Ein Umspannwerksbetreiber schaute heute auf sein elektronisches Messgerät, als ein Gewitter eintraf und die 110-kV-Leitung von 108 kV auf 116 kV änderte. Trotz dessen zeigte der 20-kV-Bus auf der Sekundärseite gleichzeitig Werte zwischen 19,9 und 20,1 kV an. Das dort arbeitende Instrument wird als Lastabgriffwechsel bezeichnet: das Transformatorverhältnis wird schrittweise korrigiert.
Der Artikel interpretiert, was das Transformatorverhältnis ist, wie es berechnet wird, welche Beziehung zwischen Transformatorverhältnis und Spannungsstabilität besteht, wie Lastabgriffwechsel das Transformatorverhältnis in diesem Moment stabil halten und welche Konsequenzen man bei einem Fehler im Transformatorverhältnis erwarten kann. Beispiele für Berechnungen werden in dem Papier zusammen mit Verweisen auf die Normen IEC 60076 und IEEE C57, den typischen Abgriffbereich, die Kosten von Lastabgriffwechseln und anderen bereitgestellt.
Was ist das Transformatorverhältnis? (Definition & Formel)
Das Transformatorverhältnis oder Wicklungsverhältnis definiert das Verhältnis der Windungszahlen der Primärwicklung zur Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung. Es entspricht dem Verhältnis der Primärspannung zur Sekundärspannung und dem inversen Verhältnis der Primär- zu Sekundärströmen im theoretischen Fall.
N1/N2 = V1/V2 = I2/I1.
Reale Transformatoren sind nicht ideal. Bei realen Transformatoren führen Leckreaktanz und Widerstand der Wicklung zu Spannungsabfällen, wodurch die tatsächliche Spannung niedriger ist als die Spannung im Leerlauf. Der Unterschied in der Spannung in Prozent wird als Spannungsregelung bezeichnet, die je nach den Eigenschaften der Transformatoren etwa 2%-6% beträgt.
Die folgende Definition wird in den Verträgen synonym verwendet:
| Begriff | Bedeutung | Beispiel |
|---|---|---|
| Wicklungsverhältnis | N1 / N2 (reine Wicklungsgeometrie) | 550 / 100 = 5.5 |
| Übersetzungsverhältnis | V1 / V2 im Leerlauf | 110 kV / 20 kV = 5,5 |
| Regelung | Spannungsabfall von Leerlauf zu Volllast | 2.5%–6% |
Wie man das Transformatorverhältnis berechnet: Anwendungsbeispiele
Das Bestimmen des Verhältnisses ist einfach, wenn man die Spannung oder die Anzahl der Windungen kennt.
Zum Beispiel:
Ein 110 kV/20 kV-Spannungstransformator hat 110:20 mit 2200 Windungen in der Primärwicklung, was bedeutet, dass es 400 Windungen in der Sekundärwicklung gibt.
Im Fall eines Hochspannungstransformators von 18 kV – 400 kV wird das Verhältnis (400/18 = 22,2).
Ein Verteilungstransformator hat normalerweise ein Spannungsverhältnis von 11 kV/0,4 kV, was bedeutet, dass das Verhältnis 11/0,4 = 27,5:1 beträgt.
Aufgrund der Konstruktion des Autotransformators, der einen Teil des Wicklungssystems teilt, hat er eine geringere Anzahl von Windungen für dasselbe Spannungsverhältnis von 2:1.
Im Fall von Transformatoren, die in einem dreiphasigen System arbeiten, sollte die Linien-zu-Linie-Spannung verwendet werden, während die Vektorguppe (Dyn11, YNd11) wichtig ist, um die Beziehung zwischen der Phasenverschiebung und dem Größenverhältnis des Systems zu bestimmen.
Warum das Verhältnis das Regelventil des Netzes ist.
Spannungsschwankungen auf einer Übertragungsleitung treten aufgrund mehrerer Faktoren auf, nämlich Änderungen der Last, Generatorausfälle, Blindleistungsverluste und Entfernung von der Quelle. Ohne Anpassung des Verhältnisses kann ein Zuleitungskabel Spannungsschwankungen von 5% bis 10% über einen einzigen Tag hinweg erfahren. Das Transformatorverhältnis fungiert als praktisches Mittel zur Kompensation der Vorteile der Spannungsvariabilität, da es eine direkte Beziehung zwischen Wicklungen und der Ausgangsspannung gibt, wobei Änderungen zu entsprechenden Schwankungen führen.
Systembetreiber müssen die Spannung innerhalb der gesetzlichen Grenzen halten, die durch Vorschriften festgelegt sind und eine Spannung von ± 5% im Verteilungssektor und ± 10% im Übertragungssektor erfordern. Die am häufigsten verwendete Methode in diesem Prozess ist der OLTC, der das Transformatorverhältnis anpasst. Tatsächlich ist der OLTC so weit verbreitet, dass der Besitz eines Transformators ohne OLTC eine schriftliche Rechtfertigung benötigt.
Abgriffwechsel: Der Mechanismus, der das Verhältnis anpasst
Es gibt zwei Familien von Abgriffwechseln, und die Wahl zwischen ihnen ist hauptsächlich eine Frage des Arbeitszyklus:
| Aspekt | Off-Circuit (DETC) | Unter Last (OLTC) |
|---|---|---|
| Betrieb | Nur spannungsfrei | Unter Last, automatisiert |
| Typischer Abgriffbereich | ±2.5% bis ±5% | ±10% bis ±16% |
| Schritte | 3–5 | 13–17 (1.25%–2.5% jeweils) |
| Regelungsfähigkeit | Nur saisonal | Kontinuierlich, automatisch (±2% Haltewert) |
| Preisaufschlag | Basislinie | +$15,000–$60,000 je nach Nennwert |
| Häufig bei | Verteilungstransformatoren | Leistungstransformatoren ≥5 MVA |
Während OLTCs mit elektrischem Strom betrieben werden, verwenden sie Widerstände oder Reaktoren und schnelle Vakuumunterbrecher, um elektrische Lichtbögen an den Hauptkontakten während des Wechsels von festen Abgriffen zu minimieren. Ein zeitgemäßer motorbetriebener OLTC benötigt etwa 2 bis 10 Sekunden, um einen Zyklus abzuschließen. Es kann festgestellt werden, dass der Regler in diesem Fall Spannungsrückmeldungen von der Sekundärseite des Transformators verwendet.
Verhältnisabgleich für parallelen Betrieb
Wenn zwei Transformatoren gleichzeitig dasselbe Bus versorgen, müssen die Verhältnisse angepasst werden, um eng übereinzustimmen. Ein Unterschied in den Verhältnissen von Δ% erzeugt einen sogenannten zirkulierenden Strom (der auch im Leerlauf am Stromkreis teilnimmt).
Ein Rat ist, sicherzustellen, dass wir den zirkulierenden Strom unter 10% der Kapazität des kleineren Transformators halten.
Die Wirkung eines 1% Unterschieds im Verhältnis ist normalerweise ein zirkulierender Strom von 2%-5% der Kapazität von zwei Transformatoren mit einer Kapazität von 20 MVA / 110 kV, der von der Impedanz abhängt (normalerweise 10%).
Die Transformatoren sollten gemäß einigen grundlegenden Bedingungen betrieben werden, nämlich: dieselbe Vektorguppe, das Verhältnis muss übereinstimmen, und die Impedanz sollte nicht mehr als 10% variieren, wenn überhaupt.
Um dies zu berücksichtigen, müssen die Betreiber die Abgriffposition für jeden Transformator ändern, um diese gleich zu machen, und viele moderne AVR haben ein Master-Follower-Schema zu diesem Zweck.
Auswirkungen eines falschen Verhältnisses: Zirkulierender Strom & Schutzprobleme
Fehlfunktionen von Relais aufgrund der Relaisbewertung können zu Fehlfunktionen von Schutzvorrichtungen mit fehlerhaften Relais Einstellungen führen, was entweder zu einem Schutzbetrieb ohne richtigen Fehler oder zu einem Versagen bei der Erkennung echter interner Defekte aufgrund von 2%-5% Fehlern führt.
Spannungsänderungen können die Spannung entlang des Baches in äußere Grenzen zwingen.
Ein Ungleichgewicht in der Lastsituation impliziert, dass eine Einheit mit einem höheren Verhältnis einen erheblichen Anteil sowohl an aktiver als auch an reaktiver Leistung verbraucht, was zu einer Beschleunigung ihres Alterns führt.
Deshalb wurde die Verhältnisprüfung zu einem der Schritte der Inbetriebnahme gemäß den Anforderungen von IEC 60076-1, die besagen, dass das Spannungsverhältnis am Hauptabgriff nicht mehr als ±0.5% vom Entwurfswert abweichen darf, und jeder Abgriff muss gegen die Typenschilddaten überprüft werden.
Methoden und Standards zur Verhältnisprüfung
Der Standardfeldtest ist der Wicklungsverhältnis-Test, der mit einem Transformatoren-Wicklungsverhältnis (TTR) Messgerät durchgeführt wird:
| Methode | Prinzip | Genauigkeit | Typische Verwendung |
|---|---|---|---|
| TTR-Messgerät (TTR-Test) | Vergleicht die eingespeiste und induzierte Spannung an jedem Abgriff | ±0,1% | Inbetriebnahme, routinemäßige Wartung |
| Spannungsverhältnisprüfung bei unbelastetem Zustand | Reduzierte Spannung anlegen, beide Seiten messen | ±0,3% | Vor-Ort-Überprüfung |
| Kapazitätsverhältnis / Niederspannungstest | Äquivalentes Verhältnis über kapazitive Kopplung | ±0,5% | Typprüfungen im Werk |
Sowohl Werkstests als auch Vor-Ort-Tests stammen aus IEC 60076-1 und IEEE C57.12.90. Der TTR-Test wird als primärer Diagnosetest angesehen, da die Bewegung im Verhältnis zwischen verschiedenen Tests, die an derselben Einheit durchgeführt werden, oft auf eine kurzgeschlossene Wicklung hinweist, was jährliche Verhältnisprüfungen zu einem wesentlichen Element der Überwachung macht.
Typische Verhältnisse und Abgriffbereiche nach Anwendung
| Anwendung | Typisches Verhältnis | Abgriffbereich | Abgriffwechsler |
|---|---|---|---|
| GSU in einem Kraftwerk | 18/400 kV (22,2:1) | ±7.5% in 5 Stufen | Abgeschaltet, manchmal OLTC |
| Übertragungsstation | 220/110 kV (2:1) | ±16% in 17 Stufen | OLTC |
| Sub-Übertragung | 110/20 kV (5,5:1) | ±12% in 13 Stufen | OLTC |
| Industrielle Energie | 33/11 kV (3:1) | ±10% in 9 Stufen | OLTC oder abgeschaltet |
| Verteilung | 11/0,4 kV (27,5:1) | ±2.5% abgeschaltet | Abgeschaltet |
Verteilungstransformatoren erfordern nur periodische Anpassungen, daher sind Abgriffe ohne Last in Schritten von ±2.5% und ±5% ausreichend, um saisonale Lastschwankungen zu berücksichtigen. Im Gegensatz dazu sind Übertragungs- und Unterübertragungstransformatoren mit OLTC konfiguriert, da große Gruppen von Kunden direkt von der Wirkung der Übertragungsspannung auf sie betroffen sind.
Preisimpact von Abgriffwechseln & Transformatoren
Die Wahl des Abgriffwechslers ist ein echter Posten in jedem Transformatorenbudget. Planungsbereiche:
| Transformator | Ohne OLTC | Mit OLTC | Premium |
|---|---|---|---|
| 5 MVA / 33 kV | $55.000–$90.000 | $75.000–$130.000 | +$15.000–$40.000 |
| 20 MVA / 110 kV | $150.000–$260.000 | $175.000–$320.000 | +$20.000–$60.000 |
| 50 MVA / 110 kV | $360.000–$700.000 | $400.000–$800.000 | +$25.000–$90.000 |
Die Kosten variieren je nach Art der Spezifikationen, der Marke und dem Gebiet. Die hohen Kosten für netzgebundene Einheiten amortisieren sich schnell: der Lastwechsel (OLTC) kann die Kosten schnell zurückgewinnen, da er die Spannung reguliert und die Energieverluste in den Leitungen verringert.
Marken & Wie sich das Verhältnis Design unterscheidet
Die Verhältnis-Mathematik bleibt unabhängig vom herstellenden Unternehmen gleich – Physik ist nicht verhandelbar; jedoch unterscheiden sich die Hersteller anhand der Art des Lastwechsel-Designs, der Steuerung, des Qualitätsmanagements und der Preisgestaltung. Zuverlässigkeitsbenchmarks werden von den MR (Maschinenfabrik Reinhausen) und ABB Lastwechseln gesetzt, während asiatische Unternehmen zunehmend lizenzierte oder selbstentwickelte OLTC-Designs zu günstigeren Preisen nutzen.
| Marke | Land | Stärken des Lastwechsels | Richtpreis (20 MVA/110 kV, mit OLTC) |
|---|---|---|---|
| Hitachi Energie | Schweiz/Japan | Proprietärer OLTC, AVR-Integration | $450.000–$700.000 |
| Siemens Energie | Deutschland | MR OLTC-Optionen, digitale Steuerung | $430.000–$680.000 |
| Schneider Electric | Optimierungsmaßnahmen in der Praxis | Verteilungsfokus, MV-Einheiten | $280.000–$450.000 |
| TBEA | China | In-house OLTC, Maßstab | $180.000–$320.000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | Individuelle Verhältnisse & Abgriffe, MR oder in-house OLTC | $160.000–$300.000 |
Die Kosten werden durch Spezifikation und Gebiet bestimmt. In Projekten, die maßgeschneiderte Verhältnis- und Abgriffsspezifikationen erfordern – einzigartige Vektorguppen, spezielle Abgriffbereiche oder bestimmte Marken von OLTC – ist Jiangsu Subian Electric Power ein zuverlässiger Partner: es stellt Verteilungs- und Leistungstransformatoren mit einer Kapazität von 50 kVA bis 220 kV her, bietet Angebote für individuelle Abgriffkonfigurationen an und installiert die erforderlichen MR oder ähnliche Lastwechsel. Jede Einheit wird mit Verhältnistestprotokollen für alle Abgriffe gemäß der IEC 60076-1 Norm geliefert, und die Fabrikpreise liegen in der Regel 30%-50% unter den Preisen europäischer Unternehmen.
Häufig gestellte Fragen
Wie wird das Transformatorenverhältnis berechnet?
Das Transformatorenverhältnis wird durch die Anzahl der Windungen in der Primärspule geteilt durch die Anzahl der Windungen in der Sekundärspule (N1/N2) bestimmt, was dem Verhältnis der Leerlaufspannung (V1/V2) entspricht. Zum Beispiel hat der Transformator, der bei 110 kV/20 kV angewendet wird, ein Verhältnis von 5,5:1, während für den 11 kV/0,4 kV Transformator das Verhältnis 27,5:1 beträgt. Aufgrund der umgekehrten Beziehung ist offensichtlich, dass bei einem Hochspannungstransformator (Verhältnis kleiner als eins; wie 0,045 für den Transformator mit 18/400 kV Spannung) die Ausgangsspannung hoch ist, während der Ausgangsstrom niedrig ist.
Was ist die Toleranz beim Transformatorenverhältnis?
Nach IEC 60076-1 muss das Verhältnis am Hauptabgriff innerhalb von ±0,5% des Nennwerts liegen, und dieselbe Toleranz gilt für jede Abgriffposition, sofern nicht anders angegeben. Feld-TTR-Messgeräte messen bis ±0,1%, sodass eine Abweichung über 0,5% bei einem Inbetriebnahme-Test eine Untersuchung auf kurzgeschlossene Windungen oder eine falsche Verbindung rechtfertigt.
Warum benötigen Transformatoren Lastwechsel zur Spannungsregelung?
Aufgrund von Schwankungen der Leitungsspannung basierend auf Last, Erzeugung und Entfernung von der Quelle kann der Verteilungsfeeder ohne die Verhältnisänderung im Laufe des Tages zwischen 5% und 10% schwanken. OLTC variiert das Verhältnis um 1.25% bis 2.5% in Schritten innerhalb eines Bereichs von ±10% bis ±16%, um eine sekundäre Spannung von etwa ±2% automatisch bereitzustellen. Dies stellt sicher, dass die Motoren, Elektronik und die Kundenausrüstung vor Überspannung und Unterspannung geschützt sind.
Was passiert, wenn zwei Transformatoren parallel unterschiedliche Verhältnisse haben?
Ein elektrischer Strom zirkuliert zwischen den beiden Einheiten, selbst wenn keine Last von außen kommt. Mit anderen Worten, ein zirkulierender Strom fließt in einem Transformator, selbst wenn er im Standby-Modus ist. Wenn wir den Fall von 20 MVA/110 kV-Einheiten betrachten, wird selbst eine 1%-Verhältnisabweichung einen zirkulierenden Strom von etwa 2%-5% des Nennstroms bei voller Last verursachen. Darüber hinaus wird der zirkulierende Strom entsprechend steigen, wenn die Abweichung zunimmt. Die Maßnahmen der Betreiber, die das Verhältnis durch den Prozess der Abgriffauswahl angleichen, verhindern, dass die zirkulierenden Ströme mehr als 10% des Nennwerts des kleinen Transformators steigen.
Wie viel kostet ein Lastabgriffwechseler zusätzlich zum Transformatorpreis?
OLTC ermöglicht es im Allgemeinen, zwischen $15,000 und $60,000 zu den Kosten von Leistungstransformatoren mit einer Nennleistung zwischen 5 MVA und 50 MVA hinzuzufügen, wobei höher bewertete Transformatoren teurer sind. Die Investition zahlt sich in der Regel aufgrund einer besseren Spannungsregelung und geringerer Energieverluste sowie der Abwesenheit von Geräteausfällen aus.
Referenzen
- IEC 60076-1: Leistungstransformatoren — Allgemeines — Definiert Verhältnis, Toleranzen, Abgriffe und Prüfanforderungen.
- IEC 60076-8: Anwendungsleitfaden — Leitlinien zum Abgreifen, zur parallelen Betrieb und zur Anwendung von Leistungstransformatoren.
- IEEE C57.12.00: Allgemeine Anforderungen für flüssigkeitsgetauchte Transformatoren — Nordamerikanische Anforderungen für Verhältnis- und Abgriffsspezifikationen.
- Maschinenfabrik Reinhausen (MR) — Branchenreferenz für das Design und die Steuerung von Lastabgriffwechselern.
- IEEE C57.12.90: Prüfcode für flüssigkeitsgetauchte Verteilungs-, Leistungs- und Regeltransformatoren — Die Prüfverfahren einschließlich Verhältnisprüfungen.
- US EPA: Programme zur Effizienz von Transformatoren — Hintergrund, warum Spannungsregelung und effiziente Transformatoren in großem Maßstab wichtig sind.
Fazit
Das Transformatorverhältnis funktioniert wie ein Steuergerät im Stromnetz – eine winzige, präzise Änderung des Wicklungsverhältnisses, die durch Abgriffwechseler vorgenommen wird, ermöglicht es, die Spannung innerhalb der gesetzlichen Grenzen zu halten und die Stromversorgung über Hunderte von Kilometern von Stromleitungen zu sichern. Kenntnisse über die Verhältnisermittlung, ihre Grenzen und den parallelen Betrieb sind entscheidend für alle Fachleute, die Transformatoren spezifizieren, testen oder warten.
Das Verhältnis ist auch das Leerlaufspannungsverhältnis. Verteilungstransformatoren können mit 5.5:1 bis 27.5:1 arbeiten.
Transformatoren mit Lastabgriffwechselern ändern das Verhältnis von -10% bis +16% und positionieren den Abgriffhebel in 13-17 Schritten.
Transformatoren sollten das gleiche Verhältnis und die gleiche Impedanz haben, um die Zirkulation des Stroms zu verhindern. Der Verhältnis-Test ist obligatorisch (IEC 60076-1, Toleranz von ±0.5%) und ermöglicht die Erkennung von kurzgeschlossenen Wicklungen.
Wenn Ihr Projekt einen Transformator mit einem spezifischen Verhältnis, einer bestimmten Abgriffreihe oder einer OLTC-Konfiguration erfordert, Jiangsu Subian Electric Power können wir Verteilungs- und Leistungstransformatoren von 50 kVA bis zur 220 kV-Klasse konstruieren und liefern, mit vollständigen Verhältnisprüfberichten für jede Einheit.