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Leistungstransformatoren sein Transformer auf der Hochspannungsnetz die eine Leistung von mehr als ca. 10MVA umwandeln. Sie werden zwischen feuerbeständigen Wänden in a Umspannwerk. Ihr Funktionsprinzip ist das gleiche wie das der gewöhnlichen Transformator und normalerweise sind sie es Drehstromtransformatoren. Leistungstransformatoren sind in der Norm IEC 60076-1 beschrieben. Spezifische Aspekte der Leistungstransformatoren sind jedoch in anderen Normen enthalten, wie zum Beispiel:

• 60076-2 Aufwärmen
• 60076-3 Isolationsprüfung und dielektrische Prüfung
• 60076-5 Kurzschlussfestigkeit
• 60076-7 Tragfähigkeit
• 60076-8 Anwendungsleitfaden zur Bedienung des Transformators

Komponenten

Teile eines Leistungstransformators

Allgemeine Charakteristiken

Isolierung

Der große Unterschied zwischen a Hochspannungstransformator und ein Verteiltransformator ist die Qualität der Isolierung, angezeigt durch den Isolationsgrad oder Spannungspegel des Transformators. Es Isolationsniveau wird bestimmt durch:

• die Wicklungsisolierung; in der Regel Papier, das auf maximal 120°C erhitzt werden darf. Dies bestimmt sofort den Strom, der durch die . fließt Wicklung fließen kann.
• das Elektroöl die sicherstellen sollen:
  • die Isolierung zwischen spannungsführenden Teilen wie Wicklungen und Leitungen und geerdeten Teilen wie Wanne, Deckel, Kern oder Jochstangen.
  • die Entlassung der Verlustwärme hauptsächlich in den Wicklungen und zu einem geringen Teil auch im Kern.
• die Leiter-Erde-Abstände im Transformator, die sehr sorgfältig geprüft werden müssen.
• kriechen pfade mit Phase-Erde-Verbindungen. Eine stromführende Wicklung muss mechanisch mit dem geerdeten Gehäuse verbunden sein;
• scharfe Metallspitzen. Wir sehen, dass an scharfen Stellen die elektrisches Feld sehr groß, so dass sehr schnell ein Durchschlag der Isolierung auftritt. Deshalb ist es wichtig, für Hochspannung schön abgerundete Metallteile zu verwenden. Ist dies nicht möglich (Schrauben-Mutter-Verbindung), muss der scharfe Teil von einem glatten Metallschirm (Schirm) umschlossen werden.

Wicklungsstruktur

Wicklungen von Leistungstransformatoren eines HS-Transformators werden nicht wie bei Verteiltransformatoren aus einem Draht gewickelt. Deshalb die fließen viel zu groß. Es kann vorkommen, dass für die Hochspannung Flachdraht verwendet, aber meist wird ein Litzenkabel verwendet. Der Leiter besteht dann aus mehreren separat isolierten Flachdrähten. Eine Wicklung hat dann sozusagen mehrere parallele Wicklungsdrähte. Denn beim Wickeln müssen sie alle gleich anbleiben Impedanzunterschiede Um dies zu vermeiden, werden die einzelnen Adern vertauscht.

Kurzschlussspannung

Laut der Amperes Gesetz die Kraft auf die Leiter ist proportional zum Quadrat des Stroms. Da die Nennströme in Leistungstransformatoren bereits sehr groß sind, müssen die Kurzschlussströme sehr begrenzt werden, um im Kurzschlussfall weder den Transformator noch die Anlage zu beschädigen.

Die Kurzschlussspannung U_k ist per Definition die Spannung, die erforderlich ist, um den Nennstrom in einem kurzgeschlossenen Sekundärkreis zu erhalten; es wird normalerweise in Prozent ausgedrückt u_k der Nennspannung:

${displaystyle u_{k}={frac {U_{k}}{U_{nom}}}100/$

Biene Kurzschluss der Kurzschlussstrom Icc ist dann:

${displaystyle I_{cc}=I_{n}/u_{k}.}$

Kühlregime

Ein einphasiger 166,67 MVA Leistungstransformator 400/225/31,5 kV mit ONAN/ONAF/ODAF-Kühlung.

Ein Leistungstransformator hat interne Verluste; Kupferverluste und Eisenverluste die den Transformator erhitzen. Natürlich muss der Transformator diese Verlustenergie auch an die Umgebung abgeben können, um die Betriebstemperatur konstant zu halten. Durch die Verbesserung der Kühlung kann der Transformator stärker belastet werden, da dann auch die erhöhten inneren Verluste abgeführt werden können. Die Verluste werden auf zwei Ebenen abgeführt: Die Wärme der Wicklungen wird auf das Öl übertragen. Das Öl zirkuliert durch natürliche Konvektion oder von einer Pumpe an die Rohre, Radiatoren oder Kühler nach außen gedrückt. Der Zweck dieser Radiatoren besteht darin, die Kühlfläche zu vergrößern. Die zweite Kühlstufe besteht darin, dass die Wärme der Radiatoren an die Außenwelt abgegeben wird. Diese Freisetzung kann dann auch durch natürliche Konvektion erfolgen oder durch Ventilatoren erzwungen werden. Es ist auch möglich, dass die externe Kühlung eine Wasserkühlung ist und dann ein Wärmetauscher die Wärmeübertragung vom Öl auf den Wasserkreislauf sicherstellt. Es versteht sich von selbst, dass bei forcierter Kühlung der Volumenstrom höher ist, so dass mehr Wärme pro Sekunde durch das Kühlmedium Öl, Luft oder Wasser abgeführt werden kann. Wir unterscheiden daher folgende Kühlregime:

• ONAN: Oil Natural - Air Natural. Sowohl die Innenkühlung als auch die Außenkühlung erfolgen durch natürliche Konvektion.
• ONAF: Oil Natural - Air Forced. Die Innenkühlung erfolgt durch natürliche Konvektion, die Außenkühlung wird durch Lüfter erzwungen. Es ist möglich, dass diese Lüfter nicht alle gleichzeitig einschalten, sondern in 2 Gruppen aufgeteilt werden, wobei die 2. Gruppe erst bei einer höheren Temperatur (Leistung) einschaltet. Wir sprechen dann von 2 separaten Kühlregimen, nämlich ONAF1 und ONAF2.
• OFAF: Oil Forced - Air Forced. Sowohl interne als auch externe Kühlung wird erzwungen.
• ODAF: Oil Directed - Air Forced. Bei OFAF ist es möglich, dass nicht das gesamte gepumpte Öl durch die Wicklungen fließt, sondern ein Großteil des Öls außen um die Wicklung strömt und somit nicht effektiv an der Ableitung der Wicklungsverluste beteiligt ist. Bei der ODAF-Kühlung wird das Öl durch die Wicklungen geleitet. Wenn die Wicklungsstruktur so ausgeführt ist, dass das Öl jeden Wicklungsdraht kühlen muss, ist dies eine sehr effiziente Art der Kühlung und es kann ein sehr kompakter Transformator gebaut werden.
• ONWN: Oil Natural - Water Natural
• ONWF: Oil Natural - Water Forced
• OFWF: Oil Forced - Water Forced
• AN: Luft natürlich. externe Kühlung erfolgt durch natürliche Konvektion (Trockentransformatoren)

Ausgleichswicklung

Nicht alle Verbraucher im Stromnetz sind Drehstromverbraucher. Dadurch werden die drei Phasen selten gleich belastet. Eine Kompensationswicklung ist eine zusätzliche oder tertiäre Wicklung in einem Dreieck, die normalerweise für 1/3 der Leistung des Transformators gebaut wird. Diese soll im Extremfall einen einphasigen Kurzschluss, der also eine Wicklung kurzschließt, auf die drei Phasen verteilen können, damit auch die vorgeschalteten Kurzschlussströme kleiner und symmetrisch sind. Nicht alle Leistungstransformatoren sind mit einer Ausgleichswicklung ausgestattet, sie können auch eine Niederspannungswicklung im Dreieck haben.

Arten von Leistungstransformatoren

• (aufsteigen) Generatortransformatoren oder GSUs,
• (Schritt runter) Verteiltransformatoren,
  • Der mobile Leistungstransformator ist auf einem Anhänger montiert
  • Das Spartransformator oder Spartransformator kann bei gleichen Abmessungen mehr Leistung umwandeln
  • NomexTransformatoren halten höheren Wicklungstemperaturen stand und sind daher kompakter
  • Für hohe Leistung und Zuverlässigkeit wird manchmal 3. gewählt einphasig Leistungstransformatoren in einer Transformatorenbank.
• Transformatoren zur Verbindung verschiedener Netze,
• Bahntransformatoren die das Schienennetz einphasig speisen,
• Ofentransformatoren der in der Metallindustrie zum Schmelzen von Metall verwendet. Diese Transformatoren haben eine niedrige Sekundärspannung, führen aber sehr hohe Ströme und werden regelmäßig quasi kurzgeschlossen,
• HGÜ-Transformatoren die in Kombination mit verwendet werden Gleichrichter oder Wechselrichter für interkontinental DC Verbindungen oder für sehr lange Distanzen,
• Kreuzsteuertransformator die neben der Spannung auch den Phasenwinkel steuern kann, so dass die Energie durch den Transformator geregelt werden kann.

Schutz von Leistungstransformatoren

Für den sicheren Betrieb eines Transformators sind viele interne und externe Schutzmaßnahmen erforderlich. Die Schutzmaßnahmen wirken oft auf zwei Ebenen:

• Erste Ebene: Alarm. Ein abnormaler Zustand wird gemeldet und erfordert sofortiges Handeln. Jeder Alarm wird von einem Alarmrelais registriert.
• Zweite Ebene: Herunterfahren. Ein sogenanntes „Trip Relay“ empfängt ein Auslösesignal von einem der Schutzgeräte und entscheidet Leistungsschalter öffnen.

Wir können Sicherheitsgeräte unterteilen in:

• Interne Sicherheit
  • Buchholz-Relais
  • Ölthermometer oben
  • Wickelthermometer
  • Überdruckventil
• Externe Sicherheit
  • Differentialschutz
  • Erdschlussschutz
  • Überspannungsableiter
  • Überstromschutz

Neben Schutzgeräten gibt es teilweise auch Überwachungsgeräte, die den Zustand des Transformators mittels allerlei Messsensoren überprüfen. Das ist ein Transformatorüberwachung System.

Prüfung von Leistungstransformatoren

Jeder Leistungstransformator muss vor der Auslieferung an den Kunden umfangreichen Werksprüfungen unterzogen werden. Der Kunde schickt auch immer einen Testingenieur zu allen Tests, um sicherzustellen, dass die Inspektion fair ist.

Elektrische Prüfung

• Messen der Proportionen
• Messen der Widerstände
• Das Schaltgruppe überprüfen
• Isolationsprüfung mittels Induzierte Spannung
• Isolationsprüfung mit Stoßspannung oder mit Welle schneiden je nach Dämmungsgrad

Aufwärmversuche

Das Aufwärmen erfolgt bei kurzgeschlossener Sekundärseite, da keine Last angeschlossen ist. Dadurch wird auch weniger Spannung benötigt (siehe Kurzschlussspannung). Da bei niedrigerer Spannung die Eisenverluste geringer sind, muss dies durch eine leichte Stromerhöhung ausgeglichen werden, damit die Verluste beim Aufheizen gleich den Volllastverlusten sind. Da die Verluste auch von der Stellung des Steuerschalters abhängen, muss die Stellung mit den höchsten Verlusten gewählt werden. Die Prüfungen sind:

• Messung der Heizung in jedem Kühlregime und Überprüfung auf Einhaltung der Vertragswerte
• Messen Sie nach dem Trennen die Widerstände, um die durchschnittliche Wicklungstemperatur zu bestimmen
• Messen der Lüfter und Pumpen. Ihr Vermögen ist in den Volllastverlusten enthalten.
• Messung der Leerlaufverluste und Volllastverluste
• Schallmessung und Prüfung auf Übereinstimmung mit den vertraglichen Werten

Mechanische Prüfung

Als letzte Prüfung wird der Transformator komplett so gebaut, wie er im Betrieb gebaut werden soll und es werden zusätzliche Prüfungen durchgeführt:

• Lecktest zum Aufspüren von Lecks
• Drucktest
• Überprüfen Sie alle Abmessungen während der Installation
• Überprüfen Sie die Funktion aller Geräte und verbinden Sie diese mit der Kontrollbox
• Funktionstest der Kontrollbox

Kurzschlusstest

Nicht alle Transformatoren werden einem Kurzschlusstest unterzogen. Dieser Test ist von der Norm nicht vorgeschrieben und kann nur in einer spezialisierten Einrichtung (Kema) durchgeführt werden. Der Kurzschlusstest ist daher wegen der Transportkosten. Die Kräfte im Transformator bei dieser Prüfung sind enorm, so dass die Gefahr besteht, dass das Aktivteil durch die Prüfung beschädigt wird.

Transport

Sondertransport um einen Leistungstransformator zum Kai zu bringen

Ein 100-MVA-Leistungstransformator wiegt leicht 100 Tonnen und wird daher nicht integral auf der Straße transportiert. Die relativ kurze Strecke bis zum Kai, wo der Leistungstransformator per Schiff transportiert wird, stellt bereits große logistische Herausforderungen. Der Transformator wird hängend transportiert, um die Höhe zu begrenzen. Das Gewicht verteilt sich auf 6 Achsen vorne und 8 Achsen hinten. Jede Achse hat zweimal 4 Räder. Der Schwerpunkt kann verschoben werden, um Kurvenfahrten zu ermöglichen. Gesteuert wird dies von einem Techniker, der mit einer Fernbedienung in der Hand hinter dem Wohnwagen steht. Viele Ampeln werden abgeschnitten oder zur Seite gedreht und dann ordentlich wieder montiert. So ein außergewöhnlicher Transport ist natürlich ein Jahr im Voraus geplant.