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Seminar 5 - Trafo (ca. 2,2 MB)

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Strom ist nicht alles, aber ohne Strom ist nichts<br />

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Fachbibliothek von HAAG<br />

Die Firma HAAG Elektronische Messgeräte GmbH ist Hersteller<br />

hochpräziser Messgeräte zur Erfassung und Analyse aller<br />

qualitätsbeschreibenden Eigenschaften der Elektroenergie.<br />

Zu den HAAG-Kompetenzfeldern gehören u. a.<br />

► Netzqualitätsmessgeräte und -schreiber<br />

► Netzanalysatoren und Leistungsmessgeräte<br />

HAAG veröffentlicht regelmäßig eigene Fachbeiträge und und stellt<br />

<strong>Seminar</strong>unterlagen namhafter Fachspezialisten ins Netz.<br />

Zur Auswahl: www.haag-messgeraete.de -> Bibliothek<br />

Grundlagen der elektrischen Energieversorgung<br />

HAAG stellt anschaulich gestaltete <strong>Seminar</strong>unterlagen über die Grundlagen<br />

der elektrischen Energieversorgung zum Download bereit.<br />

Die <strong>Seminar</strong>e werden regelmäßig von Dipl.-Ing. Walter Castor, Stadtwerke<br />

Erlangen, veranstaltet und unterliegen seinem Copyright. Die Vervielfältigung<br />

und der Druck dieser Unterlagen ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung des<br />

Autors zulässig.<br />

Dem Leser wird umfassendes Wissen über Grundlagen, Basistechnologien,<br />

Fachausdrücke und Wirkungsprinzipien aus dem Fachgebiet der Energieversorgung<br />

vermittelt.<br />

Die <strong>Seminar</strong>e richten sich hauptsächlich an Einsteiger in das Fachgebiet, aber<br />

auch Profis finden viele neue Informationen. Diese Unterlagen eignen sich<br />

hervorragend zur Auffrischung des Grundlagenwissens.<br />

Viele interessante Beispiele beleben den Blick in die Praxis.<br />

► Textband - Grundlagen und Theorie (<strong>ca</strong>. 120 Seiten - 1,2 <strong>MB</strong>)<br />

► <strong>Seminar</strong> 1 - Grundlagen (<strong>ca</strong>. 2.2 <strong>MB</strong>)<br />

► <strong>Seminar</strong> 1a - Kraftwerke (<strong>ca</strong>. 1,5 <strong>MB</strong>)<br />

► <strong>Seminar</strong> 2 - Netze (<strong>ca</strong>. 1,3 <strong>MB</strong>)<br />

► <strong>Seminar</strong> 3 - Kabel (<strong>ca</strong>. 3,4 <strong>MB</strong>)<br />

► <strong>Seminar</strong> 4 - Schaltgeräte (<strong>ca</strong>. 1,7 <strong>MB</strong>)<br />

► <strong>Seminar</strong> 5 - <strong>Trafo</strong> (<strong>ca</strong>. 2,2 <strong>MB</strong>)<br />

► <strong>Seminar</strong> 6 - Schaltanlagen (<strong>ca</strong>. 7,6 <strong>MB</strong>)<br />

► <strong>Seminar</strong> 7 - Fehler (<strong>ca</strong>. 1,3 <strong>MB</strong>)<br />

► <strong>Seminar</strong> 8 - Netzschutz (<strong>ca</strong>. 1 <strong>MB</strong>)<br />

► <strong>Seminar</strong> 9 - Arbeitssicherheit (<strong>ca</strong>. 1,8 <strong>MB</strong>)<br />

► <strong>Seminar</strong> 10 - Störungen, Schaltungen, Kundenanschluss (<strong>ca</strong>. 2 <strong>MB</strong>)<br />

► <strong>Seminar</strong> 11 - Zusammenfassungen (<strong>ca</strong>. 0,2 <strong>MB</strong>)


03 1<br />

03 2<br />

Geschichte des Transformators<br />

1831 Prinzip des Transformators durch M. Faraday (1791-1867)<br />

1856 Transformator mit geschlossenem Eisenkreis<br />

von Samuel Varley (1832-1921)<br />

1885 Ringkerntransformator von Zipernowski,<br />

Déri und Blàthy<br />

1890 Drehstromtransformator durch Michael von Dolivo-Dobrowolski (1862-1919)<br />

1891 Elektrotechnische Ausstellung<br />

in Frankfurt/ Main<br />

Oskar von Miller (1855-1934) beweist mit der ersten Drehstromübertragung über 175 km<br />

von Lauffen am Neckar bis Frankfurt die Überlegenheit der Drehstromtechnik.<br />

Die gesamte Industrie von Siemens bis Edison vertrat bis dahin die Gleichstromtechnik<br />

Generator Zementwerk Lauffen: Maschinenfabrik Oerlikon<br />

50 V, 40 Hz, <strong>ca</strong>. 30 PS<br />

Transformator: BBC Dreischenkelkern 100 kVA<br />

Fernleitung: 15/8,5 kV, 3200 Masten, Cu-Draht-Gewicht: 60 t<br />

Wirkungsgrad der Übertragung: 72,5 %<br />

Sternpunkte niederohmig geerdet<br />

Spannungsinduktion<br />

© W. Castor, 2007<br />

Induktion: Entstehen von Spannungen<br />

durch Magnetflußänderungen<br />

29. August 1831<br />

Michael Faraday<br />

1791 - 1867<br />

© W. Castor, 2007


I µ<br />

03 3<br />

03 4<br />

U 1<br />

G ∼<br />

U i1<br />

I 2<br />

U i2<br />

Φ σ<br />

Spannungsinduktion<br />

Φ Η<br />

elektr. Energie<br />

S 1 = U 1 x I 1<br />

magn. Energie<br />

S2 = U2 x I2 elektr. Energie<br />

Induktion: Entstehen von Spannungen<br />

durch Magnetflußänderungen<br />

Durch die primäre Wechselspannung U1 fließt in der<br />

Primärwicklung der Magnetisierungsstrom I µ; dieser<br />

ruft den WechselflußΦ H hervor. In der Primärwicklung<br />

wird die Selbstinduktionsspannung Ui1 und in der<br />

Sekundärwicklung die Gegeninduktionsspannung Ui2 induziert. Die Selbstinduktionsspannung ist ihrer<br />

Ursache, dem Magnetisierungsstrom, entgegengerichtet.<br />

In den Kernblechen werden Spannungen induziert,<br />

die wiederum Wirbelströme hervorrufen (Erwärmung).<br />

Transformatorgleichung: U 4, 44 f N ∧<br />

= × × ×Φ<br />

U 1<br />

Φ h<br />

ΔΦ<br />

U1 = n1×<br />

Δt<br />

i<br />

Prinzipielle Wirkungsweise: Leerlauf<br />

Θ 1<br />

n 1<br />

(open-circuit)<br />

U 4,44 f N ∧<br />

= × × ×Φ<br />

i<br />

Joch<br />

Wegen<br />

I 0 Θ 2<br />

ΔΦ<br />

U2 = n2×<br />

Δt<br />

1 ü = =<br />

U 2<br />

Nahezu der gesamte magnetische Fluß ist im Eisenkern als Träger<br />

des magnetischen Flusses. Es entsteht eine feste magn. Kopplung.<br />

Eingangs- und Ausgangsseite sind galvanisch voneinander<br />

getrennt, d.h. für die Ladungsträger gibt es keinen Weg, direkt in<br />

den anderen Stromkreis zu fließen.<br />

Schenkel<br />

n 2<br />

U 20<br />

U<br />

V<br />

© W. Castor, 2007<br />

n<br />

n<br />

1<br />

2<br />

© W. Castor, 2007


03 5<br />

03 6<br />

S= 3× U× I<br />

⇒ I =<br />

S<br />

3× U<br />

I<br />

1<br />

=<br />

U I<br />

ü = =<br />

U I<br />

400kVA<br />

3× 10kV<br />

1 2<br />

2 1<br />

Prinzipielle Wirkungsweise: Leerlauf<br />

Wie groß sind die Ströme ?<br />

S = 400 kVA<br />

= 23,09 A<br />

I<br />

1<br />

=<br />

10 kV 25<br />

0, 4 kV<br />

Primärstrom<br />

Sekundärstrom<br />

400 kVA<br />

3× 0,4kV<br />

U 1 = 10 kV (20 kV)<br />

U 2 = 400 V<br />

I<br />

1<br />

=<br />

= 577 A<br />

400 kVA<br />

I = 25× I<br />

= = 2 1<br />

3× 20kV<br />

Primärspannung<br />

Sekundärspannung<br />

= 11,55A<br />

= 25× 23,09 A = 577 A<br />

20kV<br />

= = 50 I2 = 50× I1<br />

= 50× 11,55A = 577 A<br />

0, 4 kV<br />

Prinzipielle Wirkungsweise: Last<br />

(load circuit)<br />

Der Strom in der Ausgangswicklung erzeugt einen magnetischen Fluß<br />

in entgegengesetzter Richtung. Das Magnetfeld der Eingangswicklung<br />

wird geschwächt. Die Wicklung nimmt mehr Strom auf, so dass der<br />

ursprüngliche Zustand wiederhergestellt wird.<br />

Durch den entgegensetzten Fluß wird erzwungen, dass ein Teil des<br />

Eingangsflusses das Eisen verlässt und durch die Luft geht.<br />

Er wird Streufluss genannt.<br />

G ∼<br />

I 0<br />

Φ h<br />

ΦG I1 1 n2<br />

Θ2 I2 Θ 1<br />

U 1 Φ 1σ<br />

n 1<br />

I<br />

=<br />

I<br />

2<br />

n<br />

1<br />

Φ2 σ<br />

n 2<br />

U U220 © W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


03 7<br />

03 8<br />

Prinzipielle Wirkungsweise: Kurzschluß<br />

(short-circuit)<br />

Maß für die Streuung bzw. den Innenwiderstand und damit für die<br />

Spannungsänderung bei Belastung:<br />

Kurzschlußspannung U früher: UK Z<br />

Die Kurzschlußspannung U Z ist die Spannung, die bei Nennfrequenz und<br />

kurzgeschlossener Ausgangswicklung an der Eingangswicklung liegen muss,<br />

damit Nennstrom fließt.<br />

Die auf Nennspannung bezogene Kurzschlußspannung wird<br />

„rel. Kurzschlußspannung u Z “ (relative short circuit voltage)<br />

genannt und in % angegeben.<br />

I N<br />

0<br />

G<br />

G<br />

I N<br />

A<br />

23,09 A<br />

U Z<br />

400 V<br />

V<br />

400 kVA<br />

10.000 V 400 V<br />

u Z = 4 %<br />

Prinzipielle Wirkungsweise: Kurzschluß<br />

I N<br />

A<br />

23,09 461 A<br />

U Z<br />

10.000 400VV<br />

V<br />

400 kVA<br />

10.000 V 400 V<br />

u Z = 4 %<br />

© W. Castor, 2007<br />

14,43 577 AkA<br />

Wenn bei 4% der Nennspannung (400 V) Nennstrom I R (23,09 A bzw. 577 A) fließt,<br />

wie groß ist der Strom bei 100 % Nennspannung (10.000 V) ?<br />

I K = 25 x I R<br />

© W. Castor, 2007


03 9<br />

03 10<br />

U 1<br />

I 1<br />

Beispiel:<br />

vereinfachtes Ersatzschaltbild<br />

S r = 400 kVA, S = 315 kVA, ϕ K =66°, ϕ 2 = 25,8°, U 20 = 400V<br />

u Z = 4%<br />

U W = 5,13 V, U S = 11,5 V ΔU= 9,62 V U 2 = 390,38 V<br />

u Z = 6%<br />

R X<br />

Prinzipielle Wirkungsweise: Last<br />

Spannungshöhe bei induktiver Last<br />

Kapp´sches Dreieck<br />

U R U x ü = 1<br />

U W = 7,69 V, U S = 17,27 V ΔU= 14,44 V U 2 = 385,56 V<br />

I kap<br />

U 1N = U 20 ´<br />

U 2´<br />

U 2<br />

I 2<br />

U 1N = U 20 ´<br />

Spannungshöhe bei kapazitiver Last<br />

U X<br />

U Z<br />

ϕ 2<br />

U Z<br />

U X<br />

.<br />

U 2 ´<br />

U R<br />

U R<br />

U 2 ´<br />

UR× cosϕ2<br />

ΔU´<br />

I ind<br />

U×sinϕ x 2<br />

U 20<br />

Klemmenspannung<br />

U Z<br />

U X<br />

U 2´<br />

ΔU<br />

U R<br />

ϕ 2<br />

I ind<br />

U×sinϕ x 2<br />

UR× cosϕ2<br />

ΔU = UW<br />

× 2 + U S<br />

cosϕ × sinϕ<br />

S<br />

= × uZ<br />

× cosϕ × U<br />

S<br />

UW K<br />

N<br />

S<br />

= × uZ<br />

× sinϕ × U<br />

S<br />

U S<br />

K<br />

N<br />

Die Phasenlage des Stromes<br />

wirkt sich so aus, dass die<br />

Ausgangsspannung erhöht wird !<br />

kapazitive Belastung<br />

.<br />

20<br />

20<br />

2<br />

© W. Castor, 2007<br />

ohmsche Belastung<br />

induktive Belastung<br />

Laststrom<br />

© W. Castor, 2007


03 11<br />

Flußdichte B →<br />

03 12<br />

U 1<br />

I 1<br />

Beispiel:<br />

I r0,4 kV = 577 A (S r = 400 kVA)<br />

Prinzipielle Wirkungsweise: Kurzschluß<br />

Wie groß ist der Dauerkurzschlußstrom ?<br />

R X<br />

U R U x ü = 1<br />

vereinfachtes Ersatzschaltbild<br />

U 2´<br />

u Z = 4%,<br />

Dauerkurzschlussstrom I kD = 14,43 kA<br />

u Z = 6%<br />

Dauerkurzschlussstrom I kD = 9,62 kA<br />

Dauerkurzschlußstrom<br />

(steady short-circuit current)<br />

I<br />

10 … 20 kV<br />

4 – 6 %<br />

Kurzschlüsse bei spannungssteifen Transformatoren<br />

sind gefährlicher als bei spannungsweichen !<br />

ungesättigt<br />

U 2<br />

I 2<br />

kD<br />

Prinzipielle Wirkungsweise: Kern I<br />

Bereich der Sättigung<br />

(core)<br />

I<br />

= ×<br />

u<br />

100 r<br />

Z<br />

In Deutschland übliche rel.<br />

Kurzschlußspannungen:<br />

110 kV<br />

10 … 14 %<br />

40 MVA, 20 kV<br />

I nenn = 1150 A<br />

I kD = 8,25 kA<br />

Der Kern ist der Leiter für den magnetischen Fluss.<br />

Er muß magnetisch gut und elektrisch schlecht leiten.<br />

Eisen<br />

Luft<br />

Feldstärke H →<br />

380 kV<br />

11 … 20 %<br />

© W. Castor, 2007<br />

Der Querschnitt des Kerns wird so gewählt,<br />

dass die Flußdichte nahezu konstant ist<br />

und nicht zu nahe an die Sättigungsflussdichte<br />

kommt.<br />

Typ. Flussdichten sind 1,75 … 2,03 T<br />

Zur Vermeidung von<br />

Wirbelstromverlusten besteht der Kern<br />

aus einer Vielzahl von gegeneinander<br />

vollständig isolierter Bleche<br />

(Unterbrechung des Stromweges, nur<br />

kleine Wirbelströme). Durch die<br />

Walzrichtung erhält das Blech eine<br />

magnetische Vorzugsrichtung, durch die<br />

der Magnetisierungsstrombedarf <strong>ca</strong>. 30%<br />

geringer wird.<br />

Die richtige Pressung der Bleche entscheidet über den Geräuschpegel, die Bleche dürfen<br />

aber keiner Druckspannung in Vorzugsrichtung ausgesetzt sein<br />

© W. Castor, 2007


03 13<br />

03 14<br />

Jahr<br />

1910<br />

1950<br />

1980<br />

1983<br />

1995<br />

Prinzipielle Wirkungsweise: Kern II<br />

Material<br />

warm gewalzt<br />

FeSi-Blech<br />

Kalt gewalzt,<br />

kornorientiert<br />

Kalt gewalzt, HiB<br />

Laserbehandeltes<br />

HiB-<br />

Blech<br />

amorph<br />

Dicke<br />

(mm)<br />

0,35<br />

0,30<br />

0,30<br />

0,23<br />

0,18<br />

Verluste<br />

(W/kg)<br />

2,00<br />

1,00<br />

0,7<br />

0,6<br />

Typ<br />

CGO 0,3<br />

HiB 0,3<br />

ZDKH 0,23<br />

Preis<br />

100 %<br />

110 %<br />

140 %<br />

200 %<br />

Je besser das Blech, desto höher ist die Induktion und desto<br />

niedriger die Leerlaufverluste<br />

Begrenzung der Induktion aufgrund der geräuschspezifischen<br />

Anforderungen nötig<br />

Leerlaufverluste P 0 (Eisenverluste)<br />

(Core losses, iron losses)<br />

Aufgenommene Wirkleistung, die von einem mit Nennspannung<br />

unter Nennfrequenz versorgtem Transformator<br />

aufgenommen wird, wenn der sekundäre<br />

Stromkreis offen betrieben wird.<br />

Sie bestehen aus den Verlusten im Eisenkern<br />

und im Dielektrikum und den<br />

vom Leerlaufstrom hervorgerufenen<br />

Verlusten in den Wicklungen.<br />

Die Verluste im Eisenkern setzen sich aus Hysterese- und<br />

Wirbelstromverlusten zusammen.<br />

Die Hystereseverluste entstehen durch das Umklappen der<br />

Elementarmagnete (Mikrokristalle).<br />

Die Wirbelstromverluste werden durch die im Eisen induzierten<br />

Spannungen hervorgerufen. Durch die ohm´schen Widerstände des<br />

Eisen entstehen Ströme, die in wirbelförmigen Bahnen verlaufen (I2xR). Durch die Verwendung von besonders dünnen, voneinander isolierten<br />

Blechen können die Wirbelstromverluste niedrig gehalten werden.<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


03 15<br />

Kurzschlußverluste P k (Kupferverluste)<br />

(short-circuit losses, copper losses)<br />

Wirkleistung, die von den Transformatorwicklungen<br />

als Wärme abgeführt wird, wenn der <strong>Trafo</strong> seinen<br />

Bemessungstrom abgibt.<br />

Die Messung erfolgt am kurzgeschlossenen<br />

Transformator und wird auf eine Bezugstemperatur<br />

(75°C bei Öltrafos, 120°C bei Gießharztransformatoren)<br />

zurückgeführt.<br />

Die Kurzschlußverluste bestehen aus den Stromwärmeverlusten in den<br />

ohm´schen Widerständen der Wicklung (I 2 xR) und den Zusatzverlusten<br />

hervorgerufen durch Wirbelströme in den Wicklungen und in<br />

Konstruktionsteilen (Deckel, Kessel).<br />

03 16<br />

Wirkungsgrad<br />

bei Volllast<br />

Wirkungsgrad<br />

bei Teillast<br />

S<br />

n =<br />

Sr<br />

Wirkungsgrad<br />

2<br />

P0+ n × Pk<br />

η = 1− × 100%<br />

n× S × cosϕ<br />

+ P<br />

315kVA<br />

2<br />

n = = 0,<br />

7875<br />

360W<br />

+ 0,<br />

7875 × 3500W<br />

η = 1−<br />

= 99,<br />

1%<br />

400 kVA<br />

0,<br />

7875×<br />

400 KVA×<br />

0,<br />

9 + 360W<br />

maximaler<br />

Wirkungsgrad bei<br />

Teillastfaktor<br />

n =<br />

P<br />

P<br />

0<br />

k<br />

P0<br />

+ Pk<br />

η = 1−<br />

S × cosϕ<br />

0,<br />

43kW<br />

+ 3,<br />

5kW<br />

η = 1 −<br />

= 98,<br />

91%<br />

400kVA×<br />

0,<br />

9<br />

n =<br />

r<br />

360W<br />

=<br />

3500W<br />

r<br />

0,<br />

321<br />

0<br />

© W. Castor, 2007<br />

S = n×<br />

Sr<br />

= 128kVA<br />

η = 99,<br />

38<br />

© W. Castor, 2007


03 17<br />

03 18<br />

Allgemeine Hinweise für <strong>Trafo</strong>abmessungen<br />

Allgemein gilt für die Kern-, Wicklungs- und Kesselgeometrie:<br />

P0 ⇓ Kern Ø ⇑ WicklungsØ gleich ⇔ PK ⇑ Kessel Ø ⇑<br />

LWA ⇓ Kern Ø ⇑ WicklungsØ gleich ⇔ PK ⇑ Kessel Ø ⇑<br />

P0 ⇓ LWA ⇓ ⇔ P Kern Ø ⇑ ⇑<br />

K ⇑ ⇑ Kessel Ø ⇑ ⇑<br />

US OS<br />

Kern Ø ⇓ Blechqualität ⇑ ⇔ P0 ⇒ PK ⇒ Kessel Ø ⇒<br />

Allgemein gilt für die Änderung von u z (B, Φ, A FE, U W, W, A W = konst):<br />

u z = normal<br />

P K = normal<br />

P 0 = normal<br />

OS<br />

US<br />

Bewertung der Leerlaufverluste:<br />

B<br />

p0<br />

=<br />

k l+ (k a ∗ T B)<br />

€/kW<br />

r<br />

{ }<br />

Bewertung der Kurzschlußverluste:<br />

u z = kleiner<br />

2<br />

(k l ∗ ü + k a ∗ t H ∗ T B) ∗ hr<br />

B pk = €/kW<br />

r<br />

Streuspannung kleiner<br />

Streukanal kleiner<br />

Windungslänge kleiner<br />

P K = kleiner<br />

P 0 = größer<br />

Eisenlänge größer<br />

US OS<br />

u z = größer<br />

<strong>Trafo</strong> wird höher <strong>Trafo</strong> wird flacher<br />

Verlustbewertung I<br />

(jährliche Kapitalisierung)<br />

{ }<br />

Tilgungsfaktor<br />

( 1+<br />

p)<br />

r = p∗<br />

n<br />

( 1+<br />

p)<br />

Streuspannung größer<br />

Streukanal größer<br />

Windungslänge größer<br />

P K = größer<br />

P 0 = kleiner<br />

Eisenlänge kleiner<br />

Zinssatz p ( % ) 6 %<br />

Abschreibungsdauer n (a) 30 a<br />

© W. Castor, 2007<br />

Leistungskosten k l (€/kW) 100.-- € / kW<br />

Arbeitskosten k a (€/kWh) 0,10 € / kWh<br />

Jahresbenutzungsdauer T B (h/a) 8760 h/a<br />

Überlappungsfaktor ü 1<br />

A { }<br />

Belastungsgrad W kWh<br />

m =<br />

S { kW} T { h}<br />

max ∗ B<br />

(EVU-Last<br />

0,29<br />

Arbeitsverlustfaktor t H=0,083m+1,031m 2 -0,119m 3 0,108<br />

rel. Höchstlast h r ( %) 60 %<br />

Belastungsgrad und Arbeitsverlustfaktor berücksichtigen die schwankende Belastung und<br />

die damit verbundene Änderung der Verluste. Der Überlappungsfaktor drückt aus, daß zur<br />

Zeit der Netzhöchstlast nur ein Teil der Transformatoren ihre Höchstlast aufweisen<br />

n<br />

−1<br />

© W. Castor, 2007


03 19<br />

03 20<br />

kap Leerlaufverluste<br />

k + (k ∗ T )<br />

r<br />

{ }<br />

l a B<br />

. =<br />

€ / kW<br />

2<br />

(k l ∗ ü + k a ∗ t H ∗ T B) ∗ h r<br />

kap. Kurzschlußverluste = €/ kW<br />

r<br />

Hersteller<br />

Anschaffungspreis<br />

Leerlaufverluste Po Kurzschlußverluste P K<br />

Bewertete Verluste<br />

kap. Vergleichspreis<br />

Verlustbewertung II<br />

Entscheidungshilfe zur zur Ermittlung des günstigsten Preises<br />

Beispiel:<br />

A B<br />

5.000,00 € 5.500,00 €<br />

0,43 kW 2.197,30 €<br />

3,80 kW 2.318,00 €<br />

4.515,30 €<br />

9.515,30 € 9.474,60 €<br />

Verlustbewertung III<br />

{ }<br />

0,36 kW 1.839,60 €<br />

3,50 kW 2.135,00 €<br />

3.974,60 €<br />

Entscheidungshilfe zur benötigten <strong>Trafo</strong>leistung<br />

400 kVA - 250 kVA<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


03 21<br />

Verlustleistung (kW)<br />

03 22<br />

160,00<br />

140,00<br />

120,00<br />

100,00<br />

80,00<br />

60,00<br />

40,00<br />

20,00<br />

0,00<br />

0<br />

10<br />

20<br />

30<br />

40<br />

Verlustbewertung IV<br />

Entscheidungshilfe zur benötigten <strong>Trafo</strong>leistung<br />

400 kVA - 250 kVA<br />

T1 oder T2<br />

50<br />

P = P + P<br />

= k I + P<br />

k = P<br />

V Cu Fe<br />

∗<br />

Cu<br />

2<br />

nenn<br />

2<br />

I<br />

nenn<br />

60<br />

70<br />

0<br />

Verlustkurven<br />

Entscheidungshilfe zur Optimierung von parallel betriebenen <strong>Trafo</strong>s<br />

80<br />

90<br />

100<br />

110<br />

Strom (A)<br />

120<br />

130<br />

<strong>Trafo</strong>verlustleistungen<br />

Umschaltpunkt:<br />

110 kV bei 114,4 A<br />

10 kV bei 1144 A<br />

140<br />

150<br />

S<br />

160<br />

opt<br />

T1 und T2<br />

170<br />

= S<br />

180<br />

nenn<br />

×<br />

190<br />

© W. Castor, 2007<br />

K<br />

200<br />

P0<br />

P<br />

210<br />

© W. Castor, 2007


03 23<br />

03 24<br />

Kurzzeichen der Kühlmittel:<br />

(cooling medium)<br />

A Kern und Wicklung befinden sich nicht in einer Isolierflüssigkeit<br />

O Kern und Wicklung befinden sich in Mineralöl mit einem Brennpunkt<br />

< 300 °C<br />

L Kern und Wicklung befinden sich in einer synthetischen Isolierflüssigkeit<br />

mit einem Brennpunkt > 300 °C<br />

Kühlmittelbewegung<br />

N Natürliche Bewegung<br />

F Erzwungene Bewegung<br />

Kühlarten<br />

ONAN (Oil Natural Air Natural) Verteil- und Netztransformatoren<br />

ONAF (Oil Natural Air Forced) Netztransformatoren<br />

Ölvolumina<br />

VAwS (Landesverordnung über Anlagen zum<br />

Umgang mit wassergefährdenden Stoffen)<br />

Öl-<strong>Trafo</strong>s mit einer Füllmenge > 100 l<br />

sind in öldichte Auffangwannen zu<br />

stellen<br />

(Auffangvolumen, Abmessungen, Materialen<br />

und Herstellung werden beschrieben)<br />

© W. Castor, 2007<br />

10 kV 250 kVA <strong>ca</strong>. 240 kg <strong>ca</strong>. 210 l<br />

400 kVA 340 … 390 kg 300 … 345 l<br />

630 kVA 320 … 460 kg 280 … 400 l<br />

110 kV 40 MVA <strong>ca</strong>. 15.300 kg <strong>ca</strong>. 13.500 l<br />

© W. Castor, 2007


03 25<br />

03 26<br />

Klassische Brandabdeckung<br />

mit Schottervorlage<br />

Durchschlagspannung (kV)<br />

• hohe elektrische Festigkeit<br />

• gute Alterungseigenschaften<br />

• hoher Flamm- und Brennpunkt<br />

• Temperaturbeständigkeit<br />

• wasserunlöslich<br />

• niedrige Viskosität<br />

70<br />

60<br />

50<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

Abdeckung von Ölwannen<br />

<strong>Trafo</strong>isolierflüssigkeit<br />

Abdeckung mit Schaumgranulat<br />

(„Lichtgitter“)<br />

Lebensdauer des <strong>Trafo</strong>s ist abhängig von der elektr. Feldstärke,<br />

Temperatur und vom Wassergehalt<br />

© W. Castor, 2007<br />

• gute Wärmeleitfähigkeit<br />

• hohe Permitivitätszahl r ( ) 4<br />

• hohe Selbstentzündungstemperatur<br />

• niedrige Verbrennungswärme<br />

• Verträglichkeit mit festen Isolieranteilen<br />

Papier ε =<br />

0<br />

0 20 60 90<br />

Temperatur (°C)<br />

MIDEL 7131 neu<br />

MIDEL 7131 gealtert<br />

Diala D neu<br />

Diala D gealtert<br />

© W. Castor, 2007


03 27<br />

03 28<br />

Abhängig von:<br />

• Vorbelastung<br />

• Kühlmitteltemperatur<br />

Beispiel:<br />

S N = 630 kVA, Vorlast = 400 kVA<br />

Gesucht: zul. Belastung für 4 Stunden<br />

K1 Anfangsbelastung bez. auf S N<br />

K2 zulässige Belastung bez. auf S N<br />

t Dauer von K2 (in h)<br />

S 400 kVA<br />

1 K1= = = 0,64<br />

SN 630 kVA<br />

S2 = K2× SN = 1,27 × 630 kVA<br />

= 800 kVA<br />

Überlastung von Transformatoren<br />

(transformer overload)<br />

K 2<br />

2,0<br />

1,8<br />

1,6<br />

1,4<br />

1,27<br />

1,2<br />

1,0<br />

0,8<br />

1<br />

2<br />

4<br />

6<br />

8<br />

12<br />

t = 0,5<br />

0,6<br />

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2<br />

K 1<br />

Kühlmitteltemperatur 20 °C<br />

Bezeichnung nach der Energierichtung<br />

Primärwicklung Sekundärwicklung<br />

Nimmt Energie vom Netz auf.<br />

Wicklung wirkt als<br />

Verbraucher.<br />

Alle Größen erhalten<br />

den Index 1<br />

Gibt Energie ans Netz ab.<br />

Wicklung wirkt als<br />

Spannungsquelle.<br />

Alle Größen erhalten<br />

den Index 2<br />

Bezeichnung nach der Nennspannung<br />

Oberspannungs-<br />

Wicklung OS<br />

Wicklung mit der<br />

höchsten Nennspannung<br />

Großbuchstaben<br />

Bezeichnungen<br />

Unterspannungs-<br />

Wicklung US<br />

Wicklung mit der<br />

niedrigsten Nennspannung<br />

Kleinbuchstaben<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


03 29<br />

03 30<br />

Kern eines 16-MVA-Gießharztrafo<br />

Aufbau eines Öltransformators<br />

(oil-immersed transformer)<br />

Kernbau I<br />

Dreischenkelkern<br />

(three-limb-core)<br />

Fünfschenkelkern bei Großtransformatoren<br />

zur Verringerung der Bauhöhe ab 300 MVA<br />

Feldm. Entlastung der Joche durch Rückschlußschenkel<br />

(Säulendurchmesser 1540 mm, Gewicht 263 t (ABB))<br />

Ausdehnungsgefäß mit<br />

Ölstandsanzeiger<br />

(expansion tank)<br />

Durchführungen<br />

(bushings)<br />

Umsteller<br />

(off-circuit tap changer)<br />

Preßrahmen<br />

(clamping frame)<br />

Eisenkern<br />

(iron core)<br />

Schaltzeichen<br />

Unterspannungswicklung<br />

(low-voltage winding)<br />

Oberspannungswicklung<br />

(high-voltage winding)<br />

Faltwellenkessel mit Isolierölfüllung<br />

(corrugated tank with insulating oil)<br />

• Schnittwinkel der Bleche : 45°, an der<br />

innenliegenden Säule dachförmiger Schnitt<br />

• möglichst bolzenlose Pressung der Kernbleche<br />

(unbeeinträchtigter Flußverlauf)<br />

• paarweise versetzt angeordnete Bleche<br />

(StepLap)<br />

100 %<br />

100 %<br />

© W. Castor, 2007<br />

Das obere Joch wird in der Regel erst nach der Montage<br />

der Wicklungsblöcke eingeschachtelt<br />

© W. Castor, 2007


03 31<br />

03 32<br />

geblechter Kern<br />

Kühlkanal<br />

Kernbau II<br />

Unterspannungswicklung<br />

Oberspannungswicklung<br />

Leiter- bzw. Windungsisolation: Papier oder Isolierlack<br />

Lagenisolation:<br />

400 kVA: 4520<br />

Prepreg<br />

Bleche,<br />

(aushärtendes<br />

Gesamtlänge:<br />

Harz)<br />

2633 m, Nettogewicht: 497 kg<br />

630 kVA: 5000 Bleche, Gesamtlänge: 3297 m, Nettogewicht: 675 kg<br />

Hauptisolation zw. OS und US: Isolierzylinder aus Preßspan<br />

(Transformerboard)<br />

Distanzierung: Preßspan, Hartpapier, Holz<br />

U Lage<br />

50U L2 = U L2 + U L2 +…<br />

Windungsisolation<br />

0V + U L1 + U L1 + … = 25 U L1<br />

Geräusche<br />

Lagenisolation<br />

„Brummen“ des Transformators durch Streckung der Bleche<br />

um wenige µm (Magnetostriktion),<br />

Frequenz 100 Hz + OS<br />

Gemessen wird der Schalldruckpegel L PA (dB(A)),<br />

der in Summe mit dem Meßflächenmaß (L S = 10 x lg S/1m 2 )<br />

den vergleichbaren Schalleistungspegel L WA ergibt.<br />

(Abstand des Meßpfades vom <strong>Trafo</strong>: 0,3 m)<br />

0,3 m<br />

Meßpfad<br />

Mikrophone<br />

≤ 1 m<br />

halbe <strong>Trafo</strong>höhe<br />

Messungen bei Umgebungsgeräuschen:<br />

Messung der Schallintensität<br />

DIN 42500<br />

630 kVA<br />

Bezugspfad<br />

Berücksichtigung der Lastgeräusche<br />

und der Geräusche der Kühlanlagen !<br />

Preßrahmen<br />

Typ. Werte:<br />

(20 kV, 630 kVA)<br />

…10 V / Wdg<br />

… 4000 V<br />

© W. Castor, 2007<br />

Vibra-Stop<br />

zur Vermeidung der<br />

Körperschallübertragung<br />

© W. Castor, 2007


03 33<br />

03 34<br />

1U1<br />

1U2<br />

1V1<br />

1W1<br />

1V2 1W2<br />

2U1 2V1 2W1<br />

2U2 2V2 2W2<br />

L1<br />

L2<br />

L3<br />

D<br />

y<br />

L1<br />

L2<br />

L3<br />

N<br />

1. Buchstabe (Groß): Schaltung der OS<br />

2. Buchstabe: Schaltung der US<br />

Ein herausgeführter Sternpunkt wird<br />

Jeweils durch den Buchstabe „N“ bzw. „n“<br />

gekennzeichnet<br />

Zeiger der OS-Wicklung<br />

wird als Bezugsgröße<br />

genommen<br />

Die Kennzahl mit 30° multipliziert<br />

gibt an, um welchen Winkel<br />

der Zeiger der US dem der OS nacheilt<br />

Wicklungsanschluß<br />

(winding termination)<br />

1U1 1U2 1V1 1V2 1W1 1W2<br />

2U2 2U1 2V2 2V1 2W2 2W1<br />

Phasenverschiebung<br />

(phase shift)<br />

Resultat der verschiedenen Verschaltungen von OS und US<br />

Stets Vielfaches von 30°<br />

10<br />

9<br />

8<br />

Dyn5<br />

11<br />

7<br />

OS: L1<br />

12<br />

6<br />

1<br />

5<br />

2<br />

4<br />

US: L1<br />

3<br />

© W. Castor, 2007<br />

� = 5 x 30 ° = 150 °<br />

© W. Castor, 2007


03 35<br />

03 36<br />

Schaltungsbild<br />

1U 2U<br />

1V<br />

1W<br />

2V<br />

2W<br />

1U 2U<br />

1V<br />

1W<br />

2V<br />

1U 2U<br />

1V<br />

1W<br />

(vector groups)<br />

Yy0<br />

Dy5<br />

1U<br />

2W 1U<br />

2V<br />

2W<br />

Schaltungsbild<br />

1U 2U<br />

1V<br />

1W<br />

2V<br />

2W<br />

volle Sternpunktbelastbarkeit nur mit AW !<br />

1U 2U<br />

1V<br />

1W<br />

2V<br />

2W<br />

typisch für ON-<strong>Trafo</strong>s<br />

1U 2U<br />

1V<br />

1W<br />

2V<br />

2W<br />

Schaltgruppen<br />

Yz5<br />

1U<br />

1V<br />

1V<br />

1V<br />

1W<br />

1W<br />

1W<br />

Schaltgruppen<br />

(vector groups)<br />

Yy0<br />

Dy5<br />

Yz5<br />

nur für kleine Transformatoren (bis <strong>ca</strong>. 250 kVA)<br />

Zeigerbild<br />

2U<br />

2W<br />

2W<br />

2V<br />

2V<br />

2W<br />

2V<br />

2U<br />

2U<br />

Sternpunktverschiebung bei<br />

unsymmetrischer Belastung<br />

Netztransformatoren<br />

(Auslegung nur für 1/√3-fache<br />

Außenleiterspannung)<br />

Keine Sternpunktverschiebung bei<br />

unsymmetrischer Belastung<br />

Verteiltransformatoren<br />

(Auslegung nur für 1/√3-fachen<br />

Außenleiterstrom)<br />

n<br />

n<br />

n<br />

U<br />

U<br />

1<br />

1<br />

2<br />

1<br />

2<br />

3× n<br />

2× n<br />

1<br />

2<br />

3× n<br />

Yd5 für Maschinentrafos für Kraftwerkgeneratoren oder in Umspannwerken<br />

2<br />

× e<br />

× e<br />

j150°<br />

j150°<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


03 37<br />

03 38<br />

Typenschilder Verteiltransformatoren<br />

Typenschilder Netztransformatoren<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


03 39<br />

03 40<br />

Einschalten von Transformatoren<br />

Rush:<br />

Beim Einschalten leerlaufender Transformatoren können Ströme bis zum 15-fachen<br />

des Bemessungsstromes auftreten. Sie sind abhängig vom Einschaltaugenblick<br />

und der Vormagnetisierung des Eisenkerns. Die Abklingdauer beträgt einige<br />

Sekunden. Günstig ist das Maximum der Netzspannung.<br />

Einschalten von Transformatoren (Spannungsverlauf)<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


03 41<br />

03 42<br />

Ausschalten von Transformatoren (unterspannungsseitig)<br />

Bau von Netztransformatoren I<br />

Transformator 110/10 kV<br />

40 MVA<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


03 43<br />

03 44<br />

Zur Verlust- und<br />

Geräuschminderung werden die<br />

aufeinandergelegten Bleche<br />

gegenseitig gestaffelt<br />

Bau von Netztransformatoren II<br />

Step-Lap-Kern<br />

(load tap changer)<br />

3<br />

1 Stammwicklung<br />

2 Feinstufenwicklung<br />

3 Lastumschalter<br />

4 Feinwähler<br />

5 Vorwähler<br />

6 stromloser Pfad<br />

7 stromführender Pfad<br />

Blick in den Kessel eines<br />

110-kV-Transformators<br />

Älterer Kern (Bj. 1961)<br />

ohne Step-Lap<br />

Stufenschalter zur Regelung der Ausgangsspannung unter Last<br />

Einbau im Sternpunkt der OS<br />

4<br />

6<br />

7<br />

5<br />

3<br />

5<br />

6<br />

4<br />

3 14<br />

7<br />

8<br />

9<br />

10<br />

11<br />

12<br />

13<br />

© W. Castor, 2007<br />

1<br />

2<br />

© W. Castor, 2007


03 45<br />

80000<br />

70000<br />

60000<br />

50000<br />

40000<br />

30000<br />

20000<br />

10000<br />

03 46<br />

0<br />

Intervalle: 100.000 Schaltspiele<br />

oder 6 ... 7.Jahre<br />

Stufenschalter von Netztransformatoren<br />

UW Av T13S<br />

13 S/d<br />

Schaltspiele Stufenschalter<br />

UW Blh T12S<br />

10 S/d<br />

UW Av T11S<br />

9,9 S/d<br />

UW Dh T11S<br />

8,3 S/d<br />

Motorantrieb<br />

UW Dh T12S<br />

8,5 S/d<br />

UW Blh T11S<br />

14,3 S/d<br />

© W. Castor, 2007<br />

Jan 96<br />

Mrz 96<br />

Mai 96<br />

Jul 96<br />

Sep 96<br />

Nov 96<br />

Jan 97<br />

Mrz 97<br />

Mai 97<br />

Jul 97<br />

Sep 97<br />

Nov 97<br />

Jan 98<br />

Mrz 98<br />

Mai 98<br />

Jul 98<br />

Sep 98<br />

Nov 98<br />

Jan 99<br />

Mrz 99<br />

Mai 99<br />

Jul 99<br />

Sep 99<br />

Nov 99<br />

Jan 00<br />

Mrz 00<br />

Mai 00<br />

Jul 00<br />

Sep 00<br />

Nov 00<br />

Jan 01<br />

Mrz 01<br />

Mai 01<br />

Jul 01<br />

Sep 01<br />

Nov 01<br />

Jan 02<br />

Mrz 02<br />

Mai 02<br />

Jul 02<br />

Sep 02<br />

Nov 02<br />

Jan 03<br />

Mrz 03<br />

Mai 03<br />

Jul 03<br />

© W. Castor, 2007


03 49<br />

03 50<br />

Überwachungseinrichtungen an einem Ortsnetztransformator<br />

Hermetic-<br />

Schutz<br />

Buchholzschutz und<br />

Ölstandsüberwachung<br />

Temperaturüberwachung<br />

Luftentfeuchter<br />

(air drier)<br />

Umsteller<br />

© W. Castor, 2007<br />

Sili<strong>ca</strong>gel-Trockenperlen orange<br />

Sili<strong>ca</strong>gel Trockenperlen blau<br />

Indikator: Aluminiumoxid<br />

Indikator: Cobaltdichlorid (karzinogen) Ölvorlage zur Filterung<br />

Trockenmittel zum Feuchtigkeitsentzug<br />

© W. Castor, 2007


03 51<br />

03 52<br />

Stapelung der<br />

geschnittenen Bleche<br />

Bau von Verteiltransformatoren: Kernfertigung<br />

Schneide- und<br />

Stapelmaschine<br />

Einschichten des unteren Jochs<br />

Längs- und Querteilung<br />

der Coils<br />

Bau von Verteiltransformatoren: OS-Wicklungsfertigung<br />

OS-Lagenwicklung aus Cu (multi-layer windung)<br />

zweilagige<br />

Lagenwicklung<br />

(bis 20 kV)<br />

Papierisolierte<br />

Drähte<br />

Spulenwicklungen<br />

(coil winding )<br />

Spulenwicklung in<br />

Doppelspulenschaltung<br />

(> 20 kV)<br />

Lackisolierte<br />

Drähte<br />

Drillleiter<br />

Vertauschen derTeilleiter ⇒<br />

Minimierung der Wirbelstromverluste<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


03 53<br />

03 54<br />

Bau von Verteiltransformatoren: US-Wicklungsfertigung<br />

US-Bandwicklung (strip winding)<br />

nur für Niederspannung<br />

sehr gut geeignet für hohe Ströme<br />

Verschachtelung<br />

US-Bandwicklung außen<br />

OS-Lagenwicklung innen<br />

Bau von Verteiltransformatoren: Kesselfertigung<br />

Faltwellenkesselfertigung<br />

Leitermaterial: Cu<br />

auch Al möglich<br />

Kesselbau bei Großtrafos<br />

Dichtheitsprüfung<br />

mit UV-Lampe<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


03 55<br />

03 56<br />

Anschluß der Durchführungen an die Wicklungsenden<br />

Anschluss der<br />

Durchführungen<br />

Deckeldichtungen<br />

Bau von Verteiltransformatoren: Montage<br />

Bau von Verteiltransformatoren: Details Kessel<br />

Montage des Deckels<br />

© W. Castor, 2007<br />

eingeschweisstes VA-Blech im Bereich<br />

US-Durchführung zum Vermeiden<br />

von Wirbelströmen<br />

auch mit Kork, gummierten Kork<br />

dauereleastische Silikonmasse<br />

früher: Klingerit<br />

© W. Castor, 2007


03 57<br />

US<br />

Anziehdrehmomente:<br />

Bolzen M12 15,5 Nm<br />

M20 52 Nm<br />

Anschlußstück mit Schraube<br />

M10 40 Nm<br />

M12 70 Nm<br />

03 58<br />

Durchführungen, Anschlüsse<br />

Bau von Verteiltransformatoren: Lackierung und Befüllung<br />

Flutlackierung<br />

Vakuumtrocknung /<br />

Ölbefüllung<br />

OS<br />

© W. Castor, 2007<br />

<strong>Trafo</strong>öl ist nach IEC 296 genormt und daher ohne<br />

Verlust an technischer Qualität mischbar.<br />

Typ. Fabrikate sind:<br />

Nynäs, Technol, Shell Diala D, Esso, Gulf<br />

© W. Castor, 2007


03 59<br />

03 60<br />

In der Regel:<br />

Al-Wicklungen<br />

Installation<br />

Feuersicherheit<br />

Rauchdichte<br />

Kühlung<br />

Betriebsgeräusche<br />

Überlast<br />

Verluste<br />

Wartung<br />

Kurzschlussfestigkeit<br />

Flammpunkt<br />

Brandlast (1000 kVA)<br />

Oberfläche nicht<br />

berührungssicher !<br />

(Spannung 3 … 6 kV)<br />

Gießharztransformatoren<br />

(<strong>ca</strong>st resin transformer)<br />

Isolation durch festen Isolierstoff<br />

(Gießharz (GEAFOL ® ), Fiberglas (Resibloc ® ))<br />

• schwer brennbar<br />

• selbstverlöschend<br />

• Einsatz in Versammlungsstätten<br />

• Wasserschutzgebieten<br />

• bei bes. baulichen Voraussetzungen<br />

Elt-Bau VO<br />

b<br />

a c<br />

U M (kV)<br />

12<br />

24<br />

36<br />

a (mm)<br />

Vergleich Flüssigkeitsisoliert - Gießharz<br />

Ölisoliert<br />

Außen, Ölwanne und<br />

lange Kabel erforderlich<br />

Schlecht<br />

gering<br />

Luft (-40°C - +40°C)<br />

gering<br />

Lange, kleine Überlast<br />

P 0 gering, P k hoch<br />

Nötig (Öl- und Gasanalyse, etc.)<br />

keine bei Hermetic<br />

Sehr gut<br />

160°C<br />

30.000 MJ<br />

Silikonester<br />

Innen und Außen, Ölwanne und<br />

lange Kabel erforderlich<br />

gering<br />

Luft (-40°C - +40°C)<br />

gering<br />

Lange, kleine Überlast<br />

P 0 gering, P k hoch<br />

Nötig (Öl- und Gasanalyse, etc.)<br />

keine bei Hermetic<br />

Sehr gut<br />

350°C<br />

26.000 MJ<br />

115<br />

125<br />

170<br />

b (mm)<br />

115<br />

125<br />

170<br />

hoch<br />

hoch<br />

Sehr gut<br />

c (mm)<br />

50<br />

120<br />

200<br />

Gießharz<br />

Sehr gut<br />

Luft (-60°C - +40°C)<br />

Kurze, hohe Überlast<br />

P 0 hoch, P k gering<br />

Praktisch Wartungsfrei<br />

c<br />

© W. Castor, 2007<br />

Innen und außen, keine besonderen<br />

Baumaßnahmen, kurze Kabel<br />

Vakuumvergossen Fiberglas<br />

350°C > 470°C<br />

2.600 MJ 1.500 MJ<br />

© W. Castor, 2007


03 61<br />

03 62<br />

Typenschild 15-MVA-Gießharztransformator<br />

Ofen zum TE-freien<br />

Laminieren<br />

Werkprüfungen an Transformatoren<br />

Stückprüfung nach VDE (Routineprüfungen):<br />

Messung:<br />

Wicklungswiderstände Übersetzungsverhältnis,<br />

Schaltgruppe Kurzschlußspannung,<br />

Kurzschlußverluste Leerlaufverluste,<br />

Prüfung:<br />

Isolationsprüfung<br />

- mit angelegter Wechselspannung 60 sec (Fremdspannungsprüfung<br />

zum Nachweis der Hauptisolation)<br />

-mit induzierter Wechselspannung (doppelte Spannung und Frequenz<br />

(Spannungsfestigkeit zwischen benachbarten Windungen und Phasen)<br />

Typprüfungen:<br />

Erwärmungsmessung (Nachweis der zul. Grenzerwärmung und damit der<br />

Lebensdauer)<br />

Geräuschmessung<br />

Stoßspannungsprüfung (Blitzüberspannung „äußere Überspannung“<br />

Form: 1,2/50 µs, neg. Polarität Schaltüberspannung „innere Überspannung)<br />

Vollwelle und im Rücken abgeschnittene Welle mit T C =2...6 µs<br />

Kurzschlußprüfung Messung der Nullimpedanz<br />

Messung der Oberschwingungen des Leerlaufstromes,<br />

Messung des Eigenverbrauchs der Lüfter, Pumpen<br />

Sonderprüfungen:<br />

TE-Messung (z. B. < 5pC bei 2 x U N )<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


03 63<br />

03 64<br />

Messung des Wicklungswiderstandes,<br />

der Schaltgruppe<br />

und des<br />

Übersetzungsverhältnisses<br />

Werkprüfungen an Transformatoren (VDE)<br />

Messung der Verluste<br />

(Kurzschluß- und<br />

Leerlaufverluste)<br />

Messung der Isolation<br />

(angelegte und induzierte<br />

Wechselspannung)<br />

Werkprüfungen an Transformatoren (Sonderprüfungen)<br />

Geräuschmessung Stoßspannungsprüfung<br />

TE-Messung<br />

Hochspannungskaskade<br />

750 kV<br />

Hochspannungskaskade<br />

75 kV<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


03 65<br />

03 66<br />

Fehler:<br />

Ansprechen einer<br />

Funkenstrecke im<br />

Stufenschalter<br />

Spannungsstoß<br />

Aufzeichnungen bei Stoßspannungsprüfungen<br />

Stromfluß in der<br />

Wicklung<br />

Vergleich des Stromflußes in der<br />

Wicklung zwischen Referenz- und<br />

Prüfstoß<br />

U: 10µs/div<br />

I: 5 µs/div<br />

Fehler:<br />

Übertragene Stoß-<br />

Spannung von der US<br />

Auf die OS<br />

Prüfnachweis<br />

Verluste und rel. Kurzschlußspannung<br />

Die Abnahme der Transformatoren<br />

erfolgt bei der Anlieferung !<br />

• Gefahrenübergang<br />

• Beginn der Gewährleistung<br />

© W. Castor, 2007<br />

Ergebnis bei Messtemperatur<br />

und Umrechnung auf Bezugstemperatur<br />

75°C bei Öltransformatoren<br />

120°C bei Gießharztransformatoren<br />

© W. Castor, 2007


03 67<br />

03 68<br />

1. Äußere Fehler<br />

Beschädigungen am Gehäuse<br />

def. Durchführungen<br />

Leckagen<br />

Messtechnische Überprüfung<br />

Isolationsmessung<br />

OS gegen Erde 5 kV, 1min<br />

OS gegen US 5 kV, 1min<br />

US gegen Erde 2,5 kV, 1 min<br />

Isolations-Widerstände mind. 10 MΩ / kV<br />

( 10 kV ⇒ 10 x 10 MΩ = 100 MΩ)<br />

Spannungs-Verhältnis-Messung<br />

(Erkennen von Windungsfehlern)<br />

L1<br />

3 x 10 kV<br />

3 x 400 V<br />

L2<br />

L3<br />

Geräuschmessung<br />

(noise test)<br />

Prüfungen an Transformatoren vor Ort<br />

ü = 25<br />

L1<br />

L2<br />

L3<br />

© W. Castor, 2007<br />

2. Innere Fehler<br />

Wicklungsunterbrechung<br />

Isolationsfehler<br />

Windungsschluß OS oder US<br />

Kurzschluß zw. OS und US<br />

Kurzschluß zw. OS und Kern<br />

Kurzschluß zwischen US und Kern<br />

3 x 400 V<br />

3 x 16 V ± 0,5%<br />

Widerstandsmessung<br />

Widerstandswerte sehr niedrig und<br />

instabil, daher Messung nur mit spez.<br />

Messbrücke.<br />

Prüfung mit Ohmmeter nur auf<br />

Unterbrechung oder Durchgang.<br />

© W. Castor, 2007


03 69<br />

03 70<br />

630 kVA<br />

2000 kg<br />

(2200 kg)<br />

Typ. Abmessung eines 10-kV-Transformators (20 kV)<br />

400 kVA<br />

1390 kg<br />

(1700 kg)<br />

900 mm 870 mm<br />

630 kVA 400 kVA<br />

(930 mm) (870 mm) 1545mm 1390 mm<br />

(1625 mm) (1525 mm)<br />

< 1000 mm<br />

(lichte Weite Stationstüren !)<br />

DIN 42500<br />

630 kVA<br />

630 kVA 1450 mm (1510 mm)<br />

400 kVA 1210 mm (1290 mm)<br />

Abmessungen von 110-kV-Transformatoren<br />

9200<br />

Transportgewicht: <strong>ca</strong>. 80 t<br />

4600<br />

4650<br />

3850<br />

900<br />

Bahnprofil<br />

2450<br />

© W. Castor, 2007<br />

Schienenoberkante<br />

© W. Castor, 2007


03 71<br />

03 72<br />

Eisenbahntransport<br />

Berücksichtigung des Transportweges<br />

Anlieferung neuer Transformatoren<br />

Transport von 110-kV-Transformatoren<br />

Umladen zum Straßentransport<br />

Einbringen ins Umspannwerk<br />

Transport von Ortsnetztransformatoren<br />

Transport zum Einsatzort<br />

Einbringen in eine<br />

Station<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


Betrieb von Ortsnetztransformatoren:<br />

Überprüfung der Phasenlage bei einem Ortsnetztransformator mit dem Voltmeter<br />

03 73<br />

03 74<br />

Probe:<br />

L1 – L1<br />

L2 – L2<br />

L3 – L3<br />

L1<br />

L2<br />

L3<br />

Keine Anzeige<br />

L1<br />

L2<br />

L3<br />

N<br />

1U 1V 1W<br />

2U 2V 2W<br />

2N<br />

V V<br />

Betrieb von Ortsnetztransformatoren:<br />

Parallelschalten von Transformatoren<br />

Gegenprobe:<br />

L1 – L2<br />

L1 – L3<br />

L2 – L3<br />

Versicherung:<br />

L1 – N<br />

L2 – N<br />

L3 – N<br />

Anzeige<br />

400 V<br />

Anzeige<br />

230 V<br />

� gleiche Nennspannung, Frequenz<br />

� gleiche Schaltgruppenkennzahl (sonst: Ausgleichsströme bereits im Leerlauf)<br />

� gleiches Übersetzungsverhältnis<br />

� Abweichen der Kurzschlußspannungen um nicht mehr als 10% vom<br />

Mittelwert der parallel zu betreibenden Einheiten (sonst: ungleiche Leistungsaufnahmen)<br />

� Nennleistungsverhältnis kleiner 3:1<br />

Parallelgeschaltete Transformatoren<br />

nehmen eine solche Teillast auf, dass alle<br />

Transformatoren die gleiche mittlere<br />

Kurzschlussspannung haben. Wird die<br />

Kurzschlussspannung eines Transformators<br />

auf eine andere Leistung als seine<br />

Nennleistung bezogen, dann ändert sich ihre<br />

Größe entsprechend der Leistung.<br />

Ein 100-kVA-Transformator mit u zN = 4% hat<br />

bei 60 kVA eine Kurzschlussspannung u z:<br />

0,6 : 4 = 2,4%.<br />

Tr 1<br />

S 1<br />

u z1<br />

© W. Castor, 2007<br />

Tr 2<br />

S 2<br />

u z2<br />

© W. Castor, 2007


03 75<br />

03 76<br />

Betrieb von Ortsnetztransformatoren:<br />

Beispiel: Parallelschalten von 3 Transformatoren<br />

Transformator 1: S N1 = 100 kVA u zN1 = 4 %<br />

Transformator 2: S N2 = 250 kVA u zN2 = 6 %<br />

Transformator 3: S N3 = 500 kVA u zN3 = 4,5 %<br />

Gesamtscheinleistung S = 850 kVA<br />

Es gilt:<br />

S<br />

u= z SN1 SN2SN3 + +<br />

u u u<br />

zN1 zN2 zN3<br />

S S<br />

u u u<br />

S<br />

= N1 + N2 +...<br />

z z1 z2<br />

Die resultierende Kurzschlußspannung beträgt dann:<br />

850 kVA<br />

= = 4,78%<br />

100 kVA 250 kVA 500 kVA<br />

+ +<br />

4% 6% 4,5%<br />

Die von den einzelnen Transformatoren aufgenommene Leistung ist:<br />

50 - 70 m<br />

Z 123<br />

0<br />

Gehweg<br />

u 4,78%<br />

z<br />

S 1= S N1×<br />

= 100 kVA × = 12<br />

uzN1 4%<br />

u 4,78%<br />

0kVA<br />

z<br />

S 2= S N2×<br />

= 250 kVA × = 199 kVA<br />

uzN2 6%<br />

u 4,78%<br />

z<br />

S 3= S N3×<br />

= 500 kVA × = 53<br />

uzN3 4,5%<br />

DIN 42500<br />

630 kVA<br />

Gehweg<br />

0<br />

Z 123<br />

50 - 70 m<br />

Arbeitsstelle<br />

1kVA<br />

Regelplan VII<br />

Arbeitsstelle kürzerer Dauer<br />

innerorts<br />

<strong>Trafo</strong>tausch<br />

in <strong>Trafo</strong>stationen<br />

Anfang und Ende der<br />

Arbeitsstelle<br />

Spitzwinklige Querabsperrung<br />

Leitkegel H = 500 mm,<br />

Z 610-40<br />

Längsabstand max. 5 m<br />

Längsabstand 1 - 2 m<br />

Querabstand 0,6 - 1 m<br />

Fuß- und Radweg mit<br />

lückenlos aufgestellten<br />

Leitkegeln absperren<br />

Längsabsperrung<br />

Leitkegel H = 500 mm,<br />

Z 610-40<br />

Längsabstand max. 5 m<br />

Aufstellhöhe der<br />

Verkehrszeichen<br />

(Unterkante):<br />

Auf Radwegen mind. 2,2 m<br />

Auf Gehwegen mind. 2,0 m<br />

Auf Seitenstreifen mind. 1,5 m<br />

Genehmigungsvermerk<br />

S = 850 kVA<br />

RSA-Regelpläne<br />

Absprache mit<br />

den jeweiligen<br />

Ordnungsbehörden<br />

(Ordnungsamt,<br />

Straßenverkehrsamt<br />

Polizei) erforderlich<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


03 77<br />

L1<br />

L2<br />

L3<br />

03 78<br />

Meßwandler<br />

Der direkte Anschluß eines Meßgerätes an das Netz<br />

ist aus sicherheitstechnischen Gründen beschränkt auf<br />

Spannungen < 500 … 800 V und Ströme < 10 A<br />

Meßwandler sind Transformatoren mit kleiner Leistung.<br />

Sie werden weit unterhalb der Sättigung des Eisenkerns betrieben.<br />

Die hohen Werte der Netzgröße (Primärgröße X 1 ) wird gewandelt und<br />

galvanisch getrennt auf niedrige Werte (Sekundärgröße X 2 ). Die<br />

Abbildung erfolgt amplituden- und phasengetreu.<br />

K<br />

U<br />

X<br />

U<br />

20.000V<br />

= = 200<br />

100V<br />

u<br />

einpolig<br />

x<br />

u<br />

U<br />

Nennübersetzung:<br />

U I<br />

zweipolig<br />

K<br />

n<br />

X<br />

=<br />

X<br />

Spannungswandler<br />

v<br />

V<br />

L1<br />

L2<br />

L3<br />

Aus Sicherheitsgründen immer<br />

sekundärseitig erden!<br />

1<br />

2<br />

zweipolig isoliert<br />

typ. sek. Größe:<br />

100 V<br />

K<br />

I<br />

600 A<br />

= = 120<br />

5 A<br />

(voltage transformer)<br />

u12 u23<br />

u31<br />

Aron-Schaltung<br />

Spannungswandler nie sekundär kurzgeschlossen betreiben !<br />

Sehr kleines u Z , Schutz durch Sicherungen im Sekundärkreis<br />

DIN 40900<br />

© W. Castor, 2007<br />

Schaltzeichen<br />

OS<br />

US<br />

früher<br />

© W. Castor, 2007


03 79<br />

03 80<br />

U = 4 kV<br />

(current transformer)<br />

Erzeuger<br />

L1<br />

L2<br />

L3 P1 (K) P2 (L)<br />

Verbraucher<br />

1S1 (k)<br />

1S2 (l)<br />

Klemmenbezeichnungen (alte Bez. In Klammern)<br />

Aus Sicherheitsgründen immer<br />

sekundärseitig erden!<br />

Stromwandler<br />

Auf Einbaurichtung achten !<br />

Stromwandler nie sekundär offen betreiben !<br />

Der magn. Fluß der Primärseite wird durch den Strom in der sek. Seite geschwächt,<br />

die Spannung auf der Sekundärseite bleibt gering, nie im Sekundärkreis absichern<br />

System<br />

(<strong>ca</strong>pazitive voltage divider)<br />

Ansprechwert Stecksystem<br />

DIN 40900<br />

S1<br />

Schaltzeichen<br />

P1 P2<br />

S2<br />

Holmgreen-Schaltung<br />

typ. sek. Größen:<br />

5 A, 1A<br />

HR hochohmig 70-90V / 36-42,2 MΩ 19 mm / zweipolig<br />

LR niederohmig 4 – 5V / 2 – 2,4 MΩ 6,3 mm Klinke (Koax)<br />

U 2 = 90 V<br />

C 1<br />

C 2<br />

Kapazitive Spannungsanzeige<br />

2,5 μA<br />

36 MΩ<br />

Spannung vorhanden: 45 – 120 % der Nennspannung (I> 3,2 μA)<br />

Phasenvergleich: 60 – 300 ° phasenungleich<br />

0 – 15 ° phasengleich<br />

345 – 360 °<br />

Wiederholungsprüfung erforderlich !<br />

früher<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007

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