Ein Transformator wandelt Wechselspannung durch elektromagnetische Induktion um. Wenn ein Transformator die Spannung erhöht, verringert er den Strom bei annähernd gleicher übertragener Scheinleistung, Verluste ausgenommen. Dreiphasen-Wicklungsschaltungen und Schaltgruppen bestimmen zudem die Verfügbarkeit des Neutralleiters, das Nullsystemverhalten und die Phasenverschiebung. Dieser Leitfaden erläutert den Auf- und Abwärtstransformatorbetrieb, Wechselstrom im Vergleich zu Gleichstrom, Stern- und Dreieckschaltungen, Schaltgruppenbezeichnungen, den Parallelbetrieb und die Spannungsregelung.
Spannung, Strom und Windungsverhältnis
Für einen idealen Transformator:
V₂ ÷ V₁ = N₂ ÷ N₁
Das Spannungsverhältnis verhält sich wie die Windungszahlen. Der Strom ändert sich umgekehrt proportional:
I₂ ÷ I₁ = N₁ ÷ N₂
Ein Transformator, der 400 V auf 10 kV hochsetzt, erhöht die Spannung um das 25-Fache und reduziert idealerweise den Strom auf ein Fünfundzwanzigstel. Die reale Ausgangsleistung ist etwas geringer, da Wicklungs-, Kern- und Streuverluste Wärme erzeugen.
Aufspannende vs. Abspannende Transformatoren
Ein Aufwärtstransformator hat in der angegebenen Richtung des Energieflusses eine höhere Ausgangsspannung als Eingangsspannung. Er wird an Generatoren und erneuerbaren Anlagen eingesetzt, um den Übertragungsstrom zu reduzieren. Ein Abwärtstransformator versorgt Verteiler- und VerbrauchsLasten mit niedrigerer Spannung.
Viele Transformatoren können Leistung in beide Richtungen übertragen, sofern Konstruktion, Anzapfungen, Schutz und Systemerdung dies erlauben. “Primär” und “Sekundär” beschreiben oft die beabsichtigte Quell- und Lastseite, während HV/LV (Hochspannung/Niederspannung) die Spannungswicklungen deutlicher kennzeichnet.
Schnellvergleichs- und Auswahltabelle
Verwenden Sie diese Tabelle als kurze Zusammenfassung der wichtigsten im Artikel erklärten Ingenieur- und Beschaffungsentscheidungen.
| Entscheidungsbereich | Praktische Bedeutung | Was zu überprüfen ist |
|---|---|---|
| Spannung, Strom und Windungsverhältnis | Für einen idealen Transformator gilt: V₂ ÷ V₁ = N₂ ÷ N₁. Das Spannungsverhältnis entspricht dem Windungsverhältnis. | Stromänderungen verhalten sich umgekehrt: I₂ ÷ I₁ = N₁ ÷ N₂ Ein Transformator, der 400 V auf 10 kV hochtransformiert, erhöht die Spannung um das 25-Fache und reduziert den Strom im Idealfall auf ein Fünfundzwanzigstel. |
| Aufspannende vs. Abspannende Transformatoren | Ein Aufwärtstransformator hat in der angegebenen Richtung des Leistungsflusses eine höhere Ausgangsspannung als Eingangsspannung. | Es wird bei Generatoren und erneuerbaren Anlagen eingesetzt, um den Übertragungsstrom zu reduzieren. |
| Funktioniert ein Transformator mit Gleichspannung? | Ein konventioneller Transformator erfordert einen sich ändernden magnetischen Fluss. | Gleichstrom induziert keine kontinuierliche Sekundärspannung. |
| Einphasen- und Dreiphasenwicklungen | Ein Dreiphasentransformator kann einen dreischenkligen Kern oder eine Bank aus Einphaseneinheiten verwenden. | Jede Phasenwicklung hat zwei Enden, die in Stern-, Dreieck- oder bei speziellen Ausführungen in Zickzackschaltung miteinander verbunden werden können. |
| Sternschaltung | In Sternschaltung ist ein Ende jeder Phasenwicklung an einem Sternpunkt zusammengeschaltet. | Die Leiterspannung ist gleich √3 mal der Strangsspannung, während der Leiterstrom gleich dem Strangstrom ist. |
Funktioniert ein Transformator mit Gleichspannung?
Ein konventioneller Transformator erfordert einen sich ändernden magnetischen Fluss. Gleichstrom induziert keine kontinuierliche Sekundärspannung. Das Anlegen von Gleichstrom an einen normalen Transformator kann einen sehr hohen Strom erzeugen, der hauptsächlich durch den Wicklungswiderstand begrenzt wird, was zu schneller Überhitzung und Beschädigung führt. Gleichstrom-Wandlersysteme verwenden elektronische Schaltungen, um vor der magnetischen Transformation wechselnde oder gepulste Wellenformen zu erzeugen.
Einphasen- und Dreiphasenwicklungen
Ein Drehstromtransformator kann einen dreischenkligen Kern oder eine Bank aus Einphaseneinheiten verwenden. Jede Phasenwicklung hat zwei Enden, die in Stern-, Dreieck- oder bei speziellen Ausführungen in Zickzackschaltung miteinander verbunden werden können. Die Schaltung verändert die Verkettungs-/Phasenbeziehungen und das Systemverhalten.
Sternschaltung
In Sternschaltung ist ein Ende jeder Phasenwicklung an einem Sternpunkt verbunden. Die Leiterspannung ist gleich dem $\sqrt{3}$-Fachen der Strangsspannung, während der Leiterstrom gleich dem Strangstrom ist. Der Sternpunkt kann geerdet und für einphasige Lasten verfügbar gemacht werden. Die Isolation pro Phase kann niedriger sein als die Leiterspannung, was bei Hochspannungswicklungen von Vorteil ist.
Delta Connection
In einer Dreieckschaltung bilden die Phasenwicklungen einen geschlossenen Kreis. Die Leiterspannung entspricht der PhasenSpannung, während der Leiterstrom das $\sqrt{3}$-fache des Phasenstroms beträgt. Die Dreieckschaltung bietet einen Pfad für dritte Oberwellen sowie Nullsystem-Kreisströme und verhindert, dass Nullsystemströme direkt zu den Leiterklemmen gelangen.
Gängige Dreiphasenanschlüsse
- Yy Stern-Stern; Nullleiter sind möglicherweise verfügbar, aber Nullsystem und Oberschwingungen erfordern eine sorgfältige Behandlung.
- Dyn: Delta-Hochspannung, Stern-Niederspannung mit Neutralleiter; weit verbreitet für die Verteilung.
- Yd: Stern HV und Dreieck LV; wird verwendet, wenn eine Dreiecksekundärseite zum System passt.
- Dd: Dreieck-Dreieck; kein Neutralleiter und keine inhärente 30-Grad-Verschiebung.
- Zickzack nützlich für Erdung, neutrale Bildung und harmonische Kontrolle.
Wie die Vektorschreibweise funktioniert
Buchstaben kennzeichnen Wicklungsveraltungen: D/d für Dreieck, Y/y für Stern und Z/z für Zickzack. Großbuchstaben bezeichnen normalerweise die Hochspannungswicklung und Kleinbuchstaben die Niederspannungswicklung. “N” oder “n” weist auf einen herausgeführten Sternpunkt hin.
Die Uhrzeitangabe gibt die Phasenverschiebung der Unterspannung (LV) relativ zur Oberspannung (HV) in Vielfachen von 30 Grad an. Dyn11 beschreibt daher Oberspannung in Dreieckschaltung, Unterspannung in Sternschaltung mit Neutralleiter und eine Phasenverschiebung entsprechend der 11-Uhr-Stellung. Die genaue Bezugskonvention richtet sich nach der geltenden Norm.
Warum Vektorgruppen wichtig sind
Die Schaltgruppe beeinflusst den Systemphasenwinkel, die Erdung, den Erdschlussstrom, das Oberschwingungsverhalten und die Parallelschaltbarkeit. Ein falsch ausgewählter Ersatztransformator kann die sekundärseitigen Spannungen phasenverschoben ausgeben, wodurch eine Parallelschaltung gefährlich wird und die Kompensation des Differentialschutzes gestört wird.
Parallele Transformatoranforderungen
Vor dem Parallelschalten prüfen:
- gleiches Spannungsverhältnis und kompatible Stufenstellung;
- gleiche Polarität und Phasenfolge;
- gleiche Schaltgruppe oder identische Phasenverschiebung;
- ähnliche prozentuale Impedanz und ein ähnliches X/R-Verhältnis;
- kompatible kVA-Nennleistungen für proportionale Lastaufteilung;
- zureichende kombinierte Fehlerstromfestigkeit von Schaltanlagen und Sammelschienen.
Geringe Übersetzungsverhältnisse führen auch ohne Last zu Zirkulationsströmen. Impedanzunterschiede verursachen eine ungleiche prozentuale Belastung, sodass eine Einheit überlastet werden kann, bevor die kombinierte Nennleistung erreicht ist.
Transformatorspannungsregelung
Spannungsregelung beschreibt die Änderung der Sekundärspannung zwischen Leerlauf und Last bei einem angegebenen Leistungsfaktor. Wicklungswiderstand und Streureaktanz verursachen einen internen Abfall. Der Lastleistungsfaktor beeinflusst sowohl die Größe als auch die Richtung der Änderung.
Ein Leerlaufstufenschalter passt das Übersetzungsverhältnis nur im spannungslosen Zustand an. Ein Laststufenschalter (OLTC) schaltet die Stufen unter Last um und arbeitet mit einem automatischen Spannungsregler zusammen. Der Regler nutzt gemessene Spannung, Sollwert, Totband, Verzögerung und Leitungsspannungsabfallkompensation, um übermäßige Schalthandlungen zu vermeiden.
Schutz- und Verbindungseffekte
Der Differentialschutz muss das Übersetzungsverhältnis und die Phasenverschiebung der Schaltgruppe kompensieren. CT-Anschlüsse oder Einstellungen des numerischen Relais verhindern zudem, dass Nullstrom zu einer Fehlauslösung führt. Sternpunktbehandlung und Erdschlussschutz hängen davon ab, welcher Sternpunkt zugänglich ist und wie er geerdet ist.
Produktspezifikation
Für eine 35-kV-Ölleistungs-Transformator, geben Sie die HV/LV-Spannung, die Schaltgruppe, die Impedanz, die Anzapfungen und die Erdung an. Kompaktanlagen wie das 35-kV-Kompaktstation für erneuerbare Energien oder YBM-12 Kompaktstation Muss Transformatoranschluss mit Schaltanlagenschutz und NS-Sternpunktanforderungen koordinieren.
Prüfliste zur Verifizierung
- Bestätigen Sie die Systemspannungen und die Frequenz.
- Geben Sie die Anschluss- und Neutralleiteranforderungen an.
- Wählen Sie die Schaltgruppe anhand von System- und Parallelanforderungen aus.
- Impedanz, Anzapfungen und Regelung.
- Nullsystem- und Erdungsverhalten überprüfen.
- Koordination von Differential- und Erdschlussschutz.
- Testen Sie Übersetzungsverhältnis, Polarität, Phasenverschiebung und Schaltgruppe vor dem Einschalten.
Lesen der Transformator-Schaltgruppenbezeichnung
Der erste Großbuchstabe beschreibt die Hochspannungswicklung, der Kleinbuchstabe beschreibt die Niederspannungswicklung, und N oder n kennzeichnet einen herausgeführten Sternpunkt. Die Uhrzeitangabe drückt die Phasenverschiebung der Niederspannung zur Hochspannung in 30-Grad-Schritten aus. Beispielsweise ist Dyn11 eine Dreieck-Hochspannungswicklung, Stern-Niederspannungswicklung mit Sternpunkt, in Uhrzeitposition 11.
Polarität, Phasenverschiebung und Parallelschaltung
Die Polarität stellt eine augenblickliche Klemmenbeziehung her; die Phasenfolge stellt die Phasenreihenfolge her; die Schaltgruppe stellt die Wicklungsverbindung und Phasenverschiebung her. Transformatoren, die für den Parallelbetrieb bestimmt sind, müssen kompatible Sekundärspannungen und Phasenwinkel aufweisen und sollten entsprechend angepasste Impedanzen und Stufenstellungen besitzen, um Zirkulationsströme und ungleiche Lastverteilung zu vermeiden.
Technische Referenzen und weiterführende Literatur
Die folgenden unabhängigen Quellen unterstützen die in diesem Leitfaden behandelten Standards, die Terminologie, die Berechnungen und den Sicherheitskontext:
- IEC 60076-1 Leistungstransformatoren-Norm — Geltungsbereich, Terminologie, Bemessungswerte, Anschlusssymbole, Prüfungen, Sicherheit und allgemeine Anforderungen für Leistungstransformatoren.
- US-Aussenministerium für Energie: Verteilertransformatoren — Offizielle Definitionen, Effizienzanforderungen, Prüfverfahren und regulatorische Ressourcen für Verteiltransformatoren.
- OSHA-Anforderungen für die Übertragung und Verteilung von elektrischer Energie — Sicherheitsanforderungen in Bezug auf Bauarbeiten und Arbeiten an elektrischen Energieübertragungs- und -verteilungsanlagen.
