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Verfahren zur Prüfung von Transformatoren mit Abschaltüberspannung
Im Betrieb ist der Transformator nicht nur den zwischen den Klemmen auftretenden
Betriebsspannungen und den entsprechenden Leitererdspannungen, sondern auch Überspannungen
ausgesetzt, die durch Schaltvorgänge oder atmosphärische Entladungen hervorgerufen
werden. Im Gegensatz zu den mit Betriebsfrequenz auftretenden Spannungsüberhöhungen
handelt es sich bei Schaltüberspannungen um mittel- und hochfrequente gedämpfte
Schwingungen.
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Die höchsten Scheitelwerte erreichen die Abschaltüberspannungen beim
Abschalten eines leer laufenden Transformators. Die Scheitelwerte sind abhängig
von diversen äußeren Umständen, wie der magnetischen Energie des Transformators,
der Entfernung des Schalters vom Transformator, der Schaltgeschwindigkeit, dem Augenblick
des Abschaltens u. a. Ein solcher Abschaltvorgang verläuft etwa wie in F i g. 1
b gezeichnet.
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F i g. 1 a gibt ein schematisches Schaltbild des Dreiphasensystems
wieder, wobei mit 1 der Schalter, mit 2 die Oberspannungswicklung des leer laufenden
Transformators und mit 3 die an- der Transformatorklemme vorhandene Erdkapazität
bezeichnet werden. In F i g. 1b ist der Zeitverlauf der Spannung des Dreiphasensystems
gegen Erde mit 4 und des Stromes mit 5 dargestellt. Der Magnetisierungsstrom des
erstlöschenden Strangs wird etwa in seinem Nulldurchgang unterbrochen. Es ergibt
sich keine Abschaltüberspannung. Als treibende Spannung verbleibt die verkettete
Spannung zwischen den beiden letztlöschenden Strängen. Wird jetzt der Strom durch
die fortschreitende öffnung des Schalters gewaltsam unterbrochen, so ergeben sich
an den beiden zuletzt löschenden Strängen hohe Scheitelwerte entgegengesetzter Polarität,
die mit U,, und U" bezeichnet sind.
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Diese Beanspruchungen entgegengesetzter Polarität führen zwischen
den beiden Strängen des Transformators zu etwa der doppelten Abschaltüberspannung
einer Phase gegen Erde. Eine solche Beanspruchung ist naturgemäß sehr unangenehm,
da man z. B. nur durch zwischen den Strängen geschaltete überspannungsableiter einen
Schutz gewährleisten kann, die Ableiter im allgemeinen jedoch nur zwischen Strang
und Erde geschaltet werden.
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Nach neueren Untersuchungen kann man jedoch eine dem Wesen nach kurzzeitige
Abschaltüberspannung durch eine diesem Verlauf angepaßte Stoßspannung nachbilden.
Die bislang üblichen Prüfverfahren der Transformatoren mit Stoßspannungen berücksichtigten
jedoch nur die Beanspruchungen jeweils einer Phase allein und gaben kein Bild der
Spannungsfestigkeit des Transformators bei einer eingangs beschriebenen Zweiphasenbeanspruchung
durch Abschaltüberspannungen. Für eine solche Beanspruchung zwischen zwei Strängen
mangelt es bislang an einem geeigneten Prüfverfahren.
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Bekannt ist der Nachweis der Stehstoßspannung eines Transformators
durch eine einpolig zwischen Wicklungseingang und Erde angelenkte Stoßspannung.
Diese wird in bekannter Weise durch einen Stoßgenerator erzeugt, der in mehrstufiger
Bauart in F i g. 2 dargestellt ist. Über einen Transformator 6 wird durch das Ventil
7 die Stoßkapazität 8 der untersten Stufe aufgeladen. Die Aufladung der weiteren,
gleichartig aufgebauten Stoßkapazitäten gleicher Größe wird über Ladewiderstände
14 vorgenommen. Sind alle Stoßkapazitäten aufgeladen, so entladen sie sich beim
Ansprechen der Funkenstrecken 9 auf die Entladewiderstände 10, die Dämpfungswiderstände
11, die Belastungskapazitäten 12 und die Ladewiderstände 14, allerdings jetzt in
entgegengesetzter Richtung. Dadurch wird zwischen der Erde 13 und dem Ausgang des
Stoßgenerators 19 eine einpolige, gegen Erde unsymmetrische Stoßspannung erzeugt,
deren Größe ein Mehrfaches der vorher aufgeladenen Spannung der Stoßkapazitäten
ist. Es ist selbstverständlich, daß die dargestellten jeweiligen Schaltelemente
gleiche Größe haben.
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Mit Hilfe eines solchen üblicherweise zur Erzeugung einer einpoligen
Stoßspannung benutzten Stoßgenerators kann nun erfindungsgemäß eine zweipolige
Abschaltüberspannung
zur Prüfung von Mehrphasentransformatoren zwischen den Strängen erzeugt werden.
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Zweipolige Stoßgeneratoren sind an sich bekannt. Durch die Erfindung
soll jedoch bei bereits vorhandenem, mehr als zweistufigem unsymmetrischem Stoßgenerator
der Aufwand für einen zusätzlichen symmetrischen (zweipoligen) Stoßgenerator vermieden
werden. In der angegebenen Form haben die bekannten zweipoligen Stoßgeneratoren
im übrigen alle nicht das Merkmal eines Dämpfungswiderstandes und einer Belastungskapazität,
die beide zur Erzeugung der Form einer Abschaltüberspannung notwendig sind. Erfindungsgemäß
wird deshalb vorgeschlagen, zur Erzeugung hoher Prüfspannungen zur Prüfung von Mehrphasentransformatoren
auf Beanspruchung durch Abschaltüberspannungen zwischen den Strängen einen mehr
als zweistufigen, unsymmetrischen Stoßgenerator zu verwenden, der je einen Entladewiderstand,
Dämpfungswiderstand und je eine Belastungskapazität pro Stufe enthält, wobei die
Belastungskapazitäten der unteren Stufen nur zur Potentialsteuerung gegen Erde benutzt
werden und ein daran anschließender Teil von Stufen zur Erzeugung der symmetrischen
Prüfspannung, die am oberen und unteren Ende dieses Teils abgegriffen wird, dient,
die Belastungskapazitäten dieses Teils in der Mitte geerdet sind, die Stoßkapazitäten
von der Mitte dieses Teils aus aufgeladen werden und lediglich je ein Dämpfungswiderstand
am unteren und oberen Ende dieses Teils verwendet wird F i g. 3 gibt ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung zur Erzeugung höherer Abschaltüberspannungen. Der Stoßgenerator ist
in zwei Abschnitte unterteilt. Die oberen Stufen werden zur Erzeugung der symmetrischen
Prüfspannung benutzt, während die unteren Stufen nur zur Potentialsteuerung dienen.
Die Aufladung der Stoßkapazitäten 8 der oberen Stufen geschieht durch die Gleichspannungsquelle
20 in der Mitte der oberen Stufen. Mit 14 ist der Ladewiderstand, mit
10 der Entladewiderstand und mit 9 die Funkenstrecke bezeichnet. Die beim
Stoßgenerator nach jeder Stufe befindliche Halterung für die Dämpfungswiderstände
wird zweckmäßig überbrückt. Statt dessen werden zwei Dämpfungswiderstände 24 am
unteren und oberen Ende des zur Erzeugung der Prüfspannung dienenden Teils angeordnet.
Der elektrische Mittelpunkt dieses Teils der Belastungskondensatoren 12 wird an
13 geerdet. Ebenso kann die Erde auch noch an den entsprechenden Punkt der Entladewiderstände
gelegt werden. Die zweipolige symmetrische Abschaltüberspannung kann zwischen den
Punkten 27 abgegriffen werden. Sie sind z. B. mit den beiden Oberspannungswicklungen
25 des zu prüfenden Transformators verbunden. Die nicht geprüfte Klemme der Oberspannungswicklung
ist über einen Widerstand 16 mit der Erde verbunden. Der Sternpunkt der Oberspannungswicklung
kann sowohl von Erde isoliert als auch starr geerdet sein.
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Zweckmäßig oszillographiert man zur Fehlerinduzierung die auf die
Unterspannungswicklung 15 übertragene Spannung über den Widerständen 17 mittels
der Meßplatten des Kathodenstrahl-Oszillographen 18. Als Wellenform der abzugebenden
Spannung wird gemäß der Nachbildung einer Schaltüberspannung eine verhältnismäßig
lange andauernde Welle gewählt. Die Stirnzeit kann zweckmäßig je nach Wicklungstype
mit charakteristischem Verlauf der Abschaltüberspannung Werte etwa zwischen 10 und
600 gs aufweisen. Das Verhältnis Stirnzeit zu Rückenhalbwertzeit wird zweckmäßig
wie 1:5 oder etwa 1 : 6 gewählt.
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Die unteren Stufen des Stoßgenerators werden zur Potentialsteuerung
gegen Erde benutzt. Zu diesem Zweck werden die nicht benötigten Stoßkapazitäten
elektrisch voneinander getrennt und über die Kurzschlußbügel 29 kurzgeschlossen.
Weiterhin werden sie über die Verbindungen 30 an die Belastungskapazitäten so angelenkt,
daß sich eine gleichmäßige Spannungsaufteilung nach Erde ergibt. Es liegt im Wesen
dieser Schaltung, daß die Belastungskapazitäten, die sich von dem oberen und unteren
Punkt 27 nach Erde ergeben, keine gleiche Größe haben. Im gezeichneten Beispiel
ist am unteren Punkt 27 gerade die doppelte Belastungskapazität wie am oberen Punkt
vorhanden. Um trotzdem gleiche Stirnzeit zu erhalten, wird deshalb der Dämpfungswiderstand
des unteren Teils auf die Hälfte gegenüber dem des oberen Teils verkleinert.
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F i g. 4 zeigt eine andere Ausführungsform. Hierbei wird ebenfalls
wieder in der Mitte des zur Erzeugung der Prüfspannung dienenden Teils aufgeladen.
Die elektrische Mitte der Belastungskapazitäten 12, gegebenenfalls auch der entsprechende
Punkt der Entladewiderstände, wird an Erde gelegt. Die Abschaltüberspannung wird
an dem Punkt 27 abgegriffen. Die zur Potentialsteuerung dienenden Stufen sind so
gewählt, daß sie von 27 ausgehend nach oben und unten gleichmäßig verteilt sind.
Deshalb können hier die Dämpfungswiderstände 24 von gleicher Größe sein.
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Durch Anwendung des Prüfverfahrens nach der Erfindung ist es möglich
geworden, die sehr ungünstige Beanspruchung eines Transformators durch Abschaltüberspannungen
weitgehend unter Zuhilfenahme von unsymmetrischen Stoßgeneratoren nachzubilden,
so daß eine zuverlässige Aussage über die Festigkeit des Transformators gegenüber
diesen Beanspruchungen abgegeben werden kann.