Leerlaufprüfung von Transformatoren

Messaufbau für die Leerlaufprüfung von Transformatoren

Um einen optimalen Wirkungsgrad und minimale Leistungsverluste sicherzustellen, werden Transformatoren zweifach geprüft: vor der Serienproduktion zur Bewertung der Eignung für den vorgesehenen Einsatzzweck (Typprüfung) und nach der Fertigung erneut, um Qualität, Zuverlässigkeit und die Einhaltung geltender normativer und regulatorischer Anforderungen zu bestätigen (Abnahmeprüfung).

Zunächst misst die Leerlaufverlustprüfung die Eisenverluste eines Leistungstransformators im Betrieb unter realistischen Bedingungen, ohne dass eine Last angeschlossen ist. Der Leistungsanalysator wird an die Primär- bzw. Hochspannungsseite des Transformators angeschlossen, während die Sekundärseite offen bleibt. Deshalb wird dieser Test ohne angeschlossene Last auch als Leerlaufprüfung oder Leerlaufversuch bezeichnet. Die präzise Messung der Eisenverluste eines Transformators ist ein wesentlicher Aspekt jeder Typ- und Abnahmeprüfung.

Eisenverluste vs. Kupferverluste: Kurzschlussprüfung von Transformatoren

Im Anschluss an die Leerlaufprüfung verfolgt eine Kurzschlussprüfung einen umgekehrten Ansatz, um die Kupferverluste eines Transformators zu bestimmen. Die Primärseite des Leistungstransformators wird mit dem Leistungsanalysator verbunden, während die Sekundärseite (alle Phasen) kurzgeschlossen wird.

Erfahren Sie mehr über die Kurzschlussprüfung von Transformatoren.

Messung von Leerlaufstrom, korrigierter Leistung und Eisenverlusten bei der Prüfung von Leistungstransformatoren

Die Leerlaufverluste sind annähernd konstant und treten auf, sobald ein Leistungstransformator unter Spannung steht. Um diese Verluste zu quantifizieren, erfasst die Mehrkanalprüfung in einem einzigen Messaufbau folgende Größen – für jede Phase und für das Gesamtsystem:

• Leistung: Aus der Messung von Wirkleistung und Verlusten ergeben sich die Eisenverluste des Transformators.
• Strom: Die Messung des Magnetisierungsstroms zeigt, welcher Strom nötig ist, um den magnetischen Fluss im Kern aufzubauen und aufrechtzuerhalten.
• Spannung: Die Testbedingungen werden bei Nennspannung verifiziert.
• Frequenz: Die Frequenz im Prüfarbeitspunkt wird gemessen, damit sich die Leistung unter Berücksichtigung der Einflüsse der Testumgebung korrigieren lässt.

Gründe für die Messung der Eisenverluste

Die bei einer Leerlaufprüfung getrennt erfassten Kernverluste gehen im Wesentlichen auf Hysterese- und Wirbelstromverluste zurück:

• Hystereseverluste entstehen durch magnetische Reibung, die Wärme erzeugt, wenn der Wechselstrom seine Richtung ändert und den Kern wiederholt magnetisiert und entmagnetisiert. Ein Kern aus minderwertigem Elektroblech mit stärkerer Hysterese kann die Verlustleistung erhöhen. Hochleistungs-Elektroblech bietet einen höheren spezifischen Widerstand, eine höhere magnetische Permeabilität und geringere Kernverluste. Auch die Kernkonstruktion und die Frequenz des zugeführten Wechselstroms können die Hystereseverluste beeinflussen.
• Wirbelstromverluste entstehen durch Wirbelströme, die in den Kernblechen induziert werden und Wärme erzeugen. Dicke Kernbleche erhöhen die Wirbelstromverluste, dünnere senken die Leistungsverluste. Die Isolierung zwischen den Kernblechen muss angemessen sein; beschädigte Stellen sind zu beheben, um eine optimale Performance zu erzielen. Ein optimierter Flussweg verbessert zudem die magnetische Effizienz und trägt zu geringeren Eisenverlusten bei.

Herausforderungen bei der Leerlaufprüfung von Transformatoren

Die Transformatortechnik entwickelt sich laufend weiter, und mit ihr die Vorschriften. Bei der Leerlaufprüfung von Transformatoren stehen Hersteller und Prüflabore vor einer Reihe von Herausforderungen:

• Erfassung aller erforderlichen elektrischen Parameter für anspruchsvolle Tests: Leistung, Strom, Spannung und Frequenz sollten idealerweise in einem einzigen Messaufbau erfasst werden – mit einem präzisen Mehrkanal-Messgerät, das den nötigen Funktionsumfang mitbringt.
• Einhaltung der Normen der International Electrotechnical Commission (z. B. IEC 60076): Diese internationale Normenreihe für Leistungstransformatoren legt Messmethoden, Regeln und Toleranzen fest, die bei der Transformatorprüfung einzuhalten sind.
• Genauigkeit bei Messungen mit niedrigem Leistungsfaktor (Amplituden- und Phasengenauigkeit): Der geringe Strom und der niedrige Leistungsfaktor bei der Leerlaufprüfung verstärken den Einfluss von Fehlertoleranzen und erfordern daher eine hohe Messgenauigkeit.
• Korrigierte Leistungsmessung: Standardisierte und vergleichbare Messwerte müssen die Einflüsse der Testumgebung und Abweichungen von den Nennbedingungen der Versorgung berücksichtigen.
• Kompatibler Datenexport und auditkonforme Testdokumentation: Die gemessenen Parameter müssen in rückverfolgbaren Formaten gespeichert, verarbeitet und exportiert werden, die mit Drittanbietersoftware und Reporting-Systemen kompatibel sind.

Unsere Messlösung für die Leerlaufprüfung von Transformatoren

Der LMG671 Präzisions-Leistungsanalysator ermöglicht mit seinen S-Stromkanälen präzise und effiziente Messungen über die gesamte Testsequenz des Transformators. Bei Leerlaufprüfungen mit prinzipbedingt niedrigem Leistungsfaktor bleibt die Messgenauigkeit erhalten. Bei Kurzschlussprüfungen, wo hohe Ströme fließen, bleibt die Genauigkeit auch bei hoher Belastung erhalten – ohne Kompromiss zwischen beiden Anforderungen.

Der LMG671 vereint die benötigten Funktionen und Analysemöglichkeiten eines Präzisions-Leistungsmessers, eines Oszilloskops, eines Digitalmultimeters und eines Datenloggers in einem einzigen Gerät. Er ist ein multifunktionaler Leistungsanalysator, der flexible Mehrkanalmessungen ermöglicht und standardkonforme Daten liefert.

• Umfassende Konnektivität: Bis zu sieben Steckplätze, die mit Leistungsmesskanälen und/oder Prozesssignal-Schnittstellen (PSI) bestückt werden können, um die Leistung aller Phasen zu messen
• Zusätzliche Sensorsignale: Eine PSI-Integration zur Erfassung analoger und/oder digitaler Signale, die für den Arbeitspunkt relevant sind, etwa Umgebungs- und Prüflingsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Vibration
• Messgenauigkeit bei niedrigem Leistungsfaktor: Interner Zeitabgleich im Nanosekundenbereich zwischen den Strom- und Spannungsmesseingängen über alle Kanäle für eindeutige und hochgenaue Leistungsmessungen selbst bei extrem niedrigen Leistungsfaktoren bis ≤ 0,001
• Leistungsmess-Toleranzen: Abdeckung des gesamten Leistungsfaktorbereichs von PF = 0 bis 1, wodurch die komplexen Fehlerterme oder verborgenen Fehleranteile vermieden werden, die sonst bei niedrigem Leistungsfaktor auftreten können
• Anpassbares, anwendungsorientiertes Messmenü: Umfassende Übersichten mit angepassten Messmenüs, die alle numerisch oder visuell verfügbaren Messgrößen zusammenfassen
• Integrierte Stern-Dreieck-Umrechnung: Präzise Umrechnung von Außenleiter- in Phasenspannungen, die korrekte Wirkleistungen der einzelnen Phasen liefert – über die Softwareoption L6-OPT-SDC.
• Standardisierung: Präzise, zuverlässige und vergleichbare Testergebnisse gemäß IEC 60076