Oberschwingungen im Stromnetz sind in modernen Energiesystemen zu einem immer ernsteren Problem geworden. Als renommierter Lieferant von 35-kV-Transformatoren habe ich die Herausforderungen, die Oberschwingungen für diese kritischen Geräte mit sich bringen, aus erster Hand miterlebt. In diesem Blogbeitrag werde ich mich mit den Auswirkungen von Oberschwingungen im Stromnetz auf 35-kV-Transformatoren befassen und dabei die technischen Aspekte und praktischen Auswirkungen beleuchten.
Oberschwingungen im Stromnetz verstehen
Bevor wir die Auswirkungen auf 35-kV-Transformatoren untersuchen, wollen wir kurz verstehen, was Oberschwingungen im Stromnetz sind. In einem idealen Stromversorgungssystem sind die Spannungs- und Stromwellenformen reine Sinuskurven mit einer einzigen Frequenz, typischerweise 50 Hz oder 60 Hz. In Wirklichkeit verzerren jedoch nichtlineare Lasten wie leistungselektronische Geräte, Antriebe mit variabler Drehzahl und Lichtbogenöfen diese Wellenformen. Diese verzerrten Wellenformen können in eine Grundfrequenzkomponente und eine Reihe höherfrequenter Komponenten, sogenannte Harmonische, zerlegt werden. Die Frequenzen dieser Harmonischen sind ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz. Beispielsweise hat die 3. Harmonische eine Frequenz von 150 Hz (wenn die Grundschwingung 50 Hz beträgt).
Auswirkungen auf die Verluste von 35-kV-Transformatoren
Eine der bedeutendsten Auswirkungen von Oberschwingungen im Stromnetz auf 35-kV-Transformatoren ist der Anstieg der Verluste. Es gibt zwei Hauptarten von Verlusten in Transformatoren: Kupferverluste und Eisenverluste.
Kupferverluste
Aufgrund des Widerstands der Leiter treten in den Transformatorwicklungen Kupferverluste auf. Der Leistungsverlust in einem Leiter ergibt sich aus (P = I^{2}R), wobei (I) der durch den Leiter fließende Strom und (R) sein Widerstand ist. Wenn im Stromnetz Oberschwingungen vorhanden sind, erhöht sich der Gesamtstrom, der durch die Transformatorwicklungen fließt. Dies liegt daran, dass sich die harmonischen Ströme zum Grundstrom addieren. Da die Kupferverluste proportional zum Quadrat des Stroms sind, kann bereits ein kleiner Anstieg des Oberschwingungsstroms zu einem deutlichen Anstieg der Kupferverluste führen. Wenn der Oberschwingungsstrom beispielsweise 10 % des Grundschwingungsstroms beträgt, erhöht sich der Gesamtstrom und die Kupferverluste nehmen aufgrund der Quadrat-Gesetz-Beziehung um mehr als 10 % zu.
Eisenverluste
Eisenverluste, auch Kernverluste genannt, bestehen aus Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten. Durch die wiederholte Magnetisierung und Entmagnetisierung des Transformatorkerns entstehen Hystereseverluste. Wirbelstromverluste werden durch zirkulierende Ströme verursacht, die aufgrund des sich ändernden Magnetfelds im Kern induziert werden. Harmonische erhöhen die Änderungsgeschwindigkeit des Magnetfelds im Transformatorkern. Dies führt zu einer Erhöhung sowohl der Hysterese als auch der Wirbelstromverluste. Insbesondere die höherfrequenten Harmonischen wirken sich stärker auf die Wirbelstromverluste aus, da Wirbelstromverluste proportional zum Quadrat der Frequenz sind. Infolgedessen können die gesamten Eisenverluste im 35-kV-Transformator bei Vorhandensein von Oberschwingungen erheblich ansteigen.
Auswirkungen auf die Transformatorerwärmung
Die erhöhten Verluste im 35-kV-Transformator aufgrund von Oberschwingungen führen zu einer stärkeren Wärmeentwicklung. Transformatoren sind für den Betrieb in einem bestimmten Temperaturbereich ausgelegt. Übermäßiges Erhitzen kann mehrere negative Folgen haben.
Verschlechterung der Isolierung
Die in Transformatoren verwendeten Isoliermaterialien wie Papier und Öl sind temperaturempfindlich. Hohe Temperaturen können den Alterungsprozess der Isolierung beschleunigen. Wenn sich die Isolierung verschlechtert, verringert sich ihre Spannungsfestigkeit, wodurch sich das Risiko eines Stromausfalls erhöht. Dies kann zu Kurzschlüssen im Transformator führen, die kostspielige Schäden und Ausfallzeiten verursachen können. Für einen 35-kV-Transformator, der eine kritische Komponente im Stromverteilungsnetz darstellt, kann jeder Isolationsfehler weitreichende Folgen haben.
Reduzierte Lebensdauer
Die Lebensdauer eines Transformators hängt eng von seiner Betriebstemperatur ab. Ein Transformator, der aufgrund von Oberschwingungen bei einer höheren Temperatur arbeitet, hat eine kürzere Lebensdauer als ein Transformator, der unter normalen Bedingungen betrieben wird. Mithilfe der Arrhenius-Gleichung kann der Einfluss der Temperatur auf die Alterungsgeschwindigkeit der Isolierung abgeschätzt werden. Im Allgemeinen verdoppelt sich die Alterungsrate der Isolierung bei jedem Temperaturanstieg um 6–8 °C. Daher kann das Vorhandensein von Oberschwingungen die Lebensdauer eines 35-kV-Transformators erheblich verkürzen.
Auswirkungen auf die Transformatornennleistung
Das Vorhandensein von Oberschwingungen im Stromnetz kann sich auch auf die Scheinleistung eines 35-kV-Transformators auswirken. Transformatoren werden auf der Grundlage ihrer Fähigkeit bewertet, unter normalen Betriebsbedingungen eine bestimmte Lastmenge zu bewältigen. Wenn jedoch Oberschwingungen vorhanden sind, ist der Transformator möglicherweise nicht in der Lage, die gleiche Last wie in einer oberschwingungsfreien Umgebung zu bewältigen.
Derating
Um den sicheren und zuverlässigen Betrieb des Transformators bei Vorhandensein von Oberschwingungen zu gewährleisten, kann eine Leistungsreduzierung des Transformators erforderlich sein. Derating bedeutet, die maximale Last zu reduzieren, die der Transformator verarbeiten kann. Wenn beispielsweise ein 35-kV-Transformator unter normalen Bedingungen für 10 MVA ausgelegt ist, muss er in einem System mit hohen Oberschwingungen möglicherweise auf 8 MVA oder sogar weniger herabgestuft werden. Dies kann für Stromnetzbetreiber ein erhebliches Problem darstellen, da sie möglicherweise zusätzliche Transformatoren installieren müssen, um den Lastbedarf zu decken.
Auswirkungen auf Transformatorgeräusche
Oberwellen können auch zu einer Erhöhung des Transformatorrauschens führen. Die auf den Transformatorkern und die Wicklungen wirkenden Magnetkräfte sind proportional zum Quadrat des Magnetfeldes. Wenn Oberwellen vorhanden sind, wird das Magnetfeld im Transformator komplexer und die magnetischen Kräfte nehmen zu. Dies kann dazu führen, dass der Transformatorkern und die Wicklungen stärker vibrieren, was zu einem erhöhten Geräuschpegel führt. Übermäßiger Lärm von einem 35-kV-Transformator kann in Wohn- oder Gewerbegebieten störend sein und auch auf mögliche mechanische Probleme im Transformator hinweisen.
Minderungsstrategien
Als Lieferant von 35-kV-Transformatoren weiß ich, wie wichtig es ist, die Auswirkungen von Oberschwingungen im Stromnetz zu mildern. Es gibt mehrere Strategien, die angewendet werden können:
Filtern
Im Stromnetz können Oberschwingungsfilter installiert werden, um den Oberschwingungsanteil in den Spannungs- und Stromwellenformen zu reduzieren. Passive Filter, wie zum Beispiel LC-Filter, werden üblicherweise zur Absorption bestimmter harmonischer Frequenzen verwendet. Aktive Filter hingegen können ihren Betrieb dynamisch anpassen, um ein breites Spektrum an Oberwellen zu kompensieren.
Änderungen am Transformatordesign
Transformatoren können so ausgelegt werden, dass sie resistenter gegen Oberschwingungen sind. Beispielsweise können durch die Verwendung von Leitern mit größerem Querschnitt Kupferverluste reduziert werden, und durch den Einsatz spezieller Kernmaterialien können Eisenverluste reduziert werden.
Abschluss
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Oberschwingungen im Stromnetz einen erheblichen Einfluss auf 35-kV-Transformatoren haben. Sie erhöhen die Verluste, verursachen Überhitzung, verringern die Transformatorleistung und erhöhen den Geräuschpegel. Als Lieferant von 35-kV-Transformatoren setze ich mich dafür ein, qualitativ hochwertige Transformatoren bereitzustellen, die den Herausforderungen durch Oberschwingungen standhalten. Wenn Sie auf der Suche nach einem zuverlässigen sind35-kV-Transformator,33-kV-Transformator, oder33 0,415-kV-TransformatorBitte zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren, um eine ausführliche Besprechung Ihrer Anforderungen zu erhalten und herauszufinden, wie wir Ihnen bei der Minderung der Auswirkungen von Oberschwingungen helfen können.
Referenzen
- Arrillaga, J. & Watson, NR (2001). Oberschwingungen des Energiesystems. John Wiley & Söhne.
- Gross, G. & Grainger, JJ (2006). Analyse des Energiesystems. McGraw - Hill.
- IEEE-Standard 519 – 2014, IEEE-empfohlene Praktiken und Anforderungen für die Oberschwingungskontrolle in elektrischen Energiesystemen.