Erdungstransformatoren: Wann ein Zickzack-Transformator vorgesehen und wie dessen Nennstrom korrekt bemessen werden muss

Letzten Frühling sandte uns ein Anlageningenieur aus Ohio eine E-Mail zu einer 13,8-kV-Schleife, die drei Produktionsgebäude versorgte. Ein Fehler zwischen Phase und Erde durchzog dieses System zwei Wochen lang – die Schutzeinrichtungen registrierten nahezu nichts, weil es sich bei der Schleife um ein nicht geerdetes System ohne Nullfolgepfad für den Fehlerstrom handelte. Bis sein Auftragnehmer die verbrannte Kabelverbindung fand, waren bereits zwei Motorantriebe mit je 500 PS an den gesunden Phasen ausgefallen. Die von ihm bestellte Lösung war ein Transformator der Spannungsklasse 15 kV erdungstransformator mit Zickzack-Wicklung. Seine Frage an uns war kurz: „Welche Strombelastbarkeit gebe ich auf der Bestellung an – für 10 Sekunden oder kontinuierlich?“

Diese Frage stellt sich häufiger, als es sein sollte, und genau hier liegen häufig Fehler in den Spezifikationen. Folgendes erklären wir Einkäufern, sobald diese Frage in ihrem Projekt auftaucht.

 

 

Was ein Erdungstransformator tatsächlich leistet

Es handelt sich nicht um einen Verteilungstransformator im üblichen Sinne. Eine Erdungseinheit wie diese führt im Normalbetrieb nahezu keine Last. Ihre Aufgabe besteht darin, einen künstlichen Neutralpunkt in einem System zu erzeugen, das über keinen solchen verfügt – typischerweise ein Dreieck-verbundenes System oder ein Stern-verbundenes System, dessen Neutralleiteranschluss nicht zugänglich ist oder nicht fest geerdet werden darf.

Tritt bei einem unerdeten System ein Fehler zwischen Phase und Erde auf, so hat der Fehlerstrom außer über die verteilte Kapazität von Kabeln und Wicklungen – welche gering ist – keinen Pfad zum Fließen. Daher kann der Schutz den Fehler nicht ausschalten, und das System bleibt in Betrieb, wobei eine Phase auf Erdpotential liegt, während die gesunden Phasen auf die volle Leiterspannung ansteigen – etwa das 1,73-Fache der normalen Phasenspannung, wobei bei intermittierendem Lichtbogen kurzfristige Überschwingungen möglich sind. Motoren und Kabel an den gesunden Phasen erfahren diese Belastung, was zu Isolationsausfällen führt, oft erst Wochen später und weit entfernt vom eigentlichen Fehlerort.

Schließen Sie eine Zickzack-Einheit mit geerdetem Neutralleiter an, und das Bild ändert sich. Die Wicklung bietet einen niederohmigen Nullsequenzpfad; der Fehlerstrom fließt über den Transformator zurück, und Schutzeinrichtungen können ihn schließlich erkennen und auslösen. Bei einer Zickzack-(verbundene Stern-)Wicklung trägt jede Phase etwa ein Drittel des Nullsequenz-Fehlerstroms, weshalb diese Einheiten im Vergleich zur Last, die sie schützen, physisch klein sind.

 

Zickzack vs. Stern-Dreieck: Welche Wicklung gehört in Ihre Spezifikation?

Käufer fragen uns nach zwei gängigen Möglichkeiten, eine erdungstransformator : die Zickzack- und die Stern-Dreieck-Wicklung.

Vergleich	Zickzack (verbundene Sternschaltung)	Stern-Dreieck
Normaler Laststrom	Nahezu null – nur Magnetisierungsstrom	Kann bei entsprechender Angabe auch eine zusätzliche Dreiecklast versorgen
Nullsequenzimpedanz	Niedrig, durch Konstruktion steuerbar	Niedrig, durch Wicklungsgeometrie festgelegt
Physikalische Größe	Kompakt, niedrigste Kosten	Größer, höhere Kosten
Typischer Gebrauch	Reine Erdungsaufgabe in Systemen von 480 V bis 34,5 kV	Erdung plus Zusatz- oder Betriebsstromlast
Gängige Nennwerte	400 A für 10 s; dauerhaft für HRG-Erdungsaufgabe	Oft dauerhaft bemessen

Für ein Projekt, dessen einziger Bedarf ein Neutralpunkt ist, das zickzack-Transformator ist nahezu immer die richtige Wahl – er ist kleiner, kostengünstiger und einfacher in einem Außengehäuse zu montieren. Wir fertigen beide Typen in unserem Werk, doch rund neun von zehn Erdungsbestellungen, die wir versenden, sind Zickzack-Einheiten. Geben Sie nur dann einen Stern-Dreieck-Transformator an, wenn das Gerät zusätzlich eine Hilfslast speisen muss, beispielsweise ein Stationsversorgungsverteiler auf der Dreieck-Seite.

 

Dauerbetrieb vs. Kurzzeitbetrieb: Die entscheidende Spezifikationsentscheidung

Genau diese Entscheidung löste den Anruf des Ingenieurs aus Ohio aus – und sie ist diejenige, die die meisten Käufer falsch treffen.

Ein erdungstransformator für ein System mit niederohmiger Erdung ausgelegt ist kurzzeitbetrieb des Systems erdungswiderstand (NGR) begrenzt den Erdschlussstrom auf einen festgelegten Wert – üblicherweise 400 A, manchmal 200 A oder 600 A – und die Schutzvorrichtung löscht den Fehler innerhalb weniger Sekunden. Der Transformator ist daher so bemessen, dass er diesen Strom für eine definierte Dauer – üblicherweise 10 Sekunden gemäß den Prüfverfahren nach IEEE C57.32 – aushält. Eine Kurzzeit-Einheit als „kontinuierlich“ zu kennzeichnen, verschwendet Geld für Kupfer und Kern; eine kontinuierlich betriebene Einheit als „10 Sekunden“ zu kennzeichnen, stellt eine Sicherheitsgefahr dar.

Auf einer hochwiderstands-Erdung (HRG)-System wird der Strom gezielt auf etwa 5 A oder 10 A begrenzt, und das System bleibt im Fehlerfall weiter in Betrieb, während die Wartung die Störstelle lokalisiert. Diese Einheit muss daher für Dauerbetrieb ausgelegt sein kontinuierlich , da sie unendlich lange Strom führt. Die Verwechslung beider Konzepte in einer Spezifikation ist der häufigste Fehler, den wir in RFQs sehen – ein Käufer formuliert beispielsweise „Erdungstransformator, 400 A“ und vergisst den Betriebszyklus; daraufhin liefert der Hersteller die falsche Maschine.

 

Zuerst das System erden: nicht geerdet, direkt geerdet, niederohmig geerdet oder HRG

Bevor jemand eine Erdungseinheit bewerten kann, muss die Systemerdungsphilosophie festgelegt werden, da sie den Strom, die Betriebsdauer und das Schutzkonzept bestimmt.

• Nicht geerdete Systeme sind in vielen industriellen Normen zulässig – Artikel 250.21 der NEC erlaubt sie nach wie vor – tolerieren jedoch den ersten Fehler stumm und setzen gesunde Anlagenteile einer Überspannung aus. Dies ist die Konfiguration, die Käufer üblicherweise dazu veranlasst, später eine Erdungseinheit nachzurüsten.
• Fest geerdete sternsysteme benötigen keine Erdungseinheit, wenn der Neutralleiter verfügbar und zulässig ist. Zickzack-Einheiten kommen zum Einsatz, wenn der Neutralleiter nicht zugänglich ist oder eine feste Erdung nicht erlaubt ist.
• Niedrigwiderstandsgeregelte Erdungssysteme (typischerweise 200–800 A, 10-Sekunden-Betriebsdauer) sind die Standardwahl für mittelspannungsfähige industrielle Verteilungssysteme. Eine Kombination aus Zickzack-Einheit und NGR ermöglicht zuverlässige Fehlererkennung bei begrenztem Schaden am Fehlerort.
• Hochwiderstandsgeregelte Erdung systeme (5–10 A, Dauerbetrieb) halten die Anlage bei einem einzigen Fehler unter Alarm weiter in Betrieb; dies ist üblich bei 480-V-Prozessen, bei denen ein ungeplanter Ausfall nicht toleriert werden kann. Die NEC 250.36 regelt die Hochwiderstands-Erdung (HRG) für Systeme von 480 V bis 1000 V.

Zum Vergleich: Die Erdungspraxis, anhand derer entschieden wird, welche dieser Varianten für Ihre Anlage geeignet ist, wird beschrieben in der IEEE-142-Empfehlung zur Erdung industrieller und gewerblicher Stromversorgungssysteme , die wir stets als Referenzgrundlage verwenden, sobald ein Kunde uns bittet, seine Systemphilosophie zu überprüfen.

 

Was auf dem Datenblatt stehen muss

Wenn Sie eine Anfrage (RFQ) für einen erdungstransformator , enthält ein vollständiges Datenblatt diese Punkte – und ein Angebotsersteller erkennt sofort, wenn eines fehlt:

1. System-Spannung zwischen den Leitern und Frequenz (z. B. 13,8 kV, 60 Hz) sowie die für das Isolationssystem erforderliche BIL-Klasse.
2. Neutralpunkt-Erdung methode: niederohmig mit NGR-Strom und Zeitangabe (400 A, 10 s) oder hochohmig im Dauerbetrieb (5 A oder 10 A).
3. Dauer- oder Kurzzeitbetrieb, ausdrücklich angegeben – niemals der Schlussfolgerung überlassen.
4. Ob ein Neutralleiter-Erdungswiderstand enthalten ist und welchen ohmschen Wert er aufweist, denn allein die Zickzack-Schaltung begrenzt den Strom nicht.
5. Gehäuse und Umgebung: für Innenraum, Außenbereich, bodenmontiert oder für Schaltanlagenrahmen sowie Temperaturklasse.
6. Anzuwendender Prüfstandard – wir fertigen und prüfen nach IEEE C57.32 , der Anforderungen, Begriffe und Prüfverfahren für Erdungseinrichtungen am Neutralleiter umfasst, einschließlich Temperaturerhöhungs- und Kurzzeitstromprüfungen.
7. Dreieck- oder Zickzack-Wicklungsanordnung sowie die Frage, ob das Gerät zusätzliche Hilfslasten tragen muss.

Ein zickzack-Transformator für ein System der Spannungsklasse 15 kV mit 400 A für 10 Sekunden ist das Gerät im Vergleich zu den umgebenden Verteiltransformatoren klein und leicht. Doch ‚klein‘ bedeutet nicht ‚einfach‘ – die Nullsequenzimpedanz, die Isolationskoordination am Neutralleiter sowie die Kurzzeit-Thermobelastbarkeit müssen sämtlich konstruktiv ausgelegt werden, nicht improvisiert.

 

So fertigen und prüfen wir Erdungseinheiten bei Ryan

 

 

Seit 2023 arbeiten wir als offizieller Joint-Venture-Partner von Eaton zusammen, und diese Zusammenarbeit prägt unsere Behandlung spezieller Einheiten wie dieser – sie durchlaufen dieselbe Disziplin wie unsere Hauptverteilungslinie, nicht eine Nebenaufgabe. Unsere 120.000 m² große Fabrik betreibt über 180 Anlagensätze, und Erdungstransformatoren verlassen das Werk erst nach einem Werksprüfbericht, der Übersetzungsverhältnis-, Isolationswiderstands-, Prüfspannungs- und induzierte Spannungsprüfungen sowie – falls die Leistungsangabe dies erfordert – eine Kurzzeitstromprüfung unter Aufsicht unseres QA-Teams umfasst.

Eine Gewohnheit vom Prüffeld: Sobald ein Kunden-RFQ lediglich „Erdungstransformator“ enthält und nichts weiter, rufen wir vor Abgabe eines Angebots an. Im vergangenen Jahr konnten wir Spezifikationen erkennen, die sonst einen kontinuierlich ausgelegten Transformator für eine 10-Sekunden-Belastung ausgeliefert hätten oder einen Zickzack-Transformator für ein System bestellt hätten, das tatsächlich einen Stern-Dreieck-Transformator mit Zusatzlast benötigte. Die Fragen nehmen fünf Minuten am Telefon in Anspruch und ersparen später monatelange Probleme.

 

Das Fazit für Einkäufer

Wenn Ihre Anlage ein nicht geerdetes Mittelspannungssystem oder ein Dreiecksystem ohne festen Neutralleiter betreibt, ist ein erdungstransformator mit Zickzack-Wicklung die praktische Lösung – er bietet einen Nullsequenzpfad für den Schutz, begrenzt die Überspannungsbelastung gesunder Geräte und ermöglicht es Relais endlich, Erdschlüsse zu erkennen. Wählen Sie die Wicklung entsprechend der Notwendigkeit einer zusätzlichen Lastversorgung; wählen Sie die Einschaltzeit entsprechend Ihrer Erdungsart: 10-Sekunden-Auslegung für NGR-begrenzte Systeme mit geringem Widerstand, Dauerbetriebsauslegung für HRG.

Senden Sie uns Ihre Systemspannung, Ihre Erdungsphilosophie und Ihr Ziel für den Fehlerstrom – wir bestätigen die Auslegung, bevor Sie sich verbindlich festlegen. E-Mail [email protected]oder fordern Sie über die Kontaktseite ein Angebot an – die technische Prüfung ist kostenlos und entscheidend dafür, dass ein nicht geerdetes System nicht zu einem ungeplanten Ausfall wird.

 

Über den Autor

Ryan Electric ist ein chinesischer Transformatorhersteller, der 2007 gegründet wurde und Versorgungsunternehmen, Rechenzentren sowie industrielle Kunden in Nordamerika, Südostasien und dem Nahen Osten bedient. Dieser Artikel wurde von unserem Ingenieur- und Content-Team erstellt und stützt sich auf Erfahrungen mit Werksprüfungen sowie auf Rückmeldungen aus der Praxis bei weltweit ausgelieferten Transformatorprojekten.