Kurzschlussimpedanz des Transformators: Wie sie sich auf den Fehlerstrom, den Spannungsabfall und die Auswahl der EPC-Ausrüstung auswirkt

Wenn die Transformatorspezifikationen für ein EPC-Projekt überprüft werden, stehen Nennleistung und Spannung in der Regel im Mittelpunkt. Die Kurzschlussimpedanz wird oft als eine weitere Zahl behandelt, die in ein Datenblatt kopiert werden muss.

Das ist ein Fehler.

Aus technischer Sicht steht bei Zisheng Electric die Kurzschlussimpedanz des Transformators direkt zwischen dem Transformatordesign und dem größeren elektrischen System. Es beeinflusst den voraussichtlichen Fehlerstrom, den Spannungsabfall, den Schaltanlagenbetrieb, die Schutzkoordination, den Parallelbetrieb und sogar die mechanischen Kräfte, denen die Transformatorwicklungen während eines externen Fehlers standhalten müssen.

Ein Transformator mit der richtigen Kapazität, aber der falschen Impedanz kann weit über den Transformator selbst hinaus Probleme verursachen. Eine umfassendere Übersicht darüber, wie Kapazität, Spannung, Standortbedingungen und Lasteigenschaften zusammenpassen, finden Sie in unserem Leitfaden zur Transformatorauswahl für Industrieprojekte.

Für einen EPC-Auftragnehmer, Berater oder Käufer eines Industrieprojekts muss die Impedanz daher als Systemparameter und nicht als isolierte Transformatorspezifikation betrachtet werden.

Abbildung 1. Die Transformatorimpedanz verknüpft das Transformatordesign mit dem Fehlerpegel, der Schaltanlagenleistung und der Lastleistung.

Was ist die Kurzschlussimpedanz eines Transformators?

Die Kurzschlussimpedanz von Transformatoren, üblicherweise in Prozent ausgedrückt, stellt die Impedanz der Transformatorwicklungen unter Nennbedingungen dar.

In der Praxis kann darunter der Prozentsatz der Nennspannung verstanden werden, der erforderlich ist, um den Nennstrom durch den Transformator zu fließen, wenn eine Wicklung unter definierten Testbedingungen kurzgeschlossen wird.

Wenn ein Transformator beispielsweise eine Kurzschlussimpedanz von 6 % hat, würden etwa 6 % der auf einer Seite angelegten Nennspannung Nennstrom erzeugen, wenn die andere Seite kurzgeschlossen ist, vorbehaltlich der geltenden Prüfanordnung und Referenzbedingungen.

Bei diesem Prozentsatz handelt es sich nicht einfach um einen Katalogwert. Sie ergibt sich aus der Transformatorgeometrie, einschließlich Wicklungsabmessungen, radialem Abstand zwischen Hoch- und Niederspannungswicklungen, axialer Anordnung, magnetischem Streufeld, Leiterabmessungen, Wicklungshöhe, Isolationsabständen und Anzapfungsanordnung.

Das Ändern dieser Elemente kann die Impedanz ändern. Aus diesem Grund muss die Impedanz bei der elektromagnetischen und mechanischen Konstruktion berücksichtigt werden und darf nicht nach Abschluss der Transformatorkonstruktion hinzugefügt werden.

Technische Referenz: IEC 60076-1 und IEC 60076-5 – Internationale Elektrotechnische Kommission.

Warum die Kurzschlussimpedanz von Transformatoren für das gesamte elektrische System wichtig ist

Eine nützliche Möglichkeit, die Impedanz zu betrachten, ist die Projektkette: Netz/Generator → Transformator → Mittel- oder Niederspannungsschaltanlage → Einspeisung → Last → Schutz.

Der Transformator sitzt zwischen der Quelle und den nachgeschalteten Geräten. Seine Impedanz wird Teil des impedanzbegrenzenden Fehlerstroms durch dieses System. Wenn sich die Transformatorimpedanz ändert, ändern sich auch mehrere nachgeschaltete Designbedingungen.

Eine geringere Impedanz bedeutet einen höheren voraussichtlichen Fehlerstrom

Wenn die Transformatorimpedanz verringert wird, während die Quelle und andere Systemparameter unverändert bleiben, erhöht sich im Allgemeinen der voraussichtliche Fehlerstrom auf der Sekundärseite.

Eine vereinfachte technische Beziehung ist: Fehlerstrom ≈ Nennstrom × 100 / Impedanz (%) . Dies ist nur eine Schätzung der ersten Stufe. Eine ordnungsgemäße Kurzschlussstudie muss auch die Impedanz der Netzquelle, Kabel, Generatoren, Motoren, Paralleltransformatoren und andere Netzwerkelemente berücksichtigen.

Der Transformator mit niedrigerer Impedanz lässt wesentlich mehr Fehlerstrom zu. Das kann Auswirkungen haben Mittelspannungsschaltanlagen , Ausschaltvermögen des Leistungsschalters, Nennfestigkeit der Sammelschiene, thermische Beständigkeit des Kabels, Stromwandlerauswahl, Schutzeinstellungen und Lichtbogenberechnungen.

Aus diesem Grund kann die Auswahl der Transformatorimpedanz ohne Überprüfung des Schaltanlagendesigns zu einem EPC-Schnittstellenproblem führen.

Abbildung 2. Ein vereinfachter Vergleich, der zeigt, warum eine niedrigere Transformatorimpedanz den transformatorbegrenzten Fehlerstrom erhöht.

Eine hohe Impedanz ist nicht automatisch besser

Wenn eine niedrigere Impedanz den Fehlerstrom erhöht, kann es logisch erscheinen, nach Möglichkeit eine höhere Impedanz anzugeben. Das schafft andere Probleme.

Eine höhere Transformatorimpedanz führt normalerweise zu einem größeren Spannungsabfall unter Last, insbesondere wenn die Last einen niedrigen Leistungsfaktor oder einen großen Übergangsstrom aufweist. Dies ist bei Anwendungen wie großen Motoren, Bergbaumaschinen, Brechern und Mühlen, Kompressoren, Pumpen, Rechenzentrumslasten, industriellen Produktionslinien und Hilfssystemen für erneuerbare Energien von Bedeutung.

Ein Transformator kann seine thermische Nennleistung erfüllen und dennoch eine inakzeptable Systemleistung erbringen, wenn die Spannungsregelung nicht evaluiert wurde. Beim Starten des Motors kann eine übermäßige Impedanz dazu führen, dass die Sekundärspannung so weit abfällt, dass sich die Startzeit verlängert oder eine erfolgreiche Beschleunigung verhindert wird.

Der Fehlerstrom muss kontrolliert werden, ohne dass es zu einem unzulässigen Betriebsspannungsabfall kommt. Dieses Gleichgewicht sollte in der Systementwurfsphase festgelegt werden.

Die Beziehung zwischen Impedanz und Kurzschlusskräften

Kurzschlussstrom ist nicht nur ein Schutzproblem. Es handelt sich auch um ein mechanisches Designproblem im Inneren des Transformators.

Bei einem schweren externen Kurzschluss sind die Transformatorwicklungen elektromagnetischen Kräften ausgesetzt. Diese Kräfte können radial und axial wirken und in Wickelleitern und Tragkonstruktionen Druck-, Zug-, Biege- und Verschiebungsspannungen erzeugen.

Die Größe dieser Kräfte nimmt mit dem Fehlerstrom stark zu. Eine Konstruktion, die den Fehlerstrom begrenzt, wirkt sich daher auf die mechanische Beanspruchung des aktiven Teils aus. Die alleinige Angabe der Impedanz reicht jedoch nicht aus. Der Transformator muss dennoch so ausgelegt und gebaut sein, dass er den mit den spezifizierten Systembedingungen verbundenen Kurzschlussbelastungen standhält.

Technische Referenz: IEC 60076-5 – Internationale Elektrotechnische Kommission.

Für eine technische Überprüfung des EPC bedeutet dies, dass zwei verschiedene Fragen gestellt werden müssen: Wie hoch ist die angegebene Impedanz? und Wurde die Transformatorkonstruktion hinsichtlich der daraus resultierenden Kurzschlussbelastung bewertet? Sie hängen zusammen, sind aber nicht dieselbe Frage.

Wie sich die Impedanz auf das Transformatordesign auswirkt

Die Kurzschlussimpedanz hängt eng mit dem Streufluss zusammen. In einem idealen Transformator würde der gesamte magnetische Fluss, der von einer Wicklung erzeugt wird, die andere Wicklung verbinden. Echte Transformatoren haben immer einen gewissen Streufluss, der beide Wicklungen nicht vollständig miteinander verbindet.

Die Geometrie des Aktivteils bestimmt die resultierende Streureaktanz. Ein Designer kann die Impedanz anpassen, indem er Parameter wie Wicklungsabstand, Wicklungshöhe oder Leiteranordnung ändert. Aber jede Anpassung hat Konsequenzen.

Vergrößerung des Abstands zwischen HV- und LV-Wicklungen

Ein größerer radialer Abstand kann die Streureaktanz und damit die Impedanz erhöhen. Ein größerer Abstand kann jedoch auch die Abmessungen des aktiven Teils vergrößern, die Leiterlänge erhöhen, den Lastverlust beeinflussen, den Materialverbrauch erhöhen und die Verteilung der mechanischen Kräfte verändern.

Wickelhöhe ändern

Die Wicklungshöhe beeinflusst die Streufeldgeometrie. Eine Änderung, die darauf abzielt, einen bestimmten Impedanzwert zu erreichen, kann sich auch auf axiale Kurzschlusskräfte, Leiterabmessungen, mechanische Stabilität der Wicklung und Tankabmessungen auswirken.

Wicklungsanordnung

Scheiben-, Lagen-, Spiral- und andere Wicklungskonfigurationen werden je nach Spannung, Strom und mechanischen Anforderungen ausgewählt. Daher kann die Impedanz nicht getrennt vom Wicklungsdesign betrachtet werden. Das gleiche Prinzip gilt für die Mittelspannung Öltransformatorkonstruktionen und Hochspannungsgeräte wie z 110-kV-Öltransformator.

Bei höher dimensionierten Transformatoren sollte die angegebene Impedanz frühzeitig mitgeteilt werden. Eine Änderung nach der Genehmigung des elektromagnetischen Entwurfs und der Zeichnungen kann eine erhebliche Neukonstruktion erforderlich machen.

Abbildung 3. Die Wicklungsgeometrie ist einer der Hauptdesignfaktoren für die Streureaktanz und die Kurzschlussimpedanz des Transformators.

Was EPC-Ingenieure vor der Veröffentlichung der Transformatorspezifikation bestätigen sollten

Eine Transformator-Anfrage sollte keinen willkürlichen Impedanzwert enthalten, der aus einem früheren Projekt kopiert wurde. Bevor die Anforderung behoben wird, sollte der EPC-Elektrotechniker das umliegende Netzwerk überprüfen.

Dieser Ansatz ist bei der Beschaffung nützlicher, als einfach „Impedanz: 6 %“ anzugeben, ohne zu erklären, woher der Wert stammt. Für mittelgroße Industrieprojekte steht Ihnen unser Der Auswahlleitfaden für 2500-kVA-Transformatoren bietet zusätzlichen Kontext zur Anpassung der Transformatordaten an die Projektumgebung und das Dokumentationspaket.

Der Parallelbetrieb von Transformatoren erfordert besondere Aufmerksamkeit

Noch wichtiger wird die Impedanz, wenn zwei oder mehr Transformatoren parallel betrieben werden. Für den Parallelbetrieb vorgesehene Transformatoren sollten auf kompatibles Spannungsverhältnis, Schaltgruppe, Stufenposition, Phasenverschiebung, Impedanzcharakteristik und Nennkapazität überprüft werden.

Wenn zwei parallele Transformatoren wesentlich unterschiedliche prozentuale Impedanzen haben, folgt die Lastverteilung nicht einfach ihren kVA-Nennwerten. Der Transformator mit niedrigerer Impedanz nimmt tendenziell einen größeren Lastanteil auf. Dieses Gerät kann überlastet werden, während der Transformator mit höherer Impedanz unter seiner Nennkapazität bleibt.

Bei einem Erweiterungsprojekt tritt dieses Problem häufig auf, wenn ein neuer Transformator mehrere Jahre nach der ursprünglichen Einheit gekauft wird. Die richtige Beschaffungsfrage lautet nicht „Können Sie einen weiteren Transformator mit derselben kVA herstellen?“, sondern „Kann die neue Einheit unter den erforderlichen Anzapfungs- und Belastungsbedingungen korrekt parallel zum vorhandenen Transformator arbeiten?“

Daher sollten bei der technischen Überprüfung das vorhandene Transformator-Typenschild, der Prüfbericht und die Impedanzdaten bereitgestellt werden.

Auch die Impedanztoleranz ist wichtig

Bemessungswert und Messwert sind zahlenmäßig nicht immer identisch. Fertigungstoleranzen wirken sich auf die tatsächliche Impedanz aus, da Wicklungsabmessungen, Leiterplatzierung und Montagegeometrie nicht unendlich präzise sein können.

Aus diesem Grund sollten bei der Projektbewertung sowohl der angegebene Impedanzwert als auch die geltende Toleranz berücksichtigt werden. Dies ist besonders wichtig für Paralleltransformatoren, Netze in der Nähe der Kurzschlussgrenzen von Schaltanlagen, Generator-Transformator-Systeme, große Industrieanlagen und Projekte mit strengen Spannungsabfallanforderungen.

Beim technischen Angebotsvergleich kann es daher irreführend sein, nur die Nennimpedanz zu vergleichen. Zwei Lieferanten geben möglicherweise beide den gleichen Nennprozentsatz an, wenden jedoch unterschiedliche Konstruktionsannahmen oder Toleranzen an. Der EPC-Ingenieur sollte die garantierten technischen Einzelheiten und den geltenden Standard prüfen, anstatt sich nur auf das kommerzielle Datenblatt zu verlassen.

Was sollte bei der FAT überprüft werden?

Die Kurzschlussimpedanz wird normalerweise im Rahmen der elektrischen Prüfung von Transformatoren durch Impedanzspannungs-/Kurzschlussimpedanz- und Lastverlustmessungen gemäß dem geltenden Prüfverfahren überprüft. Das Messergebnis gibt dem Projektteam mehrere nützliche Kontrollen.

Entspricht der hergestellte Transformator dem genehmigten Design?

Eine erhebliche Abweichung kann auf Änderungen in der Geometrie des aktiven Teils oder in den Herstellungsbedingungen hinweisen.

Liegt der Wert innerhalb des angegebenen Akzeptanzbereichs?

Dies ist wichtig für Systemfehlerberechnungen und den Parallelbetrieb.

Ist die Testreferenztemperatur klar?

Die Interpretation von Wicklungswiderstand und Lastverlust hängt von definierten Temperaturreferenzen ab. In Prüfberichten müssen die geltenden Bedingungen klar dargelegt werden.

Stimmen die FAT-Ergebnisse mit den in Systemstudien verwendeten endgültigen Daten überein?

Dies wird oft übersehen. Wenn in der Kurzschlussstudie des Systems ein vorläufiger Impedanzwert verwendet wird, das endgültige FAT-Ergebnis jedoch abweicht, sollte das EPC-Team feststellen, ob die Systemberechnung aktualisiert werden muss.

Designanforderungen → Garantierte Transformatordaten → Genehmigte Berechnung → Herstellung → FAT-Ergebnis → Endgültige Systemüberprüfung

Dieser Ablauf ist dem Kauf des Transformators, dem Erhalt des FAT-Berichts und der Feststellung, dass bei der Berechnung der Schaltanlage eine andere Impedanz verwendet wurde, vorzuziehen.

Abbildung 4. Konzeptionelle FAT-Anordnung zur Messung der Kurzschlussimpedanz. Die tatsächliche Testmethode muss der geltenden Norm und dem genehmigten Verfahren folgen.

Häufige Fehler bei der Beschaffung

Impedanz aus einer alten Spezifikation kopieren

Ein für eine Unterstation geeigneter Wert ist möglicherweise für eine andere nicht geeignet. Netzstärke, Transformatorleistung, Schaltanlagenkapazität und Lastverhalten können unterschiedlich sein.

Auswahl der niedrigstmöglichen Impedanz zur Reduzierung des Spannungsabfalls

Dies kann die Regulierung verbessern und gleichzeitig den potenziellen Fehlerstrom über die Nennwerte der nachgeschalteten Geräte hinaus erhöhen.

Wählen Sie eine hohe Impedanz nur, um den Fehlerstrom zu reduzieren

Bei dem Projekt kann es dann zu einem unzulässigen Spannungsabfall oder einer unzulässigen Motorstartleistung kommen.

Ignorieren des Parallelbetriebs

Ein Ersatztransformator, der seine eigenen Standalone-Spezifikationen erfüllt, kann im Parallelbetrieb mit einer vorhandenen Einheit immer noch eine schlechte Leistung erbringen.

Warten bis zur FAT, um die Systemauswirkungen zu überprüfen

Mit FAT wurde bereits die Haupttransformatorgeometrie hergestellt. Die Impedanzanforderungen sollten vor der endgültigen Genehmigung des elektromagnetischen Designs bestätigt werden.

Ein besserer technischer Arbeitsablauf für die Auswahl der Transformatorimpedanz

1. Ermitteln Sie die Quellenkurzschlussdaten

Bestimmen Sie die maximalen und minimalen Netzfehlerpegel am primären Anschlusspunkt des Transformators.

2. Definieren Sie die Transformatorleistung und die Betriebsphilosophie

Überprüfen Sie Normallast, Notlast, Redundanz und zukünftige Erweiterung.

3. Berechnen Sie den voraussichtlichen Fehlerstrom nach unten

Berücksichtigen Sie die Transformatorimpedanz und die entsprechenden Vor-/Nachlaufimpedanzen.

4. Schaltanlagen- und Kabelaufgaben prüfen

Stellen Sie sicher, dass Leistungsschalter, Sammelschienen, Kabel und andere Geräte die erforderlichen Kurzschlusswerte erfüllen.

5. Spannungsregelung prüfen

Bewerten Sie normale Belastung und kritische Übergangsbedingungen.

6. Überprüfen Sie ggf. den Motorstart

Beurteilen Sie bei großen Motoren, ob die ausgewählte Impedanz zu einem unzulässigen Spannungsabfall führt.

7. Überprüfen Sie den Parallelbetrieb

Wenn Transformatoren parallel betrieben werden, bewerten Sie die Impedanzkompatibilität und die erwartete Lastverteilung.

8. Frieren Sie die Impedanz vor dem detaillierten Entwurf des Transformators ein

Der genehmigte Wert sollte Bestandteil der garantierten technischen Daten sein.

9. Überprüfen Sie es während der FAT

Vergleichen Sie die gemessene Impedanz mit genehmigten Anforderungen und verwenden Sie den Endwert bei Bedarf in Projektberechnungen.

Wie Käufer von Transformatoren Lieferantenangebote vergleichen sollten

Ein technisch starkes Transformatorangebot sollte es dem Käufer ermöglichen, mehr als nur den Hauptimpedanzprozentsatz zu verstehen. Bitten Sie Lieferanten bei der Prüfung von Angeboten, die folgenden Punkte zu klären.

Ein Transformator sollte nicht ausgewählt werden, da sein Impedanzwert normal aussieht. Es sollte ausgewählt werden, da dieser Wert mit dem elektrischen System um ihn herum zusammenarbeitet.

Die technische Frage ist größer als ein Prozent

Die Kurzschlussimpedanz des Transformators verbindet das elektromagnetische Design des Transformators mit Schutz, Schaltanlagen, Systemstudien und der tatsächlichen Lastleistung.

Ist der Wert zu niedrig, kann es schwierig werden, den Fehlerstrom zu bewältigen. Zu hoch kann dazu führen, dass die Spannungsregelung nicht mehr akzeptabel ist. Bei Paralleltransformatoren kann ein ungeeignetes Impedanzverhältnis zu ungleicher Belastung führen. Bei äußeren Fehlern bestimmt der Kurzschlussstrom auch die thermischen und mechanischen Belastungen, denen der Transformator standhalten muss.

Technische Referenz: IEC 60076-5 und IEC 60076-1 – Internationale Elektrotechnische Kommission.

Bei einem neuen Transformatorprojekt sind die nützlichsten Informationen, die Sie zu Beginn senden sollten, nicht nur Kapazität und Spannung. Mithilfe eines Übersichtsdiagramms, des Netzkurzschlussniveaus, des Transformatordatenblatts, des Lastplans, der Motorliste und der technischen Projektspezifikation kann die Impedanz als Teil des gesamten Stromversorgungssystems überprüft werden.

Zisheng Electric liefert Öltransformatoren , Leistungstransformatoren, Trockentransformatoren und zugehörige Transformator- und Umspannwerksausrüstung für Projektanwendungen. Transformatorkapazität, Spannungspegel, Impedanz und andere technische Parameter können an bestätigte Projektanforderungen und Standortbedingungen angepasst werden.

Unser Engineering-Team prüft die Anforderungen und beantwortet Projektanfragen innerhalb von 24 Stunden.