Inhalt:
- Messungen des Wicklungswiderstands von Transformatoren
- Messung des Wicklungswiderstands
- Messung des Wicklungswiderstands: Praxisfall
Messungen des Wicklungswiderstands von Transformatoren
Zweck der Messungen
Die Messung des Wicklungswiderstands von Transformatoren ist von grundlegender Bedeutung, um:
- den Anteil I²R der Leiterverluste zu berechnen;
- die Wicklungstemperatur am Ende eines Erwärmungsprüfzyklus zu berechnen;
- eine Grundlage für die Bewertung möglicher Schäden im Feld zu haben.
Transformatoren sind Schwingungen ausgesetzt. Probleme oder Ausfälle entstehen durch mangelhafte Konstruktion, Montage oder Handhabung, durch eine unsichere Umgebung, durch Überlastung oder durch schlechte Instandhaltung. Die Messung des Wicklungswiderstands bestätigt, dass die Verbindungen korrekt sind, und der gemessene Widerstandswert zeigt, dass keine gravierende Abweichung vorliegt. Viele Transformatoren haben eine eingebaute Regelanzapfung. Mit diesen Anzapfungen lässt sich das Übersetzungsverhältnis um Bruchteile eines Prozents erhöhen oder verringern. Jede Änderung des Verhältnisses bedeutet eine mechanische Bewegung eines Kontakts von einer Stellung in die andere. Auch diese Stufenwechsel werden bei der Messung des Wicklungswiderstands überprüft.
Unabhängig von der Stern- oder Dreieckschaltung werden die Messungen Phase gegen Phase durchgeführt und miteinander verglichen, um festzustellen, ob die Messwerte vergleichbar sind. Zu beachten ist, dass die Prüfung grobe Unterschiede zwischen den Wicklungen und Unterbrechungen in den Verbindungen aufdecken soll. Sie wird nicht durchgeführt, um den Messwert des gefertigten Geräts nachzubilden, das im Werk unter kontrollierten Bedingungen und möglicherweise bei anderen Temperaturen geprüft wurde.
Eigenschaften eines Transformators
Ein Transformator gilt als passives Gerät, das endliche Energiemengen speichern und abgeben kann. Praktisch alle Transformatoren nutzen magnetisches Material, um die Magnetfelder zu formen, die als Medium für die Energieübertragung dienen. Das Verhältnis zwischen der Größe der Magnetfelder und den elektrischen Kreisen, mit denen sie zusammenwirken, spielt bei der Beschreibung der Funktionsweise eine wichtige Rolle. Das magnetische Material bestimmt Baugröße und Leistung des Geräts und setzt durch Sättigung und nachlassendes Betriebsverhalten Grenzen.
Grundsätzlich besteht ein Transformator aus einer oder mehreren durch ein gemeinsames Magnetfeld verketteten Wicklungen. Diese Wicklungen sind einfach Drahtspulen, also Induktivitäten. Die Eigenschaften des Transformators lassen sich nun mit einigen einfachen Formeln analysieren.
Die Spannung an einer Induktivität ist proportional zur zeitlichen Änderungsrate des durch sie fließenden Stroms.
v= L di/dt
Zu bedenken ist ferner, dass eine sprunghafte Änderung des Spulenstroms eine sprunghafte Änderung der in der Induktivität gespeicherten Energie erfordert, und diese plötzliche Energieänderung würde in diesem Augenblick unendliche Leistung verlangen; unendliche Leistung gibt es in der Realität nicht. Es ist daher zu verhindern, dass der Spulenstrom augenblicklich von einem Wert auf einen anderen springt. Versucht man, den Kreis einer realen Induktivität zu öffnen, durch die ein endlicher Strom fließt, entsteht am Schalter ein Lichtbogen. Das ist in der Zündanlage eines Autos nützlich, aber kaum ein Vorgang, den man bei Wicklungsprüfungen an einem Transformator erleben möchte.
Die in einer stromdurchflossenen Induktivität gespeicherte Energie lässt sich mit folgender Formel darstellen:
w(t) = ½ I²L
Dabei ist w(t) = Energie als Funktion der Zeit
I = Strom in Ampere
L = Induktivität in Henry
Bevor sich der gewünschte Stromfluss (für die Prüfung) einstellt, muss dieser Energiebedarf gedeckt werden. Das bedeutet, dass vor der Messung eine bestimmte Zeit abzuwarten ist. Diese Zeitanforderung betrifft nur die Ladezeit. Zusätzlich ist Zeit einzuplanen, damit sich der Strom vor der Messwertaufnahme stabilisiert.
Die insgesamt erforderliche Zeit bis zur Messwertaufnahme wird durch die systembedingte Verzögerung zwischen dem Anlegen eines Gleichstroms und der Stabilisierung der Kernmagnetisierung begrenzt. Je nach Größe und Bauart des Transformators kann die Prüfdauer bei kleinen Transformatoren sehr kurz und bei größeren, stark induktiven Transformatoren sehr lang sein.
Prüfgeräte
Vor den modernen digitalen und elektronischen Geräten wurde die Kelvin-Doppelbrücke verwendet. Für Widerstandsmessungen dienten Batterien, Schalter, Galvanometer, Strommesser und Schleifdrahtabgleiche. Stromregler wurden gebaut und zwischen Batterie und Brücke geschaltet. Die Eingangsspannung von 12 V Gleichspannung am Regler, geliefert von einer Kraftfahrzeugbatterie, ergab einen veränderlichen Ausgangsstrom in Stufen, die auf den maximalen Bemessungsstrom der Brücke innerhalb der bei Transformatoren gebräuchlichsten Bereiche abgestimmt waren.
Der Stromregler erhöhte Geschwindigkeit und Genauigkeit der Brückenablesungen. Die verfügbaren etwa 11 V dienten dazu, den anfänglichen Stromaufbau zu beschleunigen; kurz vor Erreichen des gewählten Stroms und dem Einsetzen der Regelung fiel die Spannung auf etwa 5 V. Sobald die Regelung einsetzte, war der Strom trotz der Induktivität der Wicklungen und der Schwankungen von Batteriespannung oder Kabelwiderstand praktisch konstant.
Durch moderne mikroprozessorgestützte Prüfgeräte hat sich die Prüfdauer stark verkürzt. Direkte Messwerte liefern digitale Anzeigen mit automatischen Hinweisen, die den Bediener darauf aufmerksam machen, wenn ein gültiger Messwert vorliegt. Manche Prüfgeräte haben zwei Anzeigen und erlauben damit zwei gleichzeitige Widerstandsmessungen.
Vorsicht
Wegen der enormen Energiemenge, die in einem Magnetfeld gespeichert sein kann, sind vor dem Abklemmen der Prüfleitungen vom geprüften Transformator Vorsichtsmaßnahmen zu treffen. Klemmen Sie die Leitungen niemals während des Prüfvorgangs ab und lassen Sie dem Transformator stets genügend Zeit, sich vollständig zu entladen, bevor die Prüfungen beginnen. Große Transformatoren können mehrere Minuten zur Entladung benötigen.
Die meisten heutigen Wicklungsohmmeter verfügen über Anzeigen, die melden, wann die Leitungen sicher entfernt werden können.
Funktionsprinzip
Der Grundgedanke besteht darin, einen Gleichstrom in die zu messende Wicklung einzuspeisen und anschließend den Spannungsabfall an dieser Wicklung abzulesen.
Elektrische Prüfgeräte führen den Gleichstrom durch die Wicklung und durch einen internen Normal-Strommesswiderstand. Nach der Messung werden die Gleichspannungsabfälle ins Verhältnis gesetzt, und die Anzeige wird am Instrument der Frontplatte als Widerstand abgelesen. Dieses Verfahren erlaubt es, den Kabelwiderstand außer Acht zu lassen, da der Messwert vom Strom unabhängig ist. Zudem sind beim Wechsel des Strombereichs keine Multiplikationsfaktoren erforderlich.
Die Gleichstromquelle muss äußerst stabil sein. Bezogen auf die nachstehende Gleichspannungsformel für einen Transformator:
v = I * R + (L di/dt)
Dabei ist vdc = Spannung einer Transformatorwicklung
I = Gleichstrom durch die Transformatorwicklung
R = Widerstand der Transformatorwicklung
L = Induktivität der Transformatorwicklung
di/dt = Änderungsrate des Stroms (Welligkeitsstrom)
Es wird angenommen, dass das Prüfgerät eine sehr stabile, also welligkeitsfreie Quelle besitzt. Damit ist di/dt null und der Term L di/dt entfällt.
Stufenschalter
Stufenschalter werden in zwei Arten unterteilt: unter Last und ohne Last. Der Laststufenschalter erlaubt es, das Übersetzungsverhältnis im Betrieb des Transformators zu ändern. Das Verhältnis kann also geändert werden, während Strom durch den Transformator fließt. Das häufigste Beispiel für diese Art von Laststufenschalter ist der Spannungsregler.
Laststufenschalter
Das Widerstandsmessgerät QRM-10P eignet sich hervorragend zur Prüfung von Laststufenschaltern, da das Gerät beim Wechsel von einer Stufe zur nächsten eingeschaltet bleiben kann. So lassen sich Messungen sehr schnell ohne Entladung durchführen und der Transformator für jede Stufe erneut aufladen. Das Wicklungswiderstandsprüfgerät gleicht sich nach jedem Stufenwechsel neu ab. Ist die Stufe fehlerhaft (offen) oder bleibt der Kreis auch nur einen Sekundenbruchteil lang offen, startet das Prüfgerät automatisch seinen Entladezyklus. Dadurch erhält der Bediener über eine Anzeigeleuchte einen deutlichen Hinweis auf einen möglichen Fehler im Stufenschalter. Bei diesem offenen Kreis verursacht das Prüfgerät keinerlei Schaden am Transformator.
Stufenschalter ohne Last
Bei dieser Bauart muss zwischen den Stufenwechseln entladen werden. Zum Umschalten der Stufe muss der Transformator außer Betrieb genommen oder mindestens von der Last getrennt werden. Diese Art von Stufenschalter kann in der Regel weniger schnell arbeiten als die vorige, wegen unbeabsichtigter Stufenwechsel im Betrieb. Das Widerstandsprüfgerät funktioniert auch an diesem Stufenschalter, muss aber zwischen den Stufenwechseln entladen werden.
Sicherheit
Einige Teile der Prüfung lassen sich ohne Freischaltung des Transformators durchführen – die Messung des Wicklungswiderstands gehört nicht dazu. Für die größtmögliche Sicherheit der Arbeitskraft müssen die Hoch- und Niederspannungskabel vom Transformator getrennt werden. Vorzugsweise sollte zwischen den Transformatorklemmen und den Hoch- und Niederspannungsleitungen eine sichtbare Trennstrecke bestehen.
Fazit
Transformatoren sind sehr zuverlässige Geräte und halten viele Jahre, wenn sie regelmäßig instand gehalten werden. Treten Transformatorausfälle auf, sind sie meist schwerwiegend und können kostspielige Reparaturen und lange Ausfallzeiten nach sich ziehen. Der beste Schutz gegen einen Transformatorausfall besteht darin, für sachgerechte Installation und Instandhaltung zu sorgen. Es ist darauf zu achten, dass die Messung des Wicklungswiderstands Teil der Prüfung eines Transformators ist. Moderne, in sich geschlossene Geräte machen die Prüfung einfach und genau. Die ermittelten Widerstandswerte sollten sorgfältig dokumentiert und mit früheren Messwerten verglichen werden, um Abweichungen zu erkennen.
Messungen des Wicklungswiderstands
ANSI/IEEE - C57.12.90 - 1987
Widerstandsmessungen sind für folgende Zwecke unentbehrlich:
- Berechnung des Anteils I²R der Leiterverluste
- Berechnung der Wicklungstemperatur am Ende einer Erwärmungsprüfung.
- Grundlage für die Bewertung möglicher Schäden im Feld.
- 4.1. Bestimmung der Kalttemperatur Die Kalttemperatur der Wicklung ist bei der Messung des Kaltwiderstands so genau wie möglich zu bestimmen. Dabei sind folgende Vorkehrungen zu beachten:
- 4.1.1 Allgemeines Kaltwiderstandsmessungen dürfen nicht an einem Transformator vorgenommen werden, der in Zugluft oder in einem Raum mit schnell schwankender Temperatur steht.
- 4.1.2 Wicklungen von Transformatoren in Isolierflüssigkeit Die Temperatur der Wicklungen ist gleich der Temperatur der Isolierflüssigkeit anzunehmen, sofern:
- (1) die Wicklungen vor der Kaltwiderstandsmessung 3 h bis 8 h (je nach Größe des Transformators) ohne Erregung und ohne Strom in den Wicklungen in die Isolierflüssigkeit eingetaucht waren;
- (2) die Temperatur der Isolierflüssigkeit stabil ist und der Unterschied zwischen oberer und unterer Temperatur nicht mehr als 5 °C beträgt.
- 4.1.3 Wicklungen von Transformatoren ohne Isolierflüssigkeit Die Temperatur der Wicklungen ist als Mittelwert mehrerer zwischen den Windungen eingebrachter Thermometer oder Thermoelemente aufzuzeichnen; dabei ist darauf zu achten, dass deren Messstellen dem Kontakt mit den Wicklungsleitern so nah wie möglich kommen. Es darf nicht angenommen werden, dass die Wicklungen dieselbe Temperatur wie die Umgebungsluft haben.
- 4.2 Umrechnung der Widerstandsmesswerte Kaltwiderstandsmesswerte von Wicklungen werden normalerweise auf die genormte Bezugstemperatur umgerechnet, die der bemessenen mittleren Wicklungsübertemperatur plus 20 °C entspricht. Zusätzlich kann es erforderlich sein, die Widerstandsmesswerte auf die Temperatur umzurechnen, bei der die Impedanzverlustmessungen durchgeführt wurden. Die Umrechnung erfolgt mit folgender Formel:
Dabei ist Rs = Widerstand bei der gewünschten Temperatur Ts
Rm = gemessener Widerstand
Ts = gewünschte Bezugstemperatur
Tm = Temperatur, bei der der Widerstand gemessen wurde
Tk = 234,5 (Kupfer)
= 225 (Aluminium)
Messung des Wicklungswiderstands: Praxisfall
Praxisfall - Quelle - IEEE - C57.125 - 1991
C7 Überhitzte Verbindungen
Der Fall betrifft einen Spartransformator mit 17,9/22,4 MVA – 34,5 – 13,8 kV und Wicklungen vollständig aus Aluminium.
C7.1 Nicht betriebstauglich - Bei planmäßigen Instandhaltungsprüfungen wurden zwischen den Hochspannungsanschlüssen ungewöhnliche Gleichstromwiderstandswerte gemessen. Alle übrigen Prüfergebnisse waren normal.
Dieses Versorgungsunternehmen prüft den Gleichstromwiderstand aller Transformatoren mit Stufenschaltern im Rahmen der planmäßigen Instandhaltung, um festzustellen, ob Anzeichen für Kontaktprobleme vorliegen.
C7.2 Datenerfassung Folgende Messwerte wurden aufgezeichnet:
 | Anschlüsse | Gleichstromwiderstand |
|---|---|---|
| H1 H2 | 0,142 | |
| H2 H3 | 0,153 | |
| H3 H1 | 0,153 | |
| H1 - H0X0 | 0,072 | |
| H2 - H0X0 | 0,072 | |
| H3 - H0X0 | 0,084 |