LERNEN und KÖNNEN
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Energieversorgung Grundwissen Schaltgruppen der Drehstromtransformatoren Teil 1: Grundlagen der Schaltgruppenbestimmung Hauptelemente der Übertragungs-, Verteilungs- und Versorgungsnetze sind Drehstromtransformatoren. Sie trennen diese Netze bzw. bauen sie auf. Dieser Beitrag zeigt einen ersten Überblick der Schaltgruppen für Drehstromtransformatoren. • Bemessungsströme (nach denen die Querschnitte der Anschlussleitungen zu bemessen und nach denen anschließend die Überstromschutzeinrichtungen auszuwählen sind) • Kurzschlussspannung (die das Spannungsverhalten des Transformators bei Laständerung und insbesondere die Kurzschlussfestigkeit der Anlage bestimmt) Eine Besonderheit der Drehstromtransformatoren besteht in ihrer Zuordnung zu einer entsprechenden Schaltgruppe. Wie diese Schaltgruppen entstehen, wie sie messtechnisch nachgewiesen werden können, soll anhand von Zeigerdarstellungen verdeutlicht werden. Kenngrößen von Drehstromtransformatoren Kenngrößen der Drehstromtransformatoren sind, wie bei den Einphasentransformatoren, unter anderem: • Nennübersetzung: Verhältnis der Oberspannung (OS) zur Unterspannung (US) • Bemessungsleistung: Scheinleistung, die sowohl die vom Transformator zu übertragende Wirkleistung als auch die zu übertragende Blindleistung erfasst Schaltungen der Strangwicklungen Die Oberspannungs- und Unterspannungswicklungen der Drehstromtransformatoren bestehen jeweils aus drei Wicklung der Drehstromtransformatoren Drehstromwicklung der Oberspannungsseite Drehstromwicklung der Unterspannungsseite Strangwicklung Strangwicklung in Stern oder Dreieckschaltung Strangwicklungen, die zu den für die Drehstromsysteme typischen Stern- oder Dreieckschaltungen verkettet werden. Vor allem bei Transformatoren höherer Spannung oder größerer Leistung bestehen die Strangwicklungen, technologisch bedingt, aus einer Reihen- bzw. Parallelschaltung einzelner Spulen (Bild ➊). In diesem Zusammenhang soll darauf hingewiesen werden, dass die Angabe der Windungszahlen bei Drehstromtransformatoren stets für die Strangwicklungen gelten. Strangwicklungen werden meist als Zylinderwicklung ausgeführt (Bild ➋). Diese Bezeichnung ist aus der geometrischen Form der Hauptisolation abgeleitet. Diese trennt zylinderförmig die Strangwicklungen der Oberspannung von der der Unterspannung. Die Anschlussbezeichnungen der Wicklungen sind OS-seitig US-seitig 1U 2U Spule meist in Reihenschaltung Zum besseren Verständnis für das Entstehen des Schaltbildes eines Drehstromtransformators sind im Bild ➌, dem realen Aufbau nachempfunden, die Schaltsymbole der Strangwicklungen von Oberund Unterspannung so angeordnet, dass insbesondere ihre Zuordnung zu dem U-, V- und W-Strang erkennbar wird. Das Schaltbild eines Drehstromtransformators entsteht dadurch, dass durch das Verschieben der Schaltsymbole aus der räumlichen Darstellung eine zweidimensionale entsteht, in der die Symbole der OS- und US-Wicklung eines Stranges untereinander angeordnet sind (Bild ➍a). Die beispielhaft gewählte Sternschaltung der Strangwicklungen entsteht selbstverständlich auch dadurch, dass die Spulenanfänge zum Sternpunkt verbunden werden (Bild ➍b). Nach den Festlegungen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) werden die Schaltungen der Strangwicklungen durch Buchstaben gekennzeichnet: US-Anschluss 2N 2U Anschlussbezeichnung der OS-Wicklung OS- und US-Wicklungen U-Stranges des: V-Stranges W-Stranges 2V 1U OS-Anschluss Schenkel des Eisenkerns meist in Parallelschaltung ➊ Kombinationsmöglichkeiten der Wicklungen von Drehstromtransformatoren 2 1W und 2W. in Stern oder Dreieckschaltung Spule Anschlussbezeichnung der US-Wicklung 1V 2V Schenkelisolaton 2W US-Strangwicklung 1V 1W Hauptisolation OS-Strangwicklung ➌ Schaltsymbole und An- schlussbezeichnungen der Strangwicklung ➋ Zylinderwicklung eines Stranges LERNEN KÖNNEN 12/01 Grundwissen Energieversorgung Tafel ➊ Ermittlung der Phasenlage der US-Spannung bezogen auf die OS-Spannung Schritt Aktivität 1 Spannungszeiger in das Schaltbild (Bild ➓) einzeichnen. 2 Kreis mit 12er-Teilung analog zu dem Ziffernblatt einer Uhr zeichnen. 3 OS-Zeiger I; II; III mit Angabe der Anschlussbezeichnungen in den Kreis einzeichnen (Bild 11 ). 4 Bild 11 durch die US-Zeiger mit den Anschlussbezeichnungen ergänzen. Kommentar Die Oberspannungen I; II; III sind zu den Anschlussstellen 1U; 1V; 1W und die Unterspannungen 1; 2; 3 zu 2U; 2V und 2W gerichtet. Der Kreis ist nur eine Konstruktionshilfe. Durch seine Teilung können die Winkel leicht abgelesen werden. Durch die im Stern geschalteten Strangwicklungen sind die Zeiger ausgehend vom Mittelpunkt des Kreises als Sternpunkt gegenseitig um 120° phasenverschoben. Der US-Zeiger 1 ist, wie aus dem Bild ➓ zu erkennen ist, entgegen dem OS-Zeiger I gerichtet und muss auf Grund der Dreieckschaltung parallel verschoben werden. Die Folge der Anschlussbezeichnungen im Uhrzeigersinn entsteht nur, wenn der US-Zeiger 1 bezogen auf den Kreismittelpunkt (Sternpunkt) nach links verschoben wird (Bild 12 a). Analog werden die Richtungen der US-Zeiger 2 sowie 3 bestimmt und bilden mit dem Zeiger 1 entsprechend der Schaltung der US-Wicklungen ein Dreieck (Bild 12 b). Winkel zwischen OS-Zeigern Der Winkel zwischen den Leiterspannungen und US-Zeigern, die zwischen (1V – 1U) und (2V – 2U) oder den Strangspangleichnamigen Anschlussnungen (1N – 1U) und (2N – 2U) beträgt 210° bezeichnungen liegen, aus (Bild 13 ). dem vollständigen Zeigerbild (Bild 12 b) bestimmen. 5 a) 1U 1V 1W 2U 2V 2W b) 1U 1V 1W 2U 2V 2W 1U 1V 1W OS-Wicklung OS-Seite Dreieckschaltung D Sternschaltung Y US-Seite Dreieckschaltung d Sternschaltung y . Für Verteilungstransformatoren des öffentlichen Versorgungsnetzes wird für die US-Wicklung auch eine Sonderform der Sternschaltung, die Zickzackschaltung (Kennbuchstabe z) angewendet. Wie später noch näher erläutert wird, werden die Strangwicklungen in zwei Spulen geteilt, die auf zwei verschiedenen Schenkeln des Eisenkerns angeordnet werden. Die Schaltungen der OS- und US-Wicklungen können wie folgt kombiniert werden: Yy Dy Yd Dd Yz Dz. Wie aus dem Bild ➎ zu erkennen ist, entstehen die genannten Schaltungen durch recht unterschiedliche Schaltverbindungen. Diese können sich dann nicht auf den Betrag der Unterspannung, also auf die Übersetzung auswirken, wenn gleiche Windungszahlen vorausgesetzt werden. Die unterschiedlichen Schaltverbindungen beeinflussen dagegen die Phasenlage der Unterspannung zur vorgegebenen Oberspannung. oder US-Wicklung 2U 2V 2W ➍ Schaltzeichen von Drehstromtransformatoren 1U 1V 1W 2U 2V 2W 1U 2U 1V 1W 1U 1V 1W 2U 2V 2W ➎ Unterschiedliche Spulenverbindungen der Schaltkombination Yd 2V 2W U1 1U I 1U 1V 1W II III I 1V 1W II III OSWicklung Iµ Φ 2U 1 Ui1 U20 ➏ Zeigerbild eines idealen Transformators im Leerlauf ➐ Spannungsrichtungen in den Strangwicklungen LERNEN 2V 2W 2 3 USWicklung 1 2 3 Dreischenkel2U 2V 2W kern gleiche Richtung entgegengesetzte der Spannungen Richtung der I – 1, II – 2, III – 3 Spannungen I – 1, II – 2, III – 3 KÖNNEN 12/01 Phasenlage von Oberund Unterspannung Sinusförmige Größen sind phasengleich, wenn sie zu gleichen Zeiten ihren Nulldurchgang oder ihren Höchstwert erreichen. Werden die Größen als Zeiger dargestellt, müssen diese bei Phasengleichheit gleiche Richtung haben. Aus der Lage der Zeiger können deshalb • die Art der Phasenverschiebung – Voreilen oder Nacheilen der sinusförmigen Größe sowie • die Größe der Phasenverschiebung als Winkel zwischen den Zeigern erkannt werden. Exakte Aussagen über die Phasenlage von Unter- und Oberspannung eines Drehstromtransformators erscheinen deshalb schwierig, da folgende Gegebenheiten zu beachten sind: 1. Die OS-Wicklung wirkt Energie aufnehmend, somit als Verbraucher, wenn der Transformator herabtransformiert. Die anliegenden Oberspannungen sind mithin Spannungsfälle. Im Gegensatz dazu wirkt die US-Wicklung als Spannungsquelle. Die Unterspannungen als Induktionsspannungen sind ihrem Wesen nach deshalb Quellenspannungen. 2. Der Transformator nimmt ohne Belastung als induktives Schaltelement aus 3 Grundwissen Energieversorgung 1U dem Netz einen induktiven Blindstrom auf. Dieser so genannte Magnetisierungsstrom Iµ eilt der anliegenden Primärspannung U1 um 90° nach und ist die Ursache des sich ebenfalls sinusförmig ändernden Magnetflusses Φ. Bei Nulldurchgang des Magnetisierungsstromes ist bei einem eisenlosen Transformator der Magnetfluss auch null. Iµ und Φ sind phasengleich. Nach dem Induktionsgesetz ist der Betrag der Induktionsspannung von der Änderungsgeschwindigkeit des Magnetflusses ∆Φ/∆t abhängig. Sie ist im Nulldurchgang des Magnetflusses am größten. Deshalb erreichen zu diesem Zeitpunkt die Sekundärspannung U20 sowie die in der Primärwicklung induzierte ihre Selbstinduktionsspannung Ui1 Höchstwerte. U20 und Ui1 eilen dem Magnetfluss Φ um 90° nach. Das Zeigerbild des verlustfreien Transformators (Bild ➏) mit dem Übersetzungsverhältnis ü = 1 zeigt die Phasenlage der genannten Größen. Unabhängig von beiden Aussagen kann zeichnerisch die Phasenlage der Unterspannung in Abhängigkeit von der Schaltung der Transformatorwicklungen bestimmt werden. Dazu wird bei gleichem Wickelsinn der Spulen vorausgesetzt, dass • die Spannungen in den Spulen stets zu den netzseitigen Klemmen gerichtet sind: OS I zur Anschlussstelle 1U OS II zur Anschlussstelle 1V OS III zur Anschlussstelle 1W US 1 zur Anschlussstelle 2U US 2 zur Anschlussstelle 2V US 3 zur Anschlussstelle 2W und • die Spannungen 1; 2; 3 bzw. I; II; III als Größen des Dreiphasensystems gegenseitig um 120° phasenverschoben sind. Zwangsläufig sind die Spannungen eines gleichnamigen Stranges, d. h. die Spannungen der Spulen, die auf einem gemeinsamen Schenkel des Transformatorkerns angeordnet sind, entweder gleich oder entgegengesetzt gerichtet (Bild ➐). Im Zeigerbild des Drehstromtransformators muss weiterhin die Folge der Netzanschlussbezeichnungen 1U; 1V; 1W sowie 2U; 2V; 2W stets der Umlaufrichtung des Uhrzeigers entsprechen (Bild ➑). Anhand eines willkürlich gewählten Schaltbildes eines Drehstromtransformators (Bild ➒) soll in einzelnen Schritten sein Zeigerbild und damit die Phasenlage der Unterspannung bezogen auf die Oberspannung bestimmt werden. Da in diesem Zusammenhang die Spannungsgrößen nicht interessieren, wird 4 2U 2W 2V 1W 1V 2W 2V 2U ➑ Folge der Anschlussbezeichnungen im Zeigerbild 1U 1V 1W 1U I 1V 1W II 11 III 1U 10 Yd 2 3 III II 3 1V 1W 7 2U 2V 2W 2U 1U 10 10 2 I 3 2U 6 1W 5 2W II III 1V 2 I 9 II 1W 1 2 1 9 2U 3 6 1V 5 b) a) 12 1U 2V 1 1 III 5 6 2V 2W ➓ Richtung der Spannung- 11 OS-Zeiger im Kreis mit nen in den Wicklungssträngen 12er-Teilung ➒ Bestimmungsobjekt 2V 2 I 9 1 1 OS- und US-Zeiger des Bestimmungsobjektes Phasenwinkel zwischen Leiterspannungen Leiterspannung (2V – 2U) 2V11 1U 0 1 10 2 2V 9 fiktive Strangspannung (2N – 2U) 3 2W Leiterspannung (1V – 1U) 1V Phasenwinkel zwischen Strangspannungen 2N 4 1W 8 7 2U 13 reale Strangspannung (1N – 1U) 6 5 Phasenwinkel zwischen OS und US Schaltung der OS-Wicklung Dreieckschaltung Schaltung der US-Wicklung Sternschaltung 1U 1V 1W 2U 2V 2W Dyn5 Kennzahl US eilt OS um 5 x 30° = 150° nach Sternpunkt US-seitig ausgeführt 14 Bedeutung der Schaltungsbezeichnung 15 Schaltbild des Transformators Yd5 LERNEN KÖNNEN 12/01 Grundwissen Energieversorgung In Abhängigkeit von den Schaltungen können Phasenwinkel von 0° oder ganzzahligen Vielfachen von 30° entstehen. Bei Division dieser Phasenwinkel durch 30° ergibt sich die so genannte Kennzahl, hier also 210° : 30° = 7. Wenn im Kreis mit einer 12er-Teilung eine Anschlussbezeichnung der OS-Wicklung auf 0 oder 12 des Kreises gelegt wird, dann liegt die gleichnamige Anschlussbezeichnung der US-Wicklung auf der Kennzahl. Im Beispiel wurde deshalb 1U auf 0 bzw. 12 des Kreises gelegt, so dass 2U auf 7 liegt. Die vollständige Bezeichnung der gegebenen Schaltung lautet demnach Yd7. das Übersetzungsverhältnis ü = 1 gewählt (Tafel ➊). Da Drehstromsysteme prinzipiell durch Leitergrößen gekennzeichnet sind, ist folgerichtig der Phasenwinkel zwischen den Zeigern von Leiterspannungen anzugeben. Es sind unbedingt solche zu wählen, die zwischen gleichnamigen Anschlussbezeichnungen liegen, z. B. zwischen (1V – 1W) und (2V – 2W) oder (1W – 1U) und (2W – 2U) . Einfacher lässt sich der Winkel zwischen gleichnamigen Strangspannungen ablesen. Bei einer Dreieckschaltung muss eine entsprechende fiktive Strangspannung – sie ist nicht messbar – angenommen werden. Im vorgegebenen Beispiel (Bild ➒) eilt die Unterspannung der Oberspannung um 210° nach. 1U 0 11 Schaltgruppen nach VDE 0532 Nach den als VDE-Bestimmungen übernommenen Festlegungen der IEC werden Schaltungen von Transformatorwicklungen in Gruppen zusammengefasst, bei denen der Phasenwinkel zwischen den Ober- und Unterspannungen gleich sind. Genormt sind die Schaltgruppen mit den Kennzahlen 1 2W 10 2 3 2V 9 4 1W 8 7 0 5 6 11 1V 5 2U 6 Zu den Schaltgruppen gehören folgende Schaltungen: Zeigerbild der Transformatorschaltung Yd5 16 1 US und OS liegen in Phase US eilt OS um 150° nach US eilt OS um 180° nach US eilt OS um 330° nach. 2 3' 3 2W 2' 1' 2U 17 2V 2W 2U 1 2N 3 2 3' Strangspannung (2N – 2W) 2V 2W Fehlerhafte Zickzackschaltung 2 1 3' 3 2W Strangspannung (2N – 2W) 1 2V 1' 2' 2' 3' 2N 3 2 1' 18 Schaltung der Wicklungen Yy Dd Dz Yd Dy Yz Die Schaltgruppenbezeichnungen werden dann durch den Buchstaben N oder n ergänzt, wenn bei der Sternschaltung der Sternpunkt zum Anschluss des Neutralleiters mit aus dem Transformator geführt wird. Im Bild 14 wird am praktischem Beispiel die Schaltungsbezeichnung nach VDE 0532 erklärt. Die im Bild ➒ willkürlich gewählte Transformatorschaltung mit der Bezeichnung Yd7 ist nicht genormt. Ein Vergleich mit der Schaltung Yd5 zeigt, dass die Unterspannung im U-Strang von der Anschlussstelle 2W zur Anschlussstelle 2U gerichtet ist (Bild 15 ). Im Bestimmungsobjekt war dagegen die Spannung von 2V nach 2U gerichtet. Das Zeigerbild einer bekannten Schaltgruppe lässt sich sehr einfach auf der Grundlage der bisherigen Aussagen entwickeln. Auf einen Kreis mit 12erTeilung werden die Anschlussbezeichnungen der OS-Wicklung 1U; 1V; 1W so angeordnet, dass 1U auf 0 bzw. 12 liegt. Die gleichnamige Anschlussbezeichnung der US-Wicklung, also 2U, liegt dann auf der Kennzahl. Im Abstand von je vier Kreisabschnitten werden in Uhrzeigerichtung 2V und 2W auf den Kreis festgelegt. Die Spannungszeiger werden dann entsprechend der Schaltungen von OS- und USWicklung in Richtung der Anschlussbezeichnungen eingezeichnet. Vergleichen Sie dazu das Zeigerbild Yd5 (Bild 16 ). Einige Bemerkungen zur Zickzackschaltung. Da in Versorgungsnetzen auch mit einphasiger Belastung zu rechnen ist, werden durch diese Sonderform der Sternschaltung zwei Transformatorschenkel belastet. Ein einfaches Verschieben der Spulenhälften ist, wie das Bild 17 zeigt, jedoch nicht sinnvoll. Die Beträge der Strangspannungen, hier nur die zwischen 2N – 2W dargestellt, sind trotz Reihenschaltung der Spulenhälften nur so groß wie der Spannungsbetrag einer Spulenhälfte. Die Schaltung ist deshalb so zu ändern, dass die Richtungen der Spulenspannungen in den Strangwicklungen entgegengesetzt gerichtet sind. Wie das Zeigerbild zeigt, sind jetzt die Strangspannungen (2N – 2U); (2N – 2V); (2N – 2W) um das √3-fache größer als die Spulenspannungen 1; 1ı oder 2; H. Spanneberg 2ı oder 3; 3ı (Bild 18 ). Spulenspannung 2U 2N 2U Kennzahl 0 oder 6 5 oder 11 Heft 1/2002 LERNEN & KÖNNEN 2V 2W Schalt- und Zeigerbild der Zickzackschaltung LERNEN KÖNNEN 12/01 Prüfen der Schaltgruppenkennzahl 5
