LERNEN und KÖNNEN

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
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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
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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