Transformator für Tunnellüftung: Spezifikation von Einheiten für Straßen- und U-Bahn-Tunnel

Ein Ausfall der Ausrüstung in einem Straßentunnel beginnt fast niemals an der Beleuchtungsschaltung. Er beginnt an den Lüftern. Ein Inbetriebnahmetechniker beschrieb uns die Abfolge in klaren Worten: Die erste Gruppe von Jet-Lüftern startet einwandfrei, die zweite Gruppe funktioniert ebenfalls problemlos, bei der dritten Gruppe sinkt die 480-V-Sammelschiene ab, der Antrieb schaltet wegen Unterspannung ab, und die Lüftung fällt bereits vor Beginn des Rauchtests in den Fehlerzustand. Der transformator für Tunnellüftung war anhand einer Lastliste dimensioniert worden. Niemand hatte den Anlaufvorgang modelliert.

Das ist das Unangenehme an der Tunnelstromversorgung: Meistens ist die Last gering – einige hundert Kilowatt für die Beleuchtung, ein paar Ventilatoren, einige Pumpen. Für wenige Sekunden mehrmals täglich ist sie jedoch keineswegs gering. VFD-Oberwellen auf den Lüftungsantrieben und weiterhin funktionieren, während ein Brand nur wenige Meter entfernt wütet.

 

Was eine Tunnel-Umspannstation tatsächlich belastet

Ein Tunnel ist eine kleine Industrieanlage, die sich über einen Kilometer Beton erstreckt. Die Lüftung dominiert die elektrische Last, doch sie ist nicht die einzige – und die verschiedenen Lasten verhalten sich völlig unterschiedlich. Die Festlegung einer einzigen kVA-Zahl ohne Trennung dieser Lasten ist der Ursprung der meisten Spezifikationsfehler.

Last	Typischer Bereich	Zoll	Auswirkungen auf die Dimensionierung
Strahllüfter (axial, antriebsgespeist)	22–250 kW	Stufenweiser Start/Stopp, Hunderte Zyklen pro Jahr	Anlaufstrom im Stillstand und Spannungseinbruch im Niederspannungsnetz
Tunnel-Lüftungsfan	200–1.000 kW	Kontinuierlich, umkehrbar für Rauchabzug	Größter Einzelmotor; bestimmt in der Regel die Mindestgröße
Rauchklappenaktuatoren und -steuerungen	unter 10 kW	Nur für Notfälle, muss Position halten	Kleine Last, teilt jedoch dasselbe Schaltfeld und USV-Stromkreis
LED-Tunnel- und Notbeleuchtung	30–350 kW	Kontinuierlich, 100-%-Dauerbetrieb	Obertonreich; erhöht den Neutralleiterstrom
Entwässerungspumpen für Sammelgruben	15–110 kW	Unterbrochen, feuchte Umgebung	Start gegen eine Wassersäule; Risiko des Eindringens von Feuchtigkeit
Lüftung und Entfeuchter für Umspannwerke	10–60 kW	Kontinuierlich	Erhöht die Umgebungstemperatur, in der der Transformator selbst steht
SCADA, CCTV, Beschilderung	unter 20 kW	Kontinuierlich	Anforderung an die Betriebsfähigkeit während eines Brandereignisses

Die Konstruktionsrichtlinien behandeln diese bereits als eigenständige Fachgebiete. Die FHWA-Richtlinien für den Entwurf von Straßentunneln (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) widmen jeweils gesonderte Abschnitte der Lüftung, der Beleuchtung, den Brandschutzmaßnahmen und der Erdbebensicherung – doch all diese Systeme münden in einem einzigen Lastprofil, und normalerweise muss ein einziger Transformator die Gesamtlast tragen.

 

Der Motoranlauf bestimmt die Mindestanforderung, nicht die Dauerlast

Die Dauerlast ist die einfache Größe. Addieren Sie die Leistungsaufnahme der Ventilatoren, der Beleuchtung und der Pumpen, wenden Sie einen Streufaktor an, und eine 1.500-kVA-Anlage erscheint großzügig im Vergleich zu einer Tunnel-Dauerlast von 900 kVA. Werfen Sie dann jedoch einen Blick auf den Anlauf.

Ein Standard-Asynchronmotor nach NEMA-Design B zieht beim Direkteinschalten etwa das Sechsfache des Nennstroms. Betrachten Sie einen 250-kW-Jet-Lüftermotor mit 480 V: Der Nennstrom liegt bei rund 300 A, daher beträgt der Anlaufstrom (Locked-Rotor-Current) etwa 1.800 A und bleibt während der zwei bis vier Sekunden konstant, die der Lüfter benötigt, um seine Betriebsdrehzahl zu erreichen. Startet eine zweite Lüftergruppe eine halbe Sekunde später, so muss der Transformator eine Last tragen, auf die er im normalen Betrieb niemals wieder stoßen wird. Dieser Wert bestimmt die Typenschildangabe.

Zwei Parameter entscheiden darüber, ob der Einschaltvorgang zulässig ist: die Kurzschlussimpedanz des Transformators in Prozent und die Impedanz der Zuleitung. Eine Einheit mit 5,75 % Impedanz begrenzt den Kurzschlussstrom komfortabel, verursacht jedoch einen stärkeren Spannungseinbruch an den Motoranschlüssen. Eine Einheit mit 4 % flacht diesen Einbruch ab und erhöht den möglichen Kurzschlussstrom – diesen müssen dann die Bemessung des Niederspannungs-Leistungsschalters und die mechanische Auslegung der Sammelschiene auffangen. Bei einer 700-m-Zuleitung zu einem Lüfterraum in Tunnelmitte kann die Kabelimpedanz einen größeren Spannungsabfall verursachen als der Transformator selbst.

Praktische Erfahrung: wir führen die Anlaufberechnung durch, bevor ein Tunnelangebot das Werk verlässt; und wenn ein Kunde lediglich eine Lastliste sendet, stellen wir eine einzige Rückfrage – welcher Motor ist der größte, wie erfolgt sein Anlauf und wie lang ist die Leitung zu ihm? Diese einzige Antwort hat bei mehr Tunnelprojekten die spezifizierte Nennleistung geändert als jede andere Position im Zeitplan.

 

VFD-Oberschwingungen verändern die Belastung eines Transformators für die Tunnellüftung

Nahezu jeder neue Jetventilator wird von einem Frequenzumrichter (VFD) angetrieben, denn ein Ventilator, der während der Nebenlastzeiten mit 30 % Drehzahl läuft, amortisiert seinen Umrichter allein durch die eingesparten Energiekosten. Der Umrichter verändert zudem das, was der Transformator an seinen Sekundäranschlüssen „sieht“.

Ein Sechspulsantrieb zieht einen nichtsinusförmigen Strom mit einer Gesamtharmonischen Verzerrung, die typischerweise zwischen 25 % und 45 % am Eingang liegt. IEEE 519 begrenzt die Spannungsverzerrung auf 5 % an einem Bus unterhalb von 69 kV und verschärft die zulässige Stromverzerrung, je geringer der verfügbare Kurzschlussstrom ist. Tunnel liegen am ungünstigen Ende dieser Kurve: lange Zuleitungen, vergleichsweise schwache Quellen und mehrere Antriebe, die von einem gemeinsamen Sekundärbus gespeist werden.

Die Folge ist, dass ein Transformator für Lüftungsantriebe in Tunneln nicht allein anhand seiner Scheinleistung (kVA) ausgelegt werden kann. Der Oberschwingungsstrom erzeugt Wirbelstrom- und Streuverluste, die die Wicklungshotspot-Temperatur über das hinaus erhöhen, was bei einer sinusförmigen Last mit derselben Scheinleistung zu erwarten wäre. Deshalb wird ein gegossener Harztransformator für ein Tunnelprojekt häufig mit einer K-Faktor-Bewertung, einem übergroßen Neutralleiter oder einer Dreieckwicklung bestellt, die Tripeloberschwingungen abfängt, sowie mit einer Wicklungstemperaturklasse, die Spielraum oberhalb der Auslegungsbelastung bietet.

Unsere Faustregel für Antriebsgespeiste Tunnelverteiler, bei denen VFD-Oberwellen dominieren: die angeschlossene Antriebsleistung zugrunde legen, eine Reserve für Oberschwingungsverluste einplanen und die Wicklungstemperatursteigerungsklasse um eine Stufe über der reinen Mindestanforderung festlegen. Die Mehrkosten sind in dem Angebot enthalten. Die Kosten für eine Fehlentscheidung fallen im siebten Jahr an.

 

 

Sicherheit vor Bränden bestimmt die Technologie – nicht der Preis

Fragen Sie sich, warum nahezu jede Tunnelunterstation Trockentransformatoren einsetzt – die Antwort lautet nicht Effizienz, sondern Brandschutz. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502legt die Anforderungen an den Brandschutz und die brandschutztechnische Lebenssicherheit für Straßentunnel, Brücken und andere Straßen mit eingeschränktem Zugang fest; dabei gilt die Lüftung als lebenswichtige Sicherheitsfunktion, die auch während eines Brandes weiterbetrieben werden muss.

Diese Anforderung wirkt sich unmittelbar auf den Transformator aus. Ein ölgekühlter Transformator innerhalb der Tunnelhülle bringt eine brennbare Flüssigkeit, eine Auffangwanne, einen Schacht sowie zusätzliche Brandabschnitte mit sich; daher verzichten die meisten Planer auf die Diskussion und spezifizieren stattdessen einen gegossener Harztransformator innerhalb der Bohrung oder in einem angrenzenden Raum. Die Produktstandards sind eindeutig darüber, welche Anforderungen eine solche Einheit erfüllen muss: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) behandelt allgemeine Anforderungen an trockene Verteilungs- und Leistungstransformatoren, und IEC 60076-11 behandelt trockene Leistungstransformatoren bis zu 36 kV.

Ein Detail wird häufiger übersehen als jedes andere: Der Transformator ist nur so gut wie die Zuleitung. Wo der Notlüftungskreislauf die Kreisintegrität während eines Brandereignisses aufrechterhalten muss, müssen auch das Kabel und die Verbindungen dieselben Bedingungen überstehen. Eine selbstverlöschende Gießharzeinheit, die mit Standardkabeln verdrahtet ist, stellt eine verbreitete und teure Inkonsistenz dar.

 

Die Tunnelumgebung wirkt sich leise auf die Ausrüstung aus

Die Luft im Tunnel ist feucht, staubig und leicht korrosiv. Eine relative Luftfeuchtigkeit von über 85 % ist in einem Lüftungsschacht üblich; Brems- und Reifenstaub lagert sich auf jeder horizontalen Fläche ab, und ein Küstentunnel fügt zusätzlich Chloride hinzu. Die Umgebungstemperatur im Schacht kann im Sommer zwischen 40 und 45 °C betragen – gemessen dort, wo der Transformator tatsächlich steht, nicht am Portal.

Harzgegossene Wicklungen bewältigen dies besser als eine umhüllte Trockenwicklung, denn bei einer gegossener Harztransformator versiegelt die Vergussmasse die Wicklung gegen Feuchtigkeitseintritt. Die Spezifikation muss dennoch an die Umgebungsbedingungen angepasst sein: Kondensationsverhütende Raumheizungen, eine IP-geschützte Klemmbox sowie eine für die Schachtumgebung – nicht für den regionalen Wetterdurchschnitt – festgelegte zulässige Umgebungstemperatur.

Die Höhe spielt ebenfalls eine Rolle. In 1500 m Höhe verliert ein Transformator nahezu 9 % der für die Konvektionskühlung verfügbaren Luftdichte; daher ist ein Gerät, das seinen Temperaturanstiegstest auf Meereshöhe besteht, nicht automatisch für einen Einsatz an einem bergigen Standort geeignet. Fordern Sie den Lieferanten auf, die entsprechende Leistungsreduzierung für Ihre Standortumgebung und -höhe anzugeben und die Berechnung – statt einer allgemeinen Kurve – vorzulegen. Dies ist dieselbe Prüfung, die wir bei jedem transformator für Tunnellüftung wir unterbreiten ein Angebot.

 

Was wir vorab verlangen, bevor wir ein Angebot abgeben

Fünf Punkte bestimmen die Auslegung, den Preis und den Liefertermin bei einer Bestellung für einen Tunneltransformator. Sind sie in der Anfrage klar formuliert, liegt das Angebot meist bereits beim ersten Mal korrekt vor:

• Lastprofil mit hervorgehobenem größtem Motor. Geben Sie uns dessen Anlaufverfahren sowie die Kabellänge vom Umspannwerk an. Alles Weitere ergibt sich aus diesem einen Eintrag.
• Antriebstyp und Anzahl. Sechspuls-, zwölfpuls- oder aktiver Frontend-Antrieb sowie der am Niederspannungsverteiler verfügbare Kurzschlussstrom – dies legt die Oberschwingungsreserve fest.
• Standortbedingungen zu gewährleisten. Entwurfsumgebung, Höhenlage, Luftfeuchtigkeit und die für die Anordnung geltende Erdbebenkategorie.
• Brandstrategie. Ausrüstung innerhalb der Tunnelhülle, in einer separaten Umspannstation oder ferngesteuert – die Antwort bestimmt, ob es sich um Trocken- oder Öltransformator handelt.
• Zertifizierung und Wirkungsgradziel. UL-, CSA- oder IEC-Prüfberichte sowie der vom Bestimmungsland geforderte Wirkungsgrad.

Ryan Electric fertigt Trocken- und ölgefüllte Transformatoren für Infrastruktur- und Industrieprojekte in Nordamerika, dem Nahen Osten und Südostasien. Unsere Fabrik in Jiangsu umfasst 120.000 m² und verfügt über mehr als 180 Einheiten an Produktions- und Prüfeinrichtungen; unser Zertifizierungsportfolio umfasst UL, CSA, IEEE, DEKRA und CNAS. Seit 2023 agieren wir als Joint-Venture-Partner von Eaton, wodurch unsere Prüf- und Qualitätsdokumentation einem externen Auditverfahren statt einer Selbstdeklaration unterliegt. Eine Tunnelbestellung wird genauso behandelt wie eine Rechenzentrum-Bestellung: Prüfdaten nach Routineprüfungen, Temperaturanstiegsprotokolle und Zertifizierungsunterlagen werden zusammen mit dem Gerät versandt.

 

Senden Sie den Lastplan – nicht nur die kVA-Angabe

Die Zahl, die entscheidet transformator für Tunnellüftung steht selten an erster Stelle auf der Lastliste. Senden Sie unseren Ingenieuren den Lastplan, den größten Motor, die Antriebsart und die Standortbedingungen – und Sie erhalten eine Bewertung, eine Oberschwingungsreserve sowie eine Reduzierungsberechnung, die Sie in der Entwurfsprüfung verteidigen können, statt eine Typenschildangabe, die nach Daumenregel ausgewählt wurde.

Über den Autor: Dieser Artikel wurde vom Engineering-Team von Ryan Electric verfasst, einem Transformatorhersteller in Jiangsu, China, und seit 2023 ein Joint-Venture-Partner von Eaton, der UL-, CSA- und IEC-zertifizierte Trocken- und Öltransformatoren für Tunnel-, U-Bahn-, Rechenzentrum- und Versorgungsprojekte in Nordamerika, dem Nahen Osten und Südostasien liefert.