betriebs auftreten, wurden erfolgreich Änderungen an defekten Teilen vorgenommen. Dieser Ansatz erreicht eine Verlängerung der Geräte-Lebensdauer, verbessert die Sicherheit des Stromnetzes und reduziert die Wartungskosten der Ausrüstung.