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6 nicht einfach verständliche Begriffe, die sich auf einen Transformator beziehen, den Sie verstehen sollten

Dunkle Seite des Transformators

Es gibt viele Begriffe im Zusammenhang mit der LeistungEinfach zu visualisierende Transformatorbedienung, die für Studierende besonders wichtig ist, wie zum Beispiel Transformatorbau oder Regelprinzip. Auf der anderen Seite gibt es wenige, die sich nicht so leicht vorstellen können, Begriffe zu verstehen, die nur in der Praxis „gesehen“ werden können.

Das wesentliche Verständnis eines Leistungstransformators

Das wesentliche Verständnis eines Leistungstransformators

In diesem technischen Artikel werden einige Begriffe wie Einschalt- und Magnetisierungsströme, Spannungseinstellung, Vektorgruppen usw. beleuchtet.

  1. Einschaltstrom
  2. Magnetisierungsstrom
  3. Sekundärspannungseinstellung
  4. Transformer-Verbindungsgruppen (Vektor)
  5. Kurzschlussimpedanz
  6. Transformer-Sequenzimpedanzen

1. Einschaltstrom

Warum ist dieser Einschaltstrom so genau? Die Erregung durch Transformatoren erzeugt einen sehr hohen Einschaltstrom, der Spitzenwerte erreichen kann, die bis zum Zehnfachen des Spitzen-Nennstroms reichen. Dies ist ein natürliches Phänomen und der Schutz sollte nicht funktionieren!

Der Schutzschalter ermöglicht eine hohe Flexibilität, um einen Auslösestrom zu vermeiden und dennoch einen guten Schutz aufgrund der Zeit- / Stromkennlinie des elektronischen Relais zu gewährleisten.

Die Größe des Einschaltstromes ist eine statistische Variable und daher jedes Mal wenn der Transformator eingeschaltet ist kann sich von den früheren unterscheiden.

Es gibt verschiedene Faktoren, die die Stärke und Abklingrate des Einschaltstroms beeinflussen

Folgende Hauptfaktoren können identifiziert werden:

Faktor Nr. 1 - Zeitpunkt in der sinusförmigen Spannungskurve, wenn die Bestromung erfolgt. Die schlechteste Situation wäre, wenn der Transformator ist beim Spannungsnulldurchgang erregt.

Anschluss am Spannungsnulldurchgang erfolgtbewirkt, dass der magnetische Fluss im normalen Betrieb den doppelten Wert erreicht. Infolgedessen wird der Kern gesättigt, was die Wicklungsreaktanz stark verringert und den Strom erhöht.

Faktor # 2 - Wert und Richtung des verbleibenden Flusses im Kern des Transformators. Der Wert und die Richtung dieses verbleibenden Flusses hängen vom Zeitpunkt ab, zu dem der Transformator vom Netz getrennt wurde.

Wenn das Trennen zu dem Zeitpunkt erfolgt, zu dem der sich ändernde Fluss seinen maximalen Wert hat, hat auch der verbleibende Fluss seinen maximalen Wert.

Faktor # 3 - Magnetische Eigenschaften des Kerns.

Faktor # 4 - Größe des Transformators.

Faktor # 5 - Quellimpedanz des versorgenden Netzes. Wenn die Versorgungsnetzimpedanz relativ hoch ist (schwaches Netzwerk), verursacht der Einschaltstrom einen erheblichen Spannungsabfall an der Impedanz, wodurch der Versorgungsspannungspegel zum Zeitpunkt des Erregens verringert wird.

Dies verringert den maximalen Einschaltstromwert, erhöht jedoch auch die Abklingzeit.

Einschaltstrom eines 16 MVA-Transformators mit 63/11 kV

Abbildung 1 - Einschaltstrom eines 16 MVA-Transformators mit 63/11 kV

Bei modernen Leistungstransformatoren ist der Einschaltstrom tendenziell höher als bei älteren.

Der Grund dafür sind die Eigenschaften desmoderner Kernstahl, der im normalen Betrieb höhere Flussdichten im Transformator-Design ermöglicht und somit weniger „Raum“ bietet, bevor die Kernsättigung während der Verbindung zum Netzwerk erfolgt

Der Reststrom, Summe der Phasenströme, sollte Null sein, wenn der Kern nicht gesättigt ist und die Masten schließen genau gleichzeitig. Bei einem Y-angeschlossenen und effektiv geerdeten Stromwandler tritt der Einschaltstrom auch im Neutralleiter auf, falls der Kern gesättigt ist.

Der Einschaltstrom enthält die zweite Oberwelle, die zur Erkennung des Einschaltzustands durch die Transformatorschutzrelais verwendet werden kann, beispielsweise den Stromdifferentialschutz.

Das Verhalten des Einschaltstroms bei a 16 MVA 63/11 kV Leistungstransformator als Funktion der Zeit ist in der obigen Abbildung 1 dargestellt.

Der Transformator wird gegen ein relativ schwaches Versorgungsnetz gespeist. Der Nennprimärstrom des betreffenden Transformators beträgt 147 A. Der obere Teil zeigt die Wellenform jedes Phasenstroms und der untere Teil zeigt den Effektivwert jedes Phasenstroms.

Aus der Figur ist ersichtlich, dass der Einschaltstrom auch eine relativ große Gleichstromkomponente enthält. Die DC-Komponente kann zur Sättigung von Strommeßwandlern führen, wodurch ein falsches Nebensignal an Schutzrelais ausgegeben wird.

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2. Magnetisierungsstrom

Der Magnetisierungsstrom bei der Nennspannung ist sehr gering und liegt etwa 1% vom Nennstrom entfernt. Der Magnetisierungsstrom ist jedoch stark vom Versorgungsspannungspegel abhängig.

Wenn der Versorgungsspannungspegel ansteigt, Der Magnetisierungsstrom beginnt schnell zu steigen. Die Steilheit der ansteigenden Stromkurve hängt von den magnetischen Eigenschaften des Kerns und der Flussdichte bei Nennspannung ab.

Die folgende Abbildung zeigt das Verhalten eines bestimmten Transformators.

Der Effektivwert des Magnetisierungsstroms als Funktion der Versorgungsspannung

Abbildung 2 - Der Effektivwert des Magnetisierungsstroms als Funktion der Versorgungsspannung

Der zunehmende Magnetisierungsstrom ist hochInhalt der fünften Harmonischen, der zur Erkennung der Phänomene verwendet werden kann. Die folgende Abbildung zeigt das Problem und das Verhalten eines bestimmten Transformators.

Der Anteil der fünften Oberwelle im Magnetisierungsstrom als Funktion der Versorgungsspannung

Abbildung 3 - Der fünfte Oberwellengehalt des Magnetisierungsstroms als Funktion der Versorgungsspannung

Das Phänomen, das mit einem zunehmenden Magnetisierungsstrom infolge einer Erhöhung der Versorgungsspannung zusammenhängt, wird als Übererregung bezeichnet.

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3. Sekundärspannungseinstellung

Der Spannungspegel, der der Last von derSekundärklemmen des Transformators sollten innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden. Faktoren, die die Schwankung des Sekundärspannungspegels beeinflussen, sind der Primärspannungspegel und der Sekundärlaststrom.

Damit die sekundäre Spannungseinstellung diese Schwankungen kompensieren kann, muss das Spannungswandlungsverhältnis des Leistungstransformators einstellbar sein.

Diese Anpassung wird durch Einführung ermöglicht eine Reihe von Anschlägen in den Wicklungen. Diese Abgriffe befinden sich normalerweise in den primärseitigen Wicklungen, um den durch den Schalter fließenden Strom zu minimieren und die Verbindung zu den verschiedenen Abgriffen herzustellen.

Dieser Schalter kann die Änderung des Abgriffs durchführen, während er den Laststrom führt Laststufenschalteroder der Transformator muss spannungslos sein. In diesem Fall wird er als Stufenschalter bezeichnet (auch Stufenschalter wird verwendet). Eine Definition von "Haupttippen" bezieht sich auf die Stufenstellung, auf die sich alle Nenngrößen beziehen, einschließlich des Nennspannungsverhältnisses.

Die physikalische Anordnung des Stufenschalters mit Transformator kann sich im Haupttank (Intank-Typ) befinden, d. H.

Die andere Möglichkeit besteht darin, den Stufenschalter außerhalb des Haupttanks (On-Tank- oder Containertyp) in seinem eigenen, mit Öl gefüllten Gehäuse an der Seite des Haupttanks anzuordnen.

Es können drei verschiedene Implementierungsprinzipien für den Tapping-Schalter identifiziert werden:

  1. Plus-Minus-Umschaltung,
  2. Lineares Schalten und
  3. Grobfeines Schalten.

Von diesen drei, dem ersten, Plus-Minus-Umschaltung ist die häufigste. Das Funktionsprinzip ist unten dargestellt.

Das Prinzip des Plus-Minus-Umschaltens des Wechslers

Abbildung 4 - Prinzip des Plus-Minus-Schalters des Stufenschalters

In der Regel ist dies der Stufenschaltermotorbetrieben, ermöglicht die fernbedienung. Der Laststufenschalter hat meistens nur manuelle Bedienmöglichkeiten, aber auch ein Motorbetrieb ist möglich.

Der Stufenschalter hat eine Reihe von Stufen, wie z ± 8 × 1,25%. Dies weist auf die Möglichkeit eines 8-stufig, jeweils 1,25%erhöhen oder verringern aus dem Nennspannungsverhältnis. Der Stufenschalter hat weniger Stufen, wie zum Beispiel ± 2 × 2,5%.

Der Betrieb eines Stufenschalters kann mit einem automatischen Spannungsregler (AVR) automatisiert werden.


Wie funktioniert der Tap-Wechsler beim Laden (VIDEO)

Dieses Video erklärt wie ein On Load Tap-Wechsler (OLTC) funktioniert. On Load Tap-Wechsler werden in elektrischen Transformatoren mit Flüssigkeitsbad in der Energietechnik eingesetzt. Der Stufenschalter dient dazu, die Anzahl der Sekundärwicklungen innerhalb des Stromkreises zu regeln.

Durch Ändern der Leitermenge (Wicklungen) innerhalb des sich ändernden Magnetfelds kann die induzierte Spannungsausgabe reguliert werden.


Wie funktioniert der Tap-Wechsler? (VIDEO)

Dieses 3D-animierte Video erläutert, wie ein Laden erfolgtStufenschalter funktioniert. Off-Laststufenschalter sind an elektrischen Transformatoren angebracht und werden manchmal als spannungslose Stufenschalter oder als Leerlaufstufenschalter bezeichnet.

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4. Transformer-Verbindungsgruppen

Die Anschlussgruppen des Leistungstransformators sindmit Buchstaben- und Zahlensymbolen gekennzeichnet. Großbuchstaben beziehen sich auf die Wicklung mit der höchsten Nennspannung und Kleinbuchstaben auf die Wicklung (en) mit einer niedrigeren Nennspannung.

  • Y und y: beziehen sich auf eine sternförmige Wicklung.
  • D und D: beziehen sich auf eine im Dreieck geschaltete Wicklung
  • Z und Z: beziehen sich auf eine mit Zickzack verbundene Wicklung
  • III und iii: beziehen sich auf eine offene (nicht angeschlossene) Drehstromwicklung.
  • N und n: zeigt an, dass der Neutralanschluss einer sterngeschalteten Wicklung an die Oberfläche gebracht wird.
  • ein: zeigt eine automatische Wickelverbindung an.
Die Zahlen dienen zur Anzeige die Phasenverschiebung zwischen Primär- und Sekundärspannung. Der Bezugspunkt ist die Primär-Phase-Erde-Spannung, die mit einer ähnlichen Spannung auf der Sekundärseite verglichen wird.

Die verwendeten Zahlen sind 1 bis 12 (0) und beziehen sich auf die Uhrzeit der normalen Uhr

Wicklungsanordnung und entsprechendes Zeitrad des mit YNd11 verbundenen Transformators

Abbildung 5 - Anordnung der Wicklung und entsprechender Zeitvorwahl des mit YNd11 verbundenen Transformators

Drehstromtransformatoren werden üblicherweise mit den Hochspannungs- und Niederspannungswicklungen betrieben, die in

  • Y (Star),
  • D (Delta) oder
  • Z (Zickzack-) Verbindung.

Die drei Stile sind in Abbildung 6 dargestellt.

Dreiphasige Wicklungsanschlüsse

Abbildung 6 - Dreiphasige Wicklungsverbindungen

Bei der Sternschaltung ist ein Ende jeder der dreiphasigen Wicklungen an einem neutralen Punkt N miteinander verbunden, und am anderen Ende wird eine Leitungsspannung angelegt; Dies ist in 6 (a) gezeigt.

Die Vorteile der Sternverbindung sind:

  1. Es ist billiger für eine Hochspannungswicklung.
  2. Der Neutralpunkt ist verfügbar.
  3. Erdung ist entweder direkt oder über eine Impedanz möglich.
  4. Reduzierter Isolationsgrad (abgestufte Isolierung) ist im Neutralleiter möglich.
  5. Wicklungsanschlüsse und Stufenschalter können sich am neutralen Ende jeder Phase befinden, mit niedrigen Spannungen gegen Erde und zwischen den Phasen.
  6. Einphasige Belastung ist möglich, wobei ein Neutralstrom fließt.

Bei Dreieckschaltung sind die Enden der drei Wicklungen mit benachbarten Phasen der Versorgung verbunden, wie in 6 (b) gezeigt.

Die Vorteile einer Delta-Verbindung sind:

  1. Es ist billiger für Hochstrom-Niederspannungswicklungen
  2. In Kombination mit einer Sternwicklung wird die Nullimpedanz dieser Wicklung verringert
Eine Dreieck-geschaltete Tertiärwicklung wird häufig bei großen dreiphasigen Spartransformatoren verwendet um zu ermöglichen, dass Nullstrom-Strom innerhalb der Wicklungen zirkuliert, oder um zu ermöglichen, dass Oberschwingungsströme mit Triplen-Frequenz fließen, um harmonische Flüsse im Kern aufzuheben.

Die Zick-Zack-Verbindung wird für spezielle Zwecke verwendet, bei denen zwei Wicklungen an jedem Schenkel vorhanden sind und zwischen den Phasen miteinander verbunden sind, wie in 6 (c) gezeigt.

Der Hauptvorteil einer Zickzackverbindung ist: Es ermöglicht eine Neutralstrombelastung mit einer inhärent niedrigen Nullimpedanz und wird in Erdungstransformatoren verwendet, um einen künstlichen Neutralanschluss im System zu erzeugen


Transformator-Vektorgruppe (VIDEO)

In diesem Video werden die Vektorgruppen beschrieben, die Sie auf einem typischen Transformator finden, und die Prinzipien der Phasenverschiebung.

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5. Kurzschlussimpedanz

Die folgende Diskussion führt die (Sequenz-) Impedanzen in Bezug auf dreiphasige Leistungstransformatoren ein.

Kurzschlussimpedanz Z = R + jX [Ω / Phase] ist die äquivalente Impedanz bei Nennfrequenzund Referenztemperatur über die Anschlüsse einer Wicklung eines Paares, wenn die Anschlüsse der anderen Wicklung kurzgeschlossen sind und weitere Wicklungen offen sind.

Bei dreiphasigen Transformatoren wird die Impedanz als Phasenimpedanz ausgedrückt. Diese Menge wird oft in relativer, dimensionsloser Form ausgedrückt. als Bruchteil zpu der Referenzimpedanz Zref [Ω / Phase].

Phasenimpedanz

Oder in Prozentangabe:

Phasenimpedanz in Prozent

Die Referenzimpedanz Zref [Ω / Phase] kann aus der Referenzspannung U berechnet werdenref [V], Referenzstrom Iref [A] und Referenzscheinleistung Sref [VA] wie folgt.

Referenzimpedanz Zref [Ω / Phase]

Die Kombination der obigen Formeln ergibt:

Impedanz kombinierte Formeln

Und ausgehend von Prozentwerten:

Impedanz kombiniert Prozentformeln

Wie bereits erwähnt, ist die Kurzschlussimpedanz Z eine komplexe Zahl einen echten und einen imaginären Teil haben.

Der Realteil der Impedanz kann basierend auf den Nennlastverlusten P berechnet werdenL [W]. Die folgende Formel gibt das Ergebnis in% r% [%] an.

Prozente r [%] Formeln

Der Imaginärteil x% [%] kann wie folgt berechnet werden:

Imaginärer Teil x%

Der tatsächliche R [Ω / Phase] und der Imaginärteil X [Ω / Phase] von Z [Ω / Phase] können wie folgt berechnet werden

Reales R [Ω / Phase] und Imaginärteil X [Ω / Phase] von Z [Ω / Phase]

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6. Transformatorsequenzimpedanzen

Hier werden die Folgeimpedanzen für Leistungstransformatoren vorgestellt. Die folgenden Definitionen werden verwendet:

  • Z1 ist die positive Impedanz [Ω / Phase]
  • Z2 ist die negative Impedanz [Ω / Phase]
  • Z0 ist die Nullimpedanz [Ω / Phase]
Nullsequenzmessung

Abbildung 7 - Nullsequenzmessung

Die folgende Gleichung kann zum Berechnen von verwendet werden Nullimpedanz Z0 [Ω / Phase] unter Verwendung der Spannung U [V] und des Stroms I [A] wie in Abbildung 7 oben definiert.

Nullimpedanz Z0 [Ω / Phase]

Mit Transformatoren:

Nullimpedanz mit Transformatoren

Die positiven und negativen Impedanzen entsprechen der Kurzschlussimpedanz, wohingegen die Nullimpedanz sich erheblich unterscheidet.

Die Faktoren, die die Nullimpedanz beeinflussen, sind:

  • Transformer-Verbindungsgruppe
  • Kern- oder Schalenbauweise
  • 3- oder 5-gliedrige oder dreiphasige Bank, aufgebaut aus einphasigen Einheiten
Die Wirkung der Verbindung des TransformatorsGruppe auf die Nullimpedanz wird genauer untersucht. Die unten angegebenen relativen Nullimpedanzwerte dienen nur als Anhaltspunkt und die tatsächlichen Werte müssen den Datenblättern des jeweiligen Transformators entnommen werden.

Darüber hinaus beziehen sich die angegebenen Werte auf eine kernartige Konstruktion mit drei Gliedmaßen.

Die folgenden Definitionen wurden verwendet:

  • H: Hochspannungswicklung (Primärwicklung)
  • L: Niederspannungswicklung (Sekundärwicklung)
  • T: Tertiärwicklung
  • E: Erdpotential
  • z: Relative Kurzschlussimpedanz
  • z0HL: Relative Nullimpedanz von der Hochspannungs- zur Niederspannungsseite
  • z0HE: Relative Nullimpedanz von der Hochspannungsseite zur Erde
  • z0LE: Relative Nullimpedanz von der Niederspannungsseite zur Erde
Nullimpedanzen von mit YNyn und YNy verbundenen Leistungstransformatoren im Verhältnis zur Kurzschlussimpedanz der Einheiten

Abbildung 8 - Nullimpedanzen von mit YNyn und YNy verbundenen Leistungstransformatoren als Beziehung zur Kurzschlussimpedanz der Einheiten

Wenn der oben dargestellte Leistungstransformator die Fünfgliedkonstruktion aufweist oder die Dreiphasenbank aus einphasigen Einheiten aufgebaut ist, sind die Werte von Z0HE und Z0LE sind im Grunde unendlich.

Nullimpedanzen von YNd- und Dyn-angeschlossenen Leistungstransformatoren im Verhältnis zur Kurzschlussimpedanz der Einheiten

Abbildung 9 - Nullimpedanzen von YNd- und Dyn-verbundenen Leistungstransformatoren als Beziehung zur Kurzschlussimpedanz der Einheiten

Wenn der oben dargestellte Leistungstransformator die Fünfgliedkonstruktion aufweist oder die dreiphasige Bank aus einzelnen einphasigen Einheiten aufgebaut ist, die z0HE in der YNd-Verbindung ist gleich z.

Null-Nullimpedanzen von mit Yzn und YNynd verbundenen Leistungstransformatoren als Beziehung zur Kurzschlussimpedanz der Einheiten

Abbildung 10 - Null-Nullimpedanzen von Yzn- und YNynd-angeschlossenen Transformatoren als Beziehung zur Kurzschlussimpedanz der Einheiten

Normalerweise wird für die Transformatorenhersteller die Nullimpedanz in relativen Werten angegeben, entweder als Bruchteil oder als Prozentsatz der Referenzimpedanz.

Zur Berechnung der tatsächlichen ohmschen Werte können die gleichen Gleichungen wie für die Kurzschlussimpedanzberechnungen verwendet werden.

Mit Transformatoranschlussgruppen, die den geschlossenen Kreislauf für den Nullstromstrom ermöglichen, wie YNddie realen und imaginären Teile derNullimpedanz hat die gleiche Beziehung (Verhältnis von R / X) wie die entsprechende Kurzschlussimpedanz. Bei anderen Verbindungsgruppen ist die Situation komplizierter, während das R / X-Verhältnis nicht notwendigerweise linear ist.

Bei Leistungstransformatoren mit drei Wicklungen ist die Berechnung der ohmschen Werte der Nullimpedanz etwas komplizierter.

In diesem Beispiel sind die folgenden Informationen in den Datenblättern des Transformators enthalten.

Daten für den Transformator, der im Berechnungsbeispiel verwendet wird

Abbildung 11 - Daten für den Transformator, die im Berechnungsbeispiel verwendet werden

Die folgende Abbildung zeigt die Nullimpedanzkomponenten, deren Ohmsche Werte auf der Grundlage der obigen Daten berechnet werden sollten.

Es wird hier angenommen, dass die Impedanzen reine Reaktanz sind und die gewählte Referenzspannung ist 21 kV (Niederspannungsseite des Transformators).

Nullsequenzschaltung des im Beispiel verwendeten Transformators

Abbildung 12 - Null-Sequenz-Schaltung des im Beispiel verwendeten Transformators

Berechnung der ohmschen Werte basierend auf den Daten des Transformators:

Ohmsche Werte basierend auf den angegebenen Daten des Transformators


Die spezifischen Komponentenimpedanzen werden dann berechnet.

Spezifische Komponentenimpedanzen

Sequenzimpedanzen des Transformators

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Quellen:

  1. Elemente von Energieverteilungssystemen von ABB
  2. Elektrische Installationsanleitung von Schneider Electric
  3. Power Engineer´s Handbook von D.F. Warne
Bemerkungen: