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Elektrosicherheit | Schutzmaßnahmen | Energietechnik/-Anwendungen | Energieverteilung

Aus dem Facharchiv: Leseranfrage

Berechnung eines Transformators

10.08.2021

Bei einer elektrischen Anlagen über einen Trenntransformator müssen bei der Berechnung der Schutzmaßnahmen für die Endstromkreise auf der Sekundärseite auch der Z-Wert des Trafos berücksichtigt werden.Wie wirkt sich dabei auf der Sekundärseite die Impedanz vor dem Trafo aus?

Frage:
Bei uns werden in Betonschalthäusern die elektrische Anlagen über einen Trenntrafo (10 kVA) betrieben (Schaltgruppe Dy5; Kurzschlussspannung 3,1 %. Primär Dreieck-schaltung L1, L2, L3; 3×400 V ohne N-Leiter; sekundär Sternschaltung 3×230 V gegen N bzw. 400 V zwischen den Außenleitern; TN-C-S-Netz). Beim rechnerischen Nachweis der Schutzmaßnahmen für die Endstromkreise auf der Sekundärseite muss ich den Z-Wert des Trafos berücksichtigen. Dieser beträgt nach meiner Berechnung 480 mΩ. 1. Wie wirkt sich die dem Transformator vorgeordnete Impedanz auf die Sekundärseite aus? 2. Kann ich die Z-Werte an den primären Eingangsklemmen zu den Z-Werten des Transformators addieren? 3. Wie ist bei der Selektivität der Absicherungen auf der Primärseite zu den Sicherungen auf der Sekundärseite zu verfahren? Antwort:
Es ist schon ungewöhnlich, die internen elektrischen Anlagen einer Transformatorenstation aus einem Trenntransformator zu betreiben. Sicher gibt es dafür gute Gründe, die mir leider nicht bekannt sind, aber an den Antworten auf die Anfragen nichts ändern. Zu Frage 1. Die dem Trenntransformator vorgeordnete Impedanz, bestehend aus der Impedanz des Leistungstransformators 10/0,4 kV und der Impedanz des versorgenden Netzes, hat selbstverständlich Einfluss auf die Kurzschlussgrößen im Fehlerfall. Wenn aber das Verhältnis zwischen der vorgeordneten Impedanz (Leistungstransformator plus Netz) und der vom Anfragenden bereits berechneten Impedanz des Trenntransformators < 5 % ist, darf die dem Trenntransformator vorgeschaltete Impedanz nicht berücksichtigt werden. Das ist in DIN EN 60076-5 (VDE 0532-76-5) [1] nachzulesen.
Ich nehme beispielhaft einmal an, dass die Kurzschlussleistung des Netzes 250 MVA beträgt. Daraus ergibt sich auf der 0,4-kV-Seite des Leistungstransformators wegen eine Netzimpedanz von 0,64 mΩ. Diesen Wert ins Verhältnis zu der vom Anfragenden berechneten Impedanz des Trenntransformators (480 mΩ) gesetzt, ergibt 0,13 %, also einen Wert, der deutlich unter 5 % liegt. Damit darf die Netzimpedanz nicht berücksichtigt werden. Zu Frage 2. Z-Werte, also in unserem Fall die Impedanzen, sind vektorielle Größen und dürfen daher nicht algebraisch addiert werden. Falls eine Summe gebildet werden soll, müssen die Impedanzen einheitlich auf die Spannung bezogen werden, die an der interessierenden Stelle herrscht, in unserem Fall also auf die 0,4 kV der Unterspannungsseite des Trenntransformators. Für ihre vektorielle Addition sind außerdem die Richtungen der Impedanzen zu ermitteln. Zu Frage 3. Mit einer geeigneten Wahl der Sicherungen auf der Ober- bzw. Unterspannungsseite des Trenntransformators sollen einerseits Selektivität hergestellt und andererseits auf der Unterspannungsseite die in DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410) [2] beschriebenen Abschaltzeiten für die Realisierung der Schutzmaßnahme gegen elektrischen Schlag nicht überschritten werden. Dazu müssen folgende Forderungen erfüllt werden:
  • Die oberspannungsseitige Sicherung darf beim Einschalten des Transformators nicht ansprechen (Betriebssicherheit).
  • Im Fall eines Kurzschlusses auf der Unterspannungsseite soll die Sicherung auf der Unterspannungsseite ansprechen, nicht aber die auf der Oberspannungsseite (Selektivität).
  • Im Fall eines Kurzschlusses auf der Unterspannungsseite müssen die Sicherungen gemäß DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410) [2] innerhalb von 0,2  s ansprechen (Schutz gegen elektrischen Schlag).
Zur Koordinierung dieser Forderungen benötigt man die Kurzschlussströme sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterspannungsseite des Transformators und den Einschaltstrom auf der Oberspannungsseite. Diese Ströme erhält man aus folgenden Überlegungen: Die Nennströme ergeben sich aus der Transformatorleistung (10 kVA) und der jeweiligen Spannung 0,4  kV und sind ober- und unterspannungsseitig in den Leitern Die Kurzschlussströme ergeben sich mit hinreichender Genauigkeit aus Den Einschaltstrom des Trenntransformators nimmt man in Anlehnung an DIN VDE 0670-402 (VDE 0670-402) [3] über eine Dauer von 0,1  s mit 10 In an, also mit 145  A .Im folgende
  • Den Einschaltstrom des Trenntransformators nimmt man in Anlehnung an DIN VDE 0670-402 (VDE 0670-402) [3] über eine Dauer von 0,1 s mit 10 In an, also mit 145 A.
Autor: F. Schmidt Literatur: [1] DIN EN 60076-5 (VDE 0532-76-5):2007-01 Leistungstransformatoren – Teil 5: Kurzschlussfestigkeit. [2] DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2018-10 Errichten von Niederspannungsanlagen Teil4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag. [3] DIN VDE 0670-402 (VDE 0670-402):2014-11 Wechselstromschaltgeräte für Spannungen über 1 kV Auswahl von strombegrenzenden Sicherungseinsätzen für Transformatorstromkreise. Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.