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Erdungstransformatoren (Zick-Zack-Transformatoren) stellen in dreiphasigen Dreileiter-Stromnetzen einen Neutralpunkt für die Erdung bereit.

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Zickzack-Transformator

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Ein Erdungstransformator, allgemein als Zick-Zack-Transformator bekannt, ist ein Spezialtransformator, der dazu dient, einen Neutralpunkt für die Erdung in dreiphasigen Dreileiter-Stromnetzen bereitzustellen, die über keinen zugänglichen Neutralleiter verfügen. Er erzeugt einen künstlichen Neutralleiter, wodurch der Systemneutralleiter direkt an Erde oder über eine Erdungsimpedanz wie einen Neutralleiter-Erdungswiderstand (NGR) oder eine Neutralleiter-Erdungsdrossel (NGRa) angeschlossen werden kann.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Transformatoren ist ein Zick-Zack-Transformator nicht für die Versorgung elektrischer Verbraucher vorgesehen. Seine Hauptfunktionen sind die Systemerdung, die Fehlerstrombegrenzung und die Spannungsstabilisierung.

Funktionsprinzip
In einem symmetrischen Dreiphasensystem:
·Die drei Phasenströme sind gleich groß und um 120° phasenverschoben.
·Durch die Anordnung der Wicklungen heben sich die Magnetflüsse gegenseitig auf.
·Der Transformator zieht nur einen geringen Magnetisierungsstrom auf.

Bei einem einzelnen Leitungs-Erdungsfehler:
1. Fließt der Erdungsfehlerstrom durch den Transformator.
2. Die Zick-Zack-Wicklung bietet einen Rückweg für den Nullfolgestrom.
3. Der Sternpunkt bleibt stabil.
4. Schutzrelais erkennen den Fehler und schalten den betroffenen Stromkreis ab.

Aufbau der Zick-Zack-Wicklung
Der Transformator verfügt über:
· drei Schenkel
· zwei miteinander verbundene Wicklungen pro Schenkel
·Jede Wicklung führt die Hälfte von zwei verschiedenen Phasenwicklungen
·Die Wicklungen sind im Zickzackmuster verbunden

Diese Konfiguration:
·Erzeugt unter symmetrischen Bedingungen eine vernachlässigbare Spannung
·Bietet einen niederohmigen Pfad für Nullfolgeströme
·Verhindert, dass positive und negative Folgeströme durch den Neutralleiter fließen

Hauptkomponenten

Magnetkern
·CRGO-Siliziumstahlkern
·Drei- oder Fünf-Schenkel-Bauweise
·Verlustarme Lamellenkonstruktion

Wicklungen
·Kupfer- oder Aluminiumleiter
·Zick-Zack-Anordnung der miteinander verbundenen Wicklungen
·Ausgelegt für den Einsatz bei Erdschlussströmen

Neutralleiteranschluss
·Künstlicher Neutralpunkt
Mögliche Ausführungen:
·Fest geerdet
·Widerstandsgeerdet
·Reaktanzgeerdet

Kühlsystem
Ölgekühlte Ausführungen:
·ONAN – Öl, natürliche Luftkühlung
·ONAF – Öl, natürliche Luftkühlung mit Zwangsbelüftung
Trockenausführungen:
·AN – Natürliche Luftkühlung
·AF – Zwangsluftkühlung

Typische technische Spezifikationen
·Systemspannung: 3,3 kV – 66 kV (höhere Nennleistungen verfügbar)
·Nennleistung: 50 kVA – 10 MVA
·Frequenz: 50 Hz / 60 Hz
·Kühlung: ONAN, ONAF, AN, AF
·Neutralleiter-Erdung: Fest, über Widerstand oder Drossel
·Isolationsklasse: A, F oder H
·Kurzzeit-Fehlerstromfestigkeit: Typischerweise 10–60 s

Hauptmerkmale
·Schafft einen künstlichen Neutralleiter
·Stellt einen Pfad für Fehlerstrom her
·Verbessert die Systemstabilität
·Reduziert transiente Überspannungen
·Unterstützt den Betrieb von Schutzrelais
·Kompakte und wirtschaftliche Bauweise
·Hohe Kurzschlussfestigkeit
·Minimale Verluste unter normalen Betriebsbedingungen

Anwendungsbereiche
·Industrielle Mittelspannungsnetze
·Bergbaubetriebe
·Petrochemische Anlagen
·Windparks
·Solarkraftwerke
·Verteilerstationen von Energieversorgern
·Neutralleiter-Erdung von Generatoren
·Offshore-Plattformen
·Rechenzentren
·Wasser- und Abwasseraufbereitungsanlagen

Vorteile
·Ermöglicht die Erdung, wenn kein Neutralleiter vorhanden ist
·Verbessert die Sicherheit von Personal und Ausrüstung
·Begrenzt durch Erdschlüsse verursachte Überspannungen
·Ermöglicht selektiven Fehlerstromschutz
·Kompatibel mit Neutralleiter-Erdungswiderständen und -Drosseln
·Geringer Wartungsaufwand
·Zuverlässiger Langzeitbetrieb

Auslegungsaspekte
Bei der Auslegung eines Erdungstransformators berücksichtigen Ingenieure in der Regel:
·Systemspannung
·Höhe des Fehlerstroms
·Fehlerdauer (z. B. 10 s, 30 s oder 60 s)
·Erdungsmethode (direkt, über Widerstand oder Drossel)
·Isolationsniveau (BIL)
·Kühlungsart
·Installation im Innen- oder Außenbereich
·Umgebungsbedingungen

Geltende Normen
Zu den gängigen internationalen Normen gehören:
·IEC 60076 – Leistungstransformatoren
·IEEE C57.32 – Anforderungen, Terminologie und Prüfvorschriften für Neutralleiter-Erdungsvorrichtungen
·IEEE C57.12-Reihe – Allgemeine Anforderungen an Transformatoren
·Versorgungs- und kundenspezifische Erdungsvorschriften

Typische Installation
Eine typische Erdungstransformator-Installation umfasst:
·Mittelspannungsschaltanlage
·Zick-Zack-Transformator
·Neutralleiter-Erdungswiderstand (NGR) oder Neutralleiter-Erdungsdrossel
·Neutralstromwandler (CT)
·Erdschlussschutzrelais
·Überspannungsableiter
·Anschluss an das Erdungsgitter
·Überwachungs- und Steuerungsgeräte

Zusammenfassung
Ein Erdungstransformator (Zick-Zack-Transformator) ist ein Spezialtransformator, der dazu dient, in Dreiphasensystemen, in denen kein stabiler Neutralpunkt vorhanden ist, einen solchen herzustellen. Indem er einen kontrollierten Pfad für Nullsequenz- und Erdschlussströme bereitstellt, verbessert er die Systemsicherheit, die Leistung der Schutzrelais und die Spannungsstabilität. Zick-Zack-Transformatoren werden häufig in Industrieanlagen, Anlagen für erneuerbare Energien und Verteilungsnetzen von Energieversorgern eingesetzt, wo eine wirksame Erdung unerlässlich ist.