Welche Stoßspannungsfestigkeit weisen Trockentransformatoren auf?

Dies ist eine dieser Fragen, die einfach klingt, aber auf den Punkt bringt, wie ein Transformator seine Lebensdauer übersteht. Nach einem Gewitter riefen mich Kunden an, die frustriert darüber waren, dass ihr Transformator ausgefallen war, während der auf der Straße noch überstanden hatte. Der Unterschied liegt in der Regel in einer Sache: der Überspannungsfestigkeit.

Lassen Sie uns darüber sprechen, was das eigentlich bedeutet und warum es zwischen den Einheiten unterschiedlich ist.

Grundlegendes zur Überspannungsfestigkeit

Die Überspannungsfestigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Trockentransformators, Spannungstransienten zu bewältigen – kurzzeitige Überspannungen, die ein Vielfaches des normalen Betriebspegels erreichen können. Dies sind nicht die langsamen Überlastungen, die Leistungsschalter auslösen. Wir sprechen von Ereignissen, die in Mikrosekunden gemessen werden: Blitzeinschläge in kilometerweiter Entfernung, die Spannungsspitzen auf der Leitung hervorrufen, das Schalten einer Kondensatorbank, das Wanderwellen durch die Zuleitung sendet, oder Betätigungen von Leistungsschaltern, die Spannungsimpulse durch das System reflektieren.

Wenn eine Überspannung auf einen Transformator trifft, belastet sie das Isolationssystem zwischen den Windungen, zwischen den Phasen und von den Wicklungen zur Erde. Entweder hält die Isolierung oder nicht. Wenn es ausfällt, kommt es zu Windungskurzschlüssen, Phase-zu-Phase-Fehlern oder einem Wicklungs-zu-Erde-Ausfall. Dies bedeutet, dass der Transformator vom Netz fällt und häufig ersetzt und nicht repariert werden muss.

Was die Überspannungsfestigkeit tatsächlich misst

In der Praxis wird die Überspannungsfestigkeit eines Transformators durch seinen Basic Impulse Level (BIL) quantifiziert. Hierbei handelt es sich um einen Spitzenspannungswert – etwa 10 kV, 30 kV oder 95 kV –, den das Isolationssystem bei standardisierten Tests überstehen muss. Die Testwellenform ist ein Impuls von 1,2/50 Mikrosekunden: Er steigt in 1,2 Mikrosekunden auf seinen Spitzenwert an und fällt in 50 Mikrosekunden auf die Hälfte dieses Wertes ab. Diese Form entspricht in etwa der Art von transienten Belastungen, denen ein Transformator durch Blitz- oder Schaltereignisse ausgesetzt ist.

Wenn Sie einen Trockentransformator sehen, der mit einer 10-kV-BIL für ein Gerät der 600-V-Klasse oder einem 95-kV-BIL für ein Gerät der 15-kV-Klasse spezifiziert ist, ist das die Überspannung, die er ohne Isolationsversagen aushalten soll. Das bedeutet nicht, dass der Transformator die Überspannung „übersteht“ und weiter arbeitet – es bedeutet, dass das Isolationssystem das Ereignis übersteht, ohne auszufallen.

Warum dies in realen Anwendungen wichtig ist

Hier sehe ich die Verwirrung am häufigsten. Jemand geht davon aus, dass ein Transformator, da er für 480 V ausgelegt ist, einen kurzzeitigen Spannungsanstieg auf 1000 V verkraften kann. Und das könnte einmal der Fall sein. Aber blitzbedingte Überspannungen können in Niederspannungssystemen 6 kV oder mehr erreichen. Ohne ausreichende BIL durchbricht dieses Ereignis die Isolierung.

In Gewerbegebäuden bedeutet ein ausgefallener Transformator, dass Aufzüge anhalten, die Klimaanlage abschaltet und die Mieter verärgert sind. In Industrieanlagen bedeutet dies, dass Produktionslinien stillstehen, Rohstoffe zu Ausschuss werden und Wartungsteams Überstunden machen. Die Kosten für den Transformator selbst sind im Vergleich zu den dadurch verursachten Ausfallzeiten gering.

Was tatsächlich die Überspannungsfestigkeit bestimmt

Dämmstoffe und Konstruktion

Das Isolationssystem ist die erste Verteidigungslinie. In Gießharz-Transformatoren wie unsereTrockentransformator der Serie SC-Die Wicklungen werden unter kontrollierten Bedingungen im Vakuum in Epoxidharz gegossen. Dadurch werden Hohlräume vermieden, in denen eine Teilentladung entstehen könnte. Das Epoxidharz selbst hat eine hohe Durchschlagsfestigkeit, aber ebenso wichtig ist die Art und Weise, wie es sich mit den Leitern verbindet und wie die interne Feldstaffelung an den Enden der Wicklungen bewerkstelligt wird.

Bei belüfteten, trockenen Typen mit Nomex oder ähnlichen Materialien bestimmen die Schichtisolierung und die Kriechstrecken, wie gut der Transformator Überspannungen verträgt. Die Materialien selbst sind gut, aber die Geometrie – wie weit sich der Stromstoß entlang von Oberflächen ausbreiten muss, wie sich das Feld an Ecken konzentriert – ist genauso wichtig.

Wicklungsdesign und Spannungseinstufung

Das ist der Teil, den man von außen nicht sehen kann. Wenn ein Stromstoß in eine Wicklung eindringt, verteilt er sich nicht gleichmäßig. Der anfängliche Spannungsabfall konzentriert sich auf die ersten paar Windungen. Wenn die Windungsisolierung nicht für diese Belastung ausgelegt ist, versagen die ersten Windungen.

Gute Designs nutzen Techniken wie verschachtelte Wicklungen oder abgeschirmte Startwindungen, um die Spannung gleichmäßiger abzustufen. Es ist technische Detailarbeit, aber es unterscheidet Transformatoren, die Überspannungen überstehen, von solchen, die dies nicht überstehen.

FertigungsqualitätDas beste Design scheitert, wenn die Ausführung schlecht ist. Hohlräume im Gussteil, ungleichmäßige Imprägnierung oder beschädigte Isolierung während der Montage schaffen Schwachstellen, an denen Überspannungen ihren Weg finden. Deshalb testen wir jedes Gerät – nicht nur Designmuster – auf Teilentladung. Es erkennt Fehler, bevor sie zu Ausfällen im Feld führen.

Wie Überspannungsfestigkeit getestet wird

Den Impulstest können Sie nicht mit einem Handmessgerät durchführen. Dazu ist ein Impulsgenerator erforderlich, der die Kondensatoren mit präzisem Timing und präziser Wellenform lädt und über die Transformatorwicklungen entlädt.

Während des Tests geben wir eine Reihe von Impulsen mit vollem BIL-Pegel – positiver und negativer Polarität – und überwachen dabei jede Änderung in der Wellenform, die auf einen Ausfall hindeutet. Zum Vergleich führen wir auch reduzierte Spannungsimpulse durch. Der Transformator ist erfolgreich, wenn die aufgezeichneten Wellenformen vor und nach dem Anlegen der vollen Spannung übereinstimmen. Jede Abweichung bedeutet internes Versagen.

Wir messen auch Teilentladungen vor und nach der Impulsprüfung. Wenn die Überspannung mikroskopische Schäden verursacht hat, die nicht zu einem sofortigen Ausfall führten, steigt die Teilentladung. Diese Einheit wird abgelehnt.

Externer Schutz vs. interne Fähigkeit

Ich muss etwas klarstellen: Externe Überspannungsableiter und interne Überspannungsfestigkeit ergänzen sich und sind nicht austauschbar.

Ableiter begrenzen die Spannung, die an die Transformatorklemmen gelangt. Aber sie haben Grenzen – sie können nur so schnell klemmen, und es kommt immer etwas Energie durch. Die eigene Isolierung des Transformators muss mit dem Rest umgehen. Sich ausschließlich auf externen Schutz ohne angemessene interne BIL zu verlassen, ist ein Wagnis, das ich schon zu oft verloren habe.

Für kritische Anwendungen entwickeln wir den BIL-Wert entsprechend der Exposition und empfehlen Ableiter als zusätzlichen Schutz. Beides ist wichtig.

Was wir anders machen

Unser Ansatz beginnt damit, zu verstehen, wo der Transformator untergebracht sein wird. Eine Einheit, die in ein Rechenzentrum mit eigener Einspeisung und guter Abschirmung gelangt, ist einer anderen Belastung ausgesetzt als eine Einheit, die über kilometerlange Freileitungen einen abgelegenen Industriestandort speist.

Wir entwickeln Isoliersysteme so, dass sie die BIL-Werte der Normen erfüllen oder übertreffen – aber das ist noch nicht alles. Wir prüfen jede Produktionseinheit auf Teilentladung. Wir überprüfen die Impulsleistung bei Typprüfungen und Musterproduktionseinheiten. Wir betrachten die Details – Abschlussdesign, Kriechstrecken, Feldabstufung – die darüber entscheiden, ob ein Transformator seine erste Blitzsaison übersteht.

Das Fazit

Die Fähigkeit, Überspannungen standzuhalten, ist kein Luxusmerkmal. Dies ist eine Grundvoraussetzung für jeden an das Netz angeschlossenen Transformator. Die Frage ist nicht, ob Ihr Transformator es braucht, sondern ob der von Ihnen gekaufte Transformator es tatsächlich hat oder nur behauptet, es zu haben.

Wenn Sie Trockentransformatoren spezifizieren, fragen Sie nach der BIL-Bewertung. Fragen Sie nach Teilentladungstests. Fragen Sie, wie die Wicklungen für den Umgang mit Spannungsgradienten bei Überspannungen ausgelegt sind. Die Antworten unterscheiden Lieferanten, die das Risiko verstehen, von denen, die auf Ihren ersten Fehleranruf warten.

Wenn Sie Ihren Antrag besprechen möchten und wissen möchten, welches Schutzniveau sinnvoll ist, helfe ich Ihnen gerne weiter. Unsere Produkte, wie z.B. dieTrockentransformator der SC-Seriesind für die zuverlässige Stromversorgung in verschiedenen anspruchsvollen elektrischen Umgebungen konzipiert. Wir sehen uns viele Websites an und haben gelernt, was funktioniert.

Referenzen

• IEEE Std C57.12.01, Allgemeine Standardanforderungen für Trockenverteilungs- und Leistungstransformatoren.
• IEC 60076-11, *Leistungstransformatoren – Teil 11: Trockentransformatoren.
• IEEE Std C62.22, Leitfaden für die Anwendung von Metalloxid-Überspannungsableitern für Wechselstromsysteme.