Der Transformator im Hochspannungsschaltschrank brannte während des Betriebs durch. Was ist der Grund?

1. Überspannungsphänomene

Überspannung ist der Hauptverursacher von PT-Ausfällen und umfasst zwei Hauptszenarien:

• Ferromagnetische Resonanz: In unerdeten oder unter 10 kV betriebenen Systemen ist die ferromagnetische Resonanz weit verbreitet. Sie tritt auf, wenn Systemstörungen (z. B. einphasige Erdung, Fehlbedienung eines Schalters) ungewöhnliche Schwingungen zwischen der PT-Induktivität und der Leitungs-Kapazität auslösen. Dies erzeugt Überspannungen, die mehrere Male höher als der Nennwert sind, und beschädigt Wicklungen und Isolation. Bei einer Explosion eines 10 kV-PT in einer Chemiefabrik wurde festgestellt, dass die Ursache eine Resonanzüberspannung war, die durch eine fehlerhafte Open-Delta-Schaltung verursacht wurde und die Spannungsschwankungen verstärkte.

• Blitz und transiente Überspannungen: Direkte oder induzierte Blitze schießen enorme Stoßspannungen in die PTs ein. Da die meisten PTs über die Sekundärwicklungen geerdet sind, haben sie nicht genügend Isolation, um solche Impulse zu widerstehen. Ebenso erzeugt das Schalten von Kondensatoren transiente Überspannungen, die die dielektrischen Grenzen der PTs überschreiten und zu einem Isolationsversagen führen.

2. Verkabelungsfehler und Störungen im Sekundärkreis

Falsche Verkabelung macht einen erheblichen Anteil an PT-Explosionen aus und wird oft bei der Installation und Wartung übersehen:

• Sekundärkurzschlüsse: Falsch verlegte Sekundärwicklungen (z. B. Phasen-zu-Phasen- oder Phasen-zu-Erd-Kurzschlüsse) erzeugen einen übermäßigen Strom, der die Wicklungen überhitzt und die Isolation entzündet. Bei einem 110-kV-GIS-Substationsexplosion trat 43 Sekunden nach der Inbetriebnahme auf, als die Hilfswicklungen der C-Phase falsch angeschlossen wurden, was zu einem Kurzschluss führte, der die Isolation schmolz und einen durch Lichtbogen verursachten Druckaufbau auslöste.

• Falsche Konfiguration der offenen Delta-Schaltung: Vertauschte L- und N-Klemmen in offenen Delta-Wicklungen (zur Isolationsüberwachung verwendet) erzeugen virtuelle Kurzschlüsse. Dies führte zu wiederholtem PT-Ausfall und einer katastrophalen Explosion in der 10-kV-Schaltanlage einer Harnstoffanlage.

• Vernachlässigung unbenutzter Wicklungen: Unverbundene Hilfswicklungen können, wenn sie nicht abgeschlossen werden, als Resonanzhohlräume wirken und die Spannungsbelastung verstärken.

3. Ausrüstungsqualität und Isolationsverschlechterung

Herstellungsfehler und Alterung erhöhen die Explosionsgefahr erheblich:

• Isolationsfehler: Verunreinigungen, Luftblasen oder schlechte Epoxidguss in PT-Wicklungen verringern die dielektrische Festigkeit, was zu Teilentladungen und schließlich zum Durchschlag führt. Ein 10kV-Sicherheitssegment-PT-Explosion wurde auf die Isolationsverschlechterung in der Primärwicklung zurückgeführt, was zu Phasenkurzschlüssen führte.

• Unzureichende Isolationsklasse: Halbisolierte PTs neigen zu Ausfällen, wenn der Erdungswiderstand die Grenzwerte überschreitet. Das Upgrade auf vollisolierte PTs löst das Problem des wiederholten Sicherungsausbaus und der Explosionsgefahr.

• Alterung und Verschleiß: Langzeitbetrieb bei erhöhter Temperatur oder Luftfeuchtigkeit beschleunigt die Isolationsalterung. Eine 35kV-Kraftwerks-PT-Explosion wurde auf 15 Jahre Betrieb ohne Isolationserneuerung zurückgeführt, was zu einem fortschreitenden Durchschlag führte.

4. Systemstörungen und externe Faktoren

• Einfluss des Einschaltstroms: Das Schalten von Kondensatorbänken erzeugt Einschaltströme, die bis zu 50-fach des Nennwerts betragen, was die PT-Wicklungen mechanisch beansprucht und die Isolierung beschädigt. Die Installation von stoßbegrenzenden Reaktoren oder synchronen Schaltern mindert dieses Risiko.

• Harmonische Resonanz: Nichtlineare Lasten (z. B. Frequenzumrichter) bringen Harmonische ein, die die PT-Kerne in tiefe Sättigung treiben, den Erregerstrom erhöhen und Wärme erzeugen. Dies schafft eine Rückkopplungsschleife, die bis zum Isolationsversagen eskaliert.

Präventions- und Minderungsstrategien

Um PT-Explosionen zu minimieren, setzen Sie diese proaktiven Maßnahmen um:

1. Installieren Sie Harmonikunterdrückungsgeräte: Fügen Sie offene Delta-Resonanzdämpfer (Widerstände oder elektronische Unterdrücker) hinzu, um die Resonanzenergie zu dissipieren. Verwenden Sie für den Primärseitenschutz nichtlineare Zinkoxid-Neutraleiterwiderstände.

1. Rigorose Verkabelungsprüfung: Führen Sie umfassende Prüfungen des Sekundärkreises durch, einschließlich Kontinuitätstests und Polarisierungsprüfungen. Kennzeichnen Sie die Anschlüsse eindeutig und befolgen Sie die Herstellerdiagramme.

1. Qualitätssicherung: Wählen Sie PTs mit zertifizierten Isolationssystemen und führen Sie vor der Installation Dielektrikumstests durch. Vermeiden Sie halbisolierte PTs in instabilen Erdungumgebungen.

1. Zustandsüberwachung: Setzen Sie Infrarotthermografie ein, um anomales Erhitzen und Teilentladungen zu erkennen. Integrieren Sie Störungsaufnehmer, um Spannungs-/Stromwellenformen auf Resonanzsignaturen zu analysieren.

1. Überspannungsschutz: Installieren Sie Metalloxid-Überspannungsableiter (MOSAs) auf der Primärseite der PTs, um Blitz- und Transientenüberspannungen abzuleiten.

Schlussfolgerung

PT-Explosionen in Betriebsschaltanlagen stammen von miteinander verbundenen Faktoren: Überspannungsereignissen, Verkabelungsfehlern, Gerätefehlern und Systemstörungen. Indem man diese Mechanismen versteht und gezielte Präventionsstrategien wie Resonanzunterdrückung, strenge Verkabelungsprotokolle und proaktive Überwachung implementiert, können Anlagen das Personal schützen, Ausfallzeiten minimieren und die Netzzuverlässigkeit gewährleisten. Regelmäßige Wartung und die Einhaltung der Branchenstandards sind unverzichtbar, um diese hochrisikoreichen Risiken zu mindern.