Einfluss der Eisensättigung in Kraftwerkstransformatoren auf die subtransienten Generatorströme

Abstract

Moderne Kraftwerke sind mit automatischen Synchronisationseinrichtungen ausgestattet. Daher gehört die Fehlsynchronisation zu den seltenen Störfällen. Bei Versagen der Automatik zählt sie jedoch zu den schwersten Störfällen. Sie kann zu schweren Schäden am Generator, an den Turbinen und am Blocktransformator führen, wodurch sehr hohe Ausfall- und Reparaturkosten entstehen. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss der Sättigung von Kraftwerkstransformatoren auf die subtransienten Generatorströme und elektromagnetischen Luftspaltmomente in Folge der Fehlsynchronisation erforscht. Darüber hinaus wird untersucht, ob diese Größen durch den Einbauort des Leistungsschalters und durch die Sättigung des Eisenkerns des Blocktransformators wesentlich beeinflusst werden. Dazu wird zunächst anhand eines kleinen 5 kVA-Einphasentransformators ein Vergleich zwischen Berechnung und Messung durchgeführt, um zu prüfen, ob das angewandte dreidimensionale FE-Feldberechnungsprogramm Flux ausreichend genaue Ergebnisse liefert. Sowohl für den Leerlauf als auch für den Kurzschlussversuch ergeben sich relativ kleine Abweichungen (< 7 %), sodass von einer guten Übereinstimmung ausgegangen werden kann. Darauf aufbauend werden die Feldverläufe und die Änderungen der magnetischen Permeabilität im Eisenkern des ausgewählten Einphasentransformators analysiert, der im Vergleich zu den Mehrschenkel- und Mehrwicklungstransformatoren sehr einfach aufgebaut ist. Vorbereitend für die spätere Netzwerkanalyse wird die Abhängigkeit der Kurzschlussimpedanz von der angelegten Klemmenspannung bestimmt. Erwartungsgemäß nimmt wegen der Eisensättigung des Transformators die Kurzschlussimpedanz mit zunehmender Spannung ab. Den Kern der Arbeit bildet die Untersuchung der transienten Ausgleichsströme im System Generator-Transformator-Netz bei Fehlsynchronisation mit einem Winkel von 120° bzw. 180°, wobei jeweils zwei Varianten für den Einbauort des Synchronisationsschalters (auf der Ober- oder Unterspannungsseite) betrachtet werden. Die Simulationen werden sowohl mit dem Netzprogramm Netprog als auch mit dem FE-Programm Flux durchgeführt. Die daraus folgenden Ergebnisse werden analysiert und miteinander verglichen. Für die Simulationen wird ein 320 MVA-Dreischenkeltransformator als Beispiel ausgewählt. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass das Sättigungsverhalten von Dreiphasentransformatoren mittels einfacher numerisch-analytischer Ansätze, wie sie häufig in den Netzprogrammen verwendet werden, aufgrund der magnetischen Kopplungen der Wicklungen und der ungleichmäßigen Materialsättigung des Eisenkerns nicht richtig wiedergegeben werden kann. Anders als erwartet zeigen die Vergleiche, dass bei Annahme einer konstanten Permeabilität beide Programme vergleichbare Ergebnisse liefern. Eine weitere wichtige Erkenntnis aus dieser Arbeit ist, dass bei der Synchronisation auf der US-Seite nur geringfügig höhere Generatorströme entstehen als bei der Synchronisation auf der OS-Seite. Somit wurde die von Experten aufgestellte These „Man erreicht eine merkbare Reduzierung der maximalen Ströme und elektromagnetischen Luftspaltmomente, wenn der Synchronisationsschalter auf der OS-Seite eingebaut wird“ in dieser Arbeit nicht bestätigt.