Strom ist neben Wasser, Abwasser und anderen Dienstleistungen eine der wichtigsten Versorgungsleistungen in den Industrieländern. Je nach Einsatzort wird Strom mit unterschiedlichen Spannungen bereitgestellt. Wie kann die Spannung zwischen zwei Systemen erhöht oder reduziert werden? Transformatoren. Dieser Artikel von Bel untersucht die Vor- und Nachteile der vier Primärwicklungskonfigurationen von Dreiphasentransformatoren.
Ein Transformator ist ein elektrisches Gerät, das durch elektromagnetische Induktion Energie zwischen Stromkreisen mit der gleichen Frequenz umwandelt und dabei normalerweise die Werte von Spannung und Strom ändert. Da die Quellleistung dreiphasig ist, spielen Dreiphasentransformatoren bei der Stromverteilung über große Entfernungen, in regionalen Netzen, lokalen Netzen sowie in Industrie- und Gewerbeanlagen eine Schlüsselrolle.
Wicklungskonfigurationen für 3-Phasen-Transformatoren
Dreiphasige Leistungstransformatoren werden durch das Aufwickeln von drei einphasigen Transformatoren auf einen einzigen Kern hergestellt. Da Kupfer und Eisenkern effektiver genutzt werden, sind Dreiphasentransformatoren für eine bestimmte Voltampere-Leistung (VA) kleiner, kostengünstiger und leichter als drei einzelne Einphasentransformatoren.
Abbildung 1: Typische Stecker- und Buchsenanschlüsse mit physischem Kontakt.
Dreiphasentransformatoren haben typischerweise mindestens sechs Wicklungen – drei Primär- und drei Sekundärwicklungen. Um den unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, können die primären und sekundären Wicklungen in unterschiedlichen Konfigurationen angeschlossen werden. In gängigen Anwendungen werden die Wicklungen normalerweise in einer von zwei gängigen Konfigurationen angeschlossen: Dreieck oder Stern.
Delta-Verbindung
Bei einer Dreieckschaltung gibt es drei Phasen und keinen Neutralleiter. Eine Dreieck-Ausgangsschaltung kann nur eine dreiphasige Last speisen. Die Leitungsspannung (VL) entspricht der Versorgungsspannung. Der Phasenstrom (IAB = IBC = ICA) ist gleich dem Leitungsstrom (IA = IB = IC) geteilt durch √3 (1,73). Wenn die Sekundärwicklung eines Transformators an eine große, unsymmetrische Last angeschlossen ist, sorgt die Delta-Primärwicklung für eine bessere Strombalance für die Eingangsstromquelle.
Abbildung 2: Anschlussschema „Delta“.
Sternschaltung
Bei einer Sternschaltung gibt es drei Phasen und einen Neutralleiter (N), also insgesamt vier Drähte. Über einen Ausgang der Sternschaltung kann der Transformator eine dreiphasige Spannung (Phase-zu-Phase) sowie eine Spannung für einphasige Lasten bereitstellen, also die Spannung zwischen einer Phase und dem Neutralleiter. Der Neutralpunkt kann bei Bedarf geerdet werden, um die Sicherheit zu erhöhen: VL-L = √3 × VL-N.
Abbildung 3: Schematischer Anschluss „Stern“.
Die vier Konfigurationen der primären Wicklung
Ein Dreiphasentransformator kann in vier Konfigurationen angeschlossen werden: Delta-Delta, Stern-Stern, Delta-Stern und Stern-Delta. Jede Konfiguration, die sich durch ihre Primär- und Sekundärwicklungsanschlüsse auszeichnet, bringt spezifische Vor- und Nachteile mit sich, die die Leistung und Anwendungseignung dieser Transformatoren beeinflussen.
1. Delta / Delta (D/D)
Vorteile von D/d
In einem Delta-Delta-Transformator (als D/d bezeichnet) sind die primäre und die sekundäre Wicklung in der Delta-Konfiguration verbunden. Diese Konfiguration bietet mehrere Vorteile. Wenn eine der drei Spulen einen Defekt entwickelt oder deaktiviert wird, können die verbleibenden unbeschädigten Spulen weiterhin Dreiphasenstrom mit einer Kapazität liefern, die etwa zwei Drittel der ursprünglichen Ausgangsleistung des Transformators entspricht.
In Fällen, in denen die Sekundärwicklung des Transformators an eine große, unsymmetrische Last angeschlossen ist, zeichnet sich die Delta-Primärwicklung dadurch aus, dass sie eine bessere Strombalance für die Eingangsstromquelle bietet.
Ein wesentlicher Vorteil ist das Fehlen jeglicher Phasenverschiebung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen, wodurch eine harmonische Leistungsübertragung gewährleistet wird. Diese Konfiguration wird häufig für Anwendungen bevorzugt, bei denen es um die Übertragung von Niederspannung und Hochstrom geht oder wenn die Betriebskontinuität aufrechterhalten werden muss, insbesondere im Falle eines Phasenfehlers.
D/d Nachteile
In dieser Konfiguration wirken sich bestimmte Merkmale auf Design und Funktionalität von Dreiphasentransformatoren aus. Die hohe Windungszahl sowohl der Primär- als auch der Sekundärwicklung führt zu größeren und teureren Spulen. Diese Konstruktion erfordert eine zusätzliche Isolierung zwischen den Wicklungen und Zwischenschichten. Die Verwendung von dünnerem Magnetdraht erhöht die Kosten pro Kilogramm. Zudem fehlt in dieser Konfiguration der Neutralleiteranschluss.
2. Dreieck/Stern (D/Y)
D/y-Vorteile
Die Konfiguration mit primärem Dreieck und sekundärem Stern (D/y) zeichnet sich durch ihre Fähigkeit aus, dem Stromerzeugungsunternehmen eine symmetrische Dreileiterlast zu liefern und so verschiedene Anwendungen nahtlos zu unterstützen. Diese Konfiguration wird häufig für die Stromversorgung im gewerblichen und industriellen Bereich sowie im dicht besiedelten Wohnbereich gewählt.
In dieser Konfiguration können dreiphasige und einphasige Lasten gespeist und bei fehlender Quelle kann ein Ausgang gegen Masse gebildet werden. Es unterdrückt wirksam Störungen (Oberwellen) von der Leitung zur Sekundärseite.
D/y-Nachteile
Wenn eine der drei Spulen einen Defekt entwickelt oder deaktiviert wird, kann dies die Funktionalität der gesamten Gruppe beeinträchtigen und die 30-Grad-Phasenverschiebung zwischen primären und sekundären Wicklungen kann zu größerer Restwelligkeit in Gleichstromschaltungen führen.
3. Stern/Dreieck (Y/D)
Y/d-Vorteile
Die Y/d-Konfiguration nutzt hohe Eingangsspannung und reduziert die Spannung an den einzelnen Spulen um den Faktor √3, was zu weniger Wicklungswindungen und geringerer Isolation führt. Diese Konstruktion kann als Abwärtstransformator, vor allem am Ende der Übertragungsleitung, verwendet werden. Es umfasst außerdem ein Erdungskabel (Neutralleiter) auf der Stromquellenseite.
Y/d Nachteile
Y/d weist die gleichen potenziellen Nachteile wie die D/y-Konfiguration auf: Die Funktionalität der gesamten Gruppe kann entfallen, wenn eine einzelne Spule ausfällt, und eine Phasenverschiebung von 30 Grad zwischen primären und sekundären Wicklungen kann zu erhöhter Restwelligkeit in Gleichstromschaltungen führen.
4. Stern / Stern (J/J)
Y/y-Vorteile
Unter den vier gängigen Dreiphasen-Transformatorkonfigurationen ist die Y/y-Anordnung die kostengünstigste Wahl, da sie eine nahtlose Stromübertragung ohne Phasenverschiebung zwischen Primär- und Sekundärwicklung bietet. Erdungsleitungen (Neutralleiter) sind sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite verfügbar und bieten die Möglichkeit, sowohl dreiphasige als auch einphasige Lasten mit Strom zu versorgen.
Y/y-Nachteile
Um eine optimale Leistung sicherzustellen, müssen einphasige Lasten innerhalb dieser Konfiguration so gut wie möglich ausgeglichen werden. Es muss beachtet werden, dass die Y/y-Konfiguration anfälliger für Störsignale zwischen der Stromquelle und der Last sein kann.
Trockentransformatoren und ölgekühlte Transformatoren
Je nach Leistungs- und Spannungsniveau können Dreiphasentransformatoren in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: Trockentransformatoren, die Luft als Kühlmedium verwenden, und flüssigkeitsgefüllte Transformatoren, die Öl als Kühlmedium nutzen.
Trockentransformatoren: offen oder Gießharz
Es gibt zwei Hauptkategorien von Trockentransformatoren:
- Offene Bauform, Kern und Spulen freiliegend und harzimprägniert, für Gehäuseinstallationen mit Nennspannungen von bis zu 1000 V und Leistungen von bis zu 500 kVA.
- Gießharztransformatoren, deren Spulen (häufig in einer Epoxidform) vergossen sind, mit Nennspannungen von bis zu 36,0 kV und Leistungen von bis zu 40 MVA.
Flüssigkeitsgefüllte Transformatoren
Flüssigkeitsgefüllte Transformatoren hingegen sind vollständig in spezielles Mineralöl in vakuumversiegelten Metallbehältern eingetaucht und verfügen über elektrische Nennspannungen von 6,0 kV bis 1.500 kV und Leistungen von bis zu über 1000 MVA.
Bild 1: Arten von Transformatoren.
Optimale Open-Frame-Transformatorkonfiguration
Bei offenen Transformatoren werden, sofern die Umstände es erlauben, bevorzugt der Delta-Eingang und der Sternausgang zum Anschließen eines Dreiphasentransformators in Stromverteilungsanwendungen verwendet.
Die gängigsten Eingangsspannungen für Dreieckkonfigurationen sind 600 V, 480 V, 415 V, 400 V, 230 V und 208 V. Die gängigsten Ausgangsspannungen für Sternkonfigurationen: Kanada: 600 V (L-L) und 347 V (L-N). Für große Industrielasten in den USA liefert es 480 V (L-L) und 277 V (L-N). Bei kleinen Industrie-, Gewerbe- und Wohnlasten in den USA betragen die Ausgangsspannungen 208 V (L-L) und 120 V (L-N).
Signal Transformer Co. ist ein führender Hersteller auf diesem Gebiet und hat sich auf die Produktion von trockenen, offenen Dreiphasentransformatoren spezialisiert. Mit mehr als 50 Jahren Erfahrung in der Herstellung von Transformatoren, Drosseln, Induktoren und kundenspezifischen oder modifizierten Standardprodukten ist Signal Transformer führend im Design und der Herstellung kostengünstiger, spezialisierter Plattformen.