Transformerschaltungsprüfverfahren gemäß den IEEE C57- und GB 1094-Normen

1. Grundlagen der Transformatortests

1.1 Übersicht
Transformatoren sind eines der wichtigsten Geräte für die elektrische Energieübertragung. Ihre Qualität und Zuverlässigkeit beeinflussen direkt die sichere und verlässliche Energieversorgung. Schäden an Transformatoren von Generatoren oder an wichtigen Umspannwerkstransformatoren können die Energieübertragung stören, und das Reparieren oder Transportieren solcher großen Einheiten dauert oft mehrere Monate.

Während dieser Ausfallzeiten ist die Energieversorgung beeinträchtigt, was industrielle und landwirtschaftliche Produktion sowie den privaten Stromverbrauch negativ beeinflusst und zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten führt.

Da die Anforderungen an die sichere und zuverlässige Betriebsführung von Transformatoren ständig steigen, haben sich die Transformatortesttechnologien in den letzten zwei Jahrzehnten erheblich weiterentwickelt. Bedeutende Entwicklungen umfassen:

• Kurzschlusstests an großen Transformern bei Nennspannung,

• Mess- und Lokalisierungstechniken für Teilentladungen,

• Anwendung von Übertragungsfunktionen zur Erkennung von Impulsstörungen,

• Verwendung von Digitaltechnik zur Messung von Verlusten,

• Einführung von Schallintensitätsmethoden in der Lärmmessung,

• Spektralanalyse zur Diagnose von Wicklungsausformungen, und

• immer häufigere Verwendung der Lösungsgasanalyse (DGA) im Transformatoröl.

1.2 Normen für Transformatortests
Um sicherzustellen, dass Transformatoren den erforderlichen Standards für die Qualität und Zuverlässigkeit der Energieübertragung entsprechen, wurden nationale Normen sowohl für Transformatoren als auch für ihre Testverfahren festgelegt:

• GB 1094.1–1996: Stromrichter – Teil 1: Allgemeines

• GB 1094.2–1996: Stromrichter – Teil 2: Temperaturanstieg

• GB 1094.3–1985: Stromrichter – Teil 3: Isolierungsstufen, elektrische Prüfungen und Luftabstände

• GB 1094.5–1985: Stromrichter – Teil 5: Kurzschlussfestigkeit

• GB 6450–1986: Trockentransformatoren

1.3 Transformatortestpunkte

1.3.1 Routineprüfungen

• Messung des Wicklungswiderstands

• Spannungsverhältnismessung und Lastverlustmessung

• Messung des Kurzschlussimpedanz und Lastverlust

• Messung des Leerlaufstroms und Leerlaufverlusts

• Messung des Isolationswiderstands zwischen Wicklungen und Erdung

• Routineelektrische Prüfungen – siehe Tabelle 1-3 für die Fabrik-Routinen-Isolierungsprüfungen

• Prüfung des Unterlast-Schalters

1.3.2 Typprüfungen

• Temperaturanstiegsprüfung.

• Isolierungstypprüfungen (siehe Tabelle 1).

1.3.3 Spezielle Prüfungen

• Messung des Nullfolgenwiderstands für Drehstromtransformator.

• Kurzschlussfestigkeitsprüfung.

• Lärmpegelmessung.

• Messung der harmonischen Komponenten im Leerlaufstrom.

2. Spannungsverhältnismessung und Überprüfung der Schaltgruppenbezeichnung

2.1 Übersicht
Die Messung des Spannungsverhältnisses ist eine Routineprüfung für Transformator. Sie wird nicht nur in der Fabrik während der Herstellung durchgeführt, sondern auch vor Ort, bevor der Transformator in Betrieb genommen wird.

2.1.1 Zweck der Spannungsverhältnismessung

• Um sicherzustellen, dass die Spannungsverhältnisse an allen Anzapfstellen innerhalb der zulässigen Toleranz nach Normen oder vertraglichen technischen Anforderungen liegen.

• Um zu überprüfen, ob parallelgeschaltete Wicklungen oder Wicklungsteile (z.B. angezapfte Abschnitte) identische Windungszahlen aufweisen.

• Um zu bestätigen, dass Anzapfleitungen und Verbindungen zum Anzapfschalter korrekt verdrahtet sind.

Das Spannungsverhältnis ist ein kritischer Leistungsparameter eines Transformators. Da diese Prüfung mit geringer Spannung durchgeführt wird und einfach auszuführen ist, wird sie mehrmals während der Herstellung durchgeführt, um die Einhaltung der Konstruktionsvorgaben zu gewährleisten.

3. Gleichstromwiderstandsmessung der Wicklungen

3.1 Zweck und Anforderungen
Gemäß GB 1094.1–1996 „Starkstrom-Transformatoren – Teil 1: Allgemeines“ wird die Messung des Gleichstromwiderstands als Routineprüfung eingestuft. Daher muss jeder Transformator sowohl während als auch nach der Herstellung dieser Prüfung unterzogen werden.

Die Hauptzwecke der Messung des Gleichstromwiderstands sind die Überprüfung folgender Aspekte:

• Qualität der Schweiß- oder mechanischen Verbindungen zwischen den Wicklungsleitern – Überprüfung auf schlechte Verbindungen;

• Integrität der Verbindungen zwischen Leitern und Buchsen sowie zwischen Leitern und dem Anzapfschalter;

• Zuverlässigkeit von Schweiß- oder mechanischen Verbindungen zwischen Führungsdrahten;

• Ob die Leiterdimensionen und Widerstandswerte den Vorgaben entsprechen;

• Ausgewogenheit des Widerstands zwischen den Phasen;

• Berechnung der Wicklungstemperaturerhöhung, wofür der Kaltwiderstand vor der Temperaturerhöhungsprüfung und der Heißwiderstand unmittelbar nach dem Ausschalten der Spannung während der Prüfung gemessen werden müssen.

3.2 Messmethoden
Nach JB/T 501–91 „Leitfaden für die Prüfung von Starkstrom-Transformatoren“ gibt es zwei Standardmethoden zur Messung des Gleichstromwiderstands von Transformatorwicklungen:

• Brückenmethode (z.B. Kelvin-Doppelbrücke)

• Spannungs-Strom-Methode (V-A-Methode)

4. Leerlaufprüfung

4.1 Übersicht
Die Messung des Leerlaufverlusts und des Leerlaufstroms ist eine Routineprüfung für Transformator. Die vollständigen Magnetisierungseigenschaften eines Transformators werden durch die Leerlaufprüfung bestimmt.

Die Ziele dieser Prüfung sind:

• Messung des Leerlaufverlusts und des Leerlaufstroms;

• Überprüfung, ob die Kernkonstruktion und Fertigung dem geltenden Standard und den technischen Vorgaben entsprechen;

• Erkennung potenzieller Kerndefekte, wie lokale Überhitzungen oder Isolationschwächen.

4.2 Leerlaufverlust
Der Leerlaufverlust besteht hauptsächlich aus Hysterese- und Wirbelstromverlusten in den elektrischen Stahlblechen. Er beinhaltet auch zusätzliche Verluste, wie Streuverluste durch Leckfluss.

4.3 Leerlaufstrom
Die Größe des Leerlaufstroms wird hauptsächlich durch die B–H (Magnetisierung)-Kurve des im Kern verwendeten elektrischen Stahls bestimmt.

5. Lastverlust- und Kurzschlussimpedanzmessung

5.1 Übersicht der Lastprüfung
Die Messung des Lastverlusts und der Kurzschlussimpedanz ist eine Routineprüfung.

Hersteller führen diese Prüfung durch, um:

• Die Werte des Lastverlusts und der Kurzschlussimpedanz zu ermitteln;

• Überprüfung der Einhaltung von Normen und technischen Vereinbarungen;

• Erkennung potenzieller Fehler in den Wicklungen.

Während des Tests wird an einer Wicklung eine Spannung angelegt, während die andere kurzgeschlossen ist. Gemäß dem Ampere-Windungs-Kompensationsprinzip fließt, wenn der Strom in der versorgten Wicklung seinen Nennwert erreicht, auch in der kurzgeschlossenen Wicklung Nennstrom.

Obwohl der Hauptmagnetfluss im Kern während dieses Tests sehr gering ist, entsteht aufgrund des hohen Stromflusses ein erheblicher Streufluss. Dieser Streufluss verursacht:

• Wirbelstromverluste in den Wicklungsleitern;

• Zirkulationsstromverluste in parallelen Leitern;

• Zusätzliche Verluste in Klemmstrukturen, Behälterwänden, elektromagnetischen Abschirmungen, Kernrahmen und Zugplatten.

Alle diese Verluste sind stromabhängig und werden gemeinsam als Lastverluste klassifiziert.

6. Prüfwechselspannungsfestigkeitstest

6.1 Übersicht
Um sicherzustellen, dass Transformatoren für den Netzbetrieb sicher und zuverlässig sind, muss ihre Isolation nicht nur den Leistungsstandards entsprechen, sondern auch über die erforderliche dielektrische Festigkeit verfügen. Die dielektrische Festigkeit bestimmt, ob ein Transformator normalen Betriebsspannungen sowie abnormalen Bedingungen wie Blitzüberspannungen oder Schaltüberspannungen standhalten kann.

Erst nach erfolgreichem Bestehen von Prüfungen – einschließlich Kurzdauer-Wechselspannungsfestigkeit, Impulsfestigkeitsprüfung und Teilentladungsmessungen – gilt ein Transformator als betriebsbereit für den Netzanschluss.

Der angelegte Wechselspannungsfestigkeitstest bewertet hauptsächlich die Festigkeit der Hauptisolation zwischen Wicklungen und Erde sowie zwischen Wicklungen.

• Bei voll isolierten Transformatoren validiert dieser Test vollständig die Hauptisolation.

• Bei gestufte-Isolations-Transformatoren bewertet er lediglich die Endwindungs-Isolation in der Nähe des Jochs und die Isolation bestimmter Leiterabschnitte zur Erde. Er kann nicht die volle Isolationsfestigkeit zwischen Wicklung und Erde oder zwischen Wicklungen beurteilen.

Für gestufte-Isolations-Transformatoren ist stattdessen ein induzierter Spannungsfestigkeitstest erforderlich, um umfassend die Isolationsfestigkeit zwischen Wicklungen, zur Erde und für zugehörige Leiter zu bewerten.

7. Induzierter Überspannungsfestigkeitstest

7.1 Übersicht
Der induzierte Überspannungsfestigkeitstest ist ein weiterer kritischer dielektrischer Test nach dem angelegten Wechselspannungstest.

• Bei voll isolierten Transformatoren prüft der angelegte Wechselspannungstest nur die Hauptisolation, während die Windungs-zu-Windungs-, Schicht-zu-Schicht- und Abschnitt-zu-Abschnitt-Longitudinalisolation durch den induzierten Spannungstest überprüft wird.

• Bei gestufte-Isolations-Transformatoren überprüft der angelegte Wechselspannungstest lediglich die Neutralpunktsisolation. Der induzierte Spannungstest ist unerlässlich, um Folgendes zu bewerten:

• Longitudinalisolation (zwischen Windungen, Schichten und Abschnitten);

• Isolation zwischen Wicklungen und Erde;

• Isolation zwischen Wicklungen und Phasen-zu-Phasen-Isolation.

Daher ist der induzierte Spannungstest eine wesentliche Methode zur Bewertung der Integrität sowohl der Haupt- als auch der Longitudinalisolation.

7.2 Prüfanforderungen
Der induzierte Spannungsfestigkeitstest wird typischerweise durchgeführt, indem an die Niederspannungswicklungsanschlüsse die doppelte Nennspannung angelegt wird, wobei alle anderen Wicklungen offen bleiben. Die Wellenform der angelegten Spannung sollte so nahe wie möglich an einer reinen Sinuswelle liegen.