SD verteiltransf US - kupferinstitut.de · Auto-Bordnetz von 12 V Nennspan-nung ein herber Verlust, während er in einer Niederspannungs-Verteilung von 230/400 V niemanden besonders

Sonderdruck s. 182

Verteil-transformatoren

Herausgeber:

Deutsches KupferinstitutAuskunfts- und Beratungsstellefür die Verwendung vonKupfer und Kupferlegierungen

Am Bonneshof 540474 DüsseldorfTelefon: (02 11) 4 79 63 00Telefax: (02 11) 4 79 63 [email protected]

Erschienen in:

Elektrotechnik ETNrn. 1, 3, 4, 5, 6, und 8/2005AZ Fachverlage AG, CH-5001 Aarauwww.elektrotechnik.ch

Auflage 02/2007

Verteiltransformatoren | 1

Ohne grosse Kenntnisse der Elektro-technik und im Speziellen der Über-tragungstechnik fragt sich der Laie,weshalb nicht einfach das ganze Netzmit 400/230 V aufbauen? Da könnteman sich doch die Transformatorensparen? Und überhaupt, wäre es nichtviel klüger, die Energie dort zu produ-zieren, wo sie gebraucht wird?

Um die Spannungsfälle in Strom-Ver-teilungsnetzen in praktikablen Gren-zen zu halten, müssen grosse Leistun-gen über weite Strecken bei möglichsthohen Spannungen übertragen wer-den. Dadurch fällt der Spannungsfallabsolut in Volt gemessen klein aus. Eskommt hinzu, dass der Strom im glei-chen Mass fällt wie die Spannung her-aufgesetzt wird. Ein Beispiel dazu: EinSpannungsfall von 3 V ist in einemAuto-Bordnetz von 12 V Nennspan-nung ein herber Verlust, während erin einer Niederspannungs-Verteilungvon 230/400 V niemanden besondersaufregt. Zumindest wird kein Ver-braucher dadurch in seiner Funktion

beeinträchtigt. In Hochspannungsnet-zen würden dieselben 3 V gleich inder Unmessbarkeit verschwinden.Weil der Stromverbrauch im Auto inden letzten Jahren gestiegen ist undnoch weiter ansteigen wird, wird dasAuto der Zukunft eine Versorgung von42 V (Generatorspannung) haben. In

Zukunft werden nämlich viele jetztnoch pneumatisch, hydraulisch odermechanisch von der Kurbelwellebetätigte Neben- und Hilfstriebe elekt-risch angetrieben und damit steigtnatürlich die elektrische Leistungstark an.1 Während einer Übergangs-phase wird es im Auto beide Span-nungsebenen geben, gekuppelt überDC-DC-Wandler. So entsteht selbst indem räumlich sehr begrenzten Netzeines Autos der Ansatz einer Strukturwie in öffentlichen und industriellenWechsel- und Drehstromnetzen, vondenen hier die Rede sein soll.

Die Frage müsste indes viel weitervorne ansetzen und also lauten: Wa-rum sind denn so lange Transport-

Stefan Fassbinder

Verteiltransformatoren

Warum überhaupt Transformatorenin Versorgungsnetzen?

Unsere weit vermaschten Höchstspannungsnetze mit 400 kV von Portugal bis Schwedensind ohne Transformatoren nicht denkbar. Die Transformatoren sorgen dafür, dass beihöchstem Wirkungsgrad die Spannung von einem Kraftwerk auf bis zu 400 kV hinauf undnach einer langen Übertragungsleitung wieder hinunter bis auf 400/230 V transformiertwird. In diesem fünfteiligen Beitrag werden Eigenschaften und Eigenheiten von Trans-formatoren eingehend beleuchtet.

Bild 1 32-achsiger Tiefladewagen zum Bahn-transport von Grenzleistungs-Transformatoren.(Quelle: www.lokomotive-online.de/Eingang/Sonderfahrzeuge/Uaai/uaai.html)

Bild 2 So wird der Grosstrafo aufgenommen,hier am Beispiel des «kleinen» 24-Achsers gezeigt.(Quelle: www.lokomotive-online.de/Eingang/Sonderfahrzeuge/Uaai/uaai.html)

1 Schleuter, Dr. Willibert; Kreipp, Alfons-Martin; Zuber, Manfred: «Das 42-V-Ener-gienetz: Systembetrachtung und Entwick-lungsprozess», Vortragsskript der Audi AG,Ingolstadt, 26./27.6.2001.

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wege erforderlich? Fordern nicht be-stimmte politische Gruppen die de-zentrale, verbrauchernahe Erzeugungder elektrischen Energie? Und istdies nicht tatsächlich der technischund wirtschaftlich vorteilhaftere Weg?Also «erforderlich» ist schon einmalübertrieben. Selbstverständlich gehtes auch anders, wie der derzeitigeTrend zur Kraft-Wärme-Kopplung,Windkraftnutzung und Errichtungselbst kleinster Wasserkraftwerkezeigt. Nichtsdestoweniger, obwohlhierdurch gleichzeitig der Bau langerLeitungswege und die darin auftre-tenden Verluste eingespart werden,ist dies der teurere Weg. Die Fragestellt sich, warum?

Stellen wir uns einen Trafo mit be-stimmten Abmessungen vor, denn umdie soll es hier gehen. Nun soll dieGrösse dieses Trafos in jede Dimen-sion verdoppelt werden, Länge, Breiteund Höhe. Der Aufbau bleibt gleich.Alle Flächen wachsen dann im Quad-rat zur Vergrösserung der Abmasseauf das Vierfache. Das gilt für dieOberfläche, die zur Abfuhr der Ver-lustwärme zur Verfügung steht, fürdie Leiterquerschnitte und die Eisen-querschnitte als wichtige Auslegungs-grössen. Alle Volumina hingegen

wachsen mit der dritten Potenz zurVergrösserung der Abmessungen.Dies macht, bezogen auf die einfacheVergrösserung von Länge, Breite undHöhe das Achtfache aus.

Unveränderte Stromdichten in denLeitern vorausgesetzt, steigt also de-ren Strom-Belastbarkeit mit den Quer-schnitten ebenfalls auf das Vierfache,analog zur kühlenden Oberfläche.Tatsächlich liegt die Stromdichte allerTransformatoren von 10 VA bis 1 GVAganz grob im Bereich um 3 A/mm2

(Kupfer) bzw. 2 A/mm2 (Aluminium).Als Vergleich: Bei der elektrischenHausinstallation haben wir maximalrund 10 A/mm2. Jedoch wird derDraht durch unsere Verdopplung derAbmasse nicht nur viermal so dick,sondern auch doppelt so lang. Wie ge-sagt, Verachtfachung von Volumenund Gewicht, hier des Kupfers bzw.Aluminiums. Jedes Kilogramm einesbestimmten Leiterwerkstoffs erzeugtjedoch bei gleicher Stromdichte diegleiche Verlustwärme, also die achtfa-che im doppelt so breiten, doppelt solangen, doppelt so hohen und achtmalso schweren Trafo. Dieses Mehr anVerlustleistung pro Kühlfläche, denndie Kühlfläche vervierfacht sich nur,wie alle Flächen, haben wir eben ver-

nachlässigt. In der Praxis wird dieserEffekt ausgeglichen, indem zu grösse-ren Baugrössen hin zunächst die Flüs-sigkühlung eingeführt und dann dieOberfläche immer mehr künstlichvergrössert wird (Kühlart ONAN: Oilnatural circulation, air natural circu-lation). Ab etwa 40 MVA tritt dannZwangskühlung durch Blasen vonaussen hinzu (Kühlart ONAF: Oil na-tural circulation, air forced). Ab etwa400 MVA muss auch der innere Kühl-kreislauf durch Ölpumpen unterstütztwerden (Kühlart OFAF: Oil forced, airforced). Oberhalb ungefähr 800 MVAreicht einfaches Umwälzen des Ölsauch nicht mehr; es muss schon in ge-zieltem Strahl in die Ölkanäle derWicklungen gerichtet werden (Kühl-art ODAF: Oil directed, air forced).

Und jetzt kommts: Die Vervierfa-chung des Kernquerschnitts erlaubteine Vervierfachung der Spannung.Das ergibt, multipliziert mit dem vier-fachen Strom im vierfachen Leiter-querschnitt, die sechzehnfache Nenn-leistung beim achtfachen Gewicht.Diese theoretisch herleitbare Korrela-tion findet man ganz grob auch in derPraxis vor (Tabelle 1): Steigt die Bau-leistung um 4 Zehnerpotenzen, sosteigt die Baugrösse, also Masse undVolumen, nur um 3 (sprich jede Di-mension lediglich um eine) – und so-mit natürlich auch der Material-Ver-brauch, die Herstellungs- und Errich-tungskosten entsprechender Betriebs-mittel und Anlagen. Betrachten wirbeispielsweise den grössten Trafo,der zurzeit mit einer Leistung von1100 MVA gebaut wird. Man könnteaus technischer und physikalischerSicht auch noch grössere Einheiten

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Bild 3 Grafische Darstellung des Kupfergehalts(blau) und der Wirkungsgrade (grün) der Beispiel-Transformatoren aus Tabelle 1 sowie theoretischerKupfergehalt aus der Formel (rot).

Bild 4 Transformatoren im öffentlichen Versorgungs-netz. Gelb: Stationstrafo, rot: Maschinentrafo, blau:Netzkuppler, grün: Verteiltrafo.

Bild 5 Auch im Bahnstromnetz durchläuft die elek-trische Energie drei Transformationsstufen vom Gene-rator bis zu den Antriebsmotoren

Tabelle 1 Leistungsdichten und Wirkungsgrade inder Praxis vorgefundener Beispiel-Transformatorenvon kleinsten bis zu grössten Leistungen..

Vorgefundene Beispiel-Transformatoren

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herstellen, doch scheitert es dann ameinzig möglichen Bahntransport (Bild1 und 2). Dafür ist jetzt schon ein 32-achsiger Spezial-Tiefladewagen erfor-derlich. Schliesslich bringt ein solchesUngetüm etwa 460 t auf die Waageund somit auf den Wagen, davon 60 tKupfer und 60 t Öl. Letzteres wird se-parat in einem Kesselwagen unterge-bracht, um die Achslast in erträgli-chen Grenzen zu halten.

Könnte man nun diese Daten desgrössten Transformators einfach line-ar auf einen Kleintrafo mit 60 g Kup-fer übertragen, was am ehesten derKerngrösse EI482 entspräche, könntedieser kleine Transformator 1100 VAübertragen; tatsächlich bringt es dieseBaugrösse nur auf rund 11 VA. Übri-gens gilt eine entsprechende Korrela-tion für Motoren und Generatoren.Das ist aber nicht der einzige Grund,weshalb die Erzeugung von elektri-scher Energie in Grosskraftwerkender Gigawattklasse und das Verteilendes Stroms im Umkreis von 100 kmwirtschaftlicher ist, als diejenige vonvielen Kleinkraftwerken. Der Perso-nalaufwand für den Betrieb wenigerGrosskraftwerke ist eindeutig günsti-ger als derjenige für viele Kleinkraft-werke, die in bedarfsgerechten Häpp-chen direkt vor Ort auf der Nieder-spannungsebene Energie ins Netz ein-speisen. Wenn aber in Grosskraft-werken Energie erzeugt und dieseüber weite Strecken verteilt wird,macht dies den Einsatz von Transfor-matoren erforderlich. Wobei sich je-doch das europaweite Verbundnetz

und seine Transformatoren durch eineetwaige rein dezentrale Erzeugungkeineswegs erübrigen würden, wieviele Laien glauben. Es wäre ledig-lich geringer belastet, aber zum Aus-gleich der örtlich oft sporadisch starkschwankenden Last und gerade zurAufnahme und Verteilung des unkal-kulierbaren Angebots von Sonnen-und Windkraft mehr denn je unent-behrlich.

Dies hat einen weiteren Aspekt:Wenn jedes Kilogramm Kupfer in ei-ner grossen Maschine mehr oder we-niger die gleiche Verlustleistung ver-ursacht wie in einer kleinen Maschi-ne, dann sind auch die Wirkungsgradegrosser Einheiten besser als die derkleinen, wie auch Tabelle 1 und Bild 3zeigen. Anders gesagt: wenn in einemGrosskraftwerks-Generator ein Kilo-gramm Kupfer anteilig für eine Aus-gangsleistung von 10 kVA zuständigist, im Fahrraddynamo jedoch nur100 VA auf ein Kilogramm kommen,so hilft letztlich der Transformatorbeim Sparen, obwohl er selbst wiederVerluste verursacht, doch die sindsehr gering, wie man sieht. Der Trans-formator ermöglicht aber den Einsatzsehr grosser statt kleiner Generatoren.Generatoren haben auch gute Wir-kungsgrade, und zwar die grösserenwiederum deutlich bessere als diekleinen. Die Erregerleistung der Ge-neratoren und die mechanischen Ver-luste lassen diese jedoch deutlichschlechter aussehen als einen Trans-formator entsprechender Baugrösse.Selbst wenn grosse Kraftwerke die En-ergie über bis zu fünf Transformati-onsstufen (Bild 4 und 5) in weiter Um-gebung liefern müssen, ist ihr Ge-samtwirkungsgrad besser als derjeni-

ge von kleinen Kraftwerken nahe beiden Verbrauchern.

AusblickWenn jedoch künftig mehr regenerati-ve Energie eingesetzt werden soll,kommt man um die dezentrale Erzeu-gung und Einspeisung nicht umhin.Dann kommen zwar weniger Trans-formatoren zum Einsatz, doch trotz-dem leiden die Regenerativen an ei-nem Kostennachteil, der aus be-schriebenen physikalischen Tatsa-chen entsteht. Daher können siebislang nur dort so recht Fuss fassen,wo sie subventioniert werden. Dochwarten wir es ab, irgendwann – undmanche Quellen nennen recht kurzeZeiträume – werden fossile Brennstof-fe knapp, und die Preise steigen. DasUran reicht auch nicht viel länger alsKohle, Gas und Öl, wenn die Brüter-technologie nicht wieder ausgegrabenwird. Auf einmal möchten alle rege-nerative Energie haben, aber dannnicht mehr aus Idealismus, sondernaus Preisgründen. Doch nur unterEinsatz mehr roten Metalls je gewon-nener Kilowattstunde und je kVA An-schlussleistung wird die Nutzung der«grünen» Energien möglich. Was zubeweisen war.

380 kV220 kV110 kV

50 Hz 3~

20 kV10 kV0,4 kV

110 kV

162/3 Hz1~

15 kV

2 Fassbinder, Stefan: «Bedarfsgerechte Aus-wahl von Kleintransformatoren», BulletinSEV/VSE 3–17/2002.

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Kessel und ÖlIn der EU sind rund 2 Millionen Öl-Verteiltransformatoren bis 250 kVAund weitere 1,6 Millionen über250 kVA im Einsatz.3 Dazu kommenetwa 400000 Giessharztransformato-ren (Bild 6). Der Öltransformator istdamit die Standard-Ausführung. Üb-lich sind heute Hermetikkessel mitDehnwellen, bei denen sich also dieWellen hinreichend verformen kön-nen, um die Wärmeausdehnung desÖls aufzunehmen. So spart man sichein Ausdehnungsgefäss mit Luft-Ent-feuchter und auch einige Wartungsar-

beiten, wie bei Grosstransformatorenmit angebauten Radiatoren noch er-forderlich.4 Der heutige Verteiltrafo istzumeist ein wartungsfreies Betriebs-mittel, und das nicht nur für seine ge-plante Lebensdauer von 20 bis 30 Jah-ren, sondern in der Praxis werdenmeist eher 30 bis 40 Jahre erreicht.Manchmal, aber lange noch nicht oftgenug (siehe Beitrag 4: Wirkungsgrad)werden sie dann wegen nicht mehrzeitgemässer technischer Daten aus-ser Betrieb genommen, obwohl sienoch immer nicht wirklich defekt sind(Bild 7).

Das Öl dient gleichzeitig als Kühl-und Isoliermittel. Schlagweiten undKriechwege können gegenüber Luftauf etwa ein Fünftel reduziert werden,und der Aktivteil des Trafos, darunterversteht man die fertig montierte Ein-heit aus Kern und Wicklungen, hat re-lativ wenig Oberfläche zur Kühlung.Der Wärme-Übergang vom Aktivteil

an ein flüssiges Medium ist aber etwa20-mal besser als direkt an Luft. DieOberfläche des Wellenkessels (Bild 8)lässt sich im Gegensatz zu der desAktivteils beliebig vergrössern undschafft daher diesen letzten Engpassdes Wärme-Übergangs an Luft besser.So ermöglicht der Ölkessel eine kom-paktere Bauform.

KernDer Aktivteil besteht also aus Kernund Wicklungen. Beides sind erhebli-che Kostenfaktoren beim Material,und lohnintensiv ist die Fertigung ei-nes Transformators ohnehin. Die Wahldes richtigen Bleches und saubereSchichtung mit häufigem Versatz (alle2 Bleche) und möglichst geringemRestluftspalt entscheiden über gerin-gen Leerlaufstrom und Leerlauf-Ver-lust. Heute kommen durchweg korn-orientierte, kalt gewalzte Bleche zumEinsatz (Tabelle 2), je dünner, destoweniger Wirbelstrom, aber für dieseBleche muss man ganz schön blechen.Womit eine Hypothese für die Her-kunft dieses Ausdrucks gefundenwäre, aber das zu prüfen wollen wirden Sprachforschern überlassen.

Der richtige Druck auf die Jochträ-ger, die die Joche einspannen (Bild 9),entscheidet über minimale Geräusch-pegel. Der grösstmögliche Druck istnicht notwendigerweise der beste. Vorallem aber muss bei der Konstruktiondarauf geachtet werden, keine Wirbel-stromschleifen einzubauen. Schon beiKleintransformatoren ab einer Bau-grösse von etwa 1 kVA ist daher dieeinseitige Isolierung der Befestigungs-schrauben üblich, obwohl besser

Transformatoren – ewig gleich und damit altbacken? Von wegen: Diese vermeintlich an-gestaubte Materie hat auch unterhalb einer Oberspannung von 750 kV ihre spannen-den Seiten! Der Bau und die anwendungsspezifische Optimierung dieses vom Prinzip hereinfachen Bauteils erfordern sehr viel Detailwissen und lange Erfahrung. Nur so könnenMaschinen mit Wirkungsgraden bis 99,75% entstehen. Auch wer selbst keineTransformatoren baut, sondern «nur» die optimale Kaufentscheidung treffen muss,benötigt eine Menge Basiswissen über deren Wesen.

Aufbau und Produktion konventionellerund Sondertransformatoren

Bild 6 Handelsüblicher Giessharz-transformator.

Bild 7 Innenleben eines Verteil-transformators sichtbar gemacht,hier an einem Museumsstück(Stadtwerke Hannover).76

3 «The scope for energy saving in the EUthrough the use of energy-efficient elec-tricity distribution transformers», ECI,Brüssel, Thermie project STR/1678/98/BE, Dezember 1999, erhältlich im Deut-schen Kupferinstitut, Düsseldorf.

4 Janus, Rudolf: Transformatoren. Frank-furt, 1993.


schon unter 100 VA damit angefangenwerden sollte, was leider kaum jemalserfolgt. Ein Dreiphasen-Kleintrafo(Bild 10) weist schon einen ganz ähn-lichen Aufbau auf wie ein Verteiltrafo,nur runde Spulen erübrigen sich hiernoch, aber die Jochträger sind ähnlichgestaltet, und einseitige Isolierungder Jochpressbolzen ist Pflicht! Um-so wichtiger werden entsprechendeMassnahmen bei den hier zur Diskus-sion stehenden Verteiltransformato-ren, von den schon diskutierten Gross-transformatoren ganz zu schweigen.

Bei den Jochträgern selbst war daskein Thema, als diese noch aus Holzgefertigt wurden (Bild 11), doch dievielfach auch bei Jochträgern ausStahl noch angewendete Lochung derJochbleche zum Einsetzen der Press-bolzen ist hierbei unumgänglich. Da-bei müssen die Löcher gross genugsein, um auch noch eine Isolierhülseüber den Bolzen schieben zu können,

damit der Bolzen keine Stanzgrate derBleche und höchstens einen Jochträ-ger berührt, denn wenn es zu mehrfa-chen Kontakten kommt, ist praktischeine Kurzschlusswicklung um einenentsprechenden Teil des Joches ge-schlossen. Der Querschnitt des Lo-ches fehlt ausserdem teilweise beimKernquerschnitt, und in dem Bolzen,der verständlicherweise nicht ge-blecht hergestellt werden kann, wer-den zusätzliche Wirbelströme indu-ziert. Manchmal wählt man Bolzenaus Edelstahl, denn der ist eigenarti-gerweise selbst nicht ferromagne-tisch, obwohl er vorwiegend aus fer-romagnetischen Elementen wie Eisenund Nickel besteht. Somit zieht er dieMagnetfelder nicht auf sich und er-zeugt daher weniger Verluste durchWirbelströme in seinem Inneren. Al-

lerdings kann er das aus dem Kern-blech herausgestanzte Eisen in keinerWeise ersetzen, was bei herkömmli-chem Stahl zu einem gewissen Teilwohl der Fall ist.

Diese beiden Effekte lassen sichdurch einen Modellversuch an einemKleintransformator zeigen (Bild 12):Nach Einsetzen der Bolzen in der fürdiese Grösse leider noch üblichen Artohne Isolierbutzen fällt die Magneti-sierungs-Blindleistung um etwa 7%,weil die Bolzen das in den Löchernfehlende Eisen teilweise ersetzen,doch die Leerlauf-Verlustleistungsteigt aufgrund von Wirbelströmen inden Bolzen und vor allem wegen dererzeugten Schleifen um 20%!

Noch teurer als die Verwendung vonEdelstahl, aber auch noch besser isteine Konstruktion, die das Joch um-

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Bild 8 Der Standard seit etwa 1930:der Öltransformator, seit etwa 1965 mit Wellenkessel(Bild: Pauwels).

Bild 9 Jochpressung, Einspannung der Spulen(Bild: Rauscher & Stoecklin).

Bild 10 Ein Dreiphasen-Kleintrafo weist ganz ähn-lichen Aufbau auf wie ein Verteiltrafo. EinseitigeIsolierung der Jochpressbolzen ist Pflicht!

Bild 11 Die Jochträger sind hier noch aus Holz ge-fertigt. Gut zu sehen auch die Wicklungs-Ableitungen(Stadtwerke Hannover).

Tabelle 2 Entwicklung der Blechqualitäten.


spannt (Bild 13), doch hier ist erstrecht darauf zu achten, dass dieserRing nicht elektrisch geschlossen aus-geführt wird, sonst entsteht eine Kurz-schlusswicklung erster Güte. EineVersuchskonstruktion an einem Ein-phasen-Kleintransformator, die sozwar auch niemand bauen würde,macht aber wiederum deutlich, wel-ches Ausmass die Folgen annehmenwürden.

Doch auch in elektrisch leitfähi-gen Teilen, die nicht innerhalb desKerns, sondern lediglich in seiner un-mittelbaren Nähe angeordnet sind,werden Wirbelströme induziert, be-sonders in ferromagnetischen Stoffen,die die Streufelder auf sich ziehen. Beigrösseren Transformatoren werdenmanchmal an der Innenseite des Kes-sels so genannte Flussfallen aus Kern-blech angebracht, die die Streufelderauf sich ziehen sollen und durch diediese dann laufen sollten anstattdurch massive, nicht geblechte me-chanische Stahlteile. Bei Trocken-transformatoren kommen manchmalauch Spannbolzen und andere Schrau-ben aus Glashartgewebe zum Einsatz.In Öltransformatoren gibt es verein-zelt Schrauben und Muttern ausKunstharz-Pressholz, einem hier vielverwendeten Werkstoff, doch fürWicklungsspannbolzen reicht dessenFestigkeit nicht.

WicklungenBei Verteiltransformatoren wird fürdie Unterspannung wegen der gerin-gen Windungszahlen und der hohenQuerschnitte meist eine Breitband-wicklung gewählt, bei der also die fer-tige Spule ungefähr so lang ist wie dasBand breit (Bild 14). Bei kleineren

Baugrössen oder höheren Spannun-gen kommt auch eine Schmalband-wicklung in Betracht, die aus mehre-ren axial übereinander angeordnetenBandspulen besteht. Für die Ober-spannungswicklung wird meist eben-falls ein solcher gestufter Aufbau ge-wählt, jedoch bei kleineren Baugrös-sen aus Runddraht und bei grösserenaus Profildraht.

Die Spulen sind bei Kleintransfor-matoren zwar eckig (Bild 15) und kön-nen es bei Spezialbauformen im unte-ren Verteiltrafo-Segment auch nochsein, doch bei etwas grösseren Bau-grössen werden sie elliptisch, und abspätestens 1 MVA Bauleistung, je nachHersteller auch schon weit darunter,werden sie von vornherein rund ge-fertigt, denn nach dem ersten Kurz-schluss wären sie es ohnehin. Dafürsorgen die magnetischen Kräfte zwi-schen den Leitern, die bei Nennstromkeine Rolle spielen, aber mit dem Pro-dukt aus den Strömen in Unter- undOberspannungswicklung zunehmen.Die Stromrichtungen sind entgegen-gesetzt, und somit stossen sich dieSpulen gegenseitig ab. Die äusseremöchte nach aussen ausweichen, undda der Kreis bei gegebenem Umfangdie grösstmögliche umfasste Flächebietet, wird die äussere Spule spätes-tens jetzt rund, wenn sie es vorhernoch nicht war, denn bei dieser Formhat sie den grösstmöglichen mittlerenAbstand von der inneren Spule. Diese,meist die Unterspannungswicklung,wird gegen den Kern gedrückt, undbesonders wenn es sich bis dato umeine Breitbandwicklung gehandelthat, sieht diese nachher aus wie einekupferne Verkleidung des Kerns. Des-halb sind die Spulen in axialer Rich-tung sehr stramm eingespannt, undeventuell vorhandene Anzapfungenin der Oberspannungswicklung, dieeiner Anpassung an abweichende Ein-gangsspannung z.B. im Bereich 2·±2,5% (5 Stufen inkl. Nennspannung)dienen, werden in der Mitte heraus-geführt und nicht am Anfang oder amEnde. So bleibt die axiale Höhe des ef-fektiv vom Strom durchflossenen Teilsder Oberspannungsspule, also auchihre relative Höhe zur Unterspan-nungsspule, nahezu gleich. Würdeman oben oder unten einige Win-dungen wegschalten, träte im Kurz-schlussfall eine erhebliche Kraft inaxialer Richtung zwischen den Spulen

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Bild 12 Bei Einphasen-Gerätetransformatoren siehtman es leider oft nicht so eng: Mit Abschlussblechenund entsprechenden Bolzen (rechts) ist die Magneti-sierungs-Blindleistung zwar etwas geringer, aber dieLeerlauf-Wirkleistung deutlich höher.

Bild 13 Wenig geniale Befestigung eines Klein-transformators: Die Leerlaufleistung steigt auf mehrals das Sechsfache des Wertes ganz ohne Befesti-gung. Die Leerlauf-Verlustleistung desselben Trans-formators rechts ohne Befestigung.

Bild 14 Fertigung einer Kupfer-Breitbandwicklung(Wieland Werke AG, Ulm).

Bild 15 Bei kleineren Transformatoren(hier z. B. 40 kVA) können die Spulen eckig um deneckigen Kern gewickelt werden (Bild: Riedel).


auf. Bei Veteranen, die nicht mehr dieursprüngliche mechanische Festigkeitaufweisen und deren Isolierstoffeauch schon altersschwach sind, istdies oder ein Isolations-Durchschlagdurch Blitzschlag dann oft das Ende.An Einsatzorten, an denen Jahrzehn-te lang kein Kurzschluss und keinBlitzschlag auftritt, kann solch einTransformator aber auch 60 Jahre langin Betrieb bleiben, bis er aus wirt-schaftlichen Gründen ausgetauschtwird.

Den eckigen Kern passt man denrunden Spulen mehr oder weniger an,indem in bestimmten Breiten gestufteBleche verwendet (Bild 16) werden.Die Joche haben genau den gleichenQuerschnitt. Nur bei Grenzleistungs-transformatoren wird die 5-Schenkel-Bauweise angewendet, um mit demhalben Jochquerschnitt auszukom-men und so zur Beherrschung desTransport-Problems die Gesamthöheetwas zu reduzieren. Eigentlich hatdie 5-Schenkel-Bauform rechnerischnur 4 Schenkel (32/2), denn auch diebeiden äusseren Rückschlussschenkelmüssen bei dieser Bauform nur denhalben Fluss tragen. Ein Beispiel fürden Sonderfall der 5-Schenkel-Bau-weise beim Verteiltransformator folgtauf Seite 23 (Bild 36, Bild 37).

Den Aufbau des Aktivteils gebenBild 17 und 18 wieder, wobei der Ak-tivteil hier nicht so gross dargestelltwerden kann, dass man den Versatzder Kernbleche sieht. Daher wird die-ses Detail in Bild 18 vergrössert ge-zeigt. Normalerweise werden nämlichje 2, manchmal je 4 Bleche gegenüberden vorherigen 2 bzw. 4 Stück beimSchichten des Kerns um z.B. 15 mmversetzt, bei den Jochen nach linksund rechts und bei den Schenkelnnach oben und unten. Ausserdemwerden die unsymmetrischen Spitzendes Mittelschenkels mal nach linksund mal nach rechts gelegt. So erzieltman einen Versatz der Stossstellen ge-geneinander und dadurch einen bes-seren magnetischen Schluss.

SonderbauformenDa das Öl im Hermetikkessel also40 Jahre überdauern muss und sichwährend der gesamten Zeit jeglicherKontrolle entzieht, muss es höchstenQualitätsanforderungen gerecht wer-den. Leider bleibt es nichtsdestoweni-ger brennbar und leicht entzündlich.Deswegen wurde sein Einsatz vor ei-nigen Jahrzehnten in Innenräumenund brandgefährdeten Anlagen verbo-ten und durch PCB (polychlorierte Bi-phenyle) ersetzt, auch als Askareleoder Chlophene bekannt, eine Gruppevon Stoffen, die nicht oder kaumbrennbar sind. Leider stellte sich dannspätestens nach dem Unglück von Se-veso heraus, dass diese Stoffe zwar kei-

nen Brand fördern, aber hochgiftigeDioxine bilden, wenn sie einem Brandausgesetzt werden.

Auf der Suche nach Alternativenkam man auf die schwer entzündli-chen, ungiftigen, synthetischen Sili-konöle. Dies sind, grob gesagt, Koh-lenwasserstoffe, bei denen man denKohlenstoff durch das chemisch ähn-liche Silizium ersetzt hat. Diese fan-den aber wenig Verbreitung, zumin-dest nicht in den hier zur Debattestehenden Grössenklassen. Statt des-sen erfuhr der Trockentrafo wiedereinen Aufschwung, jetzt weniger mitLack und Papier, sondern zumeist alsGiessharztransformator realisiert. Derkann je nach geforderter Schutzartvöllig frei aufgestellt oder mit einementsprechenden Gehäuse versehenwerden.

Als Leiterwerkstoff kommt auchbeim Verteiltrafo sowohl Kupfer alsauch Aluminium in Betracht. Da esder kompakten Bauform dient, fälltdie Wahl jedoch meist auf das an sichschon teurere Kupfer, von dem dann –nach Masse – auch noch mehrbenötigt wird.5 Am Ende siegt jedochmeist das geringere Volumen des Kup-ferleiters, der weniger Wickelraumbenötigt und so zum vielleicht etwasschwereren, aber dennoch etwas klei-neren Transformator führt. Nur beim

Distanzhölzer(in nachfolgenden Zeichnungen

nicht dargestellt)

US-WicklungOS-Wicklung

Strom

Strom

Bild 16 Bei grösseren Transformatoren wird dereckige Kern der runden Form der Spule halbwegsangepasst.

Bild 17 Prinzipieller Aufbau eines Aktivteils, hierdie elegantere Variante mit ungelochten Jochen.

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5 Fassbinder, Stefan: «Elektrische Leiter-werkstoffe in der Praxis», «de» 23&24/2001 gig.


Giessharztransformator verwendetman lieber Aluminium, weil es einengrösseren Wärme-Ausdehnungskoeffi-zienten hat, der näher bei den allge-mein sehr hohen Ausdehnungskoeffi-zienten organischer Stoffe liegt und sosich thermische Spannungen inner-halb des harten Wicklungskörpers re-duzieren.

Eine ganz besondere Sonderbau-form wurde 1987 entwickelt. 25 Jahrezuvor hatte es einen ähnlichen Vor-stoss schon einmal gegeben: gas-gekühlte Transformatoren. Physikerdenken hier sofort an Wasserstoff, dadieser über eine sehr hohe Wärmeka-pazität verfügt. Diese physikalischeGrösse wird aber stets auf die Massebezogen, und die ist bei Wasserstoffmit knapp einem Zehntel der Dichtevon Luft sehr gering. Geht es um dieerforderliche Umlaufgeschwindigkeitin einem Kühlkreislauf, ist aber einehohe Wärmekapazität pro Volumen ge-fragt, denn der Strömungswiderstandwächst im Quadrat zum Volumen-strom in einem gegebenen System. Sofiel die Wahl auf das als Isoliermittel inSchaltanlagen schon lange bekannteSchwefelhexafluorid (SF6) mit der

fünffachen Dichte von Luft und einererheblich besseren Durchschlagsfes-tigkeit. Damit hatten dann die Inge-nieure bei Durchschlagsversuchen aneinem eigens gebauten, oben offenenPrüfbehälter (der sich mit SF6 füllenlässt wie mit Wasser, wenn man vor-sichtig von unten füllt) auch ihrenSpass amSchwimmen-lassen von Luft-ballons auf der unsichtbaren Gasfül-lung. Einatmen dieses völlig ungifti-gen und chemisch inerten und des-wegen so isolationsfesten Gases führtzum umgekehrten Effekt wie die be-kannte Helium-Piepsstimme – dasnur am Rande. Die Selbstversuchemachten aber deutlich, wie ungefähr-lich dieses Gas ist, da alle Beteiligtenden Schabernack unbeschadet über-standen. Von entsprechenden Versu-chen mit Wasserstoff muss dringendabgeraten werden, vor allem für Rau-cher. Ist die Wärmekapazität eines Ki-logramms SF6 auch nur halb so grosswie die eines Kilogramms Luft, so istdies aber immer noch das 2,5fachepro Liter und bedeutet, dass 40% derUmlaufgeschwindigkeit reichen, umdie gleiche Kühlwirkung zu erzielen.Das reduziert die erforderliche Lüf-terleistung auf etwa 32% derer für ei-ne äquivalente Luft-Zwangskühlung.2 Prototypen zu je 2 MVA mit Wellen-kessel und innerer Zwangskühlung(also Kühlart GFAN, gas forced, airnatural) wurden gebaut und in einemexplosionsgefährdeten Bereich einerchemischen Fabrik in Betrieb genom-

men – genauer gesagt beim Herstellerdes Gases, der diese Entwicklung ver-ständlicherweise unterstützte.

Sowohl die Durchschlagsfestigkeitals auch der Kühleffekt lassen sichsteigern, indem man das Gas durchErhöhung des Drucks verdichtet. Sofolgte ein weiterer Versuchstyp mit ei-nem handgeschweissten Rohrharfen-kessel nach altväterlicher Sitte (Bild19), für heutige Verhältnisse viel zulohnintensiv, doch wenigstens konntedaran nachgemessen werden, dass dievorausberechnete Erwärmung unge-fähr stimmte, und darum ging es. DerTransformator Kühlart GFAN leistete630 kVA bei 3 bar Überdruck und ver-tretbarem Bauvolumen. Um ein wirt-schaftlicheres Produktions-Verfahrenkümmerte man sich anschliessend.Tatsächlich sollen diese Transformato-ren sich recht gut als Etagen-Trafos fürHochhäuser nach Fernost verkaufenoder doch zumindest eine Zeit langverkauft haben. Im Inland scheiterteeine weite Verbreitung an der hier zuLande sehr strengen Druckbehälter-Verordnung. Prinzipiell aber funktio-nierte die Technik.

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Bild 18 Jochträger und Wicklungsspannbolzen ab-montiert und oberes Joch ausgeschachtelt, damit derinnere Aufbau erkennbar wird.

Bild 19 Rohrharfenkessel, Schweiz, (Bild: Rauscher& Stoecklin) 1958, in Schwellenländern ohne Lohn-kostenproblem auch heute noch vielfach gebaut.


In einem Verteiltransformator mit ei-ner Kurzschlussspannung von 6% fal-len bei Nennstrom 6% der Spannungan inneren Impedanzen ab. Somitbricht die Spannung bei Nennlast ge-genüber der Leerlaufspannung bereitsum 6% ein. Hinzu kommen die Span-nungsfälle der Kabel und Leitungenhinter dem Trafo und des vorgelager-ten Netzes, so dass mit einem Span-nungsverlust von gut 10% gerechnetwerden muss. Oh je! So viel? – Nein,zum Glück nicht wirklich. Lassen Sieuns etwas genauer beleuchten, wasdenn sonst mit dem Begriff Kurz-schlussspannung gemeint ist.

KurzschlussspannungDas Betriebsverhalten eines Transfor-mators wird zunächst einmal durchdie Nennspannungen und die Nenn-leistung charakterisiert; das muss andieser Stelle nicht vertieft werden. Alsnächste wichtige Kenngrösse folgt dieKurzschlussspannung. Der Ausdruckwirkt vielleicht befremdlich auf Nicht-eingeweihte, denn per allgemeinerDefinition ist die Spannung im Kurz-schlussfall null. Per spezifischer Defi-nition ist hier aber der Kurzschluss ander Ausgangsseite und die Spannung ander Eingangsseite gemeint: Schliesstman die Ausgangswicklung eines Tra-fos kurz und legt an die Eingangs-wicklung eine Spannung, die geradehoch genug ist, um in der Ausgangs-wicklung den Nennstrom zu treiben,so nennt man diesen Wert Kurz-schlussspannung (UK), jedoch meistnicht in Volt, sondern in Prozent derNennspannung angegeben (uK). BeiGrosstransformatoren können Wertevon 18% bis 22% erreicht werden. BeiVerteiltransformatoren dagegen sinddie Nennwerte 4% für kleinere Ein-heiten (bis 630 kVA) und 6% für grös-sere Einheiten (ab 630 kVA) üblich.Bei der Grösse 630 kVA kommen bei-

de Nennwerte, 4% und 6%, vor. Dertatsächliche Wert wird bei der End-prüfung gemessen und auf dem Leis-tungsschild angegeben (Bild 20). DieAbweichung ist jedoch meist ohnepraktische Relevanz.

Die Kurzschlussspannung charakte-risiert also den Spannungsfall im Tra-fo. Damit lässt sich recht einfach derKurzschlussstrom IK berechnen. Beieinem Transformator mit uK=6% bei-spielsweise beträgt er unter Vernach-lässigung aller vorgelagerter Impe-danzen

Bei uK=6% sind also 6% der Nenn-Eingangsspannung erforderlich, umin der kurzgeschlossenen Ausgangs-wicklung den Nennstrom zu treiben.Der Spannungsfall in einem Verteil-transformator von wenigstens mittle-rer Grösse besteht aber nur zum klei-neren Teil aus dem Wirkanteil uR derohmschen Wicklungswiderstände undzum weit grösseren aus dem reakti-ven, induktiven Fall uX. Dieser rührtaus der Streuinduktivität her, verur-sacht durch jenen Teil des magneti-schen Flusses, der als Streufluss denKern umgeht und jeweils nur eineWicklung durchsetzt, nicht Ober- undUnterspannungswicklung gleichzei-tig, sondern z.B. den Haupt-Streuka-nal zwischen der gewöhnlich aussenliegenden Oberspannungswicklungund der inneren Unterspannungs-wicklung (siehe Teil 2: Aufbau). Damitsind ganz nebenbei auch Einflüsse ausder Unlinearität des Eisens auf dieKurzschlussspannung ausgeschlos-sen. Man spricht bei uX auch von derStreuspannung. Der Haupt-Streuka-nal dient erstens der Kühlung, zwei-tens der Isolierung und drittens ebender Einhaltung der so genanntenStreureaktanz, also im Endeffekt ei-

ner definierten Kurzschlussspannung.Nun addieren sich aber der induk-

tive Spannungsfall uX und der ohm-sche Fall uR quadratisch zum Gesamt-Spannungsfall uK wie die Katheten ineinem rechtwinkligen Dreieck zurHypotenuse. Dabei, wie gesagt, ist uR

segensreicherweise meist der kleinereTeil, umso kleiner, je grösser der Tra-fo. Rechnen Sie nach: Wenn ein sol-cher Transformator in der Grössen-klasse um 630 kVA bei Nennlast einenWirkungsgrad von 98,5% hat, dannkann der ohmsche Spannungsfall anbeiden Wicklungen zusammen höchs-

tenfalls 1,5% der Nennspannung be-tragen. Praktisch ist es weniger, bei-spielsweise nur 1%, weil in diesen1,5% nicht nur ohmsche Verluste derWicklungen enthalten sind. UnseruK=6% besteht also aus uR=1% unduX=5,91% der Nennspannung.

Ohmsche LastDie Nennleistung eines Transforma-tors bezieht sich aber stets auf ohm-sche Last. Somit addiert sich nur derohmsche Widerstand der Wicklung li-near zur (Nenn-)Last, der induktiveWiderstand der Streuinduktivität aberwiederum quadratisch. Also addiertsich zum Widerstand der Last nur 1%aus dem Wicklungswiderstand direkt,und die restlichen 5,91% haben wie-derum nur denkbar wenig Einflussauf den Gesamt-Spannungsfall vonTrafo und Last. Wie viel, das wollenwir jetzt heraus bekommen.

Zur Veranschaulichung des Be-triebsverhaltens dient das Ersatz-schaltbild des Transformators (Bild21). Darin wird so getan, als hättenEingangs- und Ausgangswicklung glei-

Betriebsverhaltenvon Verteiltransformatoren

Einige Parameter eines Transformators, die dieser an sich zwangsläufig mit in das Netzeinbringt, sind aber nichtsdestoweniger in bestimmtem Masse für den Netzbetrieb er-wünscht, wenn nicht notwendig. Nachfolgend wird beschrieben, wie man bei Herstel-lung und Auswahl eines Verteiltransformators das optimale Mass trifft.

Bild 20 Der bei der Endprüfung gemessene Wertder Kurzschlussspannung wird stets auf dem Lei-stungsschild angegeben.


che Windungszahlen. Da dies norma-lerweise nicht wirklich der Fall ist,werden die Werte einer Seite über dasVerhältnis der Windungszahlen aufdie andere Seite umgerechnet. So wirddas Verhalten aus Sicht der jeweiligenSeite berechenbar. Geht es nur umden Betrag des Spannungsfalls beiNennlast, so gilt vereinfacht:

wobeiU2 Sekundärspannung,

auf Sekundärseite bezo-gene Primärspannung, dieman mit sehr guter Nähe-rung auch mit der sekun-dären LeerlaufspannungU20 gleichsetzen könnte,

auf Sekundärseite bezo-zogener Widerstand derPrimärwicklung,

RCu2 Widerstand der Sekundär-wicklung,

auf Sekundärseite bezoge-ne Streureaktanz der Pri-märwicklung,

X2� Streureaktanz der Sekun-därwicklung,

n1 Primär-Windungszahl,

n2 Sekundär-Windungszahl.

Darin stehen ILast und RLast natürlich inBeziehung zueinander:

und lassen sich also nicht unabhängigvoneinander ändern.

Dabei blieben die GrössenRFe EisenwiderstandXH Hauptreaktanzunberücksichtigt. Die Werte sind nor-malerweise (ausser bei Kleintransfor-matoren) so gross, dass die durch die-se Elemente fliessenden Ströme zu-mindest für die Auswirkungen desTrafos auf die angeschlossenen Lasten(nicht für seine inneren Verluste;mehr dazu in der nächsten Folge)ohne Bedeutung sind. XH ist die Reak-

tanz im Leerlauf (hier auch auf Se-kundärspannung bezogen, als würdeder Trafo von der Ausgangsseite hererregt, was prinzipiell vorkommenkann, z.B. bei der Messung für Bild22). Da der Leerlaufstrom eines gutenVerteiltransformators nur 0,5% desNennstroms beträgt (Bild 22) und zumehr als der Hälfte aus dem Magneti-sierungsstrom besteht, heisst dies um-gekehrt, dass XH als Hauptursache desLeerlaufstroms dem Betrag nach min-destens 200 Mal so gross sein musswie die Lastimpedanz. RFe ist ein fikti-ver Widerstand, der die Eisenverlusterepräsentiert, und ist in der Regel (beigutem Eisen) dem Betrage nach nocherheblich grösser als XH. Somit ist dieParallelimpedanz dieser beiden Ele-mente, die das Leerlaufverhalten be-stimmen, deutlich über 100 Mal sohoch wie die Lastimpedanz. Die Kurz-schlussimpedanz, also die effektiveSumme aus X1�’, X2�, RCu1’ und RCu2,die in Reihe zur Last liegt, ist dagegenper Definition bei 6% Kurzschluss-spannung nur 0,06-mal so gross wiedie Lastimpedanz. Die Kurzschluss-impedanz ist also um mehr als100/0,06, also sagen wir fast 2000-malkleiner als die Parallelimpedanz ausRFe und XH. Daher können die durchRFe und XH fliessenden Ströme für das

Verhalten des Transformators gegenü-ber der Last, erst recht für das Verhal-ten im Kurzschluss, vernachlässigtwerden, und die Streureaktanz lässtsich vereinfacht schreiben als:

X�=X1�’+X2� ≈ 2X2�.

Entsprechend gilt vereinfacht für dieohmschen Anteile der Kurzschlussim-pedanz:

RK=R1’+R2 ≈ 2R2.

Damit lässt sich das Verhalten rechtbequem und hinreichend genau be-rechnen. Zwar gibt Bild 21 die erheb-liche Unlinearität des Eisens und diedamit, wie in Bild 22 zu sehen war, inder Praxis stark verzerrte Kurvenformdes Magnetisierungsstroms nicht wie-der, doch da der Magnetisierungs-strom effektiv nur so gering ist, ist dasErsatzschaltbild praxistauglich. Ja, derMagnetisierungsstrom kann im Ver-gleich zum Nennstrom meist ganz ver-nachlässigt werden, wie oben gesche-hen.

Dann stellen sich die Spannungsfäl-le am belasteten Transformator so darwie in Bild 23 gezeigt. Das Zeigerdia-gramm ist wie eine Stroboskop-Auf-nahme zu verstehen. Die einzelnenSpannungen lassen sich als Vektorendarstellen, die um den Nullpunkt (un-ten) kreisen, analog zur Erzeugung

RCu1'U1'

X1�'RFe Xh

X2� RCu2

U2 Last

Bild 21 Allgemein gültiges einphasiges Ersatzschalt-bild des Zweiwicklungs-Transformators.

Bild 22 Leerlaufströme eines hochwertigenSchweizer Verteiltransformators 630 kVA, hier vonder Unterspannungsseite her (400 V) erregt. DieStröme sind also relativ zum Nenn-Ausgangsstrom(909 A) zu sehen!

Bild 23 Vektorielle Aufteilung der Spannungsfälleam Transformator mit Nennlast (ohmsch).

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der Wechselspannung in rotierendenMaschinen. Die Eingangsspannung(grün) dient als Referenz und wird im-mer im positiven Spannungsscheitel,also in senkrechter Lage des Span-nungspfeils, belichtet. Die vektorielleSumme aller Spannungsfälle mussstets gleich der anliegenden Span-nung sein, also muss die Aneinander-reihung der Spannungsfallpfeile,wenn sie von derselben Stelle ausge-hen, auch an derselben Stelle ankom-men wie der grüne Vektor der trei-benden Spannung. Dann erkenntman: Am Ausgang dieses Transforma-tors mit uK = 6% und uR = 1% stellensich dem Betrage nach bei Nennlast

noch beinahe 99% der Leerlaufspan-nung ein und nicht etwa nur 94%. Nurdie Phasenlage ist am Ausgang etwasanders als am Eingang, doch das istder Last egal.

Die Spannungsfälle innerhalb desTrafos (das so genannte KappscheDreieck) sind in der Darstellung kaumerkennbar. Vor allem der ohmscheAnteil versinkt in der Unscheinbarkeit– zum Glück, denn er repräsentiertohmschen Verlust. Wenn man dieseSpannungsfälle sichtbar machen will,muss man sie einzeln, ohne die Ein-gangs- und Ausgangsspannung, ver-grössert herauszeichnen (Bild 24).

Induktive LastAnders sieht die Sache bei induktiverLast aus. Diese addiert sich linear, alsovoll, zum induktiven Fall im Trafo undquadratisch zu dem viel kleinerenohmschen Anteil. Die Berechnung derAusgangsspannung sieht nun im Ge-gensatz zur ohmschen Last wie folgtaus:

oder mit der getroffenen Vereinfa-chung:

Bei Nennstrom (zumindest dem Be-trage nach, denn die Nennlast ist defi-nitionsgemäss, wie gesagt, eine ohm-sche Last) bricht die Ausgangsspan-nung daher tatsächlich um fast 6% ein(Bild 25). Dies bietet die Möglichkeit,durch Blindstrom-Kompensation par-allel zur Last den Transformator zuentlasten, denn das ist gewöhnlich derSinn der Kompensation. Es mindertden Kupferverlust, vor allem aber denSpannungsfall, da dieser vorwiegendinduktiver Natur ist. Bei wechselnderinduktiver Last muss die Kompensa-tions-Anlage geregelt ausgeführt wer-den. Je schneller die Last wechselt,desto schneller muss der Regler arbei-ten können. Mit solchen Anlagen las-sen sich Flickerstörungen vermeiden,wie sie von schnell wechselnden,stark induktiven Lasten verursachtwerden, etwa von Punktschweissma-schinen und von häufig geschaltetenDrehstrom-Asynchronmotoren (ohneStromrichter). Wer einmal neben ei-nem Baukran (ohne solche Kompen-sations-Anlage) gewohnt hat, weiss,wovon hier die Rede ist.6 Mittlerweilestehen auch mobile Einheiten gegensolche »mobilen Störer« zur Verfü-gung.7

Auf diese Art lässt sich auch fest-stellen, ob der Spannungsfall an derheimischen Steckdose stärker von derStreuinduktivität des Verteil-Transfor-mators oder stärker vom ohmschenWiderstand der Leitungen her rührt:Ein Heizlüfter mit 9 A Strom-Aufnah-me lässt beim Betrieb die Spannungan einer bestimmten Steckdose von230,7 V auf 226,3 V fallen. Wird einegrosse induktive Last angeschlossen,die gut den vierfachen Strom auf-nimmt (Bild 27), so ist der Span-

Bild 24 Darstellung der Spannungsfälle im Transfor-mator allein, gegenüber der Wirklichkeit etwa umden Faktor 10 vergrössert dargestellt.

Bild 25 Induktive Belastung

Bild 26 Kapazitive Belastung

6 Fassbinder, Stefan: Netzstörungen durchpassive und aktive Bauelemente, VDE Ver-lag, Berlin / Offenbach 2002, S. 188.

7 Bolliger, R.: Wenn die Lichter flackern. ETSchweizer Zeitschrift für angewandteElektrotechnik 11/2003, S. 26.

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25 26


nungsfall auch nicht grösser. Darausdarf gemäss den im letzten Abschnitt«Ohmsche Last» dargestellten Zeiger-diagrammen geschlossen werden,dass der ohmsche Widerstand dendeutlich grösseren Anteil hat – jeden-falls bei dieser Leitung und diesemTrafo. Vorsicht jedoch bei diesem Ver-such: Er stellt eine erhebliche Überla-stung dar und muss daher auf kurzeZeit gegrenzt werden, sonst löst der16-A-Leitungsschutzschalter aus, undder ist normalerweise für einen Lei-stungsfaktor-Bereich von 1 bis 0,6 aus-gewiesen. Zum Abschalten einer prak-tisch rein induktiven Last ist er nichtnotwendigerweise geeignet.

Kapazitive Last:Mit Vorsicht zu geniessen!Aber richtig interessant wird es erstbei kapazitiver Belastung. Prinzipiellstellt das den schon erwähnten Fallder Erregung von der Ausgangsseitedar, also eine Kompensation der in-duktiven Magnetisierungs-Blindleis-

tung durch die kapazitive Last. Wenndie Last so gering ist, dass es geradeeben zum Kompensieren reicht, wirderst einmal nur der Trafo erregt, aberdas ist normal und muss so sein, vonwelcher Wicklung her auch immer.Mit zunehmender kapazitiver Last al-lerdings besteht auch für die Nutzerzunehmend Anlass zur Erregung,denn der Laststrom verursacht an derStreureaktanz einen um 90° voreilen-den und an der kapazitiven Last einenum 90° nacheilenden Spannungsfall.Mit anderen Worten: Diese beidenSpannungsfälle haben entgegen ge-setzte Vorzeichen und subtrahierensich voneinander statt sich zu addie-ren. Bei 100% Eingangsspannung ha-ben wir also knapp 6% Spannungsfallan den Streureaktanzen und folglichfast 106% der Leerlaufspannung ander Last – Überspannung also am Aus-gang bei vollem Laststrom trotz Nenn-spannung am Eingang (Bild 26).

Da die Last, genauer gesagt ihre Im-pedanz, als konstant angenommenwerden muss, erhöht sich der Stromentsprechend der höheren Spannungund erzeugt wieder mehr Spannungs-fall im Trafo und also noch mehr Span-nung am Ausgang. Am Ende pendeltsich die Spannung bei etwas über106% statt knapp unter 106% ein, sogeschehen, als ein Mittelspannungs-Kunde eines EVU auf der Mittelspan-nungsseite eine Kompensations-Anla-ge von 1400 kVAr angeschlossen ha-ben wollte, denn dort wurde auch ge-messen und gezählt. Es erwies sichaber als billiger, eine Niederspan-nungs-Anlage zu kaufen und übereinen 1600-kVA-Transformator anzu-schliessen. Billiger – nicht etwa ko-stengünstiger, um dies bei dieser Ge-legenheit am Rande zu erwähnen,

denn diese Methode erspart nur denMehrpreis, den das EVU sonst für dieBlindleistung in Rechnung gestellthätte. Warum aber stellt das EVU denBlindstrom in Rechnung? Weil er dasNetz belastet und Verluste verursacht.Das tut er in der Kunden-Anlage ge-nau so, und daran ändert sich garnichts, wenn man zentral eine einzigegrosse Kompensations-Anlage errich-tet und nicht dezentral viele kleine.Das gehört aber zum Thema Kompen-sation und nicht zu Transformatoren.

Beim Probelauf besagter Anlagestieg dann auch gleich die Strang-spannung von 230 V auf 255 V an,denn dieser Transformator war mitdieser kapazitiven Last nahezu ausge-lastet. Im vorliegenden Fall konntedas Problem gelöst werden, indem derTransformator eingangsseitig auf22 kV umgeklemmt wurde, obwohlnur 20 kV anstanden. So konnte dieAusgangsspannung wieder ungefährauf den Nennwert gesenkt werden. Sound nur so konnte Über-Erregung desTransformators vermieden werden,denn der Erregerstrom kommt in die-sem Fall von der Ausgangsseite her!Dies ist hier ausnahmsweise die Refe-renzseite.

Bei starker Überlastung jedoch setztirgendwann eine Eskalation ein.Strom-Überlast erzeugt Spannungs-Überlastung sowohl der Last als auchdes Transformators, Überspannung ander Last erzeugt weitere Strom-Über-last und so fort. Die Zusammenschal-tung aus Streureaktanz und kapaziti-ver Last bildet einen Schwingkreis.Dieser hat eine bestimmte Resonanz-frequenz f0, die sich nach

Bild 27 Grosse induktive Last an einer Haus-steckdose.

Bild 28 Der Ausgangsstrom eines Transformatorsmit uR = 1% und uK = 6%, also IK ≈ 16,7 · IN,steigt bei 16,7-facher kapazitiver Überlasttheoretisch auf 100 · IN!

Bild 29 Derjenige Ausschnitt aus Bild 28mit den tatsächlich in der Praxis vorkommendenStromwerten.

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berechnet. Bei dieser Frequenz sinddie induktive Streureaktanz und diekapazitive Reaktanz der Last dem Be-trage nach gleich gross mit umge-kehrten Vorzeichen, heben sich alsogegenseitig auf. Bei Nennstrom istdies zwar nicht der Fall, sondern, umbei unserem Beispiel-Transformatormit uK=6% zu bleiben, dort ist die Re-aktanz der Last noch etwa 16-mal sogross wie die innere Reaktanz des Tra-fos. Die Resonanzfrequenz liegt dannalso bei

Wenn in dieser Gegend aber eineRundsteuerfrequenz liegt, werden dieRundsteuersignale durch den Reihen-saugkreis aus der Streureaktanz desTransformators und der kapazitivenLast kurzgeschlossen und gehen soverloren, erreichen also die Nieder-spannungsebene gar nicht mehr. Beieinem Trafo mit uK = 4%verschiebtsich der kritische Punkt nach 224 Hz.Wäre die kapazitive Last veränderlich,etwa durch einen Blindleistungsreg-ler, würde sich auch dieser kritischePunkt ziemlich unkontrollierbar ver-ändern.

Belastet man den Transformatornun mit 16-facher kapazitiver Über-last, rutscht die Resonanzfrequenzherab auf 50 Hz. In diesem Punkt wür-de die induktive Streureaktanz vonder kapazitiven Lastreaktanz kom-pensiert und der Strom nur nochdurch den Wicklungswiderstand be-grenzt, und er stiege daher fast aufden 6-fachen Kurzschlussstrom bzw.100-fachen Nennstrom! In Bild 28 wirdder tatsächliche Strom über dem Be-trag des Leitwerts G der Last als Ver-hältnis zum Nenn-Leitwert

aufgetragen, abhängig vom Phasen-winkel der Last. Bei

ist die Impedanz der Last gleich der in-neren Impedanz des Transformators.Das bedeutet aber keinesfalls immer,dass hier die Ausgangsspannung derhalben Leerlaufspannung entspricht.Bei Weitem nicht, sonst hätten wir die

Rechnung ohne den Phasenwinkel ge-macht. Erst im Unendlichen, was demKurzschluss entspricht, treffen sichdie Kurven der ohmschen, der induk-tiven und der kapazitiven Last wieder.

Zum Glück kommt eine solch gros-se kapazitive Last in der Praxis nichtvor. Das Gedanken-Experiment zeigtaber, wie rasant die Entwicklung beizunehmender kapazitiver Last in die-se Richtung geht. Betrachtet man denfür reale Betriebsströme in Frage kom-menden Bereich vergrössert (Bild 29),so bestätigt sich das Gesagte: Bei(ohmscher) Nennlast stehen an denKlemmen noch 99% der Leerlauf-spannung an, bei gleich grosser in-duktiver Last nur 94% und bei gleichgrosser kapazitiver Last etwa 107%.Bei kapazitiver Last ist also Vorsichtgeboten.

Eine momentane Überlastung einesTransformators mit kapazitiver Lastkommt allerdings sehr wohl vor undwird mitunter ganz bewusst einge-setzt, um die Spannungs-Einbrücheund die daraus entstehenden Flicker-störungen ohmscher und ohmsch-in-duktiver Impulslasten zu eliminieren.Die entsprechende Kapazität wirdzeitgleich mit der kritischen Last anden Trafo geschaltet, und die sichergebende Spannungs-Überhöhungkompensiert den Spannungs-Ein-bruch, den die kritische Last alleinverursacht hätte. Bei der Dimensio-nierung solcher Anlagen ist jedocherst recht Vorsicht geboten. Obwohlder Spannungs-Einbruch durch Hin-zuschalten der kapazitiven Last zurohmschen, z.B. einer Punktschweiss-maschine, verschwindet, ist der Ge-samt-Laststrom doch grösser, belastetalso den Transformator stärker als diestörende Last allein. Nur wenn derFlicker von einer induktiven Lastherrührt, wie etwa bei genanntemBaukran, ist es umgekehrt. Hier bietetdie Kompensation wirklich eine Ent-lastung des Transformators. In beidenFällen empfiehlt sich eine gemeinsa-me Ansteuerung der Last und der Ent-stör-Kompensation, um sie einmal sozu nennen, damit sie agiert statt rea-giert und jegliche Reaktionszeit ent-fällt.

SchaltgruppenVerteiltransformatoren sind norma-lerweise nach Schaltgruppe Dyn5 auf-gebaut. Das bedeutet: Die Oberspan-

nungswicklung ist im Dreieck und dieUnterspannungswicklung ist im Sternverschaltet. Der Sternpunkt ist ausge-führt (als Anschluss für den Neutral-leiter). Eingangs- und Ausgangsspan-nung haben eine Phasenverschiebungvon 150° gegeneinander, das sind5·30°. Eine Phasenverschiebung istprinzipiell nur in 30°-Schritten mög-lich, daher die Kennzahl 5 für 150°.Zumindest ist dies so, solange mansich auf Zickzack-Schaltungen be-schränkt, bei denen der im Dreieckund der im Stern verschaltete Teil derbetreffenden Wicklung gleiche Span-nungen haben. In der Vergangenheitmachten andere Verhältnisse keinenSinn, daher diese Art der Klassifizie-rung. Heute werden für Spezi-alzwecke durch ein Spannungs-Ver-hältnis von 1:3 auch 15°-Schritte er-zeugt, ohne dass diese Varianten je-doch z.B. «Schaltgruppe 41/2» genanntwürden. Sie dienen zur Herstellungvon mehr als 12-pulsigen Gleichrich-terschaltungen, wie sie zur Verminde-rung der Oberschwingungs-Emissionin Elektrolyse-Anlagen und sehr gros-sen Umrichter-Antrieben eingesetztwerden.

Ein Transformator, der beiderseitigim Stern verschaltet ist, ob nun mitausgeführten Sternpunkten (YNyn)oder ohne (Yy), wird also in derPraxis nur als Gruppe Y(N)y(n)0 oderY(N)y(n)6 auftreten, denn hierbei be-steht nur eine einzige Möglichkeit derVariation: Man kann auf der einenoder anderen Seite entweder die dreiWicklungsanfänge zum Sternpunktverbinden und die Enden als Aussen-leiter-Anschlüsse ausführen oder um-gekehrt, also jede einzelne Spule um-polen.

Die einzige? Nein. Man könnte auchdie Aussenleiter umetikettieren undbeispielsweise den eingangsseitigenLeiter L1 zum ausgangsseitigen LeiterL2 oder L3 definieren. So entstündeetwas, das man entweder als Schalt-gruppe Y(N)y(n)4 bzw. Y(N)y(n)8oder aber als Fehler bezeichnen könn-te. Elektrofachleute werden wohl eherzur zweiten Möglichkeit neigen – so-fern der «Fehler» überhaupt bemerktwird. Warum sollte er? Erst wenn ver-sucht wird, einen korrekt und einenfalsch verschalteten Transformatorausgangsseitig parallel zu schalten,fällt der Fehler auf und die Anlage aus– aber richtig. Und zur vorsätzlichen


Erzeugung dieser «Schaltgruppen» be-steht gewöhnlich kein Anlass.

Manche Elektrofachleute bezeich-nen den ausgeführten Sternpunktauch als PEN-Anschluss. Das ist aller-dings falsch! Der sorgsam isoliert auseinem Ölkessel herausgeführte Stern-punkt ist niemals, wie manchmal an-genommen wird, innen mit dem Kes-sel verbunden. Als Kundenwunschwäre das zwar denkbar, doch wäredies heute mehr denn je ein sonder-barer Sonderwunsch eines sonderba-ren Kunden. Der Einsatz dieses Trans-formators wäre beispielsweise beimnormgemässen,8 viel wichtiger nochzeitgemässen Aufbau eines mehrfachgespeisten Netzes bereits nicht mehrmöglich.

Prinzipiell kämen auch Transforma-toren einiger anderer Schaltgruppenzur Einspeisung in öffentliche Nieder-spannungsnetze in Betracht, doch diesind etwas teurer und brachten bisherkeinen Vorteil gegenüber der Stan-dard-Schaltgruppe Dyn5. Bisher nicht.Inzwischen sieht die elektrotechni-sche Landschaft etwas anders aus. Daswird später unter «Besondere Belas-tungen und besondere Lösungen» abSeite 42 ein Thema sein.

Da die Mittelspannungsnetze ge-wöhnlich keinen Mittelpunktsleiterhaben, kommt auf der Oberspan-nungsseite nur die Dreieckwicklungin Frage. Zwar könnte man die Wick-lungen auch im Stern verschalten, zu-mal die an einer Spule anliegendeSpannung dann um den Faktor √3kleiner und entsprechend leichter zubeherrschen wäre. Aus eben diesem

Grund werden alle Netzkuppler(Transformatoren zwischen Höchst-und Hochspannungsnetzen) in denGruppen YNyn0 verschaltet, doch ha-ben diese Netze auch stets einen Mit-telpunktsleiter, und sei es nur, indemdie Sternpunkte beider Seiten geerdetsind. Mittelspannungsnetze haben inder Regel keinen Mittelleiter, undwenn man ausgangsseitig einen be-lastbaren Sternpunkt haben möchte,um zwei verschiedene Wechselspan-nungen abgreifen zu können, dannwird bei einphasiger Belastung nureine Unterspannungsspule von Stromdurchflossen und erzeugt dort – nurauf diesem Schenkel – einen entspre-chenden magnetischen Fluss. Dermuss durch einen entsprechendenGegenfluss der entsprechenden – undnur dieser – Oberspannungsspulekompensiert werden, denn das ist dasPrinzip des Transformators. Dies istaber nur möglich, wenn beide Endender Eingangswicklung direkt an derEingangsspannung liegen, was wie-derum nur bei Dreieckwicklung oderangeschlossenem Sternpunkt der Fallist. Man könnte näherungsweise dieDreieckschaltung mit einer Parallel-schaltung und die Sternschaltungohne Sternpunkt-Anschluss mit einerReihenschaltung vergleichen, wie diesdas abgewandelte Ersatzschaltbild inBild 30 zeigt.

Dann liegt also im vorliegenden Fallwegen des offenen Sternpunkts amEingang und der einphasigen Belas-tung am Ausgang eine Art Reihen-schaltung einer belasteten mit einerunbelasteten Spule vor, und die unbe-lastete liegt als Drossel mit der sehrhohen Hauptreaktanz Xh dem Last-strom im Weg. Folglich fällt an dieserSpule fast die gesamte Spannung der

Quasi-Reihenschaltung ab, wodurchder Kern übererregt wird und in diemagnetische Sättigung gerät. Eisen-und Streuverluste steigen exorbitantan. Die Hauptreaktanz nimmt ab, je-doch nicht so viel, dass sie nicht dochnoch eine erhebliche Verschiebungder Spannungen bewirken würde. DieSpannung an der Last bricht auf einenBruchteil der Nennspannung zusam-men, während an der unbelastetenAusgangswicklung eine beträchtlicheÜberspannung entsteht. Ist dieseWicklung nun nicht gänzlich unbelas-tet, sondern speist eine relativ gering-fügige Last, so bekommt diese es mitandauernder, beinahe √3-facher Über-spannung zu tun. Zerstörung der Lastund Brandschaden drohen. Dahersind die Schaltgruppen Yyn0 undYyn6 generell nicht einsetzbar, wennder einzige ausgeführte Sternpunkt,derjenige auf der Ausgangsseite, auchbelastet werden soll. Deswegen wer-den die Eingangswicklungen von Ver-teiltransformatoren zumeist im Drei-eck verschaltet.

Es sei denn, man hat ein TT-Netzvon jener Art vorliegen, wie man es inBelgien noch häufig antrifft. Diesewerden von einem Transformator ge-speist, der zwar in der üblichen Schalt-gruppe Dyn5 verschaltet ist, bei demdie Spannung am Ausgang aber nur133/230 V beträgt. Hier liessen sichalso ebenso gut die SchaltgruppenYyn0 oder Yyn6 einsetzen, denn derunterspannungsseitige Sternpunkt istzwar ausgeführt, aber nicht ange-schlossen, wird also nicht belastet,sondern dient lediglich zu Mess- undPrüfzwecken wie Erdschluss-Überwa-chung. Die Spannung an der Wechsel-strom-Steckdose ist diejenige zwi-schen zwei Aussenleitern, und sofliesst der Steckdosenstrom, der beiuns ein Einphasenstrom wäre, alsZweiphasenstrom nacheinander durchzwei Unterspannungsspulen und for-dert einen entsprechenden Stromdurch die beiden Oberspannungsspu-len der betreffenden Schenkel. Demsteht auch bei oberspannungsseitigerSternschaltung ohne Sternpunkt-An-schluss nichts im Wege. Bei einphasi-ger Belastung am Ausgang hingegenmüsste der Strom der Oberspan-nungswicklung nach der belastetennoch eine unbelastete Spule durch-fliessen, und die wirkt dann in der be-schriebenen Weise als Drossel. Dies

8 Vgl. Berichtigung zu EN 50174-2 (VDE0800 Teil 174-2) vom Januar 2002 für dieAusgabe September 2001.

RCu1'

U1'

X1�'RFe Xh

X2� RCu2

RFe Xh

Last

RCu1' X1�' X2� RCu2

Bild 30 Ungefähr somuss man sich dieeinphasige Belastungeines Yyn-Transformatorsvorstellen: Die Last-Impedanz ist sehr vielkleiner als Xh und RFeund damit die Gesamt-Impedanz des oberenKreises weit geringer alsdie des unteren.


muss berücksichtigt werden, wennman etwa den unterspannungsseiti-gen Sternpunkt erdet und meint, sodie Fehlerschleifen-Impedanz nen-nenswert herabsetzen zu können, dieim TT-System durch den Erdwider-stand ohnehin schon viel höher als injeder Form des TN-Systems ist. Diehohe Schieflast-Impedanz des Trans-formators verhindert eine spürbareReduktion.

Ein Spannungsprüfer leuchtet beiBerührung jedes aktiven Leiters einerWechselstrom-Steckdose, wenn auchschwach, da die Spannung eines jedenaktiven Leiters gegen Erde nur ≈133 Vbeträgt. Anderenfalls liegt ein Erd-schluss vor, der im TT-System selten,im IT-System nie zum Abschalten desLeitungsschutzes führt und daherohne geeignete Überwachung leichtüber lange Zeit unentdeckt bleibenkann. Der Stromkreis für den Span-nungsprüfer schliesst sich im IT-System lediglich über die parasitä-ren Koppelkapazitäten. Eine Allge-brauchs-Glühlampe würde in einemintakten Netz schon nicht mehr leuch-ten. Im TT-System würde es dafür –und für einen gefährlichen Körper-strom – aber noch reichen, zum Ab-schalten eines Überstrom-Schutzor-gans jedoch meist nicht. Das ist dasbekannte Problem des TT-Systems,das durch eine solche «belgische» Spei-sung noch ein wenig verschärft wür-de, wobei je nach Ausdehnung und Al-ter des Netzes sowie den möglichenkapazitiven Ableitströmen vor allemmoderner Lasten ein gefährlicherKörperstrom auch im IT-System zuStande kommen kann und eine Feh-lerstrom-Schutzeinrichtung also inbeiden Fällen notwendig wird. Aus-serdem entfällt bei jeder der beidenVarianten die Möglichkeit zur Spei-sung von Wechsel- und Drehstromlas-ten für 400 V. Unsere Durchlauferhit-zer für dreiphasigen 400-V-Anschlussz.B. würden in Teilen Belgiens nichtfunktionieren (es sei denn, jemandwäre mit einem Drittel der Nennleis-tung zufrieden). Ein zum dreiphasi-gen Anschluss vorgesehener Elektro-herd funktioniert dagegen sehr wohl.Diese Geräte sind normalerweise fürderlei Netze vorgesehen und verfügenüber eine entsprechende Umklemm-vorrichtung am Klemmbrett, so dassin jedem Fall je 230 V an jeder der dreiGruppen von Lasten anliegen. Der

Herd benötigt nicht wirklich 400 V.Beim Durchlauferhitzer funktioniertdas nicht, weil die einzelnen Heizele-mente gewöhnlich für 400 V, also fürDreieckschaltung, ausgelegt sind.Zwar könnte man prinzipiell auchDurchlauferhitzer für 230/400 V Drei-eck/Stern konzipieren, doch ist esein Unterschied, ob man 7,5 kW An-schlussleistung für einen Herd oder27 kW für einen Durchlauferhitzer be-reitzustellen hat. Letzteres wird auf-wändig, wenn keine 400 V zur Verfü-gung stehen.

AbsicherungVerteiltransformatoren der öffentli-chen Versorgung sind ausgangsseitiggewöhnlich nicht abgesichert. DieEingangsseite ist mit HH-(Hochspan-nungs-Hochlast-)Sicherungen verse-hen. Diese dürfen jedoch im Bereichzwischen einfachem und dreifachemNennstrom nicht betrieben werden,sonst überhitzen sie sich, schaltenaber noch nicht ab. Ehe ein Zynikerden Einsatz solcher Elemente lächer-lich macht und meint, den Grunddafür gefunden zu haben, warum siesich Haha-Sicherungen nennen, müs-sen wir hierzu einiges klarstellen: Inder Tat stellt diese Art der Absiche-rung einen Schutz bei Kurzschluss dar,aber nicht vor Überlast. Das reicht je-doch aus, denn eine sinnvolle Netz-planung mit aus langjähriger Erfah-rung gewonnenen Parametern undunter Einbau reichlicher Reservenverhindert Überlastung hier zu Lande.So etwas kommt schlichtweg nichtvor. Anderen Ortes lebt man mit Über-last als Normalzustand. Transformato-ren sind derbe Gesellen und lassen al-lerhand mit sich machen, doch wasaus wirtschaftlicher Sicht hiervon zuhalten ist, wird noch zu beleuchtensein. Wichtig ist, gegen den Fall desKurzschlusses oder Lichtbogens amAusgang und den – wenn auch selte-nen – Fall eines inneren Fehlers abzu-sichern. Besonders Windungsschlüssein den Breitband-Unterspannungs-wicklungen führen zu sehenswertenSchadensbildern: Lichtbogen-Einwir-kung verdampft einen Teil des Ölsoder zersetzt es in gasförmige Be-standteile. Durch die Druckwelle be-kommt der Kessel dicke Backen. Ge-rade wie die Spulen im Kurzschlussfallstrebt er zur runden Form, die dasgrössere Volumen pro Oberfläche bie-

tet. In Grösse und Gestalt vom Russschwarz gesprenkelter Ostereier wirddas Leitermaterial als kupferne rotebzw. blass silberne Aluminiumtropfenspäter beim Auseinanderbauen in derBodenwanne gefunden. Die Wicklungund oft auch der Kessel sind Schrott,nur der Kern und Zubehör lassen sichnoch verwenden. Hätte dieser Fehlerauch nur einige Sekunden unabge-schaltet angestanden, so wäre derKessel geplatzt, das reichlich vor-handene Öl wäre ausgelaufen, hättesich entzündet und auch noch alsBrandbeschleuniger gewirkt. Auf Kurz-schlussschutz kann also nicht ver-zichtet werden, auf Schutz gegenÜberlast schon. Mit dem Einzug derElektronik wird heute allerdings viel-fach schon eine Fernüberwachung derÖltemperatur eingebaut. Die hilftnicht nur bei der Gefahren-Abwehr,sondern auch bei der Optimierung desNetzbetriebs, denn die Differenz zurUmgebungstemperatur lässt Rück-schlüsse auf die Auslastung des Trans-formators zu.

ParallelbetriebDas Parallelschalten von Transforma-toren ist prinzipiell möglich. Eine Vor-aussetzung ist banalerweise, dass dieNennspannungen der parallel zu be-treibenden Wicklungen gleich seinmüssen. Auch Umsteller oder Um-klemmvorrichtungen müssen auf diegleiche Stufe eingestellt sein. Ange-

Bild 31 Unterschiedliches Verhältnis des aktivenzum reaktiven Spannungsfall in einem grösserenTransformator von 630 kVA nach HD 428 Liste C(links) und in einem kleineren Transformator von50 kVA nach HD 428 Liste B (rechts).


nommen, zwei Transformatoren glei-cher Nennleistung, die jeweils übereine Umklemmvorrichtung im Be-reich ±5% der Nennspannung verfü-gen, sollten eingangs- und ausgangs-seitig parallel betrieben werden, dochder eine sei auf +5% und der andereauf –5% eingestellt. Einer habe eineKurzschlussspannung von uK =4%und der andere uK=6%. Dann liegendie beiden Kurzschluss-Impedanzenin Reihe zueinander, und die beidenTransformatoren sind also über eineImpedanz von insgesamt 4%+6%= 10% der (auf die Nennlast eines Tra-fos bezogenen) Last-Impedanz gekop-pelt. Die Differenz der parallel ge-schalteten Spannungen beträgt eben-falls 10% (der Nennspannung). Sowird derjenige Transformator, der imLeerlauf die um 10% höhere Span-nung aufwiese, einen Strom in Höhedes Nennstroms durch den anderentreiben, der diesen Strom wiederumauf die Eingangsseite zurück transfor-miert. Alle Wicklungen beider Trans-formatoren wären mit Nennstrom be-lastet, der eine vorwärts, der andererückwärts, und das ohne irgendwel-che elektrische Leistung abzugeben.Käme noch Belastung hinzu, so würdedie Spannung an den parallelen Aus-gangsklemmen noch etwas einbre-chen. Der rückspeisende Trafo würdedadurch etwas entlastet, doch der vor-wärts speisende würde überlastet.

Wird die ungleiche Einstellung derEingangsspannungen nun korrigiert,so ist die getroffene Annahme trotz-dem immer noch Frevel. Man darfnämlich keine Transformatoren un-terschiedlicher Kurzschlussspannun-gen ausgangsseitig parallel betreiben,selbst wenn alle Spannungen überein-stimmen, sonst passiert zwar im Leer-lauf nichts mehr, aber die Last verteiltsich immer noch ungleich. Nehmenwir an, unsere beiden Beispieltrafoslägen an derselben Spannungsquelleund seien auf gleiche Stufen ge-klemmt oder es würde sonst wie si-chergestellt, dass sich im Leerlauf anden Unterspannungsseiten beider Tra-fos nach Betrag und Phasenlage glei-che Klemmenspannungen einstellen.Die beiden Ausgangswicklungen wer-den nun parallel geschaltet und arbei-ten auf eine Last, die der Summe derNennleistungen beider Transformato-ren entspricht, so dass also eigentlichvolle Auslastung für jeden Trafo gege-

ben wäre – aber auch nicht mehr alsdas, wenn jeder seinen Teil über-nimmt. Das eben tun sie aber nicht.Derjenige mit 6% Kurzschlussspan-nung wird mit nur 4/5 seiner Nennlastbelastet, der mit 4% aber mit 6/5, also20% Überlast.

Und auch das stimmt schon wiedernur ungefähr. Auch die Grössen derTransformatoren (das Verhältnis derNennleistungen) spielt nämlich eineRolle. Als Faustregel geben Fachleutean, man solle keine Transformatoren(ausgangsseitig) parallel betreiben,deren Baugrössen sich um mehr alsim Verhältnis von 3:1 unterscheiden.Wie schon einmal kurz angedeutet,wird der ohmsche Spannungsfall ander Wicklung mit grösserer Baugrösseimmer kleiner. Bei einem kleinenTransformator steckt also in der Kurz-schlussspannung uK wesentlich mehruR und etwas weniger uX (Bild 31).Zum grösseren hin wird uR für dieseBetrachtung allmählich vernachläs-sigbar. Wie jedoch in den Betrachtun-gen zur ohmschen und induktivenLast ausgeführt, bricht die Spannungan einem Transformator unterschied-lich stark ein, je nach dem, ob erohmsch oder induktiv belastet wird(Bilder 23 bis 25). Hat der Spannungs-fall im Trafo selbst nur einen geringenohmschen Anteil, so bricht er bei in-duktiver Last stärker ein als bei ohm-scher und umgekehrt. So mögen zweiTransformatoren mit unterschiedli-chem Verhältnis uR/uX zwar exakt glei-che Leerlaufspannungen haben, dochunter Last unterscheiden sich dieSpannungen dennoch wieder etwas.Je nach Phasenwinkel der Last knicktentweder der eine oder der anderestärker ein. Parallelschaltung der Aus-

gangswicklungen bringt also – nichtim Leerlauf, aber unter Last – wiedereinen Ausgleichsstrom zum Fliessen.Dessen Richtung und Ausmass hängtab vom Phasenwinkel der Last, derschwer vorherzusagen ist, und sowäre bei Parallelschaltung eines gros-sen mit einem kleinen Transformatorein gewisser Sicherheitsfaktor einzu-setzen, der die Sache gleich wieder insAbsurde abgleiten lässt. Macht es dochohnehin keinen Sinn, einem Trafo vonz.B. 630 kVA noch einen kleinen As-sistenten von 63 kVA oder 100 kVAzur Seite zu stellen. So viel Reservesollte in jedem Fall vorhanden sein,und wenn nicht, so würde der Sicher-heitsfaktor gleich wieder eine Ver-grösserung des «Assistenten» auf z.B.250 kVA erfordern. Damit wäre aberdie 3:1-Bedingung wieder erfüllt undder Sicherheitsfaktor gar nicht mehrerforderlich. Hier beisst sich die Katzein den Schwanz.

Der wirtschaftlichste Betriebspunktstellt sich beim Transformator oh-nehin weit unterhalb der Nennlastein, anders als beim Elektromotor,also lieber gleich in der Planungspha-se reichlich Reserven vorsehen! Eslohnt sich doppelt und dreifach, in obi-gem Beispiel gleich einen Transfor-mator von 1000 kVA oder gar 1250 kVAeinzuplanen – oder aus Redundanz-gründen noch besser 2 Stück zu je630 kVA, von denen zur Not jeder dieLast allein tragen kann. Einmal lohntsich die Investition in beruhigende Re-serven durch die viel geringerenNachrüstkosten im Falle des Last-Zu-wachses, einmal durch geringere Ver-lustleistung und eventuell auch durchden geringeren Spannungsfall, dendie Parallelschaltung ebenso wie dergrössere Trafo bringen. Dies kann un-ter Umständen die optimale Lösungvon Flickerproblemen sein, die an derBasis ansetzt und nicht oben aufge-pfropft werden muss.9 Erkauft wird

Bedingungen für Parallelbetriebvon Transformatoren:

• Gleiche Spannungen der parallel zubetreibenden Wicklungen.

• Gleiche Nenn-Kurzschlussspannun-gen.

• Gleiche Schaltgruppen-Kennziffern.

• Gleiche Phasenlagen der speisendenNetze sicherstellen.

• Wenn eingangsseitig nicht parallel ge-fahren wird, müssen die Kurzschluss-leistungen der speisenden Netzeetwa gleich sein.

• Grössenverhältnis parallel zu betrei-bender Einheiten maximal 3:1.

9 Vgl. [1], S. 5110 Fender, Manfred: Vergleichende Unter-

suchungen der Netzrückwirkungen vonUmrichtern mit Zwischenkreis bei Be-achtung realer industrieller Anschluss-strukturen, Promotionsschrift, Wiesba-den 1997.

11 Fassbinder, Stefan: Erdkabel kontra Frei-leitung «de» 9/2001, gig S.9, enthaltenin DKI-Sonderdruck S.180 «Drehstrom,Gleichstrom, Supraleitung – Energie-Übertragung heute und morgen».


diese verbesserte Flickerfestigkeit desVersorgungssystems natürlich durcheine höhere Kurzschlussleistung, diesich bei der Parallelschaltung aufsum-miert und auch mit der grösseren Bau-grösse bei gleicher Nenn-Kurzschluss-spannung linear zunimmt. Das mussbei der Auslegung des angeschlosse-nen Verteilnetzes berücksichtigt wer-den – und der Begriff «Kurzschluss-leistung» muss mit Bedacht verwendetwerden. Definitionsgemäss wird zuderen Ermittlung die Leerlaufspan-nung einer Anlage mit dem Kurz-schlussstrom multipliziert. Die Be-triebszustände Leerlauf und Kurz-schluss schliessen sich aber gegensei-tig aus. Die Kurzschlussleistung istalso eine rein fiktive Rechengrösse,nichtsdestoweniger jedoch eine sinn-volle zum Abschätzen dessen, was imKurzschlussfall geschehen kann.

Banal ist auch eine weitere Bedin-gung für die Zulässigkeit des Parallel-betriebs, nämlich dass die Schaltgrup-pen-Kennziffern der parallel zu be-treibenden Einheiten gleich sein müs-sen. Nicht notwendigerweise dieSchaltgruppen, aber die Kennziffern.Sonst würde man Spannungen paral-lel schalten, die nicht phasengleichsind. Das bedarf an dieser Stelle kei-nes weiteren Kommentars. ZweiTransformatoren der SchaltgruppenDd0 und YNyn0 beispielsweise kön-nen aber sehr wohl parallel betriebenwerden. Nur wenn der Sternpunkt be-lastet wird, wird diese Last – etwa eineeinphasige oder eine nicht lineare –von nur einem Trafo getragen, dennder andere hat keinen Sternpunkt!Das muss berücksichtigt werden. Zu-dem beziehen sich die angegebenenKurzschlussspannungen auf symme-trische, lineare, dreiphasige Belas-tung, anderenfalls gelten ganz andereWerte, und diese Abweichungen wie-derum sind je nach Schaltgruppesehr verschieden!10 Spätestens hierwird die Sache unübersichtlich. Emp-fehlenswert ist es also auf keinen Fall,Transformatoren unterschiedlicherSchaltgruppen parallel zu betreiben,sondern allenfalls eine Notlösung.

Wenn hier von Parallelbetrieb dieRede ist, so ist normalerweise die Par-allelschaltung der Ausgangsseiten ge-meint, denn die Eingangsseiten arbei-ten meist auf irgendeine direkte oderentfernte Art ohnehin parallel. Es sindaber auch Fälle denkbar, in denen die

Speisung aus unterschiedlichen Mit-telspannungsnetzen erfolgt, die bei-spielsweise aus demselben Hochspan-nungsnetz, jedoch ihrerseits überHochspannungstransformatoren un-terschiedlicher Schaltgruppen-Kenn-ziffern gespeist werden, also verschie-dene Phasenlagen haben. Dann müs-sen die Summen der Schaltgruppen-Kennziffern des Hochspannungs- unddes nachgeschalteten Verteiltransfor-mators jeweils gleich sein, damit dieNiederspannungen an den Ausgangs-wicklungen gleiche Phasenlagen ha-ben.

Und auch das ist schon wieder nichtdie ganze Wahrheit. Die Schaltgrup-pen-Kennziffern sind nämlich nochnicht alles. Es gibt Kabelnetze, und esgibt Freileitungsnetze. Beim Erdkabelist die Querkapazität (Kapazitätsbe-lag)11 sehr gross und die Längsindukti-vität (Induktivitätsbelag) eher gering.Bei der Freileitung ist die Kapazität ge-ringer und die Induktivität grösser. Jenach Belastung ergeben sich hier-durch verschiedene Phasenverschie-bungen. Nehmen wir an, zwei aus-gangsseitig parallel zu betreibendeVerteiltransformatoren hätten gleicheNennleistungen, gleiche Schaltgrup-pen, gleiche Kurzschlussspannungen,gleiche Ausgangsspannungen und so-gar annähernd gleiche Kupferverlus-te, seien also zum Parallelbetrieb opti-mal geeignet. Einer werde über einrelativ langes Mittelspannungs-Erdka-bel gespeist und der andere über einerelativ lange Mittelspannungs-Freilei-tung. Die eingespeisten Spannungenmögen an den Leitungs-Anfängengleiche Phasenlagen haben, und dieImpedanzen der beiden Leitungenseien dem Betrage nach ähnlich gross,so dass eine nennenswerte Ungleich-Verteilung der gemeinsamen Lastnicht zu erwarten ist. Die Phasenlagender Spannungen an den Eingangssei-ten der beiden parallelen Verteiltrans-formatoren, also an den Enden derMittelspannungsleitungen, könnenaber unterschiedlich sein! Damit sindsie es auch an den Niederspannungs-Durchführungen, und werden die par-allel verbunden, fängt wieder einKreisstrom an zu fliessen, und die bei-den Trafos werden anscheinend imLeerlauf schon warm. Anscheinend,denn in Wirklichkeit laufen sie beidenicht leer, sondern schicken denStrom im Kreis herum, wobei es sich

um fast reine Blindleistung handelt –eben bis auf die ohmschen Verluste inden beiden beteiligten Transformato-ren und deren ober- und unterspan-nungsseitigen Zuleitungen bis zu denKuppelstellen.

Ausserdem stellt das Erdkabel fürden speisenden Hochspannungstrafoeine erhebliche kapazitive Last dar, sodass es zu der schon beschriebenenAnhebung der Ausgangsspannungkommen kann. Die Kapazität der Frei-leitung dagegen ist wahrscheinlichnicht wesentlich grösser als dass sie(zumindest bei voller Last) durch dieStreuinduktivität des gespeisten Ver-teiltrafos kompensiert wird. Also kön-nen sich die Spannungen sowohl nachBetrag wie auch nach Phasenlage un-terscheiden. Ob hierbei ein kritischesMass erreicht werden kann, ist in derPlanungsphase für alle theoretischmöglichen Belastungsfälle zu berech-nen, und das ist nicht so einfach, da soviele Parameter – nicht nur der Trans-formatoren, sondern auch der Netze –zu berücksichtigen sind.


Neue Normfür Transformatoren-Wirkungsgrade«Wären in der EU ausschliesslich En-ergiespar-Transformatoren im Ein-satz, würde dies heute auf Strompreis-basis 1999 zu jährlichen Einsparungenin der Grössenordnung von etwa 1,2Mrd. € führen.»13 Leider aber kommtauch bei neuen Produkten noch nichtimmer die – auf die Lebensdauer be-zogen – wirtschaftlichste Technik zumEinsatz, sondern die im Kaufpreis bil-ligste. Dies ist bei dem Produkt, umdas es hier geht, besonders bedauer-lich, weil diese «suboptimalen» Pro-dukte danach durchschnittlich 30 Jah-re im Einsatz bleiben und währenddessen, sobald weiterer technischerFortschritt eintritt, immer weiter hin-ter dieses Optimum zurückfallen. DieEU liess für ihr Gebiet mit Unterstüt-zung durch das European Copper In-stitute ECI, die KEMA,14 ein nieder-ländisches EVU, einen belgischenTransformatoren-Hersteller und einebritische Energie-Agentur in einerStudie allein für Verteiltransformato-ren ein jährliches Einsparpotenzialvon 22 TWh ausrechnen. Das ent-spricht trotz der ohnehin schon hohenWirkungsgrade von Transformatoren

einer vermiedenen Emission von 9Mio. Tonnen CO2 oder 4% der EU-Ziel-vorgabe von Kyoto.15

Oberflächlich betrachtet möchteman hier keinen nennenswertenHandlungsbedarf vermuten, denn dieWirkungsgrade von Verteiltransfor-matoren sind nicht nur, wie ebenerwähnt, sehr hoch, sondern auchgenormt. So muss man lediglich zurbesten Klasse CC’ im Harmonisie-rungsdokument 428 greifen und hatgleich den derzeit wirtschaftlichstenTransformator ausgewählt.

Hat man? Bedauerlicherweise nichtwirklich. Tatsächlich stellt es heutetechnisch keine besondere Herausfor-derung dar und würde sich auch öko-nomisch rechnen, zu den drei Katego-rien AA’ als schlechteste bis CC’ alsbis dahin beste noch ein verbessertesListenpaar DD’ anzufügen und ent-sprechende Transformatoren zu produ-zieren und einzusetzen. Solche Trans-formatoren werden in der Schweizlange schon standardmässig gebautund betrieben. Gleichzeitig wird inBelgien darauf hingewiesen, dass eingeräuschminimierter Transformatorzur Aufstellung in Wohngebieten kon-struktiv bedingt auch mit verminder-ten Verlusten daher kommt, und manversucht, die beiden Vorteile im Ver-bund zu vermarkten (Bild 32). Das HD428 wird deswegen demnächst durcheine Europanorm abgelöst, derenNummer noch nicht festliegt. Wasschon nahezu festliegt, sind die Werteund das neue Schema ihrer Klassifi-zierung. So ergeben sich zukünftigvier wesentliche Änderungen gegen-über dem bisherigen Schema:

• Unter weit gehender Beibehaltungder bisherigen Grenzwerte werdenbeim Lastverlust eine, beim Leerlauf-verlust sogar zwei noch bessere Klas-sen hinzugefügt.• Den Leerlaufverlusten werdengleichzeitig auch Grenzwerte für dieSchalldruckpegel zugeordnet.• Bei den Lastverlusten werden nunzwei Gruppen bis 24 kV und bis 36 kVOberspannung unterschieden. Beihöherer Spannung wird der Drahtdünner, seine Isolation ebenso wie dieLagen-Isolation und die End-Abstände(Schlagweiten) grösser. Das reduziertden Platz für Kupfer.• Die Reihenfolge der Klassen wirdumgekehrt, sodass die Klasse A stetsfür die beste Ausführung steht. Dieshat gegenüber dem alten System denNachteil, dass es nicht mehr nachoben offen ist. Während eine Erweite-rung nach oben in Zukunft vielleichtmöglich und erwünscht ist, kommteine Erweiterung nach unten wohlkaum jemals in Frage. Diese Ände-rung stellt jedoch eine Anpassung analle möglichen bereits bestehendenKlassifizierungsschemen dar, wie diefür Elektromotoren, für Haushalts-geräte und viele andere, die alle das Aam oberen Ende der Skala führen.Man hat sich deshalb vorbehalten, un-ter Beibehaltung des Schemas die Wer-te gegebenenfalls in Zukunft noch zuändern, sodass immer und für alleZeiten die Klasse A für die zur jeweili-gen Zeit beste verfügbare Technologiesteht, was auch etwas für sich hat.

12 Borer Edi: «Ersatz von Transformatoren-Veteranen macht sich bezahlt», BulletinSEV/VSE 4/1999, S. 31.

13 European Copper Institute: «The scopefor energy saving in the EU through the useof energy-efficient electricity distributiontransformers», Brüssel 1999.www.eurocopper.org

14 www.kema.nl15 «Verlustminimierte Trafos können EU

helfen», «etz» 9/2000.Bild 32 Bei der Geräuschminderung wird derbessere Wirkungsgrad gleich frei Haus mitgeliefert.

Wirkungsgradvon Verteiltransformatoren

«Ersatz von Transformatoren-Veteranen macht sich bezahlt», titelte die Verbandszeitungdes Schweizerischen Elektrotechnischen Vereins (Electrosuisse) und des VerbandsSchweizer Elektrizitätswerke (VSE)12 1999 und rechnete vor, dass es auch ganz ohneBemühung ökologischer Begründungen sehr wohl ökonomisch sinnvoll sein kann, alteTransformatoren ausser Dienst zu stellen, selbst wenn sie noch funktionstüchtig sind.So sehr haben sich inzwischen die Wirkungsgrade verbessert. Nachfolgend soll erläutertwerden, wie dies erreicht wurde und welche Bedeutung dies für Nutzer und Beschafferheute und künftig hat.


Nun kann man nach wie vor prin-zipiell jede Lastverluste-Liste (Tabel-le 3) mit jeder Leerlaufverluste-Liste(Tabellen 4 und 5) kombinieren. InAbhängigkeit von dieser Gewichtung,aber nicht nur hiervon, lässt sich einTransformator ganz allgemein mit vielLeiterwerkstoff und weniger Kern-werkstoff oder umgekehrt auslegen.Dies führt zu etwas unterschiedli-chem Betriebsverhalten, vor allemhinsichtlich der Verluste. Der Wir-kungsgrad kann bei 24% oder abererst bei 47% Auslastung sein Opti-mum aufweisen (Bild 33). Bei gleicherStromdichte verursacht mehr Leiter-material auch entsprechend mehrVerlust, den so genannten Lastverlust,auch Kupferverlust genannt. Eigent-lich müsste dieser «Trivialname» eher«Aluminiumverlust» lauten, denn imgleichen Querschnitt aus Aluminiumentsteht bei gleichem Strom 35%mehr Verlust. Das ist aber unüblich,was auf Kupfer als das historischeStandard-Material hinweist.

Bei gleicher Induktion, Frequenzund Eisenqualität hängt der Eisenver-lust nur von der Eisenmenge ab; ana-log der Kupferverlust bei gleicherStromdichte, grob gesagt, nur von derKupfermenge. Andererseits lässt sichder Eisenverlust senken, indem manauf denselben Kern mehr Windungenaufbringt und so die magnetischeFlussdichte (Induktion) senkt. DerKupferverlust lässt sich umgekehrtsenken, indem man eine höhere In-duktion zulässt und entsprechend we-niger Windungen aufbringt – aber diesgeht nur sehr in Grenzen, denn hoch-wertige Magnetwerkstoffe habenrecht scharfe Sättigungsknicke, undbei üblicher Auslegung arbeitenTransformatoren schon hart an dieserGrenze. Senkung des Kupferverlustsfunktioniert in erster Linie über Sen-kung der Stromdichte unter Beibehal-tung der Windungszahl und des Kern-querschnitts und lediglich einer Mo-difizierung des Kerns in der Art, dassdas Wickelfenster vergrössert wird,um für eine Wicklung aus dickeremDraht Platz zu schaffen.

Ein Transformator, der den grösstenTeil seines Lebens im Leerlauf odermit geringer Last betrieben wird, soll-te daher mit geringem Leerlaufver-lust, also weniger Eisen und mehrKupfer, ausgelegt sein. Zur Auslegungeines Transformators für permanente

≤24

3

4

5 Tabelle 3 Lastverluste genorm-ter Verteiltransformatoren.

Tabelle 4 Leerlaufverluste undLärmpegel genormter Verteil-transformatoren bis 24 kV undvon Giessharztransformatorenbis 12 kV.

Tabelle 5 Leerlaufverluste undLärmpegel genormter Verteil-transformatoren über 24 kVbis 36 kV.


Volllast (was nur bei Maschinentrafosin Kraftwerken und in einigen indu-striellen Einsatzfällen vorkommt) ent-sprechend den Einsatz von möglichstwenig Kupfer zu fordern, wäre etwasmissverständlich. Vielmehr sollte hierein möglichst grosser Eisenquer-schnitt gewählt werden, um die Win-dungszahl minimieren zu können. Einmaximierter Drahtquerschnitt aber istbei dieser Betriebsart umso wichtiger.

Die im Abschnitt zum Betriebsver-halten vorgeschlagene Aufteilung des1250-kVA-Transformators in zwei Ein-heiten zu je 630 kVA (Seite 16) bringtleider eine leichte Erhöhung sämtli-cher Verluste in allen Lastbereichenmit sich, ist aber aus den genanntenRedundanzgründen trotzdem emp-fehlenswert und wird deswegen häu-fig praktiziert. Andererseits bietet siedie Option, einen Transformator inSchwachlastzeiten abzuschalten. Da-durch können bei Schwachlast dieVerluste – auch gegenüber dem Ein-satz eines grösseren Transformators –gesenkt werden. Natürlich muss derTransformator beiderseitig vom Netzgetrennt werden, sonst bleibt ererregt, und der Leerlaufverlust fälltweiterhin an.

Kosten treiben durch Sparen am PreisDie Spulenkörper herkömmlicherKleintransformatoren und oft auchder hier betrachteten Baugrössen wer-den nämlich, wenn die geforderteLeistung gerade noch ein wenig unterder prinzipiellen Leistungsfähigkeitder gewählten Baugrösse liegt, nochnicht einmal voll gewickelt, gerade so,als müsse eine bestimmte Mindest-Er-wärmung unbedingt erreicht werden.

Im völligen Einklang hiermit hat sicheine Mentalität unter Produzentenwie Anwendern breit gemacht, die ei-nen Trafo höherer Isolierstoffklasseals den besseren ansieht. Physikali-sche Tatsache ist: Der Trafo mit derhöheren Temperaturklasse darf defi-nitionsgemäss heisser werden, unddas tut er in der Regel auch. Warumsonst sollte der Hersteller die teurerenIsolierstoffe einsetzen? Die Tempera-tur liegt höher, die Verluste liegenhöher, und der Trafo bringt ent-sprechend mehr Wärme in die Anlageein, in der er seinen Dienst verrichtet.Er ist allenfalls ein wenig kleiner, aberdas ist sein einziger Vorteil, und derwird oft genug schon dadurch mehrals aufgezehrt, dass man wegen derhöheren Temperatur mehr Abstandhalten und wegen der höheren Ver-lustleistung mehr Aufwand zur Wär-me-Abfuhr treiben muss. Der Span-nungsfall wird ebenfalls höher. DieFachwelt muss sich dringend verab-schieden von der Mentalität: «MeinTrafo ist besser als deiner, weil er heis-ser wird.» So kann man es nämlichauch formulieren; dann wird der Un-fug dieser Denkensart klarer. EineWerbeagentur, die früher einmal sehrerfolgreich Waschmittel vermarktethat, könnte ein solches Produkt etwamit dem Werbespruch anpreisen: «Daswird so heiss, heisser geht’s nicht!»Wenn der «Fortschritt» von Klasse H(180°C Dauer-Gebrauchstemperatur)auf Klasse C (220°C) dann auch nochgelingt, könnte man nachsetzen: «Daswird noch heisser!»

Wie ist es hierzu gekommen? In derRegel wird der Preisdruck als Grundangeführt, der nur die Beschaffungs-

preise berücksichtigt, aber keinerleiFolgekosten. Das hiesse, dem zuwiderhandelnde Anbieter müssten mittler-weile vom Markt verschwunden sein.Tatsache ist aber, dass es Transforma-toren-Hersteller gibt, die sich genaudie Philosophie auf die Fahnen ge-schrieben haben, Qualität anzubieten,auch wenn der Kunde zunächst nurauf Preise schielt, und diese Unter-nehmen können sehr wohl von ihremUmsatz leben. Man muss seinen Kun-den nur erklären, warum die Spu-lenkörper immer voll gewickelt sind,warum diese Transformatoren meistetwas, manchmal auch wesentlichteurer sind als scheinbar gleichwerti-ge Produkte des Wettbewerbs undwarum der billigste Trafo meist zurteuersten Gesamtanlage führt, und of-fenbar gelingt es oft genug, erfolg-reiche Überzeugungsarbeit zu leisten,um auch wirtschaftlich damit Erfolgzu erzielen.16

Ein Hersteller setzt schon ab einerBauleistung von etwa 1 kVA grund-sätzlich nur kornorientiertes Blechein. Möglicherweise hängt es damitzusammen, dass die Transformatoren– hier in jedem Sinne des Wortes Spar-transformatoren – zum Teil in einemanderen Geschäftsbereich des eige-nen Werkes in Energiesparanlageneingebaut werden17 ebenso wie spezi-elle Stromrichter-Zwischenkreisdros-seln desselben Unternehmens, zudenen gesagt wird: «In den letztenJahren erhöhten sich aus Kosten-und Platzgründen die Isolierstoffklas-sen bis zur Isolierstoffklasse H 180°C.Daraus ergeben sich viele Nachteile…»18, wie oben bereits beschrieben.Abgesehen davon, dass wieder einmalPreise mit Kosten verwechselt wur-den, denn es hätte sachlich korrekt«aus Preis- und Platzgründen» heissenmüssen, verdeutlicht dies die Firmen-philosophie, die hier nur lobend her-vorgehoben werden kann.

Bild 33 Je nach dem, obman Leerlauf- oder Last-verluste minimiert, ergibtsich ein unterschiedlichesBetriebsverhalten, wiehier beim Vergleich derKlassen A0DK und E0AKfür einen 1000-kVA-Transformator nach Tabel-le 3 und Tabelle 4.

16 www.riedel-trafobau.de,www.buerkle-schoeck.de

17 Decker, Christiane: «Energie sparen mitEMU» «de» 15-16/2000, S. 34, und Fass-binder, Stefan: «Sparen mit dem Spar-trafo», «de» 8/2000, S. 39, verfügbar alsSonderdruck s183 «Energie sparen mitSpartransformatoren» des DeutschenKupferinstituts, Düsseldorf.

18 Bürkle, Thomas: «Wassergekühlte Zwei-punkt-Zwischenkreisdrosseln», «etz» 22/2000, S. 18.


Ein BeispielNachfolgend soll am Beispiel einesEinphasen-Trockentransformators von40 kVA für den industriellen Einsatzdargestellt werden, wie sehr die Ver-luste je nach Auslegung variieren kön-nen und wie schnell sich der Aufpreisfür eine bessere Ausführung bezahltmacht, denn im industriellen Bereichbesteht dringenderer Handlungsbe-darf als beim Netz der öffentlichenVersorgung. Zu diesem Zweck wurdeder Transformator in 8 möglichen Va-rianten durchgerechnet und demKunden angeboten (Tabelle 6). DieVersion Nr. 0 war als billigste dieBasisversion – nicht kostengünstig,preiswert oder was sonst noch allesfür beschönigende, leider aber falscheAusdrücke hierfür angewendet wer-den, sondern schlichtweg die im Kauf-preis billigste. Die rechteckigen Wick-lungen waren so ausgelegt, dass zwi-schen allen Lagen und an allen SeitenKühlkanäle erforderlich wurden. Da-nach wurden in 7 Stufen Verlustmin-derungs-Massnahmen vorgenommen,von denen die ersten 6 sich auf Ver-grösserungen der Leiterquerschnittebeschränkten. Man sollte meinen,dies vergrössere den Transformator,doch im Gegenteil. Schwerer wird erzwar, jedoch eher kleiner statt grös-

ser, denn indem man die Kühlkanälequasi zur Hälfte mit Kupfer auffüllt,erübrigt sich die andere Hälfte. Zu-nächst können die Kanäle zwischenden Lagen einer Wicklung an denBreitseiten weggelassen werden (ähn-lich der Spule in Bild 34), dann – mitzunehmendem Draht-Querschnitt –auch die an den Breitseiten zwischenden beiden Spulen und am Ende auchdie Kanäle an den Stirnseiten. In Ver-sion 7 bleiben die Wickeldaten (Draht-querschnitte und Windungszahlen)aus Version 6 erhalten, jedoch derKern wird von warm gewalztem aufkornorientiertes Blech umgestellt.Dennoch fällt der Kupferverlust nocheinmal, da dieses Eisen höher magne-tisierbar ist. Die Schichthöhe wirdkleiner und die mittlere Windungs-länge somit kürzer.

Die Auswirkungen der in Tabelle 6zwangsweise relativ unübersichtlichaufgeführten Veränderungen wurdenin Bild 35 übersichtlich dargestellt. Da-bei fallen vor allem zwei Punkte auf:• Die Verluste fallen im Verlauf derVerbesserungen deutlich steiler, alsder Preis steigt.• Die Amortisationszeit liegt für fastalle Verbesserungsstufen unter 1,5Jahren, nur das bessere Eisen brauchtetwas länger. Dabei wurde mit einem

Strompreis von 10 c/kWh und 242Arbeitstagen im Jahr zu je einerSchicht von 8 Stunden gerechnet. Bei2-Schicht-Betrieb halbieren sich dieZeiten noch einmal.

Dazu kommt ein weiterer techni-scher Vorteil als «Nebenwirkung» derVerlustminderung: Der Spannungsfallim Trafo fällt – nicht immer ein Vor-teil, da bei grösseren Transformatorenals hier betrachtet stets ein definierterSpannungsfall gewünscht ist. Dort istjedoch das Weglassen des Kanals ausKühlungs- ebenso wie aus Isolations-gründen nicht möglich. Der Beispiel-trafo hier ist aber relativ klein und ar-beitet eingangs- wie ausgangsseitig imNiederspannungsbereich, und einmöglichst geringer Spannungsfall, so-wohl ohmsch wie induktiv, war vomProzess her vorteilhaft.

Auf die Frage ein Jahr später, wasdenn nun aus der Anfrage von damalsgeworden sei, wird der Hersteller et-was verlegen: «Das darf man eigent-lich gar nicht erzählen. Der Kunde hatden billigsten genommen. Und nichtnur das, sondern er hat auch noch dieLast falsch angegeben. Jetzt rauchendie Dinger einer nach dem anderendurch». Ein verbesserter Transformerder Stufe 5, 6 und 7 hätte hinreichendReserven aufgewiesen, um den Fehler

Bild 34 Spule eines Einphasen-Transformators,Ober- und Unterspannung als Lagenwicklung gefer-tigt, ähnlich dem betrachteten Transformator.

Tabelle 6 Verbesserung des Billig-TransformatorsVersion Nr. 0 in Stufen 1 bis 7.

6


der falschen Angabe auszugleichenund diese Ausfälle zu vermeiden.

Es gibt aber auch Lichtblicke.Während einige Hersteller von Giess-harz-Verteiltransfomatoren ein paarKilogramm Kupfer (in der Oberspan-nungswicklung) und Aluminium (inder Unterspannungswicklung) bzw.ihre Kunden ein paar Euro beim Kauf-preis sparen wollen und die Wicklun-gen mittels Zwangskühlung beblasen,verzichten andere ganz bewusst solange wie möglich auf diese letztlichauch ausfallgefährdete Mechanik. Sowerden Giessharz-Trafos in KühlartAN (Luft-Naturkühlung) schon bis6,3 MVA angeboten. Hier werdenhohe Isolierstoffklassen natürlich un-umgänglich und dienen nicht mehr ei-ner an sich vermeidbaren Energie-Verschwendung, sondern der Reali-sierbarkeit. Andere Hersteller setzenim Bereich um 1 MVA bereits Lüfterein, die jedoch nur im Notbetrieb beiÜberlast anlaufen, bei Nennlast undüblicher Umgebungstemperatur abernoch nicht erforderlich sind. Dies istein sinnvoller Ansatz, denn nur fürein paar Stunden Notbetrieb einengrösseren Transformator einzusetzenlohnt sich weder ökonomisch nochökologisch. Ja, es könnte sogar imJahresmittel die Verluste erhöhen,wenn der zu grosse Trafo dann zu ge-ring ausgelastet ist (Bild 33).

Amorphes EisenEnergetisch optimal wäre also bei ei-nem Transformator, der über weiteTeile seines Lebens gering belastetwird, ein Kern mit minimalen Verlus-ten. Während der Lastverlust vomQuadrat des Stroms abhängt und alsobei halber Last schon auf ein Vierteldes Nennwerts gefallen ist, hängt derLeerlaufverlust von der Spannungund von der Frequenz ab. Diese soll-ten beide konstant sein, und der Ei-senverlust steht somit ständig in vol-ler Höhe an, solange der Trafo in Be-trieb ist, ob mit viel, mit wenig oderohne Last. Daher auch die Bezeich-nung Leerlaufverlust. Dieser ist also,obwohl fast eine Zehnerpotenz klei-ner (vgl. Tabelle 3 mit Tabelle 4), fürden praktischen Betrieb viel bedeu-tender als der Lastverlust. Ja, manmuss sogar die oben gemachte Ein-schränkung in Zweifel ziehen, dem-zufolge der Leerlaufverlust besondersbei geringer Auslastung von Bedeu-tung ist, denn er bleibt (nahezu) un-vermindert bestehen und verschwin-det nicht etwa bei Belastung, nurweil der grössere Lastverlust hinzu-kommt. Ist der Trafo einmal instal-liert, lässt sich die Belastung und hier-mit der Lastverlust z.B. durch andereAufteilung der Lasten oder durchBeeinflussung des Lastgangs – zu«deutsch» demand side management –

sehr wohl noch beeinflussen, wäh-rend am Leerlaufverlust nichts mehrzu ändern ist. Steht jedoch die Ausle-gung oder Auswahl eines neuenTransformators an, gilt es sehr wohl,auf das Verhältnis der Verluste zu ach-ten (Bild 33).

Niedrigen Leerlaufverlust erreichtman ausser durch Senkung der In-duktion mit speziellen Kernwerkstof-fen. Je dünner das Blech, desto weni-ger Wirbelströme kann es ausbilden.Gänzlich unterbunden sind sie inKernwerkstoffen, die nicht elektrischleiten, den so genannten Ferriten,doch die sind der Hochfrequenztech-nik vorbehalten, da ihre Magnetisier-barkeit für Netzfrequenz-Transforma-toren zu gering ist. Ein Kompromissbesteht im so genannten amorphenEisen, das aus der Schmelze fein zer-stäubt und auf eine rotierende Walzeaufgesprüht wird. Dabei kühlt es sichextrem schnell ab, so schnell, dass eskeine Kristalle bilden kann, daher dieBezeichnung. Der entstehende Kern-werkstoff ist leider nur bis höchstens1,3 T magnetisierbar statt bis etwa1,75 T wie kalt gewalztes, kornorien-tiertes Blech, doch der Leerlaufverlusteines Transformators mit einem sol-chen Kern (Bilder 36 und 37) liegt um60% niedriger. Leider wird der Trans-formator entsprechend der niedrige-ren Induktion grösser und schwererund auch entsprechend teurer. Aus-serdem ist er um etwa 12 dB lauter.Beides muss nicht immer ein Hin-dernis gegen den Einsatz sein, zumalStudien in Belgien, Grossbritannienund Irland zu Amortisationszeitenvon 3 bis 5 Jahren führten, was sichalso bei einer Lebensdauer von 30 Jah-ren 6- bis 10-mal bezahlt macht, dochso schwer, wie der amorphe Kern ist,so schwer lässt er sich auch vermark-ten. In Deutschland hat es eine Firmaversucht.19 In Belgien und Irland wur-den umfangreiche Studien durchge-führt und einige Transformatoren ver-kauft,20 doch dann kam die Liberali-sierung der Strommärkte mit ihrenfallenden Strompreisen dazwischen.Bekanntlich spielen auf dem freienMarkt, anders als man nach wirt-schaftlicher Logik annehmen sollte,Kosten keine Rolle, sondern Preise.

19 www.marxtrafo.de20 www.power-technology.com/

contractors/switchgear/pauwels

35

Grafische Darstellung von Tabelle 6


Transformatoren für Anlagender regenerativen Energie-ErzeugungEine jede Windkraft-Anlage (WKA) be-inhaltet einen Transformator, um dieGeneratorleistung, die meist bei 690 Verzeugt wird, in das Mittelspannungs-netz einspeisen zu können.

Gemäss in der Transformatoren-In-dustrie und in der Stromwirtschaft üb-lichen Formeln wird bei der Herstel-lung und Beschaffung von Transfor-matoren eine so genannte Verlust-Be-wertung vorgenommen. Die gibt an,welche Investition je vermiedenerVerlustleistung sich noch lohnt undwelche nicht mehr. Gelegentlich – beiGrosstransformatoren – kommt dieserSatz auch als Pönale, als Abzug vomKaufpreis bei Überschreitung des ver-traglich vereinbarten Verlusts bzw. alsVergütung, als Aufpreis bei Unter-schreitung, zum Tragen. Im Falle ei-nes Transformators für eine Wind-kraft-Anlage (WKA) wurde eine Be-wertung des Leerlaufverlusts in Höhevon 9,28 €/W ermittelt – ein hier mitRecht relativ hoher Wert. Der Lastver-lust kam jedoch mit herkömmlichenRechenmethoden nur auf 0,79 €/W.Das wäre für einen gewöhnlichenTransformator schon wenig gewesenund führte im vorliegenden Fall auchzu dem Schluss, dass sich der CC’-Tra-fo noch rechnete, der Schweizer «DD’»aber in den Lebensdauerkosten höherlag. Eine neu entwickelte probabilisti-sche Rechenmethode21 jedoch, die dasVerhalten des Transformators an die4000-mal in allen denkbaren Betriebs-zuständen betrachtet und die zu-gehörigen Verluste ermittelt, kam auf1,43 €/W. Damit wäre der realeSchweizer Transformator der hypo-thetischen Klasse «DD’», die in derneuen Klasse B0AK ihre Entsprechungfinden wird, oder sogar ein A0AK-Transformator der Trafo der Wahl ge-wesen. Doch wie kam es zu der Ab-weichung? Die herkömmliche Metho-de rechnete mit der durchschnittli-chen Auslastung, und die ist gering,weil der Wind selten so stark bläst,dass die WKA mit voller Leistungfährt, ja, oftmals gänzlich abflaut. Die-ser Ansatz ist aber falsch, weil derLastverlust nicht linear, sondern mit

dem Quadrat der Last zunimmt. Be-trägt der Nenn-Kupferverlust z.B.8 kW, so sind es bei halber Last nurnoch 2 kW. Eine Stunde mit voller Lastund eine Stunde Stillstand verursa-chen also zusammen 8 kWh Verlust-wärme, 2 Stunden mit halber Last da-gegen nur 4 kWh. Der Unterschied istder Gleiche wie zwischen dem echtenEffektivwert und dem Gleichricht-Mit-telwert von Wechselströmen22 undwird umso grösser, je diskontinuierli-cher der Verlauf ist, und regenerativeEnergien sind zumeist wesentlich dis-kontinuierlicher als konventionelle.Im vorliegenden Fall muss auchberücksichtigt werden, dass die WKAoftmals still steht oder aber im schwa-chen Wind vor sich hin dümpelt, ohnezu produzieren. Theoretisch ist dieProduktion dann negativ, weil dieSteuer- und Überwachungstechnik inBetrieb bleiben muss. Deren Bedarf istzwar minimal im Vergleich z.B. zu ei-nem Kohlekraftwerk, das etwa 7% sei-ner Brutto-Generatorleistung für denEigenbedarf verbraucht, doch die Leis-tung muss aus dem Netz bezogen wer-den. Dies bedingt, dass der Transfor-mator in Betrieb bleiben muss, wenner auch nahezu leer läuft. Der Leer-laufverlust bleibt also für 8760 h/a vonBedeutung, unabhängig davon, wielange die Anlage Voll- oder Teillastoder gar nicht produziert.

Speziell für Deutschland mit sei-nem Erneuerbare-Energien-Gesetz(EEG) kommt hinzu, dass nach die-sem für den eingespeisten Strom Ver-gütungen zu zahlen sind, die beimDoppelten bis Dreifachen des Markt-preises liegen. Dies verdoppelt oderverdreifacht auch den Wert – oder zu-mindest den Preis – aller verlorenenEnergie. Entsprechend müssten Leer-lauf- und Lastverluste auch bewertetwerden, was bei dieser Anwendungzu einer völlig anderen Auslegungführen müsste als im öffentlichenNetz üblich – eigentlich ein typischerFall für den Transformator mit amor-phem Kern.

Andere Länder, andere SittenIrland bot sich als Testfeld für amor-phe Transformatoren nicht nur an,weil die herstellende Firma dort eineProduktionsstätte unterhält, sondernauch, weil dort die Netzverluste 1980mit fast 12% für europäische Verhält-nisse noch beschämend hoch lagen.

Zwar war dies wohl mehr auf die dün-ne Besiedlung und entsprechendeWeitmaschigkeit des Netzes zurückzu-führen als auf Nachlässigkeit, dochvielleicht sah man dort mehr Hand-lungsbedarf als anderswo. Die Verbes-serung auf heute unter 10% geht wohlauch kaum auf ein paar Modellversu-che zurück.

Die meisten europäischen Staatenliegen zwischen 6% und 10%.Deutschland kann schon fast ein»Edelnetz« mit 4,6% Verlust aufwei-sen. Transformatoren werden hier aufallen Spannungsebenen so ausge-wählt, dass sie im Verlauf eines typi-schen Tageslastgangs zwischen 30%und 60% ausgelastet sind. Das ist deroptimale Bereich (Bild 33) – was aberandererseits theoretisch immer noch4,6% Einspar-Potenzial offen lässt.Weniger hat nur Luxemburg mit 2%zu bieten, doch in einem dicht besie-delten Ländchen, in dem keine Über-tragungsstrecke länger als 20 km wer-den kann, ist das vielleicht weniger

Bild 36 Kern aus amorphem Eisen (Bild: Pauwels),aus konstruktiven Gründen in 5-Schenkel-Bauweise(sonst nur bei Grenzleistungs-Transformatorenüblich).

Bild 37 Aktivteil mit amorphem Kern.(Bild: Pauwels)

21 www.efficient-transformers.org22 Fassbinder, Stefan: «Netzstörungen durch

passive und aktive Bauelemente», VDEVerlag, Berlin/Offenbach 2002.

36

37


schwierig. Im Allgemeinen liegt runddie Hälfte dieses Potenzials in denTransformatoren – und hier zumgrössten Teil in den Verteil-Transfor-matoren.

Doch in anderen, weiter entferntenLändern sieht es noch weit schlimmeraus. So wird aus Indien berichtet, dortwürden Verteiltransformatoren oftregelmässig 50%, manchmal 100%überlastet. Die Ausfallrate läge folg-lich bei unglaublichen 25% pro Jahr.Das «Bulletin on Energy Efficiency»,das offizielle Organ der IREDA (IndianRenewable Energy DevelopmentalAgency – die immerhin gibt es dort)wird vom indischen Kupfer-InstitutICDC mit seiner Ausgabe vom Febru-ar 2002 zitiert, wonach in Indien nichteinmal 50% des Stromverbrauchs inRechnung gestellt wird. Der Restfällt Netzverlusten (etwa 18%), der«widerrechtlichen Nutzung» oder derSchlampigkeit zum Opfer, weil dieVersorger einfach keine Zähler ein-bauen.

Manche Stimmen meinen, die Ein-führung höherer Spannungsebenenhätte in unseren Breiten auch demZweck gedient, die «widerrechtlicheNutzung elektrischer Energie» (auch«nicht technische Verluste» genannt)zu erschweren. Der Transformator alsDiebstahlschutz? Manche meinenauch, die Einführung der niedrigerenFrequenz von 162/3 Hz bei der DB, denSBB, den ÖBB und einigen skandina-vischen Bahnen hätte diesem Zweckgedient, doch das ist wohl eher einGerücht. Die Frequenz sollte helfen,Kommutierungsprobleme der Reihen-schlussmotoren zu mindern.

AusblickEin Ersatz herkömmlicher Netztrans-formatoren durch irgendeine andereTechnik, wie etwa die Schaltnetzteilebei Kleintransformatoren, ist derzeit

nicht in Sicht. Wohl wird vermutet, inder Höchstspannung werde die Ebene220 kV auf lange Sicht verschwindenund die Ebene 380 kV auf noch länge-re Sicht durch ein Gleichspannungs-netz ersetzt.23 Dadurch entfiele zu-mindest ein Teil der heute notwendi-gen Transformatoren. Energetischwäre diese Lösung aber ziemlich neu-tral, denn die Umrichter inklusive dernotwendig werdenden Entstörfilterwürden Verluste in ähnlicher Höheverursachen.

Auch wurde versucht, noch verlust-ärmere Transformatoren mit supralei-tenden Spulen zu entwickeln.24 Leideraber sind diese Leiter nur bei Gleich-strom wirklich völlig verlustfrei, unddie Eisenverluste können sogar höherwerden, wenn der Kern mit gekühlt

23 Fassbinder, Stefan: «Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)» «de»11/2001, S. gig9, enthalten im Sonder-druck s180 «Drehstrom, Gleichstrom, Su-praleitung – Energie-Übertragung heuteund morgen» des Deutschen Kupferinsti-tuts, Düsseldorf.

24 Fassbinder, Stefan: «Supraleitung – einTeil zukünftiger Energieversorgung?» «de».9/2001, S. 38, enthalten im Sonderdrucks180 «Drehstrom, Gleichstrom, Supralei-tung – Energie-Übertragung heute undmorgen» des Deutschen Kupferinstituts,Düsseldorf.

Besondere Belastungenund besondere Lösungen

ÜbellastMan könnte sagen, es gäbe beimTransformator nicht nur Überlast, son-dern auch «Übellast». Die ist nochübler als die Überlast. Wird der Trans-formator, wie vorgesehen, mit sinus-förmiger Spannung gespeist und mitsinusförmigem Strom belastet, so istdie Betrachtung noch vergleichsweiseeinfach: Die Eingangsspannung ver-ursacht einen geringfügigen Magneti-sierungs- oder Leerlaufstrom und so-mit einen bestimmten Leerlauf- oderEisenverlust durch die nicht völlig un-terdrückbaren Wirbelströme im Kern,und der Laststrom verursacht ohm-schen Last- bzw. Kupferverlust in je-der Wicklung. Die Stromwärme desLeerlaufstroms in der Eingangswick-lung ist vernachlässigbar. Spannungund Frequenz sind konstant, und so-mit ist der Eisenverlust fix. Zusätzli-cher Verlust tritt in elektrisch leitfähi-gen mechanischen Bauteilen auf, wo

das magnetische Streufeld Wirbelströ-me induziert, vor allem in ferromag-netischen Teilen, die Streufelder aufsich ziehen. Dieser Verlust ist im Leer-lauf ebenfalls konstant und wird demLeerlaufverlust einfach zugeschlagen,ist also in dem angegebenen Wert be-reits enthalten. Nur die bereits früherbehandelte kapazitive Belastung stelltdie einzig traditionelle Form der«Übellast» dar, da sie einen «negativenSpannungsfall» im Trafo erregt undden Leerlaufverlust und die Spannungan der Last überhöht.

Die Streufelder sind aber im Leer-lauf nicht sehr stark. Bei Belastungtritt ein zweites Streufeld hinzu, dasvom Hauptstreukanal ausgeht, alsovon dem Bereich zwischen den Spu-len, der nur von der aussen liegendenSpule durchflutet wird und nicht vonder innen liegenden. Wie auf Seite 9«Kurzschlussspannung» beschrieben,ist dieser Kanal für Transformatoren

In den vorangegangenen Folgen war bereits mehrmals von Transformator-Verlusten dieRede, vom Leerlaufverlust und Lastverlust. Von hier an stehen die Lastverluste im Plu-ral, denn hier geht es um Formen von Belastung ausserhalb jener, für die ein Transfor-mator üblicherweise ausgewiesen ist, die aber heute im Netz vorkommen. Solche Lastenmuss man differenzierter betrachten, und darum soll es hier gehen.

wird. Ausserdem wird die Kühlleis-tung ständig in voller Höhe benötigt,muss also dem teuren Eisenverlustzugeschlagen werden, obwohl der Tra-fo in der Praxis kaum jemals oder je-weils nur für kurze Zeit voll belastetwird. So blieb am Ende keine Verlust-Einsparung mehr übrig. Nur in Bahn-fahrzeugen sollte man supraleitendeTransformatoren einsetzen, sobalddiese serienreif sind, denn hier sparensie sowohl Gewicht – und damit nocheinmal zusätzlich Energie – als auchPlatz. Ausserdem sind die gegenwär-tigen Bahntransformatoren aufgrundder Gewichts- und Platzproblemeganz anders ausgelegt (»ausgereizt«)und daher vom Wirkungsgrad her vielschlechter als vergleichbare Netz-transformatoren.


ab Verteiltrafogrösse erforderlich für:• Isolation• Kühlung• Begrenzung des Kurzschlussstroms.Die Stärke dieses vom Laststrom ab-hängigen Teils des Streufeldes steigtproportional zum Strom und induziertwiederum proportional hierzu sozu-sagen eine «Wirbelspannung» in vomFeld durchsetzten leitfähigen Teilen.Diese Spannung treibt die Wirbelströ-me in solchen Teilen. Auch und gera-de in den Leitern, deren Leitfähigkeitum knapp eine Zehnerpotenz höherliegt als die der Stahlteile, kommt einzusätzlicher Kreisstrom in einer Ebe-ne senkrecht zur eigentlichen Strom-richtung zum Fliessen, umso mehr, jedicker der Leiterquerschnitt ist. Auf-grund der ohmschen Verhältnisse –konstante Temperatur angenommen– verläuft dieser Querstrom wiederproportional zur «Wirbelspannung».Somit steigt dieser Anteil des Wirbel-strom-Verlusts ebenfalls im Quadratzum Laststrom und wird normaler-weise dem aus Strömen und Wick-lungswiderständen errechneten Last-verlust (als Aufschlag von etwa 5% bis10%) zugeschlagen. Normalerweise –also bei der Nennfrequenz, für die derTransformator ausgewiesen ist. Nunist eine induzierte Spannung aberbekanntlich proportional zur Ände-

rungsgeschwindigkeit der magneti-schen Flussdichte, also zum Scheitel-wert und zur Frequenz des erregen-den Feldes. Somit steigt der Wirbel-stromverlust im Quadrat zum Stromund im Quadrat zur Frequenz!

Müssen sich nun mehrere Strömeverschiedener Frequenzen – es darfauch ein Gleichstrom darunter sein –eine gemeinsame Leitung teilen, soerrechnet sich der Gesamteffektiv-strom in dieser Leitung, indem mandie Einzelwerte quadriert, die Quad-rate addiert und aus der Summe wie-der die Wurzel zieht. Hier wollen wirvorerst von folgendem, vereinfach-tem, erdachtem Beispiel ausgehen:

Ein Transformator habe einen Wir-belstromverlust in Höhe von 10%des Kupferverlusts und werde mit70,7% seines Grundschwingungs-Nennstroms (50 Hz) und mit 70,7%seines Nennstroms an dritter Harmo-nischer (150 Hz) belastet. Der Gesamt-strom errechnet sich dann zu:

Der Transformator läuft also mitNennstrom. Der Beitrag der Grund-schwingung zu den Wirbelstromver-lusten, auch Zusatzverluste PZ ge-nannt, beträgt:

der Zusatzverluste PZN im Nennbe-triebspunkt bei 50 Hz Sinus-Nenn-strom, worauf sich alle Nennwerte –meist unerwähntermassen – bezie-hen. Diese Grundschwingung in Höhe

P P PZ ZN ZN= =0 707 0 52, ,

I I I IN N N= + =( , ) ( , )0 707 0 7072 2

von 70,7% des Nennstroms erzeugtalso Wirbelstromverluste in Höhe von50% der Wirbelstromleistung, die beiNennlast auftritt, also 5% der Nenn-Kupferverluste. Der am Ausgang ab-genommene Strom der dritten Ober-schwingung mit 150 Hz, der am Ein-gang auch als solcher gezogen werdenmuss, verursacht jedoch eine Wirbel-stromverlustleistung in Höhe von

Der Gesamteffektivstrom entsprichtalso genau dem Nennstrom. Dadurchsollte eine Überlastung des Transfor-mators ausgeschlossen sein, doch dieWirbelstromverluste, die von den bei-den Komponenten dieses Gesamt-stroms zusammen erzeugt werden,belaufen sich auf genau das Fünffachedessen, was der Transformator beiNennlast, also 50 Hz Sinus, vorzuwei-sen hat und was normalerweise ein-fach als ein – noch dazu geringfügiger– Teil der Kupferverluste betrachtetwird. Dies hat schon zu anfänglich rät-selhaft erscheinenden Überhitzungengeführt.

Seit Langem schon werden so ge-nannte Stromrichtertransformatorengebaut, bei denen die «zusätzlichenZusatzverluste» bei der Bemessungeingerechnet werden. Ausserdem ver-sucht man, deren Anteil zu mindern.Durch Aufteilung dicker Leiter inmehrere gegeneinander isolierte Ein-zeladern nach dem Prinzip der HF-Litze, durch grössere Abstände be-stimmter mechanischer Teile vomStreufeld oder aber durch Einsatz ma-gnetisch oder elektrisch nicht leiten-der mechanischer Komponenten las-sen sich die Wirbelströme erforderli-chenfalls noch senken. Bewährt hatsich der Gebrauch von Edelstahl, derim Gegensatz zu gewöhnlichem Bau-stahl erstaunlicherweise nicht ferro-magnetisch ist. Ausserdem ist dieelektrische Leitfähigkeit des Edel-stahls, also auch für Wirbelströme,noch einmal um die Hälfte geringer.Nun ist aber ein solcher Stromrichter-transformator gewöhnlich zur aus-schliesslichen Speisung eines einzi-gen Stromrichters gedacht, und des-sen Oberschwingungsspektrum ist imVoraus bekannt. Um einen handels-üblichen Transformator in Anwesen-heit von Oberschwingungen, bei-

P PHzHz

PZ ZN ZN=⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ =0 707

15050

4 522

, ,

Bild 38 Strom und Oberschwingungsspektrum einerKompakt-Sparlampe 11 W, oben an durchschnittlichbelastetem Transformator in einem Wohngebiet, un-ten Simulation eines Transformators, der aus-schliesslich mit solchen Lampen bis zum Nennstrombelastet ist.

38


spielsweise für ein Bürohochhaus,passend auszuwählen, sodass Über-hitzung vermieden wird, gibt es be-stimmte Faktoren, mit denen die Be-lastbarkeit im Verhältnis zur Nenn-leistung berechnet werden kann. InNordamerika wurde hierfür der so ge-nannte K-Faktor eingeführt. Wie ebenschon in Worten ausgedrückt, gibt eran, um das Wievielfache der Wirbel-stromverlust gegenüber der reinenSinuslast ansteigt:

wobei n die Ordnungszahl der betref-fenden Oberschwingung und In derenStrom als relativer Anteil am Nenn-strom ist, wie im obigen Zahlenbei-spiel. Allerdings hilft diese Zahl nurdann weiter, wenn auch die Bezugsba-sis, also der Anteil der Wirbelstrom-Verluste PZ an den Verlusten des be-treffenden Transformators, bekanntist. Normalerweise aber werden nurEisen- und Kupferverluste P0 und PK

auf dem Leistungsschild spezifiziert,wenn überhaupt.

In Europa berechnet man statt des-sen in nur geringfügig anderer Na-

K I nn

n

=∑ 2 2

1

mensgebung den so genannten FaktorK, wie im HarmonisierungsdokumentHD 538.3.S1 angegeben:

worin

Das soll als Abschreckung reichen. Istdem Praktiker die korrekte Anwen-dung dieser exakten Formeln endlichmit viel Mühe gelungen, fragt er sich,was ihm die exakten Ergebnisse dennnun sagen und wie exakt sie nochsind. Können doch die eingegebenenAusgangswerte nur Annahmen, Schät-zungen oder Erfahrungswerte sein,denn die zu planende Anlage stehtnoch nicht. Eine Messung ist alsonicht möglich, eine Befragung des spä-teren Nutzers ausgeschlossen, weilder noch nicht feststeht. Viele Gebäu-de werden heute zuerst geplant undgebaut und erst dann ein Mieter oderKäufer gesucht. Das Oberschwin-gungsprofil ist also zurzeit der Pla-nung noch unbekannt. Gehen wir dasProblem daher lieber von der prakti-schen Seite an:

Soll ein gewöhnlicher Transforma-tor eingesetzt werden, so kann mandie Zusatzverluste mit 10% des fürden 50-Hz-Betrieb angegebenen Last-verlusts annehmen, dann liegt manauf der sicheren Seite. Mit dieser An-

I I IIIn

n

n Nn

n

n N

= ( )⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ =

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥=

=

=

=

∑ ∑2

1

0 5

11

2

1

0 5, ,

K ee

II

nII

h q n

n

n N= +

+⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟

⎡

⎣

⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥

+

=

∑11

2

1

2

2

0 5,

nahme führen wir nun ein Gedanken-experiment durch und belasten einenTransformator vollständig und aus-schliesslich mit typischen Kompakt-Energiesparlampen (Bild 38).

Die Effektivwerte der einzelnenTeilschwingungen 1 bis 51 von Netz-spannung und Lampenstrom wurdenvom Messgerät abgeschrieben (Tabel-le 7). Die Wurzel aus der Summe derQuadrate ergibt dann unten jeweilsdie Gesamt-Effektivwerte. Hieraus er-gibt sich für die Lampe mit 11 W Nenn-leistung eine Scheinleistungsaufnah-me von

Nun nehmen wir der Einfachheit hal-ber an, der speisende Drehstrom-transformator habe eine Nennleistungvon 15 kVA und speise ausschliess-lich 1000 solcher Lampen, symmet-risch auf die drei Aussenleiter aufge-teilt. Gut, um diese Voraussetzung er-füllen zu können, müsste man von999 Lampen und 14,985 kVA Transfor-matorleistung ausgehen, aber mankann es mit der Genauigkeit beispiel-hafter Annahmen auch übertreiben.Da es ein wenig schwierig ist, einensolchen Transformator aufzutreibenund mit 1000 Sparlampen zu belas-ten, kann man sich auch mit einer ein-zigen Lampe behelfen und jeweils das1000fache von RK und XK des Trafosvorschalten, wie in Bild 38 geschehen.Der Transformator erscheint mit sol-cher Last haargenau ausgelastet, abereben nicht überlastet. Er scheint. Wer-

230,7 V 64,8 mA 15,0 VA⋅ =

39

Tabelle 7 Messwerte an einer typischen Kompakt-Sparlampe und Auswirkungen auf den speisendenTransformator, angenommen dieser würdeausschliesslich mit solchen Lampen genau bis zumNennstrom belastet.

Anteil der Zusatz-Verluste am Kupferverlust: 81,4%

Oberschwingungsmessung Osram Dulux 11Wmit Serien-Impedanz R = 30 Ohm, X = 113 Ohm

7


den jedoch die Wirbelstromverluste,wie angegeben, als im Quadrat zumStrom und im Quadrat zur Frequenzsteigend eingesetzt, so ergibt sich etwafür die dritte Oberschwingung ein Bei-trag in Höhe von 29,5% des für Nenn-last angegebenen Kupferverlusts anWirbelstromverlust. Die Grund-schwingung verursacht dagegen nur5,6%, denn sie ist bedeutend kleinerals der Gesamteffektivwert, der gleichdem Nennstrom ist und somit die an-genommene Marke von 10% setzte.

Addiert man alle Beiträge von 1 bis51 auf, so kommt heraus, dass alleinder Wirbelstromverlust dieses Trans-formators von den angenommenen10% bei Sinus-Nennstrom auf 81,4%des Kupferverlusts bei derart verzerr-tem Nennstrom steigt! Der Nenn-strom nennt also nicht immer denrichtigen Strom, der Effektivstrom hatnicht immer den gleichen Effekt.

MassnahmenWas soll der Praktiker also tun, demdie zuvor dargestellten Formeln allerWahrscheinlichkeit nach überhauptnichts genützt haben? Sich folgendeEckwerte merken, notieren, kopierenoder sonst wie zugänglich halten:

Der Anteil von 10% Streuverlust anden Lastverlusten war hoch gegriffen.Moderne Transformatoren, erst rechtStromrichtertransformatoren, mögeneher bei 5% oder darunter liegen. Da-mit sinkt auch der Anteil der durchOberschwingungen verursachten «zu-sätzlichen Zusatzverluste» auf runddie Hälfte, also gut 40% des Kupfer-verlusts. Eine ausschliessliche Belas-tung mit Kompaktsparlampen odergleichartigen Lasten (Schaltnetztei-len) kommt nur in extremen Fällenvor, etwa bei der Versorgung eines Re-chenzentrums. Bleiben wir aber beider Extremfallbetrachtung, dass ausZusatzverlusten in Höhe von 10% derKupferverluste gut 80% werden, alsoim Nenn-Betriebspunkt 70% mehrLastverluste als für diesen Betriebs-punkt vorausberechnet. Um die Kup-ferverluste mitsamt Wirbelstrom-/Zu-satzverlust und somit die Erwärmungwieder auf den Wert zu bringen, der100% bei 50 Hz entsprach, muss derfür die Auswahl des Transformatorszugrunde zu legende Echt-Effektivlast-strom also mit Rücksicht auf den qua-dratischen Zusammenhang zwischenStrom und Wärme um den Faktor

grösser angenommen werden, als erist. Die Transformatorleistung solltealso annähernd 30% höher gewähltwerden als nach dem eigentlichenScheinleistungsbedarf UEff · IEff be-rechnet, denn der Rest der Verlust-leistung, der Leerlaufverlust, bleibtvon Oberschwingungsströmen weitgehend unbeeinflusst. Hier tritt eineErhöhung erst ein, wenn die erregen-de Spannung Oberschwingungen ent-hält, doch die sind meist viel niedrigerals die Oberschwingungen des Stroms.Der Sonderfall eines Gegenbeispielsfolgt später.

Davon unberührt bleiben natürlichdie Sicherheitsfaktoren, die aus ande-ren Gründen in die Planung meist ein-gesetzt werden; die müssen bleiben.Ergibt die Planung unter Zugrundele-gung all jener Faktoren, wie Redun-danz, Reserve für Lastzuwachs usw.,jedoch ohne die Oberschwingungen,

K = ≈170100

13%%

,einen Bedarf von 1000 kVA, so sollteein Transformator von 1250 kVA ge-wählt werden. Zum Schaden des Kun-den ist dies langfristig sicher nicht,denn Verteiltransformatoren arbeitenje nach Auslegung stets zwischen24 und 47% ihrer Nennleistung amwirtschaftlichsten (siehe Seite 18 undfolgende).

Ausserdem muss der Sternpunktmit 173% des Aussenleiterstroms be-lastbar sein. In den meisten Fällenwird diese Bedingung das engste Kri-terium setzen, da bei Verteiltransfor-matoren normalerweise von einerSternpunktbelastbarkeit von 100%ausgegangen wird – und auch dies nurbei ein- oder zweiphasiger Last, alsomindestens einem unbelastetenSchenkel, denn bei voller, also sym-metrischer dreiphasiger Last wird vonvollständiger gegenseitiger Auslö-schung der Rückströme im Neutral-leiter ausgegangen. Dies ist indes nurfür die Oberschwingungen nichtdurch 3 teilbarer Ordnungen und für

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Bild 39 Strangspannung und Leiterspannungin einem deutschen Wohngebiet während des Fuss-ball-Weltmeisterschafts-Endspiels gegen Brasilien,Messung und Simulation.

Bild 40 Einsatz von Transformatoren unter-schiedlicher Schaltgruppen führt zum Phasen-Versatz der Strombuckel auf der MS-Ebene(Prof. Fender, FH Wiesbaden).

Bild 41 Unsymmetrische Verteilung von Gleichrich-terlasten, hier 2,5 kW an einem Aussenleiter – undsiehe da: Nun ist auch in der Spannung die dritteHarmonische grösser als die fünfte (unten Mitte).

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die Grundschwingung richtig. DieOberschwingungen durch 3 teilbarerOrdnungen addieren sich linear imNeutralleiter, weil sie phasengleichsind, und dort addieren sie sich zu denanderen dort fliessenden Frequenzenwiederum quadratisch zum Gesamt-effektivwert des Rückleiterstroms,wie in Tabelle 7 rechnerisch darge-stellt.

Verschiedenartige Netzstörungenkönnen sich unter bestimmten Um-ständen gegenseitig auslöschen. So istes für einphasige Lasten nach Bild 38charakteristisch, dass sie Strom nurdann vom Netz aufnehmen, wenn dieSpannung sich gerade in der Nähe desScheitelwerts befindet, dann aberumso heftiger. Im Dreiphasen-Systemmüssen wir ergänzend hinzufügen,dass die Spannung zwischen einemAussen- und dem Neutralleiter ge-meint ist. Die Spannung zwischen L2und L3 beispielsweise ist aber ge-genüber der Spannung zwischen L1und N um 90°versetzt. Dadurch hatdie Spannung zwischen L2 und L3 ge-rade dann ihren Nulldurchgang, wennder Strom von L1 nach N seinen (inFolge der «Übellast» überhöhten)Scheitelwert hat. Während die Span-nung, die diesen Strom treibt, in Folgeder Netzimpedanzen diesem äusse-ren Zwang nachgibt und um den

Scheitel herum einbricht, weist dieVerformung der Spannung zwischenden Aussenleitern genau das gegen-teilige Bild auf (Bild 39)! Nun kannman aber durch geeignete Wahl derSchaltgruppe eine Strangspannung(die Spannung einer Spule) am Aus-gang wahlweise aus einer Strangspan-nung oder aus einer verketteten Span-nung am Eingang erzeugen, je nachdem, welche Schaltgruppe man wählt.Das ist im Prinzip das Gleiche, als obman die Spannung im Bild 39 untendurch einen Einphasen-Transforma-tor von 400 V auf 230 V herab trans-formiert und diese Spannung dann füreinen Teil, optimalerweise für dieHälfte, jener Lasten verwendet, diedie ursprüngliche Verzerrung derSpannung im Bild 39 oben verursachthaben. Die Verzerrung der Spannungwäre dann beinahe verschwunden.Das bedeutet: Transformatoren unter-schiedlicher Schaltgruppen könnteneinen ganz erheblichen Beitrag zurNetzreinigung beitragen, würde mansie nur gut gemischt einsetzen.

In der Tat wurde diese Methodeschon von Prof. Fender und anderenvorgeschlagen25 (Bild 40) – und im Fal-le des beschriebenen26 Netzes der Ka-tholieke Universiteit im belgischenLeuven bereits in den frühen Jahrender Elektrotechnik verwirklicht, wiein Folge 3 über die Schaltgruppenerwähnt. Zu dem dort genannten Vor-teil kommt also in dem hier betrach-teten Lastfall mit nicht linearen Las-ten der Folgende hinzu: Würde jederzweite der üblichen Dyn5-Transfor-matoren durch einen entsprechendenin Schaltgruppe Dzn6 oder Yzn6 er-setzt, zöge die Hälfte der Einphasen-Gleichrichterlasten ihre Strombuckelaus der Sicht des Mittelspannungsnet-zes gegenüber der anderen Hälfte um30°phasenversetzt. Oder anders be-trachtet: Die von Einphasenlasten insNetz entlassenen Oberschwingungen

kämen teilweise (auf ihre höhere Fre-quenz bezogen) um 180°versetzt imMittelspannungsnetz an und würdensich dort auslöschen. Die Simulationim Bild 39 rechts verdeutlicht dies.Ausserdem werden in der Mitte vomBild 39 die Phasenwinkel der fünftenOberschwingung ausgewiesen, undman sieht, dass hier die fünfte Ober-schwingung sowohl im oberen als auchim unteren Fall den grössten Teil derVerzerrung ausmacht. Da die beidenFünften aber, wie man es auch aus-drücken könnte, jeweils gegensätzli-che Polaritäten haben, würden sie sichauslöschen, wenn sie je zur Hälfte imselben Stromkreis aufträten (Bild 40).

Warum nur tut das dann keinMensch? Weil der Transformator mitder Zickzackwicklung etwa 5%, javielleicht sogar 10% teurer wäre. Dasist der tatsächliche Grund. Der übli-cherweise vorgebrachte ist, dass sichdie Transformatoren dann ausgangs-seitig nicht mehr parallel schalten las-sen. Dies schliesst sich hingegen an je-nen Betriebsorten, wo es nötig wäre,ohnehin ganz von selbst aus, denndas sind die Bürohochhäuser mit eige-nem Niederspannungsnetz. In einemGebäude die eine Schaltgruppe, imnächsten oder übernächsten die an-dere, das reicht vollkommen aus. KeinMensch möchte Transformatoren mitverschiedenen Schaltgruppenkennzif-fern im selben Gebäude Seite an Seiteaufstellen.

Dabei tragen die üblichen Dyn5-Transformatoren insofern schon zurNetzreinigung bei, als sie den einenBuckel je Halbschwingung und Aus-senleiter, den die Einphasen-Gleich-richterlasten verursachen (Bild 40a),auf zwei Buckel in zwei Aussenleiternauf der Eingangsseite verteilen, je 60°vor- und 60°nacheilend, also nach ab-seits des dortigen Spannungsscheitels(Bild 40b). Dazu kommt der Effekt derim Dyn5-Transformator nahezu kurz-

Bild 42 Versuchsaufbau zu Bild 43.

Bild 43 Nur 3,2% THD in der Eingangsspannungtreiben schon einen Kreisstrom in Höhe von 14%des Nennstroms in einer Dreieckwicklung.

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25 Fender, Manfred: «Vergleichende Untersu-chungen der Netzrückwirkungen von Um-richtern mit Zwischenkreis bei Beachtungrealer industrieller Anschluss-Strukturen.»Promotionsschrift, Wiesbaden, 1997.

26 Fassbinder, Stefan: «Netzstörungen durchpassive und aktive Bauelemente», VDE Ver-lag, Berlin/Offenbach, 2002.


geschlossenen Stromoberschwingun-gen durch 3 teilbarer Ordnung, dievon den Verbrauchsmitteln her gleich-phasig Richtung Trafo und durch denSternpunkt wieder zurückfliessen, soals wären alle drei Aussenleiter paral-lel geschaltet. Diese drei Ströme ver-langen nach einem gleichphasigenGegenfluss in der Oberspannungs-wicklung, und den können sie be-kommen, indem sie in dieser im Drei-eck verschalteten Wicklung einenKreisstrom induzieren. Sie finden dortals Impedanz lediglich die Streureak-tanz und unter «ferner liefen» auchnoch die Wicklungswiderstände vor.Das funktioniert jedoch nur, wenn die-ser Strom unterspannungsseitig wirk-lich aus allen drei Aussenleiterngleichzeitig kommt. Der Grund ist imPrinzip der Gleiche wie zuvor in Folge3 über die Schaltgruppen zur Belast-barkeit des Sternpunkts gesagt. Alleindeshalb finden sich in üblichen Netz-spannungen nur geringe Teile dritterOberschwingung, obwohl die dritte imStrom dort vorherrscht. Sollte es je-mals irgendwo gelingen, alle verzer-renden Lasten an einen Aussenleiteranzuschliessen und die linearen andie beiden anderen, wäre der Effektdahin. Ein einfacher Versuch, in demman z.B. ein elektrisches Heizgerätvon 2 kW Leistung über Gleichrichterund Glättungskondensator an einergewöhnlichen Haussteckdose betreibt(Vorsicht, die Leistung steigt dannüber 3 kW!), zeigt es schon (Bild 41).Setzt man diesem immanenten Rei-nigungseffekt des Dyn5-Trafos nochden Versatz um 30°aus dem Trafo mitder anderen Schaltgruppe hinzu (Bild40a), ist die Schönheit der ursprüngli-chen Sinuskurve (lat. sinus=Busen)nahezu wieder hergestellt. Natürlichaber werden dadurch, dass die Span-nungsoberschwingungen fast aus demNetz verschwunden sind, die Trans-formatoren nicht etwa entlastet, son-dern im Gegenteil wird diese Entlas-tung durch verstärkten Fluss vonStrom-Oberschwingungen auch undgerade innerhalb des Trafos und durchdie Trafos erkauft. Insbesondere derin der Dreieckswicklung induzierteKreisstrom erzeugt zusätzliche Ver-lustwärme. Auch daraus bestehendie «zusätzlichen Zusatzverluste». EinVersuch an einem Kleintransformator(Bild 42) verdeutlicht, wie schnell die-ser zusätzliche Verlust Bedeutung er-

langt. Der Reihenwiderstand der imDreieck verschalteten Ausgangswick-lung beträgt 0,1 Ohm, und schon beinur 3,2% THD in der Eingangsspan-nung fliesst darin ein Kreisstrom von2,3 A (Bild 43). Der hierdurch verur-sachte Verlust I2 ·R liegt also um0,5 W. Das ist etwa 1% der gesamtenKupferverluste und klingt als solchesnoch nicht nach viel. Bei 6,4% THDU,was auch vorkommt, wären dies aberschon 4% der Kupferverluste oder4,6 A, was wiederum in diesem Fall28% des Nennstroms entspräche. So-mit müsste der Transformator um28% niedriger belastet werden, nurum eine Überhitzung der Ausgangs-wicklung durch den 150-Hz-Kreis-strom zu vermeiden. Die 30% Überdi-mensionierung wegen der Zusatz-Ver-luste durch Wirbelströme wären dannnoch einmal separat in Rechnung zustellen.

Das Nullsystem, also die gleichpoli-ge Komponente der Eingangsströmein den Drehstromtransformator, lässtsich auch an den drei Leerlaufströ-men erkennen (Bild 44): Alle dreiStröme weisen im selben Momenteine ausgeprägte Spitze jeweils glei-cher Polarität auf, und dies 6-mal jeNetzperiode, obwohl die treibendenSpannungen doch um jeweils 120°ge-geneinander versetzt sind. Trenntman die im Dreieck verschaltete Un-terspannungswicklung auf und unter-bricht damit den Strom aus Bild 43, soist das im Bild 44 gezeigte Phänomenverschwunden, und die drei Strömewerden weit gehend unabhängig von-einander.

Als Nachtrag zum Kapitel Parallel-betrieb lässt sich hier noch anfügen,dass sich, wenn man zwei Trans-formatoren unterschiedlicher Kurz-schlussspannungen parallel arbeitenlässt, die Oberschwingungsströme erstrecht ungleich aufteilen, noch unglei-cher als die Grundschwingung, weilbei höheren Frequenzen die Streure-aktanz höher ist. Also ein Grund mehr,dies zu unterlassen, denn ein Trans-formator mit 4% Nenn-Kurzschluss-spannung hat bei 150 Hz bereits na-hezu 12% Kurzschlussspannung, bei250 Hz sind es schon fast 20% und sofort, weil der innere Spannungsfallvorwiegend induktiv ist. Bei 6% Nenn-Kurzschlussspannung sind es schonwieder entsprechend mehr. Lediglichbei Dyn-Typen und Harmonischen

durch 3 teilbarer Ordnungen gilt dieswegen der sich ausbildenden Kreis-ströme nicht.

Nun aber doch noch ein Blick aufdie Spannung: In einigen Sonderfäl-len könnte sie doch so sehr verzerrtsein, dass nachteilige Auswirkungenauf einen daran betriebenen Transfor-mator wirksam werden. So erzeugenkleine USV-Anlagen bei Stromausfall«systembedingt» (also weil sie sonst zuteuer würden) oft eine Rechteck- statteiner Sinusspannung. Die hat aber,wenn sie nicht lückt, einen um 11%kleineren Formfaktor als die Sinus-spannung! Das ist der Verknüpfungs-faktor zwischen Betragsmittel- undEffektivwert. Der angegebene Wertist stets der Effektivwert oder solltees doch zumindest sein; die Magneti-sierung ist aber vom Mittelwert ab-hängig. Bei richtigem Effektivwert

Bild 44 Leerlaufströme eines Dreiphasen-Klein-transformators Schaltgruppe YNd11.

Bild 45 EMV-Transformator mit geringsten Streufel-dern (Bild: Rauscher & Stoecklin).

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am Ausgang einer solchen Klein-USVwird ein daran betriebener Trans-formator also erheblich übererregt!Ausserdem ist der Klirrfaktor (Ober-schwingungsgehalt) der Rechteck-spannung so hoch, dass mit sehr starkerhöhten Leerlaufverlusten gerechnetwerden muss!

FazitTransformatoren stehen also nichtnur herum und brummen, sondernsind fast schon richtige Wohltäter inverschmutzten Netzen, auch wenn sie

manchmal zur Störquelle werden kön-nen, sei es durch ihr Gebrumm oderihre magnetischen Wechselfelder,wenn sie im Keller stehen und in ei-nem Büro im Erdgeschoss die Bild-schirme flimmern. Oft aber ist derTrafo gar nicht schuld. Die von einemTransformator ausgehenden Streufel-der sind im Allgemeinen gar nicht sogross, wie man annehmen sollte. DieStörungen gehen zumeist von Lei-tungstrassen aus, und das wegenfalscher Netzform, die ein Auswei-chen von Strömen, die dem Neutral-leiter zugedacht waren, auf alle leit-fähigen Gebäudeteile zulässt. Ist diesin Ordnung gebracht, dann hilft nurnoch die Vergrösserung des Abstandsvon Störquelle zu Störsenke und dieMinimierung des Abstands zwischenHin- und Rückweg des Stroms. Dabeikann eine spezielle Transformator-bauform helfen, bei welchem man dieDurchführungen nicht auf demDeckel, sondern im Fussraum undauch nicht in einer Reihe, sondern imViereck angeordnet hat (Bild 45). DerErfolg kann sich sehen lassen (Bild46). Solch eine Lösung wird in keinerNorm beschrieben, und so wirbt derHersteller denn auch in einer An-zeige: «Wir bauen Transformatoren in

erster Linie nach Mass und erst inzweiter Linie nach Norm, denn mei-stens steckt in den Kundenwünschenmehr Innovationspotenzial, als es dieNorm zulässt.» Das haben wir schoneinmal bei den nicht gerade überra-genden genormten Wirkungsgradenfestgestellt. Die Normen haben aberinzwischen mächtig aufgeholt, dasmuss auch gesagt werden. Der Prozessdauert nur viel zu lange, weil die Nor-men international harmonisiert wer-den müssen, aber daran ist nichts zumachen. In der Zwischenzeit sindwirklich die Kreativität der Industrieund die Kommunikation mit ihremKunden gefragt.

Web-Wegweiserwww.power-technology.com/

contractors/switchgear/pauwelswww.bitctrl.com/partner/partner.htmwww.raustoc.chwww.eurocopper.orgwww.efficient-transformers.org

Stefan FassbinderDeutsches KupferinstitutD-40474 DüsseldorfTel. 0049 211 479 63 [email protected]

Bild 46 Verlauf der Flussdichte als Funktion deshorizontalen Abstands von der Transformatormitte,gemessen in 2 m Höhe über dem Transformator-deckel (Messung: Rauscher & Stoecklin).

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Verlagsprogramm

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