Transformatoren in Umspannwerken: Grundlage der Stromverteilung

Transformatoren in Umspannwerken wandeln das Spannungsniveau der elektrischen Energie so um, dass diese sicher und effizient durch den nächstgelegenen Netzabschnitt weitergeleitet werden kann. Sie verbinden Netze mit unterschiedlichen Spannungsniveaus und gehören deshalb zu den grundlegenden Geräten der Verteilungsinfrastruktur. Ihre Aufgabe endet jedoch nicht bei der bloßen Spannungsumwandlung. Leistung, Verluste, Kühlungsart, Regelung sowie die Betriebsbedingungen des Transformators beeinflussen das Funktionieren des gesamten Umspannwerks. Die richtige Wahl basiert somit immer auf konkreten Netzparametern und der angenommenen Last.

Was macht ein Transformator im Umspannwerk?

Transformatoren sorgen im Umspannwerk für die Umwandlung des elektrischen Stroms zwischen unterschiedlichen Spannungsniveaus. Im Verteilungsnetz geht es dabei meist um die Spannungsabsenkung auf ein Niveau, welches für die weitere Verteilung oder einen bestimmten Verbrauch geeignet ist. Das Stromnetz arbeitet dabei von der Erzeugung bis zum Verbrauch nicht nur mit einem einzigen Spannungsniveau. Der Strom durchläuft mehrere Teile des Stromnetzes und die Spannung wird dann schrittweise an den Zweck des jeweiligen Netzabschnitts angepasst.

Dabei erzeugt ein Transformator gar keine elektrische Energie. Er überträgt sie mittels elektromagnetischer Induktion zwischen elektrischen Stromkreisen und verändert dabei das gegenseitige Verhältnis zwischen Spannung und Strom. Bei einem herkömmlichen Wechselstromtransformator bleibt die Frequenz gleich.

Warum kommen im Stromnetz unterschiedliche Spannungsniveaus zum Einsatz?

Bei der Übertragung der gleichen Leistung ermöglicht eine höhere Spannung den Betrieb mit geringerer Stromstärke. So lassen sich jene Verluste begrenzen, die in den Leitungen aufgrund ihres elektrischen Widerstands entstehen. Näher an den Verbrauchern muss die Spannung jedoch an die weitere Verteilung und an die an das Netz angeschlossenen Geräte angepasst werden. Transformatoren stellen somit die Verbindung zwischen den einzelnen Spannungsebenen her.

Gleichzeitig ist ein Umspannwerk auch jener Ort, an dem der elektrische Strom verteilt, geschaltet, gemessen und auch geschützt wird. Falls dort eine Spannungsänderung eintritt, wird der Trafo zu einem der wichtigsten technischen Bestandteile.

Transformatoren funktionieren im Umspannwerk nicht eigenständig

Ein Transformator ist Teil eines größeren technischen Ganzen. Damit das Umspannwerk seiner Aufgabe auch sicher gerecht werden kann, muss der Trafo mit anderen Geräten zusammenarbeiten. Je nach Typ und Konfiguration des Umspannwerks, können es folgende sein:

• Schalt- und Schutzelemente,
• Sammelschienen und elektrische Leitungen,
• Messgeräte,
• Schutzsysteme,
• Steuer- und Kommunikationselemente,
• Erdungsvorrichtungen,
• Systeme im Zusammenhang mit der Kühlung und dem Betrieb des Trafos.

Wichtig ist dabei vor allem die Koordination der Schutzgeräte. Im Falle einer Störung muss das System nämlich den Zustand des Netzes korrekt auswerten und den jeweiligen Teil der Anlage entsprechend dem Schutzkonzept abschalten. Bei der Auswahl eines Trafos reicht es daher nicht aus, nur das Gerät an sich zu beurteilen. Es muss sowohl dem elektrischen Anschluss als auch dem Schutzsystem und den Betriebsbedingungen des gesamten Umspannwerks entsprechen.

Welche Transformatoren kommen in Umspannwerken zum Einsatz?

In Verteilungs- und Industrieanwendungen kommen vor allem Öltransformatoren und Trockentransformatoren zum Einsatz, wobei keiner dieser beiden Typen partout als die bessere Lösung bezeichnet werden kann. Die Eignung hängt von der Leistung, dem Standort, den Platzverhältnissen, den Anforderungen an Kühlung und Brandschutz wie auch von der Wartung und weiteren Projektparametern ab. Bei der konkreten Planung müssen wir daher von den technischen Ausgangsbedingungen ausgehen. Die Entscheidung zwischen einem Öltransformator und einem Trockentransformator ist erst das Ergebnis einer Auswertung konkreter Projektanforderungen.

Auf welche Parameter kommt es bei der Auswahl eines Transformators für Umspannwerke an?

Die Nennleistung gehört zu den wichtigsten Trafo-Daten, sie reicht jedoch für sich allein nicht aus. Beim Entwurf müssen wir nämlich die gesamte Betriebssituation kennen. Zu den wichtigsten Eingangsparametern gehören:

• Nennleistung und das erwartete Lastprofil,
• Spannungsniveau auf der Primär- und Sekundärseite,
• erforderliches Übersetzungsverhältnis,
• korrekte Phasenfolge, Anschlussgruppe und Stundenwinkel (Phasenverschiebung),
• Art und Umfang der Spannungsregelung,
• Art der angeschlossenen Verbraucher oder Quellen,
• Umgebung und Standort,
• Anforderungen an die Kühlung,
• voraussichtliche Transformatorverluste,
• Schutzanforderungen und Kurzschlussverhältnisse,
• räumliche und konstruktionsbedingte Einschränkungen,
• gewünschte Betriebsart,
• voraussichtliche zukünftige Lastentwicklung.

Der Planer beurteilt also nicht nur, wie viel Leistung der Trafo übertragen soll. Ebenso wichtig ist der Umstand, wann und wie dieser belastet wird und in welcher elektrischen und physischen Umgebung dieser arbeiten wird.

Warum reicht es nicht aus, einen Transformator allein nach Leistung auszuwählen?

Zwei Transformatoren mit gleicher Nennleistung sind nicht unbedingt auch für dieselbe Anwendung geeignet. Der Unterschied kann beispielsweise im Spannungsniveau, der Kühlungsart, der Anschlussgruppe, der Regelung, der Umgebung oder dem Charakter der Last liegen. Bei einem stabilen industriellen Verbrauch gelten andere Bedingungen als bei einem Betrieb mit ausgeprägten Leistungsspitzen oder einer schwankenden Stromproduktion.

Von Bedeutung ist auch die zukünftige Entwicklung des Projekts. Wenn eine Erweiterung der Produktion, eine Anbindung weiterer Technologien, einer Ladeinfrastruktur oder einer neuen Stromquelle vorgesehen ist, kann sich die Last der gesamten Umspannwerke ändern. Das bedeutet jedoch nicht, dass die richtige Lösung ein möglichst großer Transformator ist. Eine überdimensionierte Anlage kann unnötig kostenaufwendig werden und muss nicht unbedingt der real gefahrenen Betriebsweise entsprechen. Das Ziel ist es, einen solchen Transformator auszuwählen, der den realen und erwarteten Anforderungen des Netzes entspricht.

Wie wirkt sich die Netzmodernisierung auf die Trafo-Anforderungen aus?

Das Verteilungsnetz muss sich den neuen Formen der Stromerzeugung und des Stromverbrauchs schrittweise anpassen. Zu den Abnahmearten kommen Fotovoltaik und Windkraftanlagen, Batteriespeicher, Ladestationen wie auch neue elektrifizierte Technologien in der Industrie hinzu. Diese Veränderungen können sich auswirken auf:

• Lastkurve im Tagesverlauf,
• Stromflussrichtung,
• Anforderungen an die Spannungsregelung,
• Leistungsspitzen,
• Stromqualität,

erforderliche Kapazität der Verteilungsinfrastruktur.

Bei der Modernisierung bestehender Umspannwerke sollte daher geprüft werden, ob der derzeitige Bestandstransformator immer noch der neuen Betriebsweise gerecht wird. Ein typisches Beispiel hierfür ist ein Areal, in welchem eine größere Anzahl von Ladestationen oder eine neue Erzeugungsquelle hinzukommen. Die ursprünglichen Netzparameter können sich derart stark verändern, dass die Leistung des Trafos, dessen Regelungsweise wie auch das Schutzkonzept neu beurteilt werden müssen.