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Beschreibung

Der rechnerische Nachweis der Kurzschlussfestigkeit beinhaltet:

  • die Berechnung der maximal auftretenden Kräfte in axialer und radialer Richtung
  • Bestimmung der höchstens zulässigen Beanspruchungen in axialer und radialer Richtung

 

Die Berechnung der Kurzschlusskräfte erfordert die Berechnung des Magnetfeldes im Bereich der Wicklungen. Dazu wählt man hinsichtlich der Netzimpedanzen und der Stufenschalterstellung des Transformators den ungünstigsten Fall aus, der zu den höchsten Kurzschlussströmen führt.

Im Falle des axialen Feldes tritt der Höchstwert üblicherweise im Bereich der Wicklungsmitte auf. An dieser Stelle herrscht ein sehr homogenes Magnetfeld, das auch analytisch mit hoher Genauigkeit berechnet werden kann. Das radiale Magnetfeld kann nur durch FEM-Simulationen mit ausreichender Genauigkeit berechnet werden.

Die Kraftwirkung wird entweder ebenfalls direkt mit dem FEM-Programm berechnet oder es erfolgt eine numerische Integration des Magnetfeldes im Bereich der Wicklungen, da der Strom während des Kurzschlusses als konstant angenommen werden kann. Letztes Verfahren wurde hier gemacht.

Abb. 1: Schnittzeichnung eines Transformators mit den wichtigsten Abmessungen

Die folgenden Bilder zeigen das mit einem FEM-Programm berechnete Magnetfeld im Bereich der Wicklungen und das axiale Komponente des Magnetfeldes entlang der Auswertelinien.

Abb. 2: Betrag der magnetischen Feldstärke H im Kernfenster eines 66-MVA-Transformators

Abb. 3: Axiales Magnetfeld entlang der Auswertelinien (evaluation lines) 1 und 2

Die magnetische Feldstärke, die sich aus der FEM-Berechnung ergibt, stimmt sehr gut mit dem analytisch bestimmten Wert von 2,4 MA/m überein.

Abb. 4: Betrag der Radialkomponente (x-Komponenete) des Magnetfeldes und Auswertelinien 1 - 5

Abb. 5: Betrag der Radialkomponente des Magnetfeldes entlang der Auswertelinien 1 – 5 (H1 – H5)

Abb. 6: Berechnung der Kraftkomponente in axialer Richtung durch numerische Integration des Magnetfeldes bei konstantem Strombelag über dem Wicklungsquerschnitt