Auswahl an Verteiltransformatoren

Kenndaten eines Transformators

Ein Transformator wird zum Teil durch seine elektrischen Kenndaten charakterisiert, jedoch auch durch seine Technologie und seine Anwendungsbedingungen.

Elektrische Kenndaten

• Bemessungsleistung (P_n): Die konventionelle Scheinleistung in kVA, auf der andere Parameter und der Transformatoraufbau basieren. Herstellungstests und Gewährleistungen beziehen sich auf diesen Bemessungswert.
• Frequenz: Für die in diesem Planungskompendium beschriebenen Energiever-teilungssysteme beträgt die Frequenz 50 Hz oder 60 Hz.
• Primär- und Sekundärbemessungsspannungen: Für eine Primärwicklung, die bei mehr als einem Spannungswert betrieben werden kann, muss ein Bemessungs-wert (kVA) für jeden Spannungswert angegeben werden. Die Sekundärbemes-sungsspannung entspricht dem Leerlaufwert.
• Bemessungsisolationspegel: Dieser Pegel wird durch in Prüfungen zur Bestimmung der Überspannungsfestigkeit bei Netzfrequenz und in HS-Stoßspannungs-tests (Blitzentladungssimulation) erlangte Werte bestimmt. Bei den in diesem Pla-nungskompendium beschriebenen Spannungswerten sind die durch HS-Schalt-vorgänge verursachten Überspannungen im Allgemeinen weniger schwerwiegend als die durch Blitz entstehenden Überspannungen, so dass keine separaten Schaltstoßspannungsprüfungen durchgeführt werden.
• Mit einem Umsteller kann man im Allgemeinen einen Wert von bis ± 2,5 % oder ± 5 % der Bemessungsspannung der Oberspannungswicklung wählen. Der Trans-formator muss ausgeschaltet werden, bevor dieser Schalter betätigt wird.
• Wicklungskonfigurationen werden schematisch mit Hilfe von Standardsymbolen für Stern-, Dreieck- und Zick-Zack-Schaltungen (und für entsprechende Kombinationen für Spezialanwendungen, z.B. sechs- oder zwölfphasige Gleichrichtertrans-transformatoren usw.) und mit einem in den IEC-Normen und VDE-Bestimmungen empfohlenen alphanumerischen Code dargestellt. Dieser Code wird von links nach rechts gelesen, wobei sich der erste Buchstabe auf die Oberspannungswicklung bezieht und der zweite Buchstabe auf die nächsthöchste Spannungswicklung usw.:
  • Großbuchstaben dienen zur Schaltungskennzeichnung der Oberspannungs-wicklung:
    • D = Dreieckschaltung
    • Y = Sternschaltung
    • Z= Zick-Zack-Schaltung
    • N = Anschluss mit herausgeführtem Sternpunkt
  • Kleinbuchstaben werden für Tertiär- und Sekundärwicklungen verwendet:
    • d = Dreieckschaltung
    • y = Sternschaltung
    • z = Zick-Zack-Schaltung
    • n = Anschluss mit herausgeführtem Sternpunkt
  • Eine Ziffer zwischen 0 und 11 (genau wie bei einem Ziffernblatt einer Uhr, wobei „0“ anstelle von „12“ verwendet wird) steht hinter jedem Buchstabenpaar und zeigt die Phasenverschiebung zwischen Ober- und Unterspannung an. Eine häufige Wicklungskonfiguration für Verteiltransformatoren ist die eines Dyn 5-Transformators mit einer HS-Wicklung in Dreieckschaltung und einer Sekundärwicklung in Stern-

schaltung mit herausgeführtem Sternpunkt.

Der Phasenwechsel durch den Transformator beträgt 5 x 30° = 150°, d.h. Phase 1 der Sekundärspannung eilt der Primärspannung um 150° nach (Sie liegt bei „5 Uhr”, wenn die Primärspannung bei „12 Uhr” liegt.) (siehe auch Abb. B31, Seite B39 für einen Dyn 11-Transformator).

Alle Kombinationen von Dreieck-, Stern- und Zick-Zack-Schaltungen erzeugen eine Phasenverschiebung, die (wenn ≠ 0) entweder 30° oder ein Vielfaches von 30° beträgt. Die IEC 60076-4-1 (VDE 0532-76-4) beschreibt diesen Code nach dem Prinzip des Ziffernblattes einer Uhr genauer.

Technologie- und anwendungsspezifische Kenndaten des Transformators

Typische Kenndaten sind:

• Wahl der Technologie
  • Das Isoliermedium ist:
  • flüssig (Mineralöl) oder
  • fest (Epoxidharz).
  • Für Innenraum- oder Freiluftaufstellung
  • Aufstellungshöhe (Standard: ≤ 1000 m)
• Umgebungstemperatur (IEC 60076-2 (VDE 0523-102))
  • Höchstwert: ± 40 °C
  • Maximales Tagesmittel: ± 30 °C
  • Maximales Jahresmittel: ± 20 °C

Informationen über abweichende Betriebsbedingungen finden Sie im Abschnitt „Ein-fluss von Umgebungstemperatur und Aufstellungshöhe auf den Bemessungsstrom” auf Seite B9 und sind zwischen Betreiber und Hersteller separat zu vereinbaren.

Beschreibung von Isoliertechniken

Derzeit sind zwei grundlegende Verteiltransformatorausführungen erhältlich:

• Trockentransformatoren (Gießharz-Transformatoren)
• Flüssigkeitsgefüllte Transformatoren (Öltransformatoren)

Trockentransformatoren

Die Wicklungen dieser Transformatoren werden in einem patentierten Verfahren unter Vakuum mit Gießharz isoliert.

Es wird empfohlen, den Transformator gemäß IEC 60076-11 (VDE 0532-76-11) nach folgenden Kriterien auszuwählen:

• Umgebungsklassen
  • Luftfeuchte, Kondensation, Verschmutzung und Umgebungstemperatur sind Um-gebungsbedingungen für Trockentransformatoren, die nicht nur während des Betriebes, sondern auch während der Lagerung vor der Aufstellung von Bedeu-tung sind. Man unterscheidet folgende Umgebungsklassen:
  • Klasse E0
  • Kondensation tritt am Transformator nicht auf, die Verschmutzung ist vernach-lässigbar. Diese Bedingung wird üblicherweise bei Aufstellung in einem staub-freien und trockenen Innenraum erreicht.
  • Klasse E1

Gelegentliche Kondensation kann am Transformator auftreten (z.B. wenn der Transformator abgeschaltet ist). Verschmutzung in begrenztem Umfang ist möglich.

• • Klasse E2

Häufige Kondensation oder starke Verschmutzung oder Kombination beider Einflüsse.

• Klimaklassen

Zwei Klimaklassen sind festgelegt:

• • Klasse C1
  • Der Transformator ist für den Betrieb bei Umgebungstemperaturen nicht unter-5 °C geeignet, kann jedoch während Transport und Lagerung bis -25 °C aus-gesetzt werden.
  • Klasse C2
  • Der Transformator ist für Betrieb, Transport und Lagerung bei Umgebungs-temperaturen bis zu -25 °C geeignet.
• Brandklassen

Zwei Brandklassen sind festgelegt:

• • Klasse F0

Es ist kein bestimmtes Brandrisiko zu berücksichtigen. Mit Ausnahme der durch die Bauart des Transformators vorhandenen Eigenschaften müssen zur Begren-zung der Brandgefahr keine besonderen Maßnahmen vorgesehen werden. Dennoch muss die Abgabe toxischer Stoffe und sichtbehindernden Rauchs auf ein Mindestmaß herabgesetzt sein.

• • Klasse F1

Transformatoren, die bei von Bränden ausgehenden Gefahren in Betracht zu ziehen sind. Eine Begrenzung der Brandgefahr ist erforderlich. Die Abgabe giftiger Stoffe und sichtbehindernden Rauchs muss auf ein Mindestmaß herabgesetzt sein.

Typischerweise sollte man aus den vorstehenden Klassen folgende sinnvolle Kombination wählen:

• • Umgebungsklasse E2 (häufige Kondensation und/oder starke Verschmutzung)
  • Klimaklasse C2 (Verwendung, Transport und Lagerung bis -25 °C)
  • Transformatoren-Feuerbeständigkeit nach Brandklasse F1 (Transformatoren an feuergefährdeten Orten sind schwer entflammbar und innerhalb einer bestimmten Zeit selbstverlöschend).

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf einen Prozess, der von einem in diesem Bereich führenden europäischen Hersteller entwickelt wurde.

Die Gießharzbeimischung besteht aus drei Komponenten:

• Epoxidharz auf der Basis von Biphenol A mit einer Viskosität, die eine ausgezeich-nete Imprägnierung der Wicklungen garantiert.
• Anhydridhärter, der mit einem Flexibilisator gemischt ist. Der Flexibilisator verleiht der Gießharzmischung die erforderliche Elastizität zur Verhinderung von Rissbil-dung während der bei Normalbetrieb auftretenden Temperaturzyklen.
• Feinpulveriger Aktivfüllstoff aus dreifach hydratisierter Tonerde (Al(OH)3) und Quarzmehl. Die Kieselerde verstärkt die mechanische und thermische Qualität des Vergusses und trägt wirksam zur Wärmeabgabe bei.

Diese Gießharzmischung verleiht dem Transformator die Isolationsklasse F (∆θ = 100 K) mit einer hervorragenden Feuerfestigkeit und sofortiger Selbstver-löschung. Diese Transformatoren werden somit als nicht entflammbar eingestuft.

Das Vergusssystem der Wicklungen enthält keine halogenhaltigen Komponenten (Chlor, Brom usw.) oder andere korrosive oder giftige Schmutzstoffe erzeugenden Komponenten. Somit ist maximale Sicherheit für das Personal in Notfallsituationen, besonders im Brandfall, gewährleistet.

Ebenso ist die Leistungsfähigkeit auch unter schwierigen industriellen Bedingungen (Staub, Feuchtigkeit usw.) besonders hoch (siehe Abb. B23).

Flüssigkeitsgefüllte Transformatoren

Die am häufigsten in Transformatoren verwendete Isolier-/Kühlflüssigkeit ist Mineral-öl. Mineralöle werden in der IEC 60296 (VDE 0370-1) spezifiziert. Da diese Öle brennbar sind, sind in vielen Ländern bestimmte Sicherheitsmaßnahmen, beson-ders für Innenraum-Umspannstationen, obligatorisch. Die Erfassungseinheit (Gas-, Druck- und Temperaturerfassung) gewährleistet den Schutz von Öltransformatoren. Bei Auftreten einer Abweichung führt die Erfassungseinheit zum sehr schnellen Abschalten der HS-Versorgung des Transformators, bevor es zu einer Gefahren-situation kommen kann.

Mineralöl ist biologisch abbaubar und enthält kein PCB (polychloriertes Biphenyl), welches zum Verbot von Askarelen, d.h. Pyralene, Pyrolio, Pyrolin usw. führte.Auf Anfrage kann Mineralöl durch eine andere Isolierflüssigkeit ersetzt werden. Dazu muss der Transformator wie erforderlich umgebaut werden und es müssen ggf. entsprechende Vorkehrungen durchgeführt werden.

Die Isolierflüssigkeit wirkt gleichzeitig als Kühlmedium. Sie dehnt sich bei Ansteigen der Last und/oder der Umgebungstemperatur aus, so dass alle flüssigkeitsgefüllten Transformatoren so ausgelegt sein müssen, dass sie das zusätzliche Flüssigkeits-volumen aufnehmen können, ohne dass der Kesseldruck zu hoch wird.

Diese Druckbegrenzung wird im Allgemeinen auf zwei Arten erreicht:

• Hermetisch verschlossener Kessel (derzeit bis 10 MVA)

Dieser wurde von einem führenden französischen Hersteller im Jahr 1963 ent-wickelt. Diese Methode wurde vom nationalen Netzbetreiber im Jahr 1972 über-nommen und wird heute weltweit eingesetzt (siehe Abb. B24).

Die Kessel werden mit flexiblen gewellten Wänden (Rippen) ausgestattet, wodurch eine ausreichende Abkühlung des Transformators ermöglicht wird und Verände-rungen des Flüssigkeitsvolumens während des Betriebes ausgeglichen werden. Die Technik „ohne Ölausdehnungsgefäß“ bietet zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Methoden:

• • Keine Oxydation der dielektrischen Flüssigkeit (mit Luftsauerstoff).
  • Kein Luftentfeuchter und somit keine Wartung (Prüfen und Austauschen des Trockenmittels) notwendig.
  • Für mindestens 10 Jahre ist kein Durchschlagfestigkeitstest der Flüssigkeit nötig.
  • Vereinfachter Schutz gegen interne Fehler mit Hilfe einer Erfassungseinheit möglich.
  • Einfache Installation: geringere Abmessungen (als Kessel mit Ausdehnungsgefäß) und freier Zugang zu den HS- und NS-Anschlussklemmen.
  • Sofortige Erfassung (kleinster) undichter Stellen. Kein Wassereintritt in den Kessel.
• Kessel mit Ausdehnungsgefäß

Durch die Ausdehnung der Isolierflüssigkeit steigt der Flüssigkeitsstand in einem Ausdehnungsgefäß, das über dem Hauptkessel des Transformators montiert ist (siehe Abb. B25). Der Raum über der Flüssigkeit im Ausdehnungsgefäß kann mit Luft aufgefüllt werden, die bei sinkendem Flüssigkeitsstand eingesaugt wird. Sie wird bei ansteigendem Flüssigkeitsstand teilweise wieder ausgestoßen. Wenn die Luft aus der Umgebung eingesaugt wird, strömt sie durch eine Öldichtung und daraufhin durch einen Luftentfeuchter (im Allgemeinen mit Silikatgelkristallen) in das Ausdeh-nungsgefäß. In einigen größeren Transformatoren befindet sich im Raum über dem Öl ein undurchlässiges Luftkissen, so dass die Isolierflüssigkeit niemals in Kontakt mit der Umgebungsluft kommt. Die Luft tritt durch das verformbare Kissen, eine Öldichtung und einen Luftentfeuchter ein und aus (siehe obige Beschreibung). Ein Ausdehnungsgefäß ist für Transformatoren mit einer Bemessungsleistung über 10 MVA obligatorisch (derzeit der obere Grenzwert für Transformatoren ohne Ölaus-dehnungsgefäß).

Wahl der Technologie

Wie zuvor beschrieben, kann man zwischen flüssigkeitsgefüllten und Trockentrans-formatoren wählen. Für Bemessungsleistungen bis 10 MVA sind als Alternative zu Transformatoren mit Ausdehnungsgefäß auch Geräte ohne Ölausdehnungsgefäß verfügbar.

Die Wahl zwischen diesen Transformatoren hängt von einigen Faktoren ab, z.B.:

• Sicherheit von Personen in der Nähe des Transformators. Es sind die örtlichen Vorschriften und offiziellen Empfehlungen zu beachten.
• Wirtschaftliche Gesichtspunkte unter Berücksichtigung der jeweiligen Vorteile jeder Technik.

Es gelten folgende Vorschriften:

• Trockentransformator:
  • In einigen Ländern ist in Hochhäusern ein Trockentransformator obligatorisch.
  • Trockentransformatoren sind sonst uneingeschränkt einsetzbar.
• Transformatoren mit flüssigem Isoliermedium:
  • Diese Transformatorausführung ist im Allgemeinen in Hochhäusern verboten.
  • Bei verschiedenen Arten von Isolierflüssigkeiten verändern sich die Einbaube-schränkungen bzw. der Mindestbrandschutz entsprechend der verwendeten Isolationsklasse.
  • Einige Länder, in denen die Verwendung von dielektrischen Flüssigkeiten weit verbreitet ist, teilen die verschiedenen Flüssigkeitskategorien entsprechend deren Brandverhalten ein. Dieses wird nach zwei Kriterien bewertet: Flammpunkttempe-ratur und Mindestheizwert. Die wichtigsten Kategorien werden in Abb. B26 ange- zeigt (zur Vereinfachung werden Codes angezeigt).

Gesetzliche Bestimmungen legen fest, welche Maßnahmen für den Personen- und Sachschutz mindestens zum Schutz gegen Brandausbreitung vorzunehmen sind.

Die wichtigsten Sicherheitsmaßnahmen sind in Abb. B27 (auf der nächsten Seite) enthalten.

• Für dielektrische Flüssigkeiten der Klasse L3 sind keine speziellen Maßnahmen durchzuführen.
• Für dielektrische Flüssigkeiten der Klassen O1 und K1 sind die angegebenen Maßnahmen nur dann durchzuführen, wenn sich mehr als 25 l dielektrische Flüssigkeit im Transformator befinden.
• Für dielektrische Flüssigkeiten der Klassen K2 und K3 sind die angegebenen Maßnahmen nur dann durchzuführen, wenn sich mehr als 50 l dielektrische Flüssigkeit im Transformator befinden.

Maßnahme 1: Der Transformator ist so anzuordnen, dass das Dielektrikum bei Austritt aus dem Transformator vollständig aufgefangen wird (in einer Wanne, durch Schwellen um den Transformator und durch Sperren von Kabelkanälen, -schächten usw.).

Maßnahme 1A: Zusätzlich zu Maßnahme 1 ist bei Entzündung der Flüssigkeit eine Ausbreitung des Feuers zu verhindern (brennbare Werkstoffe müssen mindestens einen Abstand von 4 m zum Transformator haben oder mindestens einen Abstand von 2 m, wenn eine feuerfeste Abschir-mung [Feuerfestigkeit 1 Std.] eingefügt wurde).

Maßnahme 2: Es sind Vorkehrungen zu treffen, dass brennende Flüssigkeit schnell und selbstständig wieder erlischt (durch Kugelhaufen in der Auffangwanne).

Maßnahme 3: Eine automatische Erfassungseinheit (Gas-, Druck- und thermisches Relais oder Buchholzrelais) zur Unterbrechung der Primär-spannungsversorgung und zur Auslösung eines Alarms bei Auftreten von Gas im Transformatorkessel.

Maßnahme 4: Automatische Brandmeldeanlagen in direkter Nähe des Transformators zur Unterbrechung der Primärspannungsversorgung und zur Auslösung eines Alarms.

Maßnahme 5: Automatisches Schließen aller Öffnungen (Lüftungsklappen usw.) durch feuerfeste Abschirmungen (min. Feuerfestigkeit 1/2 Std.) in den Wänden und Decken des Umspannstationsraums.

Hinweise:

(1) Eine feuerfeste Tür (Feuerfestigkeit 2 Std.) wird nicht als Öffnung betrachtet.

(2) Transformatorraum angrenzend an eine Werkstatt und von dieser durch Wände getrennt, deren Feuerfestigkeit nicht 2 Std. entspricht. Bereiche in der Mitte von Werkstätten, wobei sich die Geräte in einem Schutzbehälter befinden (oder nicht).

(3) Es ist unerlässlich, dass sich die Geräte in einem abgeschlossenen Raum mit festen Wänden befinden, dessen einzige Öffnungen die Lüftungsöffnungen sind.

Bestimmung der optimalen Leistung

Überdimensionierung eines Transformators

Die Überdimensionierung eines Transformators führt zu:

• hohen Kosten und unnötig hohen Verlusten bei Leerlaufbetrieb, aber auch zu
• niedrigeren Verlusten bei Lastbetrieb.

Unterdimensionierung eines Transformators

Die Unterdimensionierung eines Transformators führt zu:

• einem niedrigeren Wirkungsgrad bei Volllast (den höchsten Wirkungsgrad erhält man bei 50 % - 70 % der Volllast), so dass der optimale Lastbetrieb nicht erreicht wird;
• langandauernden Überlasten mit ernsten Auswirkungen für
  • den Transformator durch die hohe Belastung. Dies führt zur vorzeitigen Abnutzung der Wicklungsisolierung. In extremen Fällen führt dies zu einem Isolationsfehler und zur Zerstörung des Transformators,
  • die Anlage, wenn eine Überhitzung des Transformators zum Auslösen des Leis-tungsschalters durch die Schutzrelais führt.

Bestimmen der optimalen Leistung

Um die optimale Bemessungsleistung (kVA) für einen Transformator zu bestimmen, müssen die folgenden Faktoren berücksichtigt werden:

• Auflisten der Leistung der installierten Verbraucher (s. Beschreibung in Kapitel A).
• Wählen des Verwendungsfaktors für jeden einzelnen Verbraucher.
• Bestimmen des Lastzyklus’ der Anlage, Notieren der Last- und Überlastzeiten.
• Gegebenenfalls Blindleistungskompensation einrichten, um:
  • zusätzliche Entgelte bei Tarifen zu reduzieren, die auf dem maximalen Schein-leistungsbedarf (kVA) basieren,
  • den Wert der bestellten Last zu reduzieren (P(kVA) = P (kW)/cos ϕ).
• Auswählen eines Leistungswertes aus den verfügbaren Bemessungsleistungen der Standardtransformatoren. Dabei sind alle möglichen zukünftigen Anlagen-erweiterungen zu berücksichtigen.

Eine ausreichende Kühlung des Transformators ist grundsätzlich sicherzustellen.

Lüftungsöffnungen

Im Allgemeinen geschieht die Kühlung über die natürliche Luftzirkulation, wobei durch natürliche Konvektion die Wärme im Raum (durch die Transformatorverluste) verdrängt wird.

Ein gutes Lüftungssystem ermöglicht den Eintritt kühler Luft durch eine Öffnung mit dem Querschnitt S auf Fußbodenhöhe und den Austritt der Luft aus dem Raum durch eine Öffnung mit Querschnitt S’, an der der Luftaustrittsstelle gegenüberliegenden Wand und auf einer Höhe H über der Lufteintrittsöffnung (siehe Abb. B28).

Hinweis: Sobald eine ausreichende Luftzirkulation nicht mehr gegeben ist, führt dies zu einer Verringerung der verfügbaren Transformatorleistung, wenn der Be-messungstemperaturgrenzwert nicht überschritten werden soll.

Natürliche Belüftung

Die Formeln zur Querschnittsberechnung der Lüftungsöffnungen lauten wie folgt: und S’ = 1,1 S

wobei gilt: P: Summe der Verluste bei Leerlauf und der Verluste bei Volllast in kW

S: Nettoquerschnitt der Lufteintrittsöffnung (abzüglich der Klappen- oder Gitter-fläche) in mm²

S’: Nettoquerschnitt der Luftaustrittsöffnung (abzüglich der Klappen- oder Gitter-fläche) in mm²

H: Höhe (Mitte-Mitte) der Luftaustrittsöffnung über der Lufteintrittsöffnung in m.

Die Formeln sind gültig bei einer durchschnittlichen Umgebungstemperatur von 20 °C und bei einer Aufstellungshöhe von bis zu 1000 m.

Zwangsbelüftung

Eine Zwangsbelüftung (d.h. mit Hilfe eines elektrischen Lüfters) des Raumes ist not-wendig, wenn die Umgebungstemperatur 20 °C überschreitet oder wenn der Raum schlecht belüftet ist, bei häufiger Überlast des Transformators usw.

Der Lüfter kann durch einen Thermostat gesteuert werden.

Empfohlener Luftstrom in Kubikmetern pro Sekunde bei 20 °C:

• Transformator ohne Ölausdehnungsgefäß: 0,081 P
• Trockentransformator Klasse F: 0,1 P

wobei gilt:

P: Gesamtverluste in kW.