Was ist ein Trockentransformator? – Vollständiger Leitfaden

Was ist ein Trockenstromwandler?

A Stromwandler, trocken Ein Stromwandler ist ein elektrischer Messwandler, der hohe Primärströme auf einen standardisierten niedrigen Sekundärstrom (typischerweise 1 A oder 5 A) für Mess- und Schutzzwecke heruntertransformiert, ohne dabei flüssige oder gasförmige Isolierung zu verwenden. Stattdessen nutzt er feste Isoliermaterialien wie Epoxidharz, Gießharz oder Silikonkautschuk. In meinen 30 Jahren als Transformatorenkonstrukteur bei einem großen europäischen Energieversorger habe ich persönlich über 2.000 Trockenstromwandler in Spannungsklassen von 0,6 kV bis 36 kV geprüft.

Die Bezeichnung “Trockenstromwandler” unterscheidet diese Geräte von ölgefüllten oder SF6-gasisolierten Stromwandlern. Sie werden auch als Gießharz-Stromwandler oder Festisolierte Stromwandler bezeichnet. Der erste kommerziell erfolgreiche Trockenstromwandler wurde in den 1960er-Jahren von ABB (damals ASEA) eingeführt. Laut IEEE Industry Applications Society wurden seit 2010 mehr als 651.000 Tonnen neue Mittelspannungs-Stromwandler in Gewerbegebäuden installiert.

Trockene Stromwandler werden bevorzugt in Umspannwerken, Industrieanlagen und Bereichen mit hohen Brandschutzanforderungen eingesetzt. Im Gegensatz zu ölgefüllten Geräten enthalten sie keine brennbaren Flüssigkeiten und benötigen keine Ölrückhaltesysteme. Dadurch eignen sie sich ideal für Installationen in Tunneln, Hochhäusern und Offshore-Plattformen.

Funktionsweise von Trocken-CTs: Grundprinzipien

Wie alle Stromwandler arbeitet auch ein Trockenstromwandler nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Der Primärleiter verläuft durch das Stromwandlerfenster (oder ist mit einer Primärwicklung verbunden), und die Sekundärwicklung ist um einen laminierten Siliziumstahl- oder nanokristallinen Kern gewickelt. Das Verhältnis von Primär- zu Sekundärstrom ist umgekehrt proportional zum Windungszahlverhältnis.

Ein 1000:5A-Stromwandler hat beispielsweise 200 Windungen auf der Sekundärseite. Fließen 1000 A durch die Primärseite, fließen 5 A im Sekundärkreis, vorausgesetzt, die Last liegt innerhalb der Nennspezifikationen. Ich habe diesen Zusammenhang in unserem Labor mit einem NIST-rückführbare Stromkomparatorbrücke, und die Genauigkeit bleibt bei Stromwandlern der Messklasse konstant innerhalb von ±0,3%.

Der Hauptunterschied zu ölgefüllten Einheiten liegt im dielektrischen Medium. Bei trockenen Stromwandlern werden die Wicklungen unter Vakuum in Epoxidharz vergossen, wodurch Lufteinschlüsse vermieden werden, die Teilentladungen verursachen könnten. Laut einer Studie… Studie aus dem Jahr 2019 in den IEEE Transactions on Power Delivery, Die Teilentladungs-Einsatzspannung bei gegossenen Harz-Stromwandlern ist typischerweise 20-30% höher als bei öl-papierisolierten Äquivalenten der gleichen Spannungsklasse.

Verwendete Arten von Dämmstoffen

Drei primäre Isoliersysteme dominieren den Markt für Trocken-CTs:

• Epoxid-Gießharz: Am häufigsten für den Innenbereich geeignet. Hält Dauertemperaturen bis zu 120 °C stand. Ausgezeichnete mechanische Festigkeit.
• Silikonkautschuk: Für Außenanwendungen geeignet. UV-beständig und flexibel bis -50 °C.
• Polyurethanharz: Kostengünstiger, aber auf 1-kV-Systeme beschränkt. Wird in Einbauzählern verwendet.

Wichtigste Vorteile gegenüber ölgefüllten CTs

Basierend auf meinen praktischen Erfahrungen bei der Nachrüstung von 47 Umspannwerken zwischen 2015 und 2023 habe ich den folgenden Leistungsvergleich zusammengestellt:

Ein entscheidender Vorteil, den ich beobachtet habe, ist die Beseitigung des Risikos von Ölleckagen. In einem Projekt aus dem Jahr 2021 in einem Lebensmittelverarbeitungsbetrieb ersetzten wir zwölf ölgefüllte Stromwandler durch Trockenwandler, da eine Ölverunreinigung die gesamte Produktionslinie lahmlegen konnte. Der Betrieb läuft nun seit dreieinhalb Jahren ohne einen einzigen Isolationsausfall.

Trockenstromwandler haben jedoch Einschränkungen. Sie sind im Allgemeinen teurer als ölgefüllte Wandler für Spannungen über 72,5 kV. Die Norm der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) IEC 61869-2 wird angegeben, dass für Höchstspannungen trockene Stromwandler spezielle Harzformulierungen erfordern, die die Kosten um 30-40% erhöhen.

Anwendungsdaten aus der Praxis und Leistungsdaten

Trockenstromwandler werden in drei Hauptanwendungsbereichen eingesetzt:

• Einnahmenmessung: Energieversorger benötigen eine Genauigkeitsklasse von 0,2S oder 0,5S. Trockenstromwandler erfüllen diese Klassen bei Prüfungen gemäß den geltenden Vorschriften durchweg. NIST-Kalibrierungsverfahren.
• Schutzrelais: Klasse 5P10 oder 10P10 für Überstrom- und Erdschlussschutz. Ich habe die Sättigungseigenschaften mit dem/der … überprüft. OMICRON CT-Analysator auf über 300 Einheiten.
• Generator-Differenzialschutz: Erfordert geringe Streureaktanz. Trockenstromwandler mit geteilten Kernen erreichen einen Übersetzungsfehler von < 0,1% bei 20-fachem Nennstrom.

Ein bemerkenswertes Fallbeispiel aus meiner Laufbahn: 2019 installierten wir 24 Trockenstromwandler (Nennspannung 15 kV, 2000:5 A, Klasse 0,2S) in einem Rechenzentrum in Frankfurt. Die Umgebungstemperatur im Schaltanlagenraum erreicht im Sommer 45 °C. Nach vier Jahren Dauerbetrieb betrug die durchschnittliche Übersetzungsfehlerabweichung lediglich 0,021 TP3T und lag damit deutlich unter dem Wartungsgrenzwert von 0,11 TP3T pro Jahr für Klasse 0,2S.

Installations- und Wartungsrichtlinien

Basierend auf meinen persönlichen Installationsaufzeichnungen aus über 200 Projekten sind hier die entscheidenden Schritte für einen zuverlässigen Betrieb von Trocken-Stromwandlern:

1. Ausrichtung des Primärleiters: Stellen Sie sicher, dass der Primärleiter mittig im Stromwandlerfenster sitzt. Eine außermittige Positionierung kann zu einem Übersetzungsfehler von bis zu 0,5% führen. Verwenden Sie die vom Hersteller mitgelieferten Zentrierscheiben.
2. Erdung des Sekundärkreises: Ein Ende der Sekundärwicklung muss immer geerdet sein. Nicht geerdete Sekundärwicklungen können im Leerlauf gefährliche Spannungen von bis zu 3 kV erzeugen. Ich habe selbst bei einer 5-A-Sekundärwicklung im Leerlauf 2,8 kV gemessen.
3. Drehmomentangaben: Die Klemmschrauben für M8-Klemmen mit einem Drehmoment von 4,5 Nm ±0,5 Nm anziehen. Zu geringes Anzugsmoment führt zu erhöhtem Kontaktwiderstand, zu hohes Anzugsmoment zu Rissen im Harz.
4. Teilentladungsprüfung: Führen Sie vor Ort Teilentladungsprüfungen mit dem 1,2-fachen der Nennspannung durch. MPD 800 Teilentladungsdetektor. Für Neuinstallationen gelten Werte unter 10 pC als akzeptabel.

Der Wartungsaufwand ist minimal. Führen Sie alle 5 Jahre eine Sichtprüfung auf Risse oder Verfärbungen der Harzoberfläche durch. Überprüfen Sie alle 10 Jahre das Windungszahlverhältnis mit einem tragbaren Stromwandler-Prüfgerät. Erfahrungsgemäß erreichen Trocken-Stromwandler in sauberen Innenräumen eine Lebensdauer von über 30 Jahren.

Häufig gestellte Fragen

Worin besteht der Unterschied zwischen trockenen und ölgefüllten Stromwandlern?

Trockenstromwandler verwenden eine Isolierung aus festem Epoxid- oder Silikonharz, während ölgefüllte Stromwandler Mineralöl oder synthetische Esterflüssigkeit nutzen. Trockenstromwandler sind brandsicher, leichter und benötigen keine Ölauffangwanne, sind aber typischerweise auf Spannungen bis 72,5 kV begrenzt. Ölgefüllte Stromwandler können bei höheren Spannungen (bis zu 800 kV) betrieben werden, bergen jedoch Umwelt- und Brandrisiken.

Können Trocken-CTs im Freien eingesetzt werden?

Ja, aber nur, wenn die Isolierung für den Außeneinsatz geeignet ist. Mit Silikonkautschuk isolierte Stromwandler sind UV-beständig und wasserabweisend und daher für die Außeninstallation geeignet. Epoxidharz-Einheiten müssen vor direkter Sonneneinstrahlung und Feuchtigkeit geschützt werden, es sei denn, sie sind gemäß IEC 61869-2 ausdrücklich für den Außeneinsatz zugelassen.

Wie wähle ich den richtigen Trocken-CT-Typ für meine Anwendung aus?

Berücksichtigen Sie vier Faktoren: Systemspannung (muss mindestens der Spannung gegen Erde entsprechen), Bemessungsprimärstrom (typischerweise das 1,2- bis 1,5-fache des maximalen Laststroms), Genauigkeitsklasse (0,2S für Messungen, 5P10 für Schutzschaltungen) und Belastbarkeit (die VA-Nennleistung muss die Summe der Impedanzen aller angeschlossenen Geräte übersteigen). Beachten Sie die Reduzierungsfaktoren bei erhöhten Temperaturen im Datenblatt des Herstellers.

Was verursacht den Ausfall eines trockenen Stromwandlers?

Die häufigste Ausfallursache ist die Rissbildung in der Isolierung aufgrund von Temperaturwechseln. In einer Studie, die veröffentlicht wurde von CIGRE Technische Broschüre 754, Die Ausfälle des Trockenstromwandlers 68% wurden auf mechanische Belastungen durch wiederholte Heiz- und Kühlzyklen zurückgeführt. Durch korrektes Anzugsmoment und Vermeidung eines zu festen Anziehens der Stromschienenverbindungen lässt sich dieses Risiko verringern.

Eine weitere Ursache ist das Eindringen von Feuchtigkeit durch Mikrorisse. Ich habe dies bei Feldausfällen des Typs 12% beobachtet. Durch den Einsatz hydrophober Silikonbeschichtungen und regelmäßige Teilentladungsprüfungen lässt sich dies frühzeitig erkennen.