Stromwandler - AUSLEGUNGSBEISPIEL
Bei Verwendung von Standardschutzkernen der Klasse P kann sowohl die Überprüfung des korrekten stationären als auch des transienten Übertragungsverhaltens auf einfache Weise durchgeführt werden. Im Fall von Sättigungserscheinungen kann Überdimensionierung ein Lösungsweg sein.
Wie in den Artikeln "Anforderungen" und "Dimensionierung" gezeigt wird, wird das Übertragungsverhalten eines Stromwandlers von wenigen Faktoren bestimmt:
- Bemessungsübersetzung Kn = Ipn / Isn
- Innenwiderstand der Sekundärwicklung Rct
- Bemessungs-Genauigkeitsgrenzfaktor ALF
- Bemessungsleistung Sn
Die im fehlerfreien Betrieb zur Messung bzw. meist auch für das stationäre Übertragungsverhalten ausreichenden Wandlerdaten müssen für ein korrektes, transientes Verhalten ggf. überdimensioniert werden. D. h., die zuvor aufgelisteten Faktoren können vom Wandlerhersteller soweit angepasst werden, bis die erforderlichen Kriterien erfüllt sind.
Weitere Möglichkeiten zur Wandler-Dimensionierung nach EN 61869 sind Wandler mit reduzierter Remanenz und Festlegung von EK mit Klassen PX oder PXR. Oder es wird das transiente Übertragungsverhalten mit Wandler-Klassen TPX, TPY, TPZ definiert.
Die Überdimensionierung birgt folgende Nachteile bzw. Herausforderungen:
- Mehrkosten
- abweichende Spezifikation von existierenden Betreiber-Standards
- Größere Bauformen und in Folge Platzprobleme in standardisierten Gehäusen bzw. Anlagen
STATIONÄRES VERHALTEN
In der Praxis wurde bei der Dimensionierung lange Zeit nur der Betriebs-Genauigkeitsgrenzfaktor ALF ’ ermittelt und mit dem aus der Schutz- bzw. Kurzschlussberechnung ermittelten Sollwert verglichen – Gl. 1:
ALF — Bemessungs-Genauigkeitsgrenzfaktor
ALF ’ — tatsächlicher Genauigkeitsgrenzfaktor bei Betriebsbürde ALF ’
Zct, Rct — Innenwiderstand der Sekundärwicklung
ZBn, RBn — Bemessungsbürde
ZBb, RBb — angeschlossene Bürde einschl. Leitungen
Wobei die Ermittlung der Bemessungsbürde aus der Bemessungsleistung erfolgt und bei 1-A-Stromwandlern gleich ist – Gl. 2:
Sn — Bemessungsleistung
ZBn, RBn — Bemessungsbürde
Isn — sekundärer Bemessungsstrom
Laut dem FNN-Leitfaden zum Einsatz von Schutzsystemen in elektrischen Netzen ist es in der Praxis ausreichend, wenn die ohmschen Anteile der Impedanzen verwendet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass Wandler mit geringer Leistung einen verhältnismäßig großen Innenwiderstand haben können [1].
Das Verhältnis KSSC des maximalen Kurzschlussstromes zum Wandlernennstrom wird in Gl. 3 berechnet – Gl. 3:
Ein Stromwandler besitzt ein korrektes stationäres Verhalten, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist - Gl. 4:
Die Angaben zum Genauigkeitsgrenzfaktor gelten für den stationären Kurzschlussstrom. Eine Dimensionierung rein nach dieser Methode ist nur für kleine Netzzeitkonstanten empfehlenswert, da das Gleichstromglied des Kurzschlussstromes schnell abklingt und dadurch die Wandler schnell aus der Sättigung kommen. Bei größeren Netzzeitkonstanten ist zusätzlich das transiente Verhalten eines Stromwandlers zu berücksichtigen – siehe nachfolgende Ausführungen. Oft ist auch in diesem Fall für UMZ-Schutzeinrichtungen das stationäre Übertragungsverhalten des Wandlers ausreichend. Bei Differential- und Distanzschutzeinrichtungen ist das transiente Verhalten der Wandler zu beachten [1].
TRANSIENTES VERHALTEN
Wie im Artikel "Dimensionierung" bei Gl. 12 angeführt, kann der Transienfaktor Ktf bei eisengeschlossenen Wandlern P, PX, TPX ohne AWE, einem Verhältnis der Zeitkonstanten von Ts >> Tp und hohen Pausenzeiten vereinfacht ermittelt werden - Gl. 5:
Für ein ausreichendes transientes Verhalten muss der bereits zuvor angeführte Betriebs-Genauigkeits-Grenzfaktor die folgende Bedingung zusätzlich erfüllen - Gl. 6:
BERECHNUNGSBEISPIEL
Im nachfolgenden Beispiel soll die Möglichkeit aufgezeigt werden, durch Überdimensionierung ein korrektes stationäres und transientes Übertragungsverhalten eines Stromwandlers zu erreichen. Für einen Kabelabgang an SS A wird aufgrund der Lastsituation und dem Standard des Anlagenbetreibers ein Stromwandler 150/1A der Klasse 5P20 mit 15 VA definiert. Aufgabe ist es zu überprüfen, ob dieser für einen 3-poligen Kurzschluss am Kipppunkt (= 0,85 * ZL) ausreicht, und ggf. durch Erhöhung von Kennwerten eine Anpassung herbeizuführen. Die Anlagenkonfiguration und die Werte aus der Netzberechnung sind in Abb. 1 dargestellt.
Abb. 1 Stromwandler-Position (roter Kreis) und Netzdaten des Beispiels
Die weiteren erforderlichen Werte sind definiert mit:
ALF = 20
Rct = 3,0 Ohm
RBn = 15 VA = 15 Ohm bei 1 A sekundär
RBb = 1,0 Ohm
Die Überprüfung des stationären Übertragungsverhaltens zeigt eine ausreichende Dimensionierung – Gl. 7:
Die Überprüfung des transienten Übertragungsverhaltens zeigt hingegen eine unzureichende Dimensionierung – Gl. 8:
Es wird nun versucht, durch Erhöhung der Kernleistung und des primären Bemessungsstromes das transiente Übertragungsverhalten zu optimieren – Gl. 9:
Abb. 2 Kurzschluss und Sekundärstrom 150/1A 5P20 15VA
Abb. 3 Kurzschluss und Sekundärstrom 300/1A 5P20 30VA
Der Innenwiderstand der Sekundärwicklung steigt bei höherer Windungszahl auf 5,0 Ohm. Ein weiterer Weg wäre die Erhöhung des Bemessungs-Genauigkeitsgrenzfaktors.
ZUSAMMENFASSUNG
Mit den vereinfachten Formeln für den Standardschutzkern der Klasse P und den Ergebnissen einer Netzberechnung kann das stationäre und transiente Übertragungsverhalten relativ rasch überprüft werden. Wenn die Lastbedingungen es zulassen, kann, zusätzlich zur Leistungserhöhung, eine Erhöhung des Nennstromes das notwendige Übertragungsverhalten auch bei einer Remanenz herbeiführen. Eine größere Bauform und höhere Herstellungskosten sind zu berücksichtigen.