1. Einführung
Die Blitzimpulsprüfung ist eine obligatorische dielektrische Typ- und Routineprüfung, die beweist, dass ein Leistungstransformator den steilen, großen Spannungsstößen standhalten kann, die durch Blitzeinschläge und Schaltvorgänge in einem Freileitungsnetz verursacht werden. Bei einem 15-MVA-Leistungstransformator muss das Isolationssystem anhand des angegebenen Basic Impulse Level (BIL) überprüft werden, der für dieses Gerät bei 170 kV Spitze liegt. Dieser Artikel beschreibt den Testaufbau, die angewandte Wellenform, die Interpretation der aufgezeichneten Oszillogramme und die Akzeptanzkriterien zur Bestätigung der Integrität der Wicklungsisolierung.
2. Transformatornennwerte und Prüfspannungen
Das zu testende Gerät ist ein in Öl getauchter, ONAN-gekühlter dreiphasiger Abwärtstransformator. Nachfolgend sind die wichtigsten Typenschilddaten und die zugehörigen dielektrischen Prüfspannungen zusammengefasst. Der 170-kV-BIL wird als Vollwellen-Blitzimpuls angewendet, während die Werte für Schaltimpuls und Netzfrequenzfestigkeit die Gesamtisolationskoordination bestätigen.
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Parameter |
Wert |
Standard / Bemerkung |
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Nennleistung |
15 MVA |
ONAN / ONAN-Kühlung |
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Nennspannungen (HV / LV) |
110 kV / 33 kV |
Dreiphasig, 50 Hz |
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Grundlegendes Impulsniveau (BIL) |
170 kV |
Vollwelle, 1,2/50 µs |
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LI-Prüfspannung (Spitze) |
170 kV |
IEC 60076-3 / IEC 60060-1 |
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Impuls mit gehackter Welle |
187 kV (170 × 1,10) |
Scheitelpunkt nicht weniger als 170 kV |
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Schaltimpuls (SI) |
117 kV |
250/2500 µs |
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Anliegende Spannung standhalten |
5,5 kV / 95 kV |
Spannend-aufziehend / induziert |
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Netzfrequenzbeständig |
140 kV RMS |
Separate AC-Quelle |
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Impulsgenerator |
600 kV, 20 kJ |
8-stufiger Marx-Generator |
Tabelle 1 - Typenschild-Nennwerte und dielektrische Prüfspannungen für den 15-MVA-Transformator.
3. Objektive und anwendbare Standards
Das Ziel besteht darin, nachzuweisen, dass die Transformatorisolierung dem angegebenen BIL ohne Ausfall standhalten kann, und etwaige interne Isolationsschwächen zu erkennen. Die Prüfung wird gemäß IEC 60076-3 (Leistungstransformatoren – Isolationspegel, dielektrische Prüfungen) und IEC 60060-1 (Hochspannungsprüftechniken) durchgeführt. Ein digitales Impulsmesssystem erfasst die Spannung und den transienten Strom durch den Neutralleiter und erstellt daraus die zur Auswertung dienenden Oszillogramme.
4. Testaufbau und Schaltung
Der Impuls wird von einem mehrstufigen Marx-Generator mit 600 kV / 20 kJ erzeugt und an den Hochspannungsanschluss (HV) angelegt. Der Neutralleiter ist über einen Stromshunt mit niedriger Induktivität geerdet, und die Niederspannungswicklung ist kurzgeschlossen und geerdet. Ein gedämpft-kapazitiver Spannungsteiler liefert das Spannungssignal an den Digitalrekorder. Die wesentliche Anordnung ist:
Impulsgenerator: 8-stufige Marx-Widerstände zur Wellenfrontformung, die eine Standardwelle von 1,2/50 µs erzeugen.
Spannungsteiler: gedämpft-kapazitiver Teiler, kalibriert nach IEC 60060-2.
Strommessung: Shunt mit niedriger Induktivität am Neutralleiter zur Erfassung transienter Ströme.
Aufzeichnung: Digitalrekorder, Abtastrate größer oder gleich 100 MS/s, für genaue Frontzeiterfassung.
Reihenfolge: eine kalibrierte Welle, dann drei Vollwellen bei 170 kV, negative Polarität.
5. Impulswellenform und Parameter
Der Standard-Blitzimpuls hat eine virtuelle Frontzeit von 1,2 µs und eine Zeit bis zur Halbwertszeit von 50 µs (bezeichnet als 1,2/50 µs). Die aufgezeichneten Oszillogramme müssen auf Spitzenwert, Frontzeit und Zeit bis zur Halbwertszeit analysiert werden. Abweichungen wie Überschwingen, Schwingungen oder eine verzerrte Heckwelle können auf Wicklungsresonanz oder teilweisen Ausfall hinweisen.
Spitzenwert: 170 kV ± 3 % Toleranz zulässig.
Frontzeit T1: 1,2 µs ± 30 %.
Zeit bis zur Halbwertszeit T2: 50 µs ± 20 %.
Polarität: negativ (gemäß Norm).
6. Interpretation der Oszillogramme
Die Oszillogramme sind der wichtigste Beweis für die Integrität der Isolierung. Ein intakter Transformator erzeugt eine glatte Spannungswelle mit einem Spitzenwert und eine entsprechende Neutralstromkurve, die aus einer scharfen anfänglichen kapazitiven Spitze besteht, gefolgt von niedrigen, abklingenden Schwingungen. Der Vergleich erfolgt mit einer Referenzwelle mit reduzierter Spannung (typischerweise 50–75 % der gesamten BIL). Folgende Signaturen werden ausgewertet:
*Normale Aufzeichnung – unveränderte Wellenform gegenüber der Referenz; kein abrupter Spannungseinbruch.
*Durchbruch der Wicklungsisolierung – plötzlicher Spannungsabfall oder abgehackte Welle, gefolgt von einem hohen Dauerstrom.
*Teilentladung/Wende-zu-Wende-Fehler – Verformung des Schwanzes und erhöhte Hochfrequenzschwingung.
*Verschobene oder gedämpfte Welle – möglicher Serien- oder Shunt-Impedanzfehler; erfordert eine Untersuchung.
7. Akzeptanzkriterien
Der Test gilt als erfolgreich, wenn alle drei Vollwellen bei 170 kV keine Anzeichen eines Durchschlags zeigen. Die aktuellen Oszillogramme müssen abgesehen von der erwarteten Amplitudenskalierung in ihrer Form mit der Referenzaufzeichnung identisch sein. Jede über die Rauschtoleranz hinausgehende Änderung der Spannung oder des Stromverlaufs erfordert eine Wiederholung des Tests und, falls bestätigt, eine interne Inspektion der Wicklung.
Die Blitzstoßprüfung an einem 170-kV-BIL liefert einen entscheidenden Nachweis der Isolationsfestigkeit des 15-MVA-Transformators. Durch die Kombination einer strengen Wellenformkontrolle mit einer sorgfältigen Analyse der aufgezeichneten Oszillogramme können Hersteller und Versorgungsunternehmen bestätigen, dass der Transformator Blitzüberspannungen im Betrieb zuverlässig standhält und die Anforderungen der IEC 60076-3 erfüllt.