Grundlagen der Transformatoren und Energietechnik

1. Wichtige Komponenten eines Transformators

Transformatoren sind Geräte, die auf dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion basieren. In ihrer einfachsten Form bestehen sie aus zwei Spulen, die auf einen geschlossenen Kern aus weichem Eisen oder Siliziumstahl gewickelt sind. Die Spulen oder Wicklungen werden als Primär- und Sekundärwicklung bezeichnet, je nachdem, ob sie Energie in das System aufnehmen oder abgeben. Darüber hinaus gibt es Transformatoren mit Tertiärwicklungen; in diesem Fall kann eine dritte Wicklung vorhanden sein, die eine geringere Spannung als die Sekundärwicklung aufweist.

2. Was ist ein Transformator?

Man bezeichnet ein Gerät als elektrischen Transformator, wenn es die Spannung in einem Wechselstromkreis bei gleichbleibender Frequenz erhöhen oder verringern kann. Die Leistung, die in das Gerät eintritt, ist im Falle eines idealen Transformators (d. h. ohne Verluste) gleich der am Ausgang erhaltenen Leistung. Reale Maschinen weisen jedoch einen kleinen Prozentsatz an Verlusten auf, der von Design, Größe und weiteren Faktoren abhängt.

3. Was ist ein Spartransformator?

Ein Spartransformator ist eine elektrische Maschine mit Eigenschaften, die denen eines herkömmlichen Transformators ähneln. Im Gegensatz zu diesem besitzt er jedoch nur eine einzige Wicklung um den Kern. Diese Wicklung muss mindestens drei elektrische Anschlusspunkte, sogenannte Anzapfungen, haben. Die Spannungsquelle und die Last sind mit zwei dieser Anschlüsse verbunden, während ein Anschluss (das Ende der Wicklung) eine gemeinsame Verbindung für beide Stromkreise (Quelle und Last) darstellt. Jede Anzapfung entspricht einer anderen Spannungsquelle oder Last.

4. Vorteil von dünnen Stahlblechen im Kern

Wirbelstromverluste entstehen durch den Wechselfluss, der nicht nur eine EMK in den Wicklungen des Transformators induziert, sondern auch im Eisenkern. Dies erzeugt einen kleinen Stromfluss, der den Kern erhitzt. Wäre der Kern aus massivem Stahl gefertigt, wären die Wirbelstromverluste untragbar. Aus diesem Grund werden Transformatorkerne aus dünnen Siliziumstahlblechen konstruiert, was den Widerstand gegen induzierte Wirbelströme erhöht. Die Lamellen werden in einem Elektroofen behandelt und mit einer dünnen Lackschicht überzogen, um den Widerstand weiter zu steigern.

5. Sekundärspannung höher als Primärspannung

Das Übersetzungsverhältnis (m) der Spannung zwischen Primär- und Sekundärwicklung hängt von der Anzahl der Windungen ab. Wenn die Windungszahl der Sekundärseite dreimal so hoch ist wie die der Primärseite, verdreifacht sich die Sekundärspannung. Ein Transformator, dessen Sekundärwicklung mehr Windungen als die Primärwicklung hat, wirkt spannungserhöhend. Umgekehrt erzeugt eine Sekundärspule mit weniger Windungen eine niedrigere Spannung.

6. Sternschaltung vs. Dreieckschaltung

Die Spannung in einer im Stern geschalteten Sekundärseite ist 1,73-mal höher, als wenn sie im Dreieck geschaltet wäre. Wenn ein Motor direkt gestartet wird, ist die Stromstärke 5- bis 7-mal höher als bei Volllast. Bei leistungsstarken Motoren muss daher eine Methode zur Reduzierung des Anlaufstroms angewendet werden, wie zum Beispiel der Stern-Dreieck-Anlauf. Mit dieser Methode beträgt der Anstieg des Stroms beim Start nur das 2- bis 4-fache des Nennstroms. Eine Voraussetzung ist, dass die Statorwicklungen des Motors für den Betrieb in Dreieckschaltung ausgelegt sind und alle Enden nach außen geführt wurden. Bei der Sternschaltung eilt die Sekundärspannung der Primärspannung um 30° nach, und es treten keine Probleme mit der dritten Harmonischen auf. Diese Verbindung wird oft genutzt, um Spannungen auf hohe Werte zu transformieren. Im Gegensatz dazu kann die Dreieckschaltung Probleme beim Parallelbetrieb verursachen, da die Phasenwinkel der Sekundärseiten identisch sein müssen.

7. Unterscheidung von Hoch- und Niederspannungsseite

Eine Hochspannungswicklung besteht aus einer größeren Anzahl von Windungen mit einem kleineren Leiterquerschnitt. Im Gegensatz dazu besteht die Niederspannungsseite aus einer geringeren Anzahl von Windungen mit Leitern eines größeren Querschnitts.

8. Zweck eines Hochspannungsnetzes

Bei der Übertragung muss die erzeugte Elektrizität transformiert werden, indem die Spannung erhöht wird. Dies geschieht unter der Berücksichtigung, dass bei gleichbleibender Leistung eine Erhöhung der Spannung den fließenden Strom reduziert, wodurch die ohmschen Verluste verringert werden.

10. Bündelleiter in Übertragungsleitungen

Es ist vorteilhaft, mehr als einen Leiter pro Phase zu verwenden, was als Bündelleiter bekannt ist. Dies erhöht den effektiven Radius der Leitungen und verringert den Oberflächengradienten, wodurch Korona-Erscheinungen minimiert werden. Ein weiterer Vorteil ist die Reduktion der Leitungsreaktanz.

11. Was ist der Skin-Effekt?

Der Skin-Effekt (Hauteffekt) beschreibt, dass die Stromdichte an der Außenseite eines Leiters höher ist als in der Mitte. Der Strom tendiert dazu, an der Peripherie des Leiters zu fließen.

12. Verringerung des Skin-Effekts

Eine Möglichkeit, diesen Effekt abzumildern, ist die Verwendung von Litzendraht, der aus vielen kleinen, voneinander isolierten Leitern besteht, die nur an den Enden verbunden sind. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Hohlleitern, wie sie oft in Umspannwerken als starre Leiter eingesetzt werden.

13. Was ist der Korona-Effekt?

Die Korona-Entladung ist eine teilweise Entladung (manchmal leuchtend), die durch die Ionisierung des den Leiter umgebenden Gases entsteht, wenn der Spannungsgradient einen bestimmten Wert überschreitet.

14. Negative Auswirkungen der Korona

Sie verursacht Energieverluste, Funkstörungen (Rauschen), Materialverschleiß an der Ausrüstung und die Produktion von chemischen Schadstoffen.

15. Zweck von Erdseilen auf Übertragungsleitungen

Ihr Ziel ist es, Blitzeinschläge abzufangen und die stromführenden Kabel zu schützen. Diese Schutzleiter werden als Erdseile bezeichnet.

16. Sinn der Redundanz bei Fernleitungen

Zusätzliche Leitungen ermöglichen:

• Mehr Flexibilität beim Betrieb des Systems.
• Höhere Zuverlässigkeit und Versorgungssicherheit.
• Reduzierung von Energieverlusten und Spannungsabfällen.
• Übertragung größerer Stromstärken.

17. Glockenform von Hochspannungsisolatoren

Die charakteristische Glockenform verhindert Dienstunterbrechungen durch Isolatorbruch und bietet eine hohe Pannensicherheit. Die Form erhöht den Widerstand gegen Kompression und verhindert die Bildung von Kriechwegen durch Feuchtigkeit, da Wasser problemlos abtropfen kann. Zudem schützt sie vor Staub und ätzenden Ablagerungen.

18. Mechanische Resonanz durch Wind

Um mechanische Resonanzen zu verhindern, werden Gewichte (Dämpfer) in der Nähe der Masten angebracht. Diese erhöhen die Dämpfung des Systems und schützen die Leiterseile.

19. Ursachen für Überspannungen

Überspannungen können auftreten durch:

• Resonanzeffekte bei Leitungen mit Kompensation.
• Lastabwurf bei Volllast, was zu einem Anstieg der Generatorspannung führt.
• Gleichzeitige Erdschlüsse während Schaltvorgängen.

20. Hochspannungsschaltanlagen

Schaltanlagen für Spannungen über 1 kV werden nach Zweck und Antrieb klassifiziert:
1. Nach Zweck: Trennschalter, Lasttrennschalter, Leistungsschalter.
2. Nach Antriebsart: Manuell, Federkraft, Öldruck, Hydraulik oder Elektrisch.

21. Was ist ein Hochspannungs-Trennschalter?

Trennschalter sind Geräte, die nicht unter Last geöffnet werden dürfen. Sie können keinen Lichtbogen löschen, der beim Trennen der Kontakte unter Stromfluss entstehen würde.

27. Kompakte Umspannwerke

Ein kompaktes Umspannwerk liegt vor, wenn der Transformator, die Hochspannungs- und die Niederspannungszellen eine bauliche Einheit bilden. Sie können nah am Verbrauchszentrum installiert werden, um Leistungsverluste und Installationskosten zu minimieren.

28. Motor Control Center (MCC)

Dies ist ein Schaltschrank für den Betrieb von Maschinen, bestehend aus Modulen oder Kabinen. In der Industrie enthält jede Kabine meist die Schutzschalter, Schütze und Relais für einen spezifischen Motor.

30. Auswirkungen von Kurzschlüssen

Ein Kurzschluss verursacht extreme Stromstärken und belastet metallische Elemente:

• Thermische Belastung: Schutz erfolgt durch Sicherungen oder Leistungsschalter.
• Elektrodynamische Belastung: Starke Kräfte zwischen den Leitern können diese mechanisch zerstören oder zum Vibrieren bringen (Peitscheneffekt), was weitere Lichtbögen und Brände verursachen kann.

31. Funktionsweise einer Glühbirne

Durch die Joulesche Erwärmung eines Metalldrahtes (Filament) führt der elektrische Widerstand zur Erzeugung von Hitze. Die Temperatur steigt auf einen Wert T, bei dem die Farbe des Lichts durch die Strahlung bestimmt wird.

32. Dritte Harmonische in Transformatoren

Diese entsteht durch die Sättigung der Transformatorkerne. Ein sinusförmiger Magnetisierungsstrom wird verzerrt, wodurch neben der Grundfrequenz eine starke dritte harmonische Komponente auftritt.

33. GuD-Kraftwerke (Kombiprozess)

Bei der Gas-und-Dampf-Erzeugung (GuD) werden die heißen Abgase einer Gasturbine genutzt, um Dampf für eine zweite Turbine zu erzeugen. Dies treibt einen weiteren Generator an, um die Effizienz zu steigern.

34. Standortvorteile: Thermisch vs. Hydraulisch

Thermische Anlagen können fast überall dort installiert werden, wo Brennstoffe (Gas, Diesel, Kohle) verfügbar sind. Wasserkraftwerke sind hingegen an geografische Gegebenheiten gebunden und von saisonalen Wasserständen (Trocken- oder Regenzeiten) abhängig.

35. Turbinenunterschiede

In thermischen Anlagen erfährt das Arbeitsfluid (Dampf oder Gas) aufgrund seiner Dichte starke Änderungen beim Durchgang durch die Maschine. In Wasserkraftwerken ändert das Fluid (Wasser) seine Dichte beim Weg durch das Laufrad kaum.

36. Alternative bei Platzmangel

Wenn für ein herkömmliches Umspannwerk im Freien kein Platz ist, kann eine SF6-isolierte Schaltanlage (Schwefelhexafluorid) verwendet werden.

37. Häufige Fehlerarten im Stromnetz

Dazu gehören: Kurzschlüsse durch Isolationsfehler, Überhitzung, Blitzeinschläge und Überspannungen.

38. Messgeräte in elektrischen Anlagen

Häufig verwendet werden: Amperemeter, Wattmeter, Voltmeter, Frequenzmesser und Ohmmeter.

39. Rolle und Funktion von Sicherungen

Sicherungen schützen vor Kurzschluss oder Überlast. Wenn der Strom den zulässigen Wert überschreitet, schmilzt ein Element in der Sicherung und unterbricht den Stromkreis sofort, um Schäden oder Brände zu verhindern.

40. Kernkraftwerke zur Grundlastabdeckung

Kernkraftwerke decken die Grundlast ab, da der Reaktor am effizientesten bei konstanter Leistung und mit möglichst geringen Störungen (Verbrauchsschwankungen) arbeitet.

35b. Einsatz von Pelton-Turbinen

Pelton-Turbinen werden bei großen Fallhöhen, aber kleinen Durchflussmengen eingesetzt. Sie finden oft in abgelegenen Gebieten Anwendung, um die Wasserkraft kleiner Bäche in elektrische Energie umzuwandeln.