Überspannungsschutz für Transformatoren: Auswahl von Überspannungsableitern für Blitzeinschläge und Schaltüberspannungen

Ein Netzbetriebsmeister aus Süd-Luzon sandte uns im vergangenen August ein Foto einer Installation, die am Tag der Abnahme völlig normal wirkte: ein 13,8-kV-Flanschtransformator, ein neuer Polymerüberspannungsableiter an seiner Halterung, frischer Anstrich. Zwei Details entsprachen nicht der ursprünglichen Spezifikation: vier Fuß (ca. 1,22 m) zusätzliche, aufgewickelte Leitungsdrähte zwischen dem Ableiteranschluss und dem Transformatorgehäuse sowie ein Erdleiter, der über die Montagehalterung zurückgeführt wurde, statt geradewegs zur Erdungsplatte zu verlaufen. Drei Wochen später traf ein Blitz die Speiseleitung. Der Überspannungsableiter überstand den Vorfall unbeschädigt. Die Primärwicklung dagegen nicht.

Was ein Überspannungsableiter leistet – und was er nicht leisten kann

Modern überspannungsschutz für Transformatoren das Konzept basiert auf einem lückenlosen Metalloxid-Varistor. Unterhalb seiner Referenzspannung verhält sich der Varistor wie ein offener Stromkreis und zieht Mikroampere. Oberhalb dieser Spannung bricht der Widerstand zusammen, der Überspannungsableiter leitet den Überspannungsstrom nach Erde ab und kehrt noch vor dem nächsten Halbzyklus in einen hochimpedanten Zustand zurück. IEEE C62.11-2020 definiert das Gerät selbst und umfasst Metalloxid-Überspannungsableiter für 48- bis 62-Hz-Schaltungen oberhalb von 1.000 V, die Blitz- und Schaltüberspannungen begrenzen, indem sie Entladestrom leiten und anschließend automatisch den Fluss des Netzbetriebsstroms begrenzen. Es handelt sich um einen aktiven Standard, der im September 2020 veröffentlicht wurde.

Der Überspannungsableiter absorbiert keine Überspannung. Er begrenzt sie. Die Spannung, der die Wicklung tatsächlich ausgesetzt ist, entspricht der Entladungsspannung des Überspannungsableiters. und die Spannung, die die Überspannung an der Zuleitung vom Anschluss des Überspannungsableiters zu dem zu schützenden Punkt erzeugt. Beide Begriffe sind real. Nur der zweite lässt sich noch am Tag der Installation mit einem Schlüssel ändern.

Ein perfekt ausgewählter Überspannungsableiter kann dennoch schlecht installiert sein. Die Auswahl und der Anschluss sind zwei unterschiedliche Aufgaben, wobei Käufer normalerweise nur eine davon delegieren.

 

 

Der Überspannungsschutz für Transformatoren beginnt mit der MCOV, nicht mit der Nennspannung in kV

Die meisten Anfragen, die unseren technischen Support erreichen, spezifizieren einen Überspannungsableiter anhand der Nennspannung – etwa „ein 10-kV-Ableiter“ oder „ein 18-kV-Ableiter“. Diese Zahl ist eine Dauerbelastungs-Kenngröße und sagt allein fast nichts darüber aus, ob das Gerät für Ihr System geeignet ist. Die entscheidende Kenngröße für die Anwendung ist MCOV : die maximale Dauerbetriebsspannung (MCOV), also die höchste Effektivwertspannung, die der Überspannungsableiter dauerhaft an seinen Anschlüssen ohne Überhitzung aushalten kann.

Die maximale kontinuierliche Betriebsspannung (MCOV) wird durch die Systemerdschaltung festgelegt, nicht durch den Transformator. Bei einem effektiv geerdeten System sieht der Überspannungsableiter im Normalbetrieb die Spannung zwischen Phase und Erde; daher ist die Anforderung die maximale Phase-Erde-Spannung selbst – 7,65 kV bei einem 12,47-kV-System mit mehrfacher Erdung. Bei einem nicht geerdeten oder impedanzgeerdeten System können bei einem Fehler zwischen Phase und Erde die fehlerfreien Phasen nahe an die volle Phasen-Phasen-Spannung heranreichen; daher lautet die Regel: Die MCOV des Überspannungsableiters muss mindestens 90 Prozent der maximalen Phasen-Phasen-Spannung betragen. Derselbe Transformator, dieselbe Spannungsklasse – doch zwei sehr unterschiedliche Überspannungsableiter.

System-Phasen-Phasen-Spannung (kV, Nennwert)	Überspannungsableiter-MCOV – effektiv geerdet (kV)	Überspannungsableiter-MCOV – impedanzgeerdet oder nicht geerdet (kV)
4.16	2.55	5.10
12.47	7.65	15.30
13.80	8.40	15.30
24.94	15.30	29.00
34.50	22.00	Nicht empfohlen

Diese Werte stammen aus den Anwendungsdaten für Überspannungsableiter, die Hubbell Power Systems veröffentlicht hat, und entsprechen den Verhältnissen, die wir in nordamerikanischen Verteilnetzen beobachten ( Hubbell-Katalog 70, Überspannungsableiter ) Die praktische Konsequenz ist klar zu benennen: Wenn eine Spezifikation „ungeerdetes System“ vorschreibt, das System jedoch tatsächlich ein vieradriges, mehrfach geerdetes System ist, erwerben Sie etwa die doppelte MCOV-Leistung, die Sie benötigen – und bezahlen dafür mit einer höheren Ableitspannung, was genau die Kenngröße ist, die Sie möglichst niedrig halten wollten.

Eine weitere nützliche Beziehung beim Lesen eines Datenblatts lautet: Die Nennspannung eines Überspannungsableiters beträgt im Allgemeinen etwa das 1,25-Fache seiner MCOV. Daher weist ein Verteilungsableiter mit einer Nennspannung von 10 kV typischerweise eine MCOV von rund 8,4 kV auf, und beide Werte verschieben sich gemeinsam, sobald Sie die Erdungsannahme am selben Transformator ändern.

 

Leitungslänge, Erdung und die tatsächlich maßgebliche Schutzzugabe

Hier liegt der Teil, den die meisten Käufer übersehen. Jeder Fuß (Fuß = 0,3048 m) Leitung zwischen dem Überspannungsableiter und der zu schützenden Anlage erhöht die Spannung an der Isolierung während eines Überspannungsimpulses, weil der Strom diese Strecke hin und zurück durchlaufen muss.

Länge der Ableiterzuleitung (ft)	Spannungszuwachs bei 10 kA (kV)	Anteil an einer Wicklung mit 95 kV BIL
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

Der schutzmarke ist die Rechnung, die all dies verbindet. Nehmen Sie die BIL der Wicklung, subtrahieren Sie die Entladungsspannung des Ableiters und den Beitrag der Zuleitungslänge und teilen Sie das Ergebnis durch die BIL. Bei einem 13,8-kV-Verteilungstransformator beträgt die übliche primäre Isolationsstufe 95 kV BIL, und die empfohlene Mindest- schutzmarke schutzmarke beträgt 20 Prozent. Eine 10-ft-Zuleitung beansprucht bereits 16 kV dieser 95 kV – also nahezu die gesamte empfohlene Schutzmarke, noch bevor auch nur ein einziger kV der Entladungsspannung des Ableiters berücksichtigt wird.

Die Erdung versagt auf dieselbe leise Weise. Die Erdungsleitung muss kurz, gerade und getrennt vom Montagehalter laufen und auf einer speziellen, mit dem Tank und mit dem Stationserdnetz verbundenen Erdungsfläche enden. Wenn der Erdungspfad über verschraubte Halterbauteile geführt wird, entsteht eine Verbindung, die genau im Moment des Überschlags korrodiert, sich lockert und Impedanz hinzufügt. NFPA 780 , die Norm für die Installation von Blitzschutzsystemen, ist die aktuelle Ausgabe 2026 und die Referenz, an der sich die meisten nordamerikanischen Prüfer orientieren. Lesen Sie sie, bevor Sie ein Layout genehmigen – nicht erst nach einem Ausfall.

 

Die richtige Überspannungsableiterklasse für den zu beschaffenden Transformator auswählen

Überspannungsableiter werden nach der Überspannungsenergie und dem Kurzschlussstrom klassifiziert, die sie aushalten müssen; die Klasse sollte sich daher nach der Kritikalität der nachgeschalteten Komponente richten – nicht nach der Größe der Bestellsumme.

Überspannungsableiterklasse	Typische Anwendung	Auswahlhinweise
Verteilung	12,47–34,5-kV-Verteilungstransformatoren, bodenmontierte Einheiten, Aufstiegs- oder Stehpole	10 kA Nennentladestrom. Normale Ausführung für leicht belastete ländliche Speiseleitungen; schwere Ausführung bei exponierter Aufstellung oder langen Speiseleitungen.
Mittelstufe	Kleine Umspannwerke, Mittelspannungsschaltanlagen, Transformatoren über 5 MVA	Höhere Energiefähigkeit als Verteilungsklasse. Wird eingesetzt, wenn die zu schützende Ausrüstung teuer ist und die Exposition hoch ist.
Werkstatt	Transformatoren der Übertragungsnetzklasse und kritische Umspannwerke	Höchste Energie- und Kurzschlussstrombelastbarkeit. Druckentlastungsverhalten und Stufungsanforderungen sind in IEEE C62.11 ausdrücklich festgelegt.

Bei flachmontierten Transformatoren in Nordamerika wird der Überspannungsableiter normalerweise mit einer speziellen Halterung und Abdeckung am Tank befestigt, und die Erdungsleitung endet an einer am Tankgehäuse angeschweißten Erdungsplatte. Das ist keine Dekoration. Es ist der kürzeste praktikable Pfad von der Ableiterbasis zum geerdeten Stahl und der einzige Pfad, der den Beitrag der Leitung innerhalb des Bereichs hält, den unsere Ingenieure bereits in der Angebotserstellung berechnen.

 

Drei Überspannungsableiterprobleme, die wir immer wieder im Feld beobachten

Wir bitten um Fotos der bestehenden Installation, bevor wir ein Ersatzgerät kalkulieren, und dieselben drei Muster tauchen immer wieder auf.

• Gewickelter oder geschlungener Zuleitungsdruck. Ein Team hält 6 ft Zuleitung und benötigt davon 18 in.; es wickelt den Rest sauber entlang des Tanks auf. Jede Windung erhöht die Induktivität und die Spannung. Verkürzen Sie die Zuleitung; räumen Sie sie nicht auf.
• Erdpfad über die Montagehalterung. Es ist schnell – und falsch. Halterungsschrauben sind am Tag der Installation kein Erdleiter, und sie werden es auch nach zwei Wintern in einem Küstenbetrieb nicht werden.
• Überspannungsableiter dimensioniert nach dem kVA-Wert des Transformators statt nach der Systemerderdung. Die kVA-Angabe des Geräts hat keinerlei Einfluss auf die MCOV. Die Erdkonfiguration hat Einfluss – und sie ist eine einzeilige Angabe auf der Zeichnung.

Ein weiterer Fehler verbirgt sich innerhalb des ersten. Ein Verteilungsüberspannungsableiter mit externem Trennschalter trennt seine Leitung, sobald der Ableiter kurzschließt – genau das ist gewünscht. Der Trennschalter benötigt jedoch einen Luftspalt, der stets frei bleiben muss. Wir haben Schaltschränke geöffnet, in denen ein einzelner Draht oder ein über eine Saison hinweg gebautes Insektennest diesen Spalt überbrückt hatten. Der Ableiter war noch vorhanden – schützte jedoch nichts mehr.

 

So integrieren wir Überspannungsschutz in jede Transformatorenbestellung

Ryan Electric fertigt Transformatoren seit 2007; seit 2023 agiert das Unternehmen als Joint-Venture-Partner von Eaton. Im Werk Danyang – 120.000 Quadratmeter groß, mit mehr als 180 Einheiten an Produktions- und Prüfeinrichtungen sowie 37 Patenten – führt die Hochspannungsprüfhalle sowohl die Routineprüfungen durch, die die Projektspezifikation vorschreibt, als auch die Stoßspannungsprüfungen für die entsprechend ausgelegten Konstruktionen; die auf dem Typenschild angegebene BIL entspricht dem Niveau, für das die Konstruktion zugelassen wurde.

Wenn eine Bestellung Überspannungsableiter umfasst, dimensionieren wir die maximale kontinuierliche Betriebsspannung (MCOV) anhand der von Ihnen angegebenen Systemerderdung, listen die Montagehalterung und Abdeckung in der Stückliste auf und schweißen eine Erdungsplatte an, sodass der Installateur einen direkten Anschlusspunkt statt einer bequemen Schraube erhält. Bei UL- und CSA-Programmen werden Halterung, Erdungsplatte und Tankverbindung als Teil der Baugruppe geprüft und nicht als Feldzubehör behandelt.

 

Was Sie in Ihre Anfrage für Transformatoren-Überspannungsschutz angeben sollten

Vier Angaben in Ihrer Anfrage vermeiden später erforderliche Änderungen – und keine davon erfordert mehr als eine Minute, um sie auf den Zeichnungen zu finden.

• Systemerderdung: wirksam geerdet, impedanzgeerdet, nicht geerdet oder Dreieck – sowie die maximale Systemspannung, nicht nur die Nennspannung.
• Erforderliche MCOV sofern Sie diese bereits kennen, sowie die gewünschte Überspannungsableiterklasse.
• Montageverfahren: tankhalterung, Querträger, innerhalb des Schaltschranks oder einer Schaltanlagenschublade.
• Erzielbare Leitungslänge in der tatsächlichen Anordnung sowie die Position, an der die Erdungsplatte angebracht wird.

Senden Sie das einzeilige Schaltbild und den Standortplan mit diesen vier Antworten, und wir liefern die Überspannungsableiter-Auswahl, deren Ableiterspannung, den Leitungsbeitrag und die sich daraus ergebende schutzmarke in dem Angebot – so findet die Diskussion schriftlich an Ihrem Schreibtisch statt, statt in einer Umspannanlage nach einem Sturm. Wenden Sie sich an das Application-Engineering-Team unter [email protected] oder öffnen Sie die Produktseiten für ölgekühlte Transformereinheiten und pad-mounted Transformers um eine Größenbestimmungshilfe für ein konkretes Projekt anzufordern.

 

Über den Autor

Dieser Artikel wurde vom Application-Engineering-Team bei Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) erstellt, einem Transformatorhersteller, der Verteilungs-, Leistungs- und Erneuerbare-Energien-Projekte für Versorgungsunternehmen, Rechenzentren, Industriekunden und Infrastrukturkunden weltweit realisiert. Unsere Ingenieure geben die Auswahl der Überspannungsableiter, die Isolationskoordination und die Erdungsangaben in denselben Konstruktionen an, die durch unsere Prüfhalle in Danyang laufen. Bei Fragen zur MCOV-Auswahl oder zum Schutzmargen für ein konkretes Projekt schreiben Sie bitte an [email protected].