Welchen Einfluss haben Oberwellen auf einen Stromverteilungstransformator?

Im Bereich elektrischer Energiesysteme spielen Stromverteilungstransformatoren eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung einer effizienten und zuverlässigen Stromversorgung. Als erfahrener Lieferant von Stromverteilungstransformatoren habe ich die Herausforderungen und Chancen verschiedener elektrischer Phänomene aus erster Hand miterlebt. Ein solches Phänomen, das erhebliche Auswirkungen auf Energieverteilungstransformatoren hat, sind Oberschwingungen. In diesem Blogbeitrag werde ich mich mit den harmonischen Auswirkungen auf Stromverteilungstransformatoren befassen und deren Ursachen, Auswirkungen und Strategien zur Schadensbegrenzung untersuchen.

Harmonische verstehen

Oberschwingungen sind sinusförmige Spannungen oder Ströme, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz ist. In den meisten Stromnetzen beträgt die Grundfrequenz je nach Region 50 Hz oder 60 Hz. Beispielsweise hat die 2. Harmonische eine Frequenz von 100 Hz oder 120 Hz, die 3. Harmonische eine Frequenz von 150 Hz oder 180 Hz und so weiter.

Oberschwingungen werden durch nichtlineare Lasten im elektrischen System erzeugt. Nichtlineare Lasten sind Geräte, die Strom nicht sinusförmig aufnehmen. Beispiele für nichtlineare Lasten sind leistungselektronische Geräte wie Frequenzumrichter (VFDs), unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs) und Schaltnetzteile. Diese Geräte verwenden Halbleiterschalter, um den Stromfluss zu steuern, was zur Erzeugung von Oberschwingungen führt.

Ursachen von Oberschwingungen in Energiesystemen

Die Verbreitung nichtlinearer Lasten in modernen Energiesystemen ist die Hauptursache für Oberschwingungen. Da immer mehr elektronische Geräte in industriellen, gewerblichen und privaten Anwendungen eingesetzt werden, nimmt der Grad der Oberschwingungen im Stromnetz zu. Zu den häufigsten Quellen von Oberschwingungen in Energiesystemen gehören:

• Leistungselektronische Geräte: Wie bereits erwähnt, sind leistungselektronische Geräte wie VFDs, USVs und Schaltnetzteile die Hauptquellen für Oberschwingungen. Diese Geräte werden häufig in industriellen Prozessen, Rechenzentren und in der Unterhaltungselektronik eingesetzt.
• Beleuchtungssysteme: Auch Leuchtstofflampen und Leuchtdioden (LEDs) sind Quellen von Oberschwingungen. Diese Beleuchtungssysteme verwenden elektronische Vorschaltgeräte oder Treiber, die Oberschwingungen erzeugen.
• Lichtbogenöfen: Lichtbogenöfen werden in der Stahlindustrie zum Schmelzen von Altmetall eingesetzt. Diese Öfen ziehen eine große Strommenge auf nicht-sinusförmige Weise, was zur Erzeugung von Oberschwingungen führt.

Harmonische Auswirkungen auf Stromverteilungstransformatoren

Oberschwingungen können einen erheblichen Einfluss auf Energieverteilungstransformatoren haben. Das Vorhandensein von Oberschwingungen im Stromnetz kann bei Transformatoren zu folgenden Problemen führen:

• Erhöhte Verluste: Oberwellen erhöhen die Verluste im Transformator. Die erhöhten Verluste sind auf die zusätzliche Erwärmung durch die Oberschwingungsströme zurückzuführen. Die zusätzliche Erwärmung kann zu einer Verringerung des Wirkungsgrades des Transformators und einer Erhöhung seiner Betriebstemperatur führen. Mit der Zeit kann die erhöhte Betriebstemperatur dazu führen, dass sich die Isolierung im Transformator verschlechtert, was zu einem vorzeitigen Ausfall des Transformators führen kann.
• Überhitzung: Oberschwingungen können zur Überhitzung des Transformators führen. Die Überhitzung ist auf die erhöhten Verluste und den durch die Oberschwingungsströme verursachten Skin- und Proximity-Effekt zurückzuführen. Der Skin-Effekt und der Proximity-Effekt bewirken, dass der Strom nahe der Oberfläche des Leiters fließt, was den Widerstand des Leiters erhöht und zu einer zusätzlichen Erwärmung führt. Die Überhitzung kann zu einer Verkürzung der Lebensdauer des Transformators und einer erhöhten Brandgefahr führen.
• Vibration und Lärm: Oberwellen können dazu führen, dass der Transformator vibriert und Geräusche erzeugt. Die Vibrationen und Geräusche sind auf die magnetischen Kräfte zurückzuführen, die durch die harmonischen Ströme erzeugt werden. Die Vibrationen und Geräusche können für die Menschen in der Nähe des Transformators störend sein und auch zu Schäden an den mechanischen Komponenten des Transformators führen.
• Reduzierte Kapazität: Oberschwingungen können die Kapazität des Transformators verringern. Die verringerte Kapazität ist auf die erhöhten Verluste und die durch die Oberschwingungsströme verursachte Überhitzung zurückzuführen. Die reduzierte Kapazität kann dazu führen, dass der Transformator die Lastanforderungen nicht erfüllen kann, was zu Stromausfällen führen kann.

Minderungsstrategien

Um die harmonischen Auswirkungen auf Energieverteilungstransformatoren zu mildern, können verschiedene Strategien eingesetzt werden. Zu diesen Strategien gehören:

• Harmonische Filter: Oberschwingungsfilter sind Geräte, die zur Reduzierung des Oberschwingungspegels im Stromnetz eingesetzt werden. Oberschwingungsfilter funktionieren, indem sie einen Pfad mit niedriger Impedanz für die Oberschwingungsströme bereitstellen, der die Oberschwingungsströme vom Transformator wegleitet. Es gibt zwei Arten von harmonischen Filtern: passive Filter und aktive Filter. Passive Filter bestehen aus Induktivitäten, Kondensatoren und Widerständen, während aktive Filter leistungselektronische Geräte verwenden, um einen Ausgleichsstrom zu erzeugen, der die Oberschwingungsströme aufhebt.
• K-Faktor-Transformatoren: K-Faktor-Transformatoren sind dafür ausgelegt, die durch die Oberschwingungsströme verursachte zusätzliche Erwärmung zu bewältigen. K-Faktor-Transformatoren haben eine höhere Wärmekapazität als Standardtransformatoren, wodurch sie bei höheren Temperaturen betrieben werden können, ohne dass die Isolierung beeinträchtigt wird. K-Faktor-Transformatoren werden entsprechend ihrer Fähigkeit zur Bewältigung harmonischer Ströme bewertet. Je höher der K-Faktor, desto besser kann der Transformator mit Oberschwingungsströmen umgehen.
• Lastmanagement: Lastmanagement kann auch zur Minderung der harmonischen Auswirkungen auf Energieverteilungstransformatoren eingesetzt werden. Beim Lastmanagement geht es um die Planung nichtlinearer Lasten, um den Grad der Oberschwingungen im Stromnetz zu reduzieren. Beispielsweise können nichtlineare Lasten für den Betrieb außerhalb der Spitzenzeiten geplant werden, wenn der Strombedarf gering ist.

Unsere Produktangebote

Als Anbieter von Stromverteilungstransformatoren bieten wir eine breite Palette hochwertiger Transformatoren an, die den Herausforderungen durch Oberschwingungen standhalten. Unser Produktportfolio umfasst30–2500 kVA/10 kV dreiphasiger, nicht erregter Stufentransformator mit Duplexwicklung,YB Windkrafttransformator, Und200–2500 kVA/10 kV Dreiphasen-Öltransformator mit Stufenschaltung unter Last. Diese Transformatoren sind aus fortschrittlichen Materialien und Technologien gefertigt, um einen zuverlässigen Betrieb auch bei Oberschwingungen zu gewährleisten.

Abschluss

Oberschwingungen können einen erheblichen Einfluss auf Energieverteilungstransformatoren haben. Das Vorhandensein von Oberschwingungen im Stromnetz kann zu erhöhten Verlusten, Überhitzung, Vibrationen und Geräuschen sowie einer verringerten Kapazität von Transformatoren führen. Um die Auswirkungen von Oberschwingungen auf Stromverteilungstransformatoren zu mildern, können verschiedene Strategien eingesetzt werden, darunter der Einsatz von Oberschwingungsfiltern, K-Faktor-Transformatoren und Lastmanagement. Als Anbieter von Stromverteilungstransformatoren sind wir bestrebt, unseren Kunden qualitativ hochwertige Transformatoren zu liefern, die den Herausforderungen durch Oberschwingungen standhalten. Wenn Sie auf der Suche nach einem Stromverteilungstransformator sind, laden wir Sie ein, mit uns Kontakt aufzunehmen, um Ihre spezifischen Anforderungen zu besprechen. Unser Expertenteam unterstützt Sie gerne bei der Auswahl des richtigen Transformators für Ihre Anwendung.

Referenzen

• IEEE Std 519-2014, IEEE-empfohlene Praktiken und Anforderungen für die harmonische Kontrolle in elektrischen Energiesystemen.
• CIGRE Technische Broschüre 549, Harmonische in Energiesystemen – Ein praktischer Leitfaden.
• Transformatoren: Prinzipien, Anwendungen und Wartung von John J. Cathey.