|
Kristina Toth Beleg Belegthema: Meßwandler Aufgaben der Meßwandler Meßwandler werden bei der Messung von Wechselspannungen und Wechselströmen zwischen Meßobjekt und Meßinstrument geschaltet, um die Meßgrößen auf solche Werte umzuformen, die mit Meßinstrumenten meßbar sind. Außerdem werden Meßobjekt und Meßinstrument galvanisch von einander getrennt. Schließlich erlaubt ihr Einsatz eine gewisse Fernübertragung der Meßwerte. Entsprechend der umzuformenden Meßgröße unterscheidet man Spannungswandler und Stromwandler. Spannungswandler Bild 1: Gießharz-Spannungswandler Spannungswandler sind im Leerlauf betriebene Transformatoren. Es wird
die Eigenschaft der Spannungstransformation ausgenutzt um hohe Wechselspannungen
auf Werte zurückzuführen, für die sich Meßinstrumente günstig auslegen
lassen. Diese Aufgabe besteht vor allem in den Hochspannungsnetzen der
Energieversorgung oder bei der Überwachung und Prüfung von Hochspannungsmaschinen.
Bei Spannungswandlern (Bild 1) muß das Übersetzungsverhältnis besonders
genau und die Streuung sehr klein sein. Die Ausgangsspannung ist meist
100V, die Nennleistung liegt je nach Baugröße und Spannung bei 5VA bis
300VA. Ähnlich wie Meßgeräte sind Spannungswandler in die Klassen 0,1
bis 3 eingeteilt. Auf dem Leistungsschild (Bild 2) sind die ungekürzte
Nennübersetzung (die Nennspannungen) und folgende, durch Schrägstriche
voneinander getrennte Spannungen: Genauigkeit kleiner. Außerdem ist der ausgangsseitige Grenzstrom angegeben. Bis zu dieser Stromstärke können Spannungswandler belastet werden, sind aber dann nicht mehr genau. Spannungswandler werden im Leerlauf oder nur mit kleiner Belastung betrieben. Bei großer Belastung oder gar bei einem Kurzschluß werden Spannungswandler zerstört, da ihre Kurzschlußspannung klein ist. Trotzdem erfolgt bei Spannungswandlern, an welche Meßgeräte für Verrechnungszwecke, z.B. Zähler, angeschlossen sind, keine Sicherung. Der Spannungsfall vom Wandleranschluß bis zu den Anschlüssen des Zählers darf höchstens 0,05% betragen. ÜberstromSchutzeinrichtungen, z.B. Schmelzsicherungen, würden den Spannungsfall aber unzulässig groß machen. Die Last eines Spannungswandlers wird auch als Bürde bezeichnet. Das ist der Scheinleitwert der ausgangsseitig angeschlossenen Geräte einschließlich der Zuleitung. Spannungswandler sind so bemessen, daß sie dauernd mit der 1,2fachen Nennspannung betrieben werden können. Bei den Wandlerfehlern unterscheidet man den Spannungsfehler und den Winkelfehler (Fehlwinkel). Der Spannungsfehler (Übersetzungsfehler) hängt von den Spannungen und der Klasse des Spannungswandlers ab (Tabelle 1). Tabelle 1: Spannungsfehler Fu und Winkelfehler F_ bei Spannungswandlern
Die Fehler gelten für Eingangsspannungen U1, die das 0,8- bis 1,2fache der Nennspannung U1N betragen und bei einer Bürde von 25% bis 100% der Nennbürde. Der Winkelfehler (Fehlwinkel) bei Spannungswandlern ist die Phasenverschiebung zwischen der ausgangsseitigen Spannung und der eingangsseitigen Spannung. Spannungsfehler und Winkelfehler sind von der Klasse, der Eingangsspannung und der Bürde abhängig (Tabelle 1). In Hochspannungsanlagen wird eine Ausgangsklemme des Spannungswandlers geerdet. Bei einem Durchschlag von der Oberspannungswicklung zur Unterspannungswicklung tritt dann ein Erdschluß auf. In Anlagen ab 60 kV werden vielfach einpolig isolierte Spannungswandler verwendet. Der isolierte Anschluß der Oberspannungswicklung ist am Außenleiter des Hochspannungsnetzes angeschlossen, der nicht isolierte Anschluß der Oberspannungswicklung wird geerdet. Spannungswandler bis 110 kV werden für Innenraumanlagen als Gießharzwandler (Bild 1) hergestellt. Kern und Wicklung sind bei ihnen in Gießharz eingegossen. Für größere Spannungen und für Freiluftanlagen werden Spannungswandler auch als Ölwandler (ölisoliert) gebaut. Ihre Isolatoren sind dann aus Porzellan.
Bild 3 Ersatzschaltbild eines Spannungswandlers Im Falle des Spannungswandlers wünscht man, daß die Ausgangsspannung U2 mit der Eingangsspannung U1 übereinstimmt, und zwar nach Betrag und Phasenlage. Je besser die Übereinstimmung ist, desto genauer ist der Wandler, desto kleiner der Wandlerfehler. Bei Erfassung der Ausgangsspannung mit einem idealen Spannungsmesser mit unendlich großem Innenwiderstand träte zwar an den Längswiderständen der Ausgangsseite der Ersatzschaltung kein Spannungsabfall auf, wohl aber an den Längswiderständen der Eingangsseite, hervorgerufen durch die über die Querwiderstände fließenden Ströme. Um diesen Spannungsabfall unterschiede sich die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung. Will man ihn klein halten, muß man den über die Querwiderstände fließenden Strom klein halten bzw. diese Widerstände groß machen und die Längs-widerstände klein machen. Der Querwiderstand, über den der Magnetisierungsstrom fließt, ist um so größer, je hochwertiger das für den Wandlerkern verwendete Eisen ist. Es muß ein Eisen sein, dessen Durchflutungsbedarf zur Erzeugung eines bestimmten Flusses möglichst klein ist. Der Eisenverlustwiderstand, über den der Eisenverluststrom fließt, ist ebenfalls um so größer, je hochwertiger das Wandlerkerneisen ist. Es muß ein Eisen mit möglichst geringer Eisenverlustleistung sein. Schließlich müssen der Eingangswicklungswiderstand und die Eingangsstreureaktanz möglichst klein sein, damit die an ihnen auftretenden Spannungsabfälle klein sind. Im Falle der Streureaktanz läuft das auf kleinen Streufluß und damit u.a. auch wieder auf hochwertiges Kernmaterial hinaus, d.h. ein Material mit möglichst großer magnetischer Leitfähigkeit. Doch nicht nur die Längswiderstände auf der Eingangsseite der Ersatzschaltung müssen möglichst klein sein, sondern auch die auf der Ausgangsseite. Denn der Spannungsmesser hat nur einen großen, nicht aber einen unendlich großen Widerstand. Infolgedessen fließt auch über diese Widerstände ein Strom. Er ist mit einem Spannungsabfall an diesen Widerständen verbunden. Soll die Ausgangsspannung möglichst gut mit der Eingangsspannung übereinstimmen, muß auch dieser Spannungsabfall möglichst klein sein. Zusammenfassend ergibt sich für die Ersatzschaltung des als Spannungswandler eingesetzten Transformators, daß die Querwiderstände möglichst groß und die Längswiderstände möglichst klein sein sollten. Je besser diese Forderung erfüllt ist, desto besser stimmt die Ausgangsspannung des Wandlers mit der Eingangsspannung überein. Stromwandler
Bild 4: Stabstromwandler Beim Stromwandler (Bild 3) ist die Eingangswicklung so geschaltet, daß
der zu messende Strom durch sie fließt. Sie liegt also in Reihe mit
dem Netz oder mit dem Verbraucher. Der zu messende Strom fließt dann durch
die Eingangswicklung und erzeugt einen magnetischen Wechselfluß im Wandlerkern.
Der zu messende Strom und der Strom in der durch den Strommesser beinahe kurzgeschlossenen Ausgangswicklung verhalten sich umgekehrt wie die Windungszahlen. Dadurch sind die Durchflutungen der beiden Wicklungen gleich groß. Die magnetische Flußdichte im Eisenkern ist sehr klein, weil beide Durchflutungen entgegengesetzte Flüsse gleicher Größe hervorrufen. Stromwandler werden mit einer sehr kleinen magnetischen Flußdichte betrieben. Der Nennausgangsstrom von Stromwandlern beträgt 1A oder 5A. Die Nennleistungen
betragen je nach Baugröße und Spannung 5VA bis 120VA. Die Klasseneinteilung
der Stromwandler ist wie bei
Bild 5: Leistungsschild eines Stromwandlers Der Fehlwinkel von Stromwandlern beträgt je nach Klasse und Stromstärke 5 Minuten bis 120 Minuten. Auf dem Leistungsschild (Bild 4) sind die Nennströme, der thermische Nenn-Kurzzeitstrom und der dynamische Nennstrom angegeben. Der thermische Kurzzeitstrom wird von der Eingangswicklung im Hinblick auf die Wärmeentwicklung für mehrere Sekunden ausgehalten. Der dynamische Nennstrom darf im Hinblick auf die Kraftentwicklung nur einige Millisekunden vorhanden sein. Der Überstromfaktor gibt an, beim wievielfachen Nenneingangsstrom der Stromfehler auf 10% ansteigt. Bis zum n-fachen Nennstrom kann der Stromwandler für Schutzzwecke, z.B. zum Auslösen eines Relais, verwendet werden (Bild 4). Bei Stromwandlern sind auch mehrere Spannungen angegeben. Nach der Reihe (z.B. 0,5 kV) ist die Isolierung bemessen. Außerdem sind die Wicklungsprüfspannung (z.B. 3 kV) und als weitere Prüfspannung die Nenn-Stehstoßspannung (z.B. 6 kV) angegeben. Die Nennleistung gibt an, bis zu welcher Leistung bei Nennstrom der Stromwandler belastet werden kann, ohne daß er die für seine Klasse zulässige Fehlergrenzen überschreitet. Es können wie beim Spannungswandler mehrere Nennleistungen möglich sein, wobei die höhere Nennleistung zu Ungenauigkeit führt, also zu einer höheren Klasse. Die Nennübersetzung üN ist das Verhältnis der auf dem Leistungsschild angegebenen Nennströme, z.B. 300 A/5 A. Als Bürde bezeichnet man beim Stromwandler den Scheinwiderstand der angeschlossenen Geräte einschließlich Zuleitung. Stromwandler sind mit dem 1,2fachen Nennstrom dauernd belastbar, Großbereichsstromwandler (mit G gekennzeichnet) sogar mit dem 2fachen Nennstrom. Als Wandlerfehler treten bei den Stromwandlern der Stromfehler und der Winkelfehler (Fehlwinkel) auf. Der Stromfehler kann durch Messung ermittelt werden. Stromfehler und Winkelfehler von Stromwandlern hängen von der Klasse, dem Eingangsstrom und der Last (Bürde) ab (Tabelle 2). Tabelle 2: Stromfehler Fi und Winkelfehler F_ von Stromwandlern
Die angegebenen Fehler gelten nur für die Belastung mit Nennstrom eingangsseitig und einer angeschlossenen Bürde von 25% bis 100% der Nennbürde bei cos_ = 0,8. Die Wandlerfehler beim Stromwandler steigen an, wenn Eingangsstrom und Last (Bürde) von den Nennwerten abweichen. Beim Stromwandler schadet ein Kurzschluß auf der Ausgangsseite nicht, da die Stromstärke der Eingangsseite unabhängig vom Zustand der Ausgangsseite ist. Ein Kurzschluß auf der Ausgangsseite wird beim Auswechseln von Meßinstrumenten oder Meßgeräten absichtlich hergestellt. Dagegen ist beim Stromwandler der Leerlauf meist nicht zulässig. Im Leerlauf würde nämlich der zu messende Strom in der Eingangswicklung einen zu großen magnetischen Fluß im Wandlerkern hervorrufen, weil dieser im Leerlauf nicht durch den Strom der Ausgangswicklung geschwächt wird. Dadurch würde der Eisenkern zu heiß werden und seine magnetischen Eigenschaften ändern, so daß der Stromwandler später nicht mehr genau arbeitet. Auch würde in der unbelasteten Ausgangswicklung eine sehr hohe Spannung induziert werden, welche die Isolierung durchschlagen kann. Die Ausgangswicklung darf auch nicht gesichert werden, da der Leerlauf verhindert werden muß. Stromwandler dürfen nur mit kurzgeschlossener oder niederohmig belasteter Ausgangswicklung arbeiten. Bei Stromwandlern mit großer Streuung oder mit Eisenkernen aus magnetisch leicht sättigbaren Werkstoffen kann der Leerlauf zulässig sein, z.B. bei kleinen Stromwandlern. Bei diesen kann zur Verhinderung des Leerlaufs auch eine Parallelschaltung von Z-Dioden zur Ausgangswicklung erfolgen. In Hochspannungsanlagen ist auf der Ausgangsseite der Anschluß k bzw. 2.1 des Stromwandlers zu erden. Bei Übertreten von Hochspannung auf die Ausgangsseite entsteht dadurch ein Erdschluß, der zur Abschaltung führt. Die Eingangswicklung von Stromwandlern kann aus einem Leiter oder aus mehrenen Windungen bestehen. Man unterscheidet Stabstromwandler (Bild 3) und Wickelstromwandler (Bild 7). Beim Durchsteckstromwandler (Bild 6) wird der Leiter, in welchem der zu messende Strom fließt, durch den Kern des Wandlers gesteckt. Das Übersetzungsverhältnis läßt sich verkleinern, wenn man den Leiter um den Wandler wickelt und mehrmals durchsteckt. Steckt man durch den Durchsteckstromwandler mehrere Leiter, kann man je nach Durchsteckrichtung die Summe oder die Differenz der Ströme in diesen Leitern messen. Der Summenstromwandler ist z.B. in FI-Schutzeinrichtungen eingebaut. Beim Zangenstromwandler ist der Wandlerkern geteilt und wie die Backen einer Zange aufklappbar. Dadurch können Ströme gemessen werden, ohne daß die Leitung unterbrochen wird.
Bild 6: Durchsteckstromwandler
Bild 7: Wickelstromwandler Im Falle des Stromwandlers sind die an die Widerstände der Transformatorersatzschaltung zu stellenden Forderungen die gleichen wie im Falle des Spannungswandlers. Der Ausgangsstrom des Stromwandlers soll mit dem Eingangsstrom möglichst gut übereinstimmen, und zwar nach Betrag und Phasenlage. Dazu müssen die Querwiderstände in der Ersatzschaltung (siehe nächste Seite) möglichst groß sein. Das allein jedoch genügt nicht. Durch die Längstwiderstände in der Ersatzschaltung des als Stromwandler eingesetzten Transformators wird der Widerstand in der Bahn des zu erfassenden Stromes und damit der Strom selbst etwas verändert. Will man diese Änderung möglichst klein halten, müssen die Längstwiderstände möglichst klein sein.
Bild 8 Ersatzschaltbild eines Stromwandlers Ein Stromwandler muß immer im Kurzschluß betrieben werden und darf keinesfalls im Leerlauf betrieben werden. Der Grund hierfür ist aus der Ersatzschaltung ablesbar. Bei Kurzschluß der Ausgangsklemmen fließt praktisch der gesamte der Schaltung eingeprägte Eingangsstrom über die kleinen Längstwiderstände. Bei offenen Ausgangsklemmen bzw. Leerlauf des Wandlers dagegen muß der Eingangsstrom über die großen Querwiderstände fließen. Der an diesen auftretende große Spannungsabfall wird an den Ausgangsklemmen wirksam und stellt dort eine Gefahr für die an dem Wandler hantierende Person dar. Im übrigen wird im Eisenverlustwiderstand bei offenen Ausgangsklemmen eine große Leistung umgesetzt. Sie entspricht einer großen Eisenverlustleistung im Wandlerkern. Die dadurch bewirkte Erwärmung des Kerns kann so groß sein, daß der Kern schmilzt. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
