Hochspannungsprüftransformatoren sind spezielle Geräte zur Erzeugung von Netzfrequenz-Hochspannung und werden kurz als Prüftransformatoren bezeichnet. Sie zählen zu den Aufwärtstransformatoren und dienen unter anderem der Prüfung der Isolationsleistung elektrischer Produkte, der Spannungsfestigkeitsprüfung bei Netzfrequenz und der Teilentladungsmessung. Sie zeichnen sich durch ein kurzes Betriebsverhalten aus.
Ihr Betriebsspannungsbereich liegt primärseitig zwischen 0.4 kV und 10 kV und sekundärseitig bei 100–2000 kV oder höher, mit einer Leistung von 3 kVA bis 9000 kVA. Die Transformatoren sind entweder ölgekühlt oder mit SF₆-Gas isoliert.
Die Hochspannungswicklung ist als mehrlagige Turmspule ausgeführt, üblicherweise mit einem geerdeten Ende, während die Niederspannungswicklung extern angebracht ist. Modelle mit einer Leistung über 10 kVA sind mit beweglichen Eisenrädern ausgestattet und zeichnen sich durch kompakte Bauweise und geringes Gewicht aus. Die Impedanzspannung einer einzelnen Einheit liegt zwischen 4.5 % und 10 % und kann bei Kaskadierung mehrerer Einheiten 30 % bis 40 % erreichen. Die Ausgangsspannung ist nahezu sinusförmig. Als Wicklungsisolationsmaterialien dienen polyesterlackierter Draht und hochspannungsfeste Verbundwerkstoffe. Das Transformatorgehäuse wird vakuumgetrocknet; Produkte mit einer Nennspannung über 100 kV benötigen eine Vakuumölfüllung.
- Klassifizierung nach Strukturtyp
- Ölgetauchte Hochspannungs-Testtransformatoren
Bei dieser Bauart ist der Transformatorkörper am häufigsten in Isolieröl getaucht, das sowohl als Isolationsmedium als auch als Wärmeableitungsmedium dient.
Vorteile: Hervorragende Isolationsleistung, hohe Kapazität, hohe Spannungsfestigkeit. Geeignet für Spannungsfestigkeitsprüfungen im Netzfrequenzbereich und weit verbreitet in Kraftwerken, Umspannwerken und bei Herstellern von Hochspannungsanlagen.
Nachteile: Großes Volumen, hohes Gewicht, relativ unpraktisch für Transport und Installation.
- Trockentransformatoren für Hochspannungsprüfung
Da sie durch Gießen oder Wickeln fester Isoliermaterialien wie Epoxidharz umschlossen sind, enthalten sie kein Isolieröl.
Vorteile: Kompakte Größe, geringes Gewicht, umweltfreundlich, wartungsarm, hohe Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Verunreinigungen. Geeignet für Labortests, Innentests oder feuchte Umgebungen.
Nachteile: Begrenzte Kapazität und Spannungsfestigkeit im Vergleich zu ölgekühlten Pendants; etwas höhere Kosten als ölgekühlte Produkte mit gleicher Spezifikation.
- Gasisolierte Hochspannungs-Prüftransformatoren
Als Isolier- und Kühlmedium werden Gase wie Schwefelhexafluorid (SF₆) oder Stickstoff verwendet, die in einem Metallgehäuse eingeschlossen sind.
Vorteile: Hohe Isolationsfestigkeit, gute Wärmeableitung, kompakte Bauweise, kein Risiko von Ölaustritt. Geeignet für spezielle Umgebungen wie Höhenlagen und explosionsgefährdete Bereiche.
Nachteile: Hohe Anforderungen an die Gasdichtigkeit; während des Betriebs ist eine regelmäßige Gasdrucküberwachung erforderlich, was zu relativ hohen Wartungskosten führt.
- Kaskaden-Hochspannungs-Testtransformatoren
Er besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelprüftransformatoren; eine extrem hohe Ausgangsspannung wird durch schrittweise Spannungsverstärkung erreicht.
Vorteile: Kann extrem hohe Ausgangsspannungen im Bereich von Hunderttausenden bis Millionen von Volt erzeugen und erfüllt damit die Testanforderungen von Ultrahochspannungsgeräten.
Nachteile: Komplexe Struktur, hohe Schwierigkeiten bei der Spannungsregelung und -steuerung sowie strenge Anforderungen an die Isolations- und Spannungsausgleichskonstruktion.
| Ölgetauchte Hochspannung Testtransformator | Trockentransformator für Hochspannung | Gasisolierter Hochspannungsprüftransformator | Hochspannungsprüftransformator in Kaskadenbauweise |
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- Klassifizierung nach Spannungsregelungsmodus
Autotransformator-geregelte Testtransformatoren
Ausgestattet mit einem eingebauten Spartransformator, passen sie die Eingangsspannung durch Änderung der Windungszahl der Primärwicklung an und variieren so die Ausgangshochspannung.
Vorteile: Einfache Struktur, leichte Bedienung und geringe Kosten. Geeignet für Testszenarien mit geringer bis mittlerer Kapazität und niedrigen Spannungspegeln.
Separat geregelte Testtransformatoren
Der Transformatorkörper ist vom Spannungsregler getrennt, bei dem üblicherweise ein elektrischer Spannungsregler oder ein induktiver Spannungsregler zum Einsatz kommt.
Vorteile: Hohe Regelgenauigkeit der Spannung, stabile Ausgangsspannung und Unterstützung für Fernsteuerung. Geeignet für Präzisionsprüfungen mit hoher Kapazität und hohen Spannungspegeln.
III. Klassifizierung nach Testwellenform/Frequenz
Netzfrequenz-Testtransformatoren
Sie liefern sinusförmigen Wechselstrom mit 50 Hz/60 Hz und werden für Spannungsfestigkeitsprüfungen elektrischer Geräte bei Netzfrequenz eingesetzt. Sie stellen die einfachste Art von Prüftransformatoren dar.
Serienresonanz-Testtransformatoren mit variabler Frequenz
Als Resonanz-Aufwärtswandler bestehen sie aus einem Prüftransformator, einem Erregertransformator, einer Drosselspule, einem Kondensator-Spannungsteiler und weiteren Komponenten zur Bildung eines Resonanzkreises.
Vorteile: Kompakte Größe, geringes Gewicht und hohe Kapazitätsausnutzung. Geeignet für Spannungsfestigkeitsprüfungen kapazitiver Prüflinge wie langer Kabel, Kondensatoren und Generatoren und reduziert effektiv den Kapazitätsbedarf der Prüfgeräte.
Impulsprüftransformatoren
Sie wurden speziell für die Erzeugung von Blitzstoßspannungen oder Schaltstoßspannungen entwickelt und simulieren Überspannungsspitzen in Stromnetzen.
Merkmale: Hohe momentane Ausgangsspannungsspitze und kurze Impulsdauer. Sie müssen mit einem Impulsspannungsgenerator verwendet werden und kommen bei Impulsspannungsprüfungen von Geräten wie Transformatoren und Überspannungsableitern zum Einsatz.
- Andere spezielle Typen
Tragbare Hochspannungsprüftransformatoren: Meist Trockentransformatoren oder kleine ölgekühlte Transformatoren, sind sie kompakt, leicht und einfach für den Einsatz vor Ort zu transportieren. Geeignet für die Vor-Ort-Prüfung von Stromleitungen und Verteilungsanlagen.
AC/DC-Doppelfunktions-Testtransformatoren: Sie können sowohl Wechsel- als auch Gleichspannung ausgeben, die über einen Gleichrichter umgeschaltet werden kann. Ein Gerät für mehrere Zwecke spart somit Investitionskosten.
Grundlegende Einführung
Elektrische Betriebsmittel müssen nach Verlassen des Werks, Übergabe oder nach größeren Wartungsarbeiten Wechselspannungsprüfungen unterzogen werden, um die Isolationsfähigkeit der Betriebsmittel gegen Überspannung im praktischen Einsatz zu beurteilen. Daher müssen Wechselspannungsprüfgeräte in Hochspannungslaboren oder Testeinrichtungen sowohl der Fertigungs- als auch der Betriebsabteilungen installiert werden.
Hochspannungsprüftransformatoren, kurz Prüftransformatoren genannt, sind in der Regel Aufwärtstransformatoren. Diese Prüftransformatoren nutzen die auf ihrer Sekundärseite induzierte Netzfrequenz-Hochspannung, um Isolationsprüfungen an verschiedenen elektrischen Produkten und Isoliermaterialien durchzuführen.
Prüftransformatoren sind unverzichtbare elektrische Geräte für Spannungsfestigkeitsprüfungen bei der Instandhaltung und Herstellung von Motoren, Transformatoren und elektrischen Produkten.
Zu den Hauptanwendungen von Prüftransformatoren gehören Spannungsfestigkeitsprüfungen elektrischer Produkte bei Netzfrequenz, Teilentladungsmessungen , thermische Stabilitätsprüfungen von Isoliermedien usw. Für elektrische Geräte im Mittel- und Hochfrequenzbereich können auch Prüftransformatoren mit speziellen Frequenzen für Spannungsfestigkeitsprüfungen und die Messung relevanter elektrischer Parameter eingesetzt werden.
Testtransformatoren weisen ein großes Spannungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung auf. Die Primärspannung variiert zwischen 0.4 kV, 3 kV, 6 kV und 10 kV, während die Sekundärspannung auf 100–2000 kV oder höher ausgelegt werden kann, bei einer Leistung von 3 kVA bis 9000 kVA.
Für Vor-Ort-Prüfungen von elektrischen Anlagen werden im Allgemeinen leichte Prüftransformatoren verwendet; 50-kV-Aufwärtsprüftransformatoren werden für Spannungsfestigkeitsprüfungen von elektrischen Anlagen wie 6-kV- und 10-kV-Transformatoren eingesetzt; für Spannungsfestigkeitsprüfungen von Hoch- und Höchstspannungsanlagen mit Spannungspegeln über 35 kV werden Höchstspannungsprüftransformatoren mit einer Spannung von mehr als dem Fünffachen der primären Nennspannung der geprüften Anlage verwendet, wie z. B. 500-kV-, 700-kV- und 800-kV-Aufwärtsprüftransformatoren mit spezifischen Leistungspegeln.
Das Funktionsprinzip von Prüftransformatoren entspricht dem von Leistungstransformatoren. Die Unterschiede bestehen darin, dass Prüftransformatoren mit hoher Betriebsspannung, kurzer Lebensdauer und geringer Temperaturerhöhung arbeiten und in der Regel keine Kühlkörper besitzen. Darüber hinaus weisen Prüftransformatoren geringe, meist kapazitive Lasten auf und ihre Leistung ist im Vergleich zu Leistungstransformatoren geringer.
Eigenschaften
Hochspannung: Die Primärspannung von Prüftransformatoren beträgt 220 V oder 380 V, während die Sekundärspannung eines einzelnen Prüftransformators oft mehrere Tausend bis Zehntausend Volt erreicht. Prüftransformatoren mit einer Sekundärspannung von über 750 kV sind üblicherweise in Kaskadenschaltung ausgeführt.
Niedriger Strom: Der Nennstrom von Prüftransformatoren entspricht dem kapazitiven Strom des Prüfobjekts und liegt daher im Allgemeinen unter 1 A. Prüftransformatoren, die für Kabel- und Großmotorprüfungen, Prüfungen auf externe Isolationsverschmutzung, Leitungskoronaprüfungen und andere Projekte eingesetzt werden, können jedoch einen Sekundärstrom von mehreren Ampere aufweisen.
Kurze Betriebszeit: Aufgrund der kurzen Spannungsfestigkeit der geprüften Produkte wird bei Prüftransformatoren im Allgemeinen ein Kurzzeitbetriebssystem von 0.5 h oder 1 h angewendet, außer bei solchen, die bei Prüfungen der externen Isolationsverschmutzung, Leitungskoronaprüfungen und Kabelprüfungen eingesetzt werden.
Einphasige Installation in Innenräumen: Testtransformatoren sind im Allgemeinen einphasige Geräte für den Innenbereich (einige sind auch für den Außenbereich geeignet). Alle verfügen über eine ölgekühlte, selbstkühlende Bauweise mit dicken Wicklungsisolierungsschichten, und die Hochspannungswicklung ist üblicherweise an einem Ende geerdet.
Ungleichmäßiges Isolationsniveau der Sekundärwicklung: Das obere Ende der Sekundärwicklung steht unter hohem Potenzial, während das untere Ende entweder direkt geerdet oder über ein Amperemeter geerdet ist.
Hohe Anforderungen an Konstruktion und Fertigung: Aufgrund der hohen Betriebsspannung hat die Isolationsstruktur entscheidenden Einfluss auf die Gesamtgröße des Prüftransformators. Das Transformatorgehäuse muss in der Regel vakuumgetrocknet werden, und bei Produkten über 100 kV ist eine Vakuumölfüllung erforderlich.
Klassifikation
Nach Bauart: Gekapselte Prüftransformatoren und Prüftransformatoren mit isoliertem Gehäuse.
Bei Netzfrequenz: Testtransformatoren mit Frequenzpegeln wie Netzfrequenz, frequenzvervielfachter Frequenz, Mittelfrequenz und Hochfrequenz.
Nach Spannungsebene: Niederspannungs-, Hochspannungs- und Höchstspannungs-Prüftransformatoren.
Nach Antragsformular: Leichte mobile und stationäre Transformatoren; Prüftransformatoren für den Einzelgebrauch und solche für die Kaskadenschaltung von zwei oder mehr Einheiten.
Prüftransformatoren sind im Allgemeinen einphasige, für den Innenbereich bestimmte Geräte mit einer ölgekühlten, selbstkühlenden Konstruktion. Aufgrund ihrer hohen Betriebsspannung sind ihre Wicklungsisolierungsschichten relativ dick, und ein Ende der Hochspannungswicklung ist geerdet.
Die spezifischen Bauarten von Prüftransformatoren lassen sich im Allgemeinen in drei Typen einteilen: Typ mit einfacher Durchführung, Typ mit doppelter Durchführung und Typ mit isolierendem Zylinder.
Technische Anforderungen
Ausgangsspannungsform: Die Ausgangsspannungsform von Prüftransformatoren sollte möglichst sinusförmig sein. Um Verzerrungen der Spannungsform durch Oberschwingungen zu minimieren, die entstehen, wenn die Oberschwingungskomponenten des Leerlaufstroms die Impedanz des Spannungsreglers und des Transformators durchlaufen, sollte die magnetische Flussdichte im linearen Bereich der Magnetisierungskurve des Eisenkerns gewählt werden. Zudem ist ein Spannungsregler mit geringer Wellenformverzerrung zu verwenden; gegebenenfalls können Filter hinzugefügt werden.
Impedanzspannung: Der Sekundärstrom von Prüftransformatoren ist im Allgemeinen ein kapazitiver Strom. Fließt der Sekundärstrom durch die Impedanz des Spannungsreglers und des Prüftransformators, überschreitet die Ausgangsspannung den durch das Übersetzungsverhältnis vorgegebenen Wert. Daher sollte die Impedanzspannung von Prüftransformatoren nicht zu hoch sein, da dies die Genauigkeit der Messergebnisse beeinträchtigen und die Kurzschlussfestigkeit des Prüfgeräts verringern kann. Ist die Impedanzspannung hingegen zu niedrig, kann der Kurzschlussstrom bei einem Durchschlag oder Überschlag des Prüflings ansteigen. Die Impedanzspannung eines einzelnen Prüftransformators liegt üblicherweise zwischen 4.5 und 10 % und kann bei Kaskadierung mehrerer Einheiten 30 bis 40 % erreichen.
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