Ferroresonanz bei flachmontierten Transformatoren: Was ein Hersteller flachmontierter Transformatoren von Planern wissen möchte

 

Als ein hersteller von ortsfesten Transformatoren , wir stellen immer wieder denselben Fehler in derselben Reihenfolge fest. Eine auf einem Sockel montierte Einheit wird zur Wartung ausgetauscht. Der Aufstiegsleitungsableiter am Kabelende versagt. Das Team ersetzt den Ableiter, schaltet die Einheit wieder ein, und der Ersatzableiter versagt erneut innerhalb weniger Monate – manchmal sogar innerhalb weniger Wochen. Der Transformator selbst weist bei jeder Routineprüfung ein einwandfreies Ergebnis auf. An der Typenschildangabe ist nichts fehlerhaft. Was den Ableiter zerstört, ist Ferroresonanz – und dafür ist fast niemals der Ableiter selbst verantwortlich.

Was Ferroresonanz tatsächlich ist

 

Ein Transformator-Kern ist keine lineare Drossel. Unterhalb der Sättigung ist seine magnetisierende Reaktanz hoch. Wenn sich der Kern der Sättigung nähert, bricht diese Reaktanz zusammen. Setzt man eine Komponente mit diesem Verhalten in eine Schaltung ein, die zudem Kapazität enthält – etwa die Mantelkapazität eines Erdkabels, die Stufungskapazität eines Leistungsschalters, die Kapazität einer Durchführung oder einer Kondensatorbank –, so kann eine Schaltstörung die Schaltung in eine Schwingung versetzen, die keines der beiden Elemente allein hervorrufen könnte.

Das ist die gesamte Definition, und sie erklärt auch, warum ferroresonanz bei Transformatoren nicht die übersichtliche Resonanz ist, die man aus XL = XC berechnet. Bei einer linearen Drossel gibt es eine einzige Resonanzfrequenz und einen einzigen stationären Zustand. Bei einem sättigbaren Kern existieren mehrere solcher Frequenzen, und die Schaltung kann zwischen ihnen springen. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) beschreibt vier Hauptschwingungsmodi: Ferroresonanz mit Grundfrequenz bei der Netzfrequenz; subharmonische Ferroresonanz bei einem Bruchteil der Netzfrequenz, am häufigsten bei einem Drittel; quasiperiodische Ferroresonanz mit unregelmäßigen Wellenformen; und chaotische Ferroresonanz ohne jegliches sich wiederholendes Muster. Anhaltende Überspannungen in diesen Modi können das Fünf- bis Sechsfache der Nennleiterspannung erreichen – weit mehr, als es die Isolationskoordination einer Verteilungswicklung für anhaltende Netzfrequenzbelastung vorsieht.

Zwei Geräte mit identischen Typenschildern können sich völlig unterschiedlich verhalten. Der Modus, in den sich eine Schaltung einstellt, hängt von Induktivität, Kapazität, Spannungshöhe und Anfangsbedingungen ab – was in der Praxis bedeutet, dass er vom exakten Zeitpunkt des Schaltvorgangs abhängt. Deshalb bleibt dieser Effekt bei einer Untersuchung auf Basis von Nennwerten unentdeckt, und deshalb kann derselbe Schaltvorgang hundertmal fehlerfrei ablaufen und beim hundertsten ersten Mal versagen.

Falls Sie derzeit eine Spezifikation für ein auf einem Sockel montiertes Gerät erstellen, prüft unser Ingenieurteam gemeinsam mit Ihnen die Primärschaltung, bevor die Bemessung festgelegt wird. Senden Sie uns das einpolige Schaltbild, und wir gehen gemeinsam die vier Bedingungen durch.

Die vier Bedingungen, die gleichzeitig erfüllt sein müssen

 

Ferroresonanz ist anspruchsvoll. Sie erfordert vier Bedingungen gleichzeitig – eine unbelastete Sekundärseite, hohe Primärkapazität, asymmetrisches einphasiges Schalten , sowie einen Kern, der bereits bei einer geringen Überspannung in Sättigung geht – genau deshalb tritt sie niemals in einer Lastflussstudie auf und ist im Prüfstand so schwer zu reproduzieren.

Zustand	Warum es wichtig ist	Wo sie in der Praxis auftritt
Unbelastete oder schwach belastete Sekundärseite	Der Lastwiderstand dämpft die Schwingung; eine leere Sekundärseite bietet keinerlei Dämpfung	Neue Wohnsiedlung vor Bezug, saisonale Anlagenabschaltung, Gerät als Ersatzreserve gehalten
Hohe Primärkapazität	Die Kabelmantelkapazität pro Längeneinheit ist deutlich höher als bei einer Freileitung	Lange unterirdische Zuleitungen, Steigkabel, Netzwerkkabinette, kabelgespeiste industrielle Versorgung
Asymmetrisches Schalten	Lässt eine oder zwei Phasen isoliert, aber dennoch kapazitiv mit der Quelle gekoppelt	Einphasige Sicherungsautomaten, durchgebrannte Sicherung, einpolige Wiedereinschalter, Ellbogenbetätigung
Kern, der bereits bei geringer Überspannung in die Sättigung gerät	Die Magnetisierungsinduktivität bricht zusammen und ermöglicht es dem Stromkreis, zwischen Betriebspunkten zu springen	Moderne kerndämpfungsarme Kerne und Konstruktionen, die mit höherer Flussdichte betrieben werden

 

Entfernen Sie eines der vier Elemente, und das Phänomen tritt in der Regel nicht auf. Das ist der nützliche Aspekt, denn er bedeutet, dass es vier voneinander unabhängige Stellen gibt, an denen man das Phänomen konstruktiv vermeiden kann – und die kostengünstigste Lösung ist fast immer die Schaltanordnung. Dies ist zudem der Zeitpunkt, an dem das Gespräch von einer Angebotserstellung zur Geräteauswahl übergehen sollte, und es ist das Erste, was ein hersteller von ortsfesten Transformatoren mit Ihnen besprechen sollte.

Was es mit der Einheit anstellt, bevor es jemand bemerkt

 

Die erste Störung, die eine Crew feststellt, tritt üblicherweise am überspannungsableiter , nicht im Inneren des Tanks auf. Ein Metalloxid-Überspannungsableiter ist ein Widerstand, der erst oberhalb seiner Nennspannung leitfähig wird. Eine anhaltende ferroresonante Überspannung hält ihn in Leitung und wandelt die Schwingung in Wärme innerhalb eines keramischen Blocks um, der für Impulse im Mikrosekundenbereich bei einem definierten Belastungszyklus dimensioniert wurde. Eatons Referenzdaten TC202005EN – Überspannungsschutz für flurmontierte Transformatoren formulieren die Grenze klar: Überspannungsableiter reduzieren Überspannungen, beseitigen sie jedoch nicht; je höher der Belastungszyklus des Ableiters, desto mehr leitfähiges Material ist vorhanden und desto länger übersteht er eine Überspannung, bevor er ausfällt. Ein leichtes Verteilungsableitermodell, das für Blitzeinschläge vollkommen ausreichend ist, ist nicht für Minuten an Dauerleistung mit Netzfrequenz ausgelegt. Eaton Referenzdaten TC202005EN – Überspannungsschutz für flurmontierte Transformatoren (https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/medium-voltage-power-distribution-control-systems/cooper-power-series-transformers/overvoltage-protection-for-pad-mounted-transformers-information-tc202005en.pdf)

Hinter dem Überspannungsableiter ist der Schaden leiser und schwerer bei einer Routineprüfung zu entdecken. Die Oberflächen der Durchführungen weisen Spuren von Kriechstrecken auf, wo der Lichtbogenüberschlag stattgefunden hat. Die Wicklungs-Isolierung wird an der Stelle durchschlagen, an der die Schwingungsspitzen auftreten; der Durchschlag ist oft so klein, dass ein Übersetzungsverhältnis-Test dennoch bestanden wird. Der Kern läuft heiß, weil die magnetische Flussdichte weit über dem Konstruktionswert liegt und Wärme die Lebensdauer der Isolierung verkürzt. Der Überspannungsableiter versagt in der Regel als Erstes – nicht als Einziger.

Es gibt zudem ein Symptom, das keinerlei elektrischen Ursprungs ist: Eine Anlage im Ferroresonanzbetrieb erzeugt häufig ein tiefes Brummen oder Rattern, das sich vom normalen Magnetostriktionsbrummen unterscheidet – ungleichmäßig, unregelmäßig und laut genug, sodass es von den Einsatzteams bemerkt wird, noch bevor ein Relais anspricht. Behandeln Sie es als Warnsignal, nicht als störendes Geräusch.

 

Einphasiges Schalten ist der auslösende Faktor, den Sie kontrollieren können

 

Von den vier Bedingungen ist das unsymmetrische Schalten die einzige, die ein Planer durch einen einzelnen Positionspunkt eliminieren kann. Einphasiges Schalten einer dreiphasigen Transformatorbank – sei es durch Sicherungsautomaten, eine durchgebrannte Sicherung oder ein einpoliges Wiedereinschaltverfahren – führt dazu, dass die Bank teilweise unter Spannung steht und kapazitiv mit der Quelle gekoppelt bleibt; dies stellt den klassischen Auslöser in kabelgespeisten Verteilnetzen dar.

IEEE Std C57.105-2019, die Richtlinie zur Anwendung von Transformatoranschlüssen in dreiphasigen elektrischen Systemen, behandelt diese Wechselwirkungen zwischen Anschluss und Schaltvorgang als Konstruktionsaspekt und nicht als Zufall: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . Der Standard existiert genau deshalb, weil die Wechselwirkung zwischen dem Transformatoranschluss und der ihn umgebenden Schaltung darüber entscheidet, ob sich ein System ordnungsgemäß oder fehlerhaft verhält.

Was in der Praxis funktioniert, ist unspektakulär. Schalten Sie alle drei Phasen gemeinsam mit einem gangbetätigten Gerät statt mit einphasigen Trennvorrichtungen, wo immer die Anordnung dies zulässt. Wo einphasige Geräte unvermeidlich sind, halten Sie während des Schaltvorgangs eine kleine permanente ohmsche Last auf der Sekundärseite, damit die Schwingung etwas zum Abklingen hat. Ein Dämpfungswiderstand oder eine Ferroresonanzunterdrückungsschaltung über der Wicklung bildet die nächste Schutzstufe, und ein überspannungsableiter für vorübergehende Überspannung – nicht nur für Blitze – ausgewählter Überspannungsableiter ist die letzte Stufe.

All dies erfordert keine exotische Hardware. Erforderlich ist vielmehr, dass das Schaltschema und der Belastungszyklus des Überspannungsableiters gleichzeitig mit der Transformatorleistung festgelegt werden – und nicht erst nachdem das Kabel bereits verlegt wurde.

Fünf Punkte, die in die Ausschreibung aufgenommen werden sollten

 

Wicklungsverbindung und Erdung. Geben Sie an, ob ein primärseitiger geerdeter Stern zulässig ist. Eine primärseitige ungeerdete Dreieckschaltung bei einer langen Kabelstrecke stellt die riskanteste Anordnung überhaupt dar; die Antwort darauf verändert das gesamte Überspannungsbild.

Typ der primären Schaltvorrichtung. Dreiphasige Lasttrennschalter mit gemeinsamer Betätigung, dreiphasige Wiedereinschaltung oder einphasige Sicherungsautomaten. Falls einphasige Geräte unvermeidbar sind, ist dies anzugeben, da sich dadurch die überspannungsableiter auswahl.

Überspannungsableiterklasse, die Belastungskurve, die maximale kontinuierliche Betriebsspannung (MCOV) sowie die Kurzzeitüberspannungsfestigkeit ändern. ‚Überspannungsableiter enthalten‘ ist keine Spezifikation. Fordern Sie Überspannungsableiter an, die für Kurzzeitüberspannungen – nicht nur für Blitze – dimensioniert sind.

Kabelplan. Leiterquerschnitt, Länge und Isolationsart für jedes primäre Segment. Die Mantelkapazität bildet die zweite Hälfte des Resonanzkreises und ist in einem Typenschildplan nicht sichtbar.

Sekundär-Dämpfung. Ob während des Schaltvorgangs eine kleine dauerhafte Last oder ein Dämpfungswiderstand am Sekundärkreis verbleibt und welchen Prozentsatz der Nennleistung dieser ausmacht.

Was ein Hersteller von ortsfesten Transformatoren vor Ihrer Bestellung fragt

 

Bei jedem Projekt mit langen Hauptkabelstrecken verlangen wir als erstes Dokument nicht den Typenschildplan. Es ist das einpolige Schaltbild mit Kabelängen und der Schaltanordnung, denn diese beiden Angaben entscheiden darüber, ob das Überspannungsrisiko vernachlässigbar oder real ist. A hersteller von ortsfesten Transformatoren wer allein anhand der Transformatorliste offeriert, offeriert eine Einheit – keine Lösung.

Jede Einheit durchläuft eine standardisierte Prüfsequenz, wobei Leerlaufverlust und Magnetisierungsstrom aufgezeichnet werden. Diese beiden Werte sind die Eingangsgrößen, die aus einer Ferroresonanz-Frage eine Berechnung statt einer Meinung machen; auf Anfrage übermitteln wir sie Ihrem Beratungsingenieur vor Auslieferung.

Ryan Electric fertigt seit 2007 Verteilungs- und Leistungstransformatoren von einem Produktionsstandort mit einer Fläche von 120.000 m² aus, der über mehr als 180 Einheiten an Produktions- und Prüfgeräten sowie 37 Patente verfügt. Seit 2023 agiert das Unternehmen als offizieller Joint-Venture-Partner von Eaton – ein Grund dafür, dass wir Überspannungsableiter und Schaltkoordination als integralen Bestandteil des Transformatorumfangs betrachten und nicht als Problem Dritter.

Ein Muster, das wir bei nordamerikanischen Siedlungsprojekten wiederholt beobachten, ist eine kleine dreiphasige Einheit – 75 kVA bis 500 kVA – am Ende einer langen unterirdischen Nebenleitung, die über einphasige Sicherungsautomaten gespeist wird und eine Last versorgt, die erst ein Jahr später existieren wird. Alle aufgeführten Bedingungen treten gleichzeitig auf, und die Baustelle bleibt monatelang unbelastet. Sobald der Planer zu einem gemeinsam betätigten Schalter wechselt und während der Inbetriebnahme eine kleine ohmsche Last am Sekundäranschluss belässt, hören die Überspannungsableiterausfälle auf.

Falls Sie für ein kabelgespeistes System flachmontierte Einheiten spezifizieren, senden Sie uns vor Auftragserteilung das Ersatzschaltbild und den Kabelplan. Wir prüfen die Schaltanordnung, die Überspannungsableiter-Spezifikation und die sekundäre Dämpfung anhand Ihres konkreten Stromkreises und teilen Ihnen mit, welche der vier Bedingungen bei Ihnen vorliegen – und welche Sie bereits durch Ihr Design ausgeschlossen haben. Dieses Gespräch sollte hersteller von ortsfesten Transformatoren bereits vor Auftragserteilung mit Ihnen stattfinden, nicht erst nach dem Ausfall des ersten Überspannungsableiters.

Über den Autor

Dieser Artikel wurde vom Transformator-Engineering-Team von Ryan Electric erstellt. Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) entwickelt und fertigt Cast-Resin- und VPI-Trockentransformatoren, ölgefüllte Transformatoren sowie flachmontierte Einheiten in seiner 120.000 m² großen Produktionsstätte und beliefert Rechenzentren, Industrieanlagen, Versorgungsunternehmen sowie Infrastrukturprojekte in Nordamerika, Südostasien, dem Nahen Osten und Afrika.