Grundwissen
Kurzschlussspannung - Wichtige Kenngröße von Verteilungstransformatoren (1)
luk11/2009, 2 Seiten
Verteilungstransformatoren Die Übertragung elektrischer Energie über größere Entfernungen ist nur mit Hochspannung wirtschaftlich. Die Übertragungsnetze werden deshalb mit 380 kV betrieben. Diese Höchstspannung wird durch Transformatoren in Stufen über 110 kV und 20 kV, teilweise auch 10 kV auf die Niederspannung der Versorgungsnetze von 400 V/230 V herabgesetzt. Seit der Anmeldung des Patentes eines „Drehstromtransformators mit magnetischer Verkettung der drei Stränge“ von Dolivo-Dobrowolsky2) im Jahre 1889 sind in den mehr als 100 Jahren Transformatoren mit hervorragenden technischen Eigenschaften hinsichtlich des Wirkungsgrades, der Zuverlässigkeit und Lebensdauer entwickelt worden. Die rund 600 000 in den Netzen der öffentlichen Energieversorgung eingesetzten Verteilungstransformatoren gewährleisten eine optimale Versorgungssicherheit der Tarifkunden. Die Arbeitsweise aller Verteilungstransformatoren besteht im Herabtransformieren der entsprechenden Netzspannungen. Die Oberspannungswicklung ist damit die Energie aufnehmende, d. h. die Primärwicklung. Die Unterspannungswicklung wird zur Sekundärwicklung als Energie abgebende Wicklung. Das Betriebsverhalten ist durch die Betriebszustände Leerlauf und Belastung gekennzeichnet. Nur im Fehlerfall kann Kurzschluss als ungünstigster Grenzzustand auftreten. Zur Bewertung der Größen in den Betriebszuständen muss die Bemessungsspannung der Oberspannungswicklung bei Bemessungsfrequenz als Nennspannung des einspeisenden Netzes anliegen. Betriebszustand Leerlauf Im Leerlauf ist der Sekundärkreis des Transformators nicht geschlossen. Es fließt kein Sekundärstrom. Die durch Induktion in der Unterspannungswicklung entstehende Spannung liegt als sogenannte sekundäre Leerlaufspannung U20 an den Klemmen 2U, 2V und 2W an. Nach Möglichkeit wird 410 V gewählt, damit sich nach HD 472 S1 400 V als Nennspannung des Niederspannungsnetzes herausbildet. Primärseitig fließt der zur Primärspannung U1 um den Winkel 0 phasenverschobene Leerlaufstrom I0 , der nur einen Bruchteil des primären Bemessungsstromes beträgt. Die Wirkkomponente des Leerlaufstromes - als Eisenverluststrom Iv bezeichnet - wird durch die Leerlaufverluste P0 bestimmt. Sie erwärmen durch die Wirbelströme und das periodische Ummagnetisieren der Molekularmagnete der Transformatorbleche den Eisenkern, nicht nur im Leerlauf auch bei Belastung. Die Blindkomponente des Leerlaufstromes ist der Magnetisierungsstrom I , dessen Betrag mit der Primärspannung U1 die zur Aufmagnetisierung des Eisenkerns notwendige Blindleistung Q bestimmt. Die Beziehungen zwischen den genannten Größen sind aus den Formeln (1) bis (5) erkennbar. Leerlaufstrom (1) Eisenverluststrom = I0 · cos0 (2) Magnetisierungsstrom = I0 · sin0 (3) Leerlaufverluste (4) Magnetisierungsleistung (5) Zur Begrenzung des Messaufwandes wird im Leerlaufversuch (Bild ) die Magnetisierungsleistung meist nicht gemessen. Nach der Gleichung (4) kann mit den Messgrößen P0 , U1n und Io der Phasenverschiebungswinkel 0 berechnet werden. Mit ihm kann dann nach der Gleichung (5) die Magnetisierungsleistung bestimmt werden. Richtwerte des Leerlaufstromes, der Leerlaufverluste und der Kurzschlussverluste ausgewählter Verteilungstransformatoren sind in der Tafel zusammengefasst. = = = + Drehstromtechnik G r u n d w i s s e n L e r n f e l d e r 1 - 5 2 LERNEN KÖNNEN 11/09 DIN 42500-1: Drehstrom-Öl-Verteilungstransformatoren 50 Hz, 50 bis 2 500 kVA. Michael Ossipowitsch von Dolivo-Dobrowolsky, 03.01.1862 - 15.11.1919, russischer Elektrotechniker. Für die Auswahl und den Einsatz von Drehstromtransformatoren kleiner Leistung interessieren in den meisten Fällen nur Übersetzung, Bemessungsleistung und eventuell noch die Schaltgruppe. Auf dem Leistungsschild von Verteilungstransformatoren der Energieversorgung wird zusätzlich die relative Kurzschlussspannung, eine nach DIN 42500 Teil 11) typische Kenngröße angegeben. Kurzschlussspannung Wichtige Kenngröße von Verteilungstransformatoren A W var IO PO U20 Sternpunktwiderstand Dyn 5 Messschaltung des Leerlaufversuches Bemessungs- Nennübersetzung Leerlaufstrom Leerlaufverluste Kurzschlussleistung Sn /U20 verluste Pk [kVA] [kV/kV] in % von In [W] [W] 50 10/0,41 0,2 145 1100 250 10/0,41 0,15 650 3250 630 20/0,41 0,15 1200 6500 2500 20/0,41 0,1 3800 26500 Tafel Richtwerte ausgewählter Verteilungstransformatoren Betriebszustand Belastung Bei Belastung wird der Sekundärkreis durch die Verbraucher geschlossen. Ihre Art und ihre Zahl bestimmen die Höhe der Belastung, die im Dauerbetrieb die Bemessungsleistung Sn des Transformators nicht übersteigen darf. Die mit den Strömen belasteten Wicklungen erwärmen sich durch ihre ohmschen Widerstände. Dabei soll die Betriebstemperatur bei den Isolierstoffklassen A, E und B 75 °C nicht überschreiten. Der Teil der zeitbezogenen elektrischen Energie, der bei Belastung die Primär- und Sekundärwicklungen erwärmt, wird bezeichnet als Kurzschlussverluste = Pk1 + Pk (6) Richtwerte für Kurzschlussverluste enthält Tafel . Ihre Höhe ist abhängig vom Quadrat der Lastströme I1 , I2 und von den ohmschen Widerständen R1 , R2 der Wicklungen. Die Wicklungen weisen zusätzlich die induktiv wirkenden Streuwiderstände Xs1 bzw. Xs2 auf. Sie entstehen durch die magnetische Streuung, da ein geringer Teil der magnetischen Feldlinien aus dem Eisenkern austritt und sich im Öl schließt. Der mit der Primärwicklung verkettete Magnetfluss ist damit größer als der die Sekundärwicklung durchsetzende Magnetfluss. Über den ohmschen Widerständen und den Streuwiderständen der Wicklungen entstehen durch die Belastungsströme die ohmschen Spannungsfälle UR1 = I1 · R1 und UR2 = I2 · R2 sowie die Streuspannungsfälle US1 = I1 · XS1 und US2 = I2 · XS2 Diese inneren Spannungsfälle bewirken eine Änderung der sekundären Klemmenspannung in Abhängigkeit von der Höhe und der Art (ohmsche, induktive oder kapazitive) der Belastung. Das Spannungsgleichgewicht der Kreise wird als Maschensatz durch folgende Gleichungen beschrieben: Primärkreis (7) Ui1 Strom hemmende Selbstinduktionsspannung Sekundärkreis (8) Ui2 Strom antreibende Induktionsspannung Die Spannungen sind durch ihre unterschiedlichen Phasenlagen geometrisch zu addieren bzw. zu subtrahieren ( ). Zur besseren Veranschaulichung sind die Betriebsgrößen beider Transformatorwicklungen des Leerlaufs und der Belastung in Tafel gegenübergestellt. Wesen der Kurzschlussspannung Die Bezeichnung dieser Spannungsgröße erklärt sich aus dem Messverfahren, mit dem sie bestimmt werden kann. Im sogenannten Kurzschlussversuch (Bild ) wird der Transformator sekundär kurzgeschlossen. Die primär anzulegende Spannung U1 (lies: U 1 Strich) muss kleiner als die Nenn- bzw. Bemessungsspannung der Primärwicklung sein, da die Wicklungen maximal nur mit ihren Nennströmen In1 und In2 belastet werden dürfen. Wird in Gleichung (7) für die Selbstinduktionsspannung Ui1 die mit dem Übersetzungsverhältnis umzurechnende sekundäre Induktionsspannung Ui2 eingesetzt, ergibt sich mit Ui1 = ü · Ui2 die im Kurzschlussversuch anzulegende Spannung Durch die widerstandslose Verbindung der Sekundärwicklung bricht die sekundäre Klemmenspannung zusammen. Damit steht nach Gleichung (8) bei U2 = 0 die sekundäre Induktionsspannung Ui2 nur noch im Gleichgewicht mit den Spannungsfällen UR2 und US2 der Sekundärwicklung: In die obere Gleichung eingesetzt und geordnet, wird (9) Diese im Kurzschlussversuch primär anzulegende Spannung U1 ´ wird als Kurzschlussspannung Uk bezeichnet. H. Spanneberg = + + + = + = + + = + + + - = - - Drehstromtechnik G r u n d w i s s e n L e r n f e l d e r 1 - 5 LERNEN KÖNNEN 11/09 Leerlauf Belastung bei konstanter anliegender Primärspannung U1 Sekundärwicklung Stromgrößen - Sekundärstrom I2 > 0 Spannungsgrößen sekundäre sekundäre Leerlaufspannung Klemmenspannung U20 = Ui2 U20 Leistungsgrößen - sekundäre Kurzschlussverluste Pk2 verbraucherabhängige Wirklast P2 Blindlast Q2 Primärwicklung Stromgrößen Leerlaufstrom I0 Primärstrom I1 >> I0 Leistungsgrößen Leerlaufverluste P0 Verluste Magnetisierungs- Pv = P0 + Pk1 + Pk2 leistung Q Wirkleistung = P2 + Pv Blindleistung = Q2 + Q Tafel Betriebsgrößen des Leerlaufs und der Belastung beider Transformatorwicklungen I1n PK Sternpunktwiderstand Dyn 5 Messschaltung des Kurzschlussversuches Kurzschlussspannung II Fortsetzung LERNEN & KÖNNEN
Autor
- H. Spanneberg
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