Prüfung des K-Faktors von Transformatoren

Messaufbau zur Ermittlung des K-Faktors von Transformatoren

Ermittlung und Verifizierung des K-Faktors erfolgen üblicherweise nicht bei der Werksprüfung, sondern im Betrieb, unter Simulationsbedingungen oder Lasttestbedingungen mit Oberschwingungsverzerrung oder in einem speziellen Oberschwingungs-Lasttestaufbau mit programmierbaren Stromquellen.

Ein Leistungsanalysator erfasst das Spektrum der durch nichtlineare Lasten entstehenden Stromoberschwingungen, die in Transformatoren zusätzliche Erwärmung verursachen. Die Parameter für die K-Faktor-Formel werden in einem bestehenden Stromkreis gemessen und bilden damit die tatsächliche Oberschwingungsverzerrung insgesamt sowie für jede Oberschwingungsordnung ab, der der Transformator ausgesetzt ist. Ein moderner Leistungsanalysator kann anhand dieser Messungen den K-Faktor automatisch berechnen.

Interpretation der K-Faktor-Messergebnisse des Transformators

Die K-Faktor-Formel gewichtet jede Oberschwingung mit dem Quadrat ihrer Ordnungszahl. Oberschwingungen höherer Ordnung tragen aufgrund zusätzlicher Wirbelstromverluste deutlich stärker zur Erwärmung bei. Ein Transformator mit hohem K-Faktor beseitigt zwar nicht die Oberschwingungen, die durch die nichtlinearen Lasten des Systems entstehen. Er ist jedoch dafür ausgelegt, der Erwärmung aufgrund solcher Oberschwingungen standzuhalten. Das K-Faktor-Rating eines Transformators drückt also aus, dass dieser mit den Folgen von Stromoberschwingungen umgehen kann.

Die gängigen K-Faktor-Bewertungen können die Kaufentscheidung für einen bestimmten Transformator stützen:

• K-4-Transformatoren bewältigen geringe bis mittlere nichtlineare Lasten, beispielsweise in Büros mit Computern, elektronischen Geräten und LED-Beleuchtung.
• K-9-Transformatoren eignen sich gut für Systeme, in denen bis zu 50 % der Gesamtlast nichtlinear ist, beispielsweise in Krankenhäusern, Schulen und Gewerbegebäuden.
• K-13-Transformatoren halten nichtlinearen Lasten von bis zu 75 % stand, beispielsweise in Fabriken sowie im Telekommunikationsbereich in Serverräumen, Netzknoten und Funktürmen.
• K-20-Transformatoren können eine nichtlineare Last von bis zu 100 % bewältigen und eignen sich für Anwendungen mit hohem Oberschwingungsanteil, beispielsweise in Rechenzentren, USV-Anlagen und der IT-Infrastruktur.
• Transformatoren mit einem Rating über K-30 stellen Sonderanfertigungen dar. Sie kommen dort zum Einsatz, wo bei 100 % nichtlinearer Last extrem hohe Oberschwingungsströme auftreten.

Die Zahl der nichtlinearen Verbraucher hat rapide zugenommen und wird auf absehbare Zeit weiter steigen. Die Folge sind Rückwirkungen auf die Stromversorgungsnetze. In Verteiltransformatoren, die Oberschwingungsströmen ausgesetzt sind, entstehen erhöhte Wirbelstromverluste in den Wicklungen und Zusatzverluste in den Stahlbauteilen, die sich in Abwärme umsetzen.

Transformatoren mit hohem K-Faktor verfügen über:

• Robustere Kerne mit optimierter Flussdichte und Blechen aus verlustarmem Kernmaterial
• Wicklungen, die auf minimale Wirbelstromverluste ausgelegt und so geformt sind, dass sich die Wärme gleichmäßig über die Oberfläche verteilt
• Auf 200 % bemessene Neutralleiter, die den doppelten Nennstrom führen können
• Elektrostatische Schirme zum Schutz der Transformatorspulen und Elektronik

Ihre Herausforderungen bei der Ermittlung des K-Faktors von Transformatoren

Die Wahl eines Transformators mit passendem K-Faktor-Rating ist für eine sichere und effiziente Installation unerlässlich. Ein überdimensionierter Transformator ist unnötig teuer, ein unterdimensionierter dagegen kann überhitzen und ausfallen.

Die Ermittlung des K-Faktors eines Transformators erfordert mehr als die Messung der Gesamt-Oberschwingungsverzerrung (THD). Eine präzise, detaillierte Oberschwingungsanalyse ist unverzichtbar, da der K-Faktor aus den Effektivwerten der einzelnen Stromoberschwingungen berechnet wird. Selbst kleine Fehler bei Oberschwingungen höherer Ordnung können das Ergebnis spürbar beeinflussen.

Zu den typischen Herausforderungen zählen:

• Komplexe, transiente Oberschwingungsprofile: Anders als beim gleichbleibenden Profil einer sinusförmigen Last erzeugen oberschwingungsreiche Umgebungen transiente, schwankende Lasten.
• Breites Oberschwingungsspektrum und hoher Dynamikbereich: Moderne nichtlineare Lasten erzeugen ein komplexes Oberschwingungsspektrum, das über einen breiten Frequenzbereich zu erfassen ist. Dabei müssen Oberschwingungen höherer Ordnung mit kleiner Amplitude neben dem sehr viel stärkeren Grundschwingungsstrom präzise gemessen werden.
• Oberschwingungsbedingte Hotspots: Die ungleichmäßige Verlustverteilung erfordert empfindlichere Temperaturmessungen.
• Phasenwinkeleffekte: Bei einer präzisen K-Faktor-Prüfung müssen neben den Oberschwingungsamplituden auch die Auswirkungen der Oberschwingungs-Phasenwinkel berücksichtigt werden.
• Triplen-Oberschwingungen: Vielfache der dritten Oberschwingung (z. B. 3., 9., 15.) erhöhen die Wicklungs- und Wirbelstromverluste und führen zu einer überproportionalen Erwärmung des Transformators.
• Einzelne Oberschwingungen vs. THD: Ähnliche THD-Werte können zu deutlich unterschiedlichen K-Faktoren führen, da sich der tatsächliche Effekt einzelner Oberschwingungen nicht zwangsläufig im gemessenen oder berechneten Gesamt-THD niederschlägt.
• Repräsentative Betriebsbedingungen: K-Faktor-Ergebnisse sind nur dann aussagekräftig, wenn die Messungen das tatsächliche Lastprofil des Transformators abbilden.
• Automatische Berechnung und Berichterstellung: Die automatisierte K-Faktor-Berechnung und der standardisierte Datenexport verbessern die Wiederholgenauigkeit, verringern den manuellen Aufwand und vereinfachen die Dokumentation.
• Zukunftssicherheit: Jede Berechnung auf Basis einer heute durchgeführten Oberschwingungsanalyse sollte berücksichtigen, dass der Anteil nichtlinearer Lasten künftig zunehmen kann.

Unsere Lösungen zur Ermittlung des K-Faktors von Transformatoren

Ein Harmonischen-Analysator ist das grundlegende Werkzeug, um die gesamte Oberschwingungsbelastung zu bewerten und einzelne Oberschwingungsordnungen zu messen. Für breiter angelegte, anspruchsvollere Anwendungen, die eine explizite Ermittlung des K-Faktors erfordern, ermöglicht ein Leistungsanalysator zusätzlich eine tiefergehende Analyse im Zeit- und Frequenzbereich. Der LMG671 Präzisions-Leistungsanalysator bietet mit seiner Oberschwingungsanalyse bis zur 2000. Ordnung (bzw. bis 150 kHz) ein außergewöhnlich breites Spektrum für die direkte Messung von Stromoberschwingungen mittels hochauflösender Fast-Fourier-Transformation (FFT).

Entdecken Sie, was der LMG671 für Sie leisten kann:

• Präzise Messungen von Spannung, Strom und Frequenz sowie des THD von Spannung und Strom
• Periodensynchrone Berechnung und Ausgabe des K-Faktors in Echtzeit mit einem einzigartigen, integrierten Skript-Editor
• Leistungsqualitätsanalyse im Zeit- und Frequenzbereich
• Darstellung und Quantifizierung einzelner Oberschwingungskomponenten
• Darstellung des nicht-sinusförmigen Lastverhaltens als Signalverlauf zur schnellen Analyse
• Hoher Dynamikbereich, der höchste Messgenauigkeit bei schwachen Oberschwingungen höherer Ordnung neben starken Grundschwingungsströmen ermöglicht