Spannungswandler

Ein elektrisches Energiesystem ist ein Netzwerk, das elektrische Energie liefert, überträgt und verbraucht. Strom wird in Kraftwerken erzeugt, über Leitungen übertragen und in Haushalten genutzt. Spannungspegel müssen gemessen werden, um eine optimale Übertragung zu gewährleisten, was aufgrund der hohen Spannungen oft spezielle Transformatoren erfordert. Für diese Messungen werden Messwandler eingesetzt, wie Spannungswandler (oder Potentialwandler) für Hochspannung und Stromwandler für hohe Ströme. Dieser Artikel behandelt den Aufbau, die Funktionsweise, die Messung, die Arten und die Anwendungen von Spannungswandlern.

Inhaltsübersicht

• Was ist ein Spannungswandler?
• Konstruktion:
• Arbeitsweise
• Messung der Spannung mit einem Spannungswandler
• Arten von Spannungswandlern
• Fehler in Spannungswandlern
• Vorteile und Nachteile
• Anwendungen
• FAQs

Was ist ein Spannungswandler?

Ein elektrisches Umspannwerk ist eine Sekundärstation im Stromerzeugungs-, -übertragungs- und -verteilungssystem, in der die Spannung mithilfe von Transformatoren von einem hohen in einen niedrigen Wert oder umgekehrt umgewandelt wird. Elektrischer Strom fließt durch mehrere Umspannwerke zwischen Kraftwerken und Verbrauchern, und die Spannung kann in mehreren Stufen geändert werden.

Die in einem Kraftwerk oder Umspannwerk erzeugte Spannung wird übertragen und in mehrere Industrieanlagen und Wohngebiete eingespeist. Es muss sichergestellt werden, dass die erzeugte Spannung einen optimalen Wert hat und auch die empfangene Spannung nach der Übertragung über mehrere Leitungen keine größeren Verluste aufweist. Daher ist es wichtig, diese Spannungen an verschiedenen Stellen zu messen.

Die Messung von Hochspannungen in Kraftwerken und Lastzentren kann nicht mit herkömmlichen Spannungsmessern durchgeführt werden. Ein Potenzialtransformator ist ein Instrument zur Messung hoher Spannungen in einem Übertragungs- oder Verteilungssystem. Es handelt sich um einen Abwärtstransformator, der eine Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung umwandelt, die dann mit einem Voltmeter gemessen werden kann.

Anmerkung: Die Begriffe Spannungswandler und Potenzialwandler bedeuten im Wesentlichen dasselbe, und beide Begriffe werden im gesamten Artikel synonym verwendet.

Konstruktion:

Der Aufbau eines Spannungswandlers ähnelt dem eines herkömmlichen Leistungstransformators mit Primär- und Sekundärwicklungen. Die an der Lastseite erzeugte Spannung ist proportional zur Anzahl der Windungen in der Sekundärseite im Verhältnis zur Primärseite. Die Spannungstransformation ist gegeben durch:

V1 / V2 = N1 / N2

• V1: Spannung an der Primärwicklung des Transformators
• V2: An der Sekundärseite (Last) des Transformators erzeugte Spannung
• N1: Anzahl der Windungen im Primärteil
• N2: Anzahl der Windungen in der Sekundärseite

Ein Transformator mit N1=1, N2=10, dessen Primärspannung (V1) gleich 10 ist, hat beispielsweise eine Sekundärspannung von 1V.

Ein Spannungswandler hat einen Magnetkern (Abbildung 2 mit F), der dem eines herkömmlichen Leistungstransformators ähnelt, jedoch einen großformatigen Kern aus Siliziumlamellen aufweist. Der Magnetkern kann entweder schalenförmig oder kernförmig sein.

Die Sekundärseite wird in der Nähe des Kerns gewickelt, da eine Niederspannungswicklung leicht zu isolieren ist (Abbildung 2, Kennzeichnung B). Die Primärwicklung, die die Hochspannung führt (Abbildung 2, Bezeichnung A), ist über die Sekundärwicklung gewickelt, zwischen denen sich eine Isolierung aus Papierband oder Baumwolle befindet (Abbildung 2, Bezeichnung E).

Die Wicklungen sind in einen mit Öl gefüllten Tank eingetaucht (Abbildung 2, Kennzeichnung D), der eine bessere Isolierung bei Transformatoren mit hohen Spannungen (über 7 kV) ermöglicht. Die Hochspannungsanschlüsse werden durch ölgefüllte Durchführungen aus dem Tank herausgeführt (Abbildung 2, Kennzeichnung C).

Arbeitsweise

Zur Messung hoher Spannungen wird in der Regel ein Potenzialtransformator verwendet. Die Primärseite des Potenzialtransformators (Abbildung 3 mit der Bezeichnung PT) wird an die Übertragungsleitung angeschlossen, deren Spannung (132 kV in Abbildung 3) gemessen werden soll. Die Übertragungsleitung ist mit einer Last "A" verbunden, die elektrischen Strom von der Leitung erhält. Der Spannungswandler wird immer parallel zur Leitung geschaltet. Die Sekundärseite des Spannungswandlers wird an ein handelsübliches Voltmeter mit niedrigem Messbereich angeschlossen (Abbildung 3 mit der Bezeichnung V). Ein Stromwandler wird immer in Reihe mit der Leitung geschaltet, deren Strom gemessen werden soll. In unserem Artikel finden Sie einen ausführlichen Vergleich zwischen Spannungswandlern und Stromwandlern.

Wenn eine Spannung an die Primärwicklung angelegt wird, induziert sie eine Spannung an den Sekundärwicklungen. Diese Spannung ist niedriger als die Spannung an der Primärwicklung und ist proportional zur Anzahl der Wicklungen auf der Primär- und Sekundärseite.

Messung der Spannung mit einem Spannungswandler

1. Schließen Sie die Primärseite des Spannungswandlers an die zu messende Hochspannungsleitung an.
2. Schließen Sie ein handelsübliches Voltmeter (0-250 V) an die Sekundärseite des Spannungswandlers an.
3. Notieren Sie den Spannungswert an der Sekundärseite des Transformators, der auf dem Voltmeter angezeigt wird.

Wenn das Verhältnis der Anzahl der Wicklungen in der Primär- zur Sekundärseite 1200:1 beträgt und das Voltmeter 110 V über der Sekundärseite misst,

• V2=110V
• N1=1200
• N2=1
• Daher ist V1=132 kV

Arten von Spannungswandlern

Typen von Spannungswandlern nach ihrem Aufbau

Es gibt zwei Haupttypen von Potenzialtransformatoren, die auf ihrer Konstruktion beruhen: gewickelte und Kondensatorspannungstransformatoren.

Wickeltyp-Potentialtransformator

Die Mantel- und Kern-Potentialtransformatoren werden als gewickelte Typen klassifiziert. Die Primär- und Sekundärwicklungen sind auf die Kernschenkel mit entsprechender Isolierung gewickelt. Bei der Messung hoher Spannungen (typischerweise über 10 kV) wird die Konstruktion aufgrund von Isolationsproblemen komplex. Daher werden kapazitive Potenzialtransformatoren zur Messung sehr hoher Spannungen verwendet.

Kapazitiver Spannungswandler

Ein kapazitiver Spannungswandler verwendet einen kapazitiven Teiler und einen Hilfstransformator (Abbildung 4, Bezeichnung A). Durch den Kondensatorenteiler entfällt die Notwendigkeit eines hoch bewerteten Spannungswandlers.

Ein kapazitives Teilernetzwerk (vier Kondensatoren in Abbildung 4) wird an die zu messende Hochspannung angeschlossen (Abbildung 4, Bezeichnung B). Wenn der Kondensator an eine Wechselspannung angeschlossen wird, beginnt er sich in Höhe der Spannung aufzuladen. Die Eingangsspannung wird auf die Kondensatoren aufgeteilt, wodurch die hohe Eingangsspannung auf einen niedrigen Wert reduziert wird.

Die aus dem kapazitiven Teiler gewonnene niedrige Spannung wird mit Hilfe eines Hilfstransformators herabgestuft (Abbildung 4 mit der Bezeichnung D). Der schraffierte Teil (Abbildung 4 mit der Bezeichnung C) beschreibt einen kapazitiven Spannungswandler, der einen Kondensator-Teiler und einen Hilfstransformator umfasst.

Typen von Spannungswandlern auf der Grundlage der Betriebsspannung

Auf der Grundlage der verwendeten Netzspannung werden Spannungswandler in folgende Kategorien eingeteilt

Hochspannungs-Spannungstransformatoren

Hochspannungs-Potentialtransformatoren arbeiten in der Regel mit einer Eingangsspannung von mehr als 69 kV. Diese Geräte eignen sich für die Messung hoher Spannungen auf Verteilungsleitungen. Es ist nicht wirtschaftlich, einen einzelnen Transformator zur Messung von Spannungen über 500 kV zu verwenden (da die Größe des Transformators sehr groß wird).

Bei der Kaskadierung werden zwei Transformatoren in Reihe geschaltet. Um beispielsweise eine Hochspannung von 100 kV auf 10 V zu reduzieren, ist ein Transformator mit einem Windungsverhältnis (Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung: Anzahl der Windungen in der Primärwicklung) von 1:10000 erforderlich, was den Transformator extrem sperrig macht. Für den gleichen Zweck können zwei Transformatoren mit einem Windungsverhältnis von 1:100 verwendet werden. Der erste Transformator reduziert die Eingangsspannung von 100 kV auf 1 kV, die in die Primärwicklung des zweiten Transformators eingespeist wird. Der zweite Transformator reduziert die Eingangsspannung von 1 kV auf 10 V an seinem Ausgang. Daher können Transformatoren kaskadiert werden, um die exakte Spannungsumwandlung eines einzelnen Transformators zu erreichen, allerdings mit wesentlich geringeren Anforderungen an Größe und Konstruktion.

Mittelspannungs-Spannungstransformatoren

Nach der IEEE-Normwerden die praktischen Spannungsebenen (Eingangsspannung) zwischen 5kV und 35kV oft als Mittelspannung bezeichnet. Einige Verteilungsleitungen können 35 kV überschreiten, und diese Leitungen werden als Hochspannungsleitungen kategorisiert.

Ein Mittelspannungs-Verteilungstransformator sorgt für die endgültige Spannungsumwandlung in einem Stromverteilungssystem, nachdem er die Spannung des Verteilungsnetzes auf ein für den Verbraucher geeignetes Niveau herabgesetzt hat. Je nach Höhe des Eingangsspannungsbereichs (siehe Tabelle 1) sind diese Transformatoren sowohl für Innen- als auch für Außenanwendungen geeignet.

Hinweis:Die in Tabelle 1 für verschiedene Spannungswandlertypen angegebene Systemspannung dient nur zu Informationszwecken, und diese Werte können je nach den verschiedenen verwendeten Normen wie IEEE, IEC und ANSIvariieren.

Niederspannungs-Spannungstransformatoren

Ein Niederspannungstransformator arbeitet mit einer Eingangsspannung von weniger als 600 V. Dieser Transformator wird in Verbindung mit Mess- oder Überwachungsgeräten oder als Hilfsstromquelle in der Motorschalttafel verwendet.

Tabelle 1: Unterschied zwischen Niederspannungs-, Mittelspannungs- und Hochspannungstransformatoren

Transformator Typ	Konstruktion:	Art der Isolierung	Systemspannung	Anwendungen im Innen-/Außenbereich
Niederspannung	Einphasig, dreiphasig	Gipsabdruck, mit Band gewickelt	440V	Innenbereich
Mittelspannung	Einpolig dreiphasig, zweipolig dreiphasig	Kunstharzguss	3.3 kV-33kV	Innen und außen
Mittelspannung	Einphasig geerdeter Typ	In Öl getaucht	3.3kV-33kV	Draußen
Hochspannung	Einphasig geerdeter Typ	In Öl getaucht	66kV und mehr	Draußen

Typen von Spannungswandlern nach ihrer Funktion

Spannungswandler werden aufgrund ihrer Funktion in Mess- und Schutztypen eingeteilt.

Spannungswandler mit Messfunktion

Messspannungswandler sind Transformatoren mit geringer Leistung und hoher Genauigkeit, die für die Spannungsmessung in Messgeräten verwendet werden.

Spannungswandler mit Schutzfunktion

Schutzpotentialtransformatoren werden zur Isolierung und zum Schutz vor hohen Spannungen bei Messungen eingesetzt. Die Wicklungen dieser Transformatoren sind elektrisch isoliert und die Niederspannungsseite ist nicht direkt mit der Hochspannungsseite verbunden.

Fehler in Spannungswandlern

Bei einem herkömmlichen Transformator ist die Ausgangsspannung in der Sekundärwicklung genau proportional zur Spannung am Sekundärtransformator. Bei Spannungswandlern fällt die Spannung jedoch aufgrund der Reaktanz und des Widerstands in den Primär- und Sekundärwicklungen ab. Es gibt zwei Arten von Fehlern, nämlich Phasenverschiebungsfehler und Spannungsverhältnisfehler, die in der Ausgangsspannung eines Spannungswandlers auftreten.

Phasenverschiebungsfehler

Der Phasenverschiebungsfehler ist die Differenz zwischen der Phase der Primärspannung und der umgekehrten Sekundärspannung. Im Idealfall bleibt die Primärspannung in Phase mit der umgekehrten Sekundärspannung. In der Praxis verschiebt die Reaktanz der Wicklungen jedoch die Phase der Sekundärspannung, was zu einem Phasenwinkelfehler führt.

Fehler im Spannungsverhältnis

Der Spannungsverhältnisfehler ist die Differenz zwischen der zu erzielenden idealen Spannung und der tatsächlich an den Sekundärwicklungen erzielten Spannung. Der Prozentsatz des Spannungsverhältnisfehlers ist gegeben durch:

{(V1 – K_n V2) / V1} ✕100

• V1: Primäre Spannung
• V2: Sekundäre Spannung
• K_n : Nennübersetzung (Nennübersetzung)

Vorteile und Nachteile

Vorteile

• Misst sicher sehr hohe Spannungen auf Übertragungsleitungen.
• Ermöglicht es einem gewöhnlichen Voltmeter, sehr hohe Spannungen zu messen.
• Bietet Schutz durch elektrische Isolierung des Voltmeters und der Hochspannungsleitung.

Benachteiligungen

• Ein Spannungswandler kann keine Gleichspannung messen.
• Spannungswandler sind im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren teuer.

Anwendungen

Spannungswandler werden üblicherweise in:

• Relais- und Messkreise
• Elektrische Schutzsysteme
• Messung von Hochspannungsleitungen
• Synchronisierung von Stromerzeugern und Einspeisungen (Einspeisungen sind die Stromleitungen, über die der Strom in Stromnetzen übertragen wird)

FAQs

Wozu dient ein Spannungswandler?

Ein Spannungswandler wird zur Messung von Hochspannungsleitungen und zur Isolierung in kommerziellen Messsystemen verwendet.

Was ist der Unterschied zwischen einem Spannungswandler und einem Stromwandler?

Ein Spannungswandler misst eine hohe Spannung und wird parallel zur Leitung geschaltet. Ein Stromwandler misst einen hohen Strom und wird in Reihe mit der zu messenden Leitung geschaltet.

Warum platzen Spannungswandler?

Wenn ein hoher Strom in die Wicklungen des Transformators eintritt, kann der plötzliche Stromstoß eine Explosion des Transformators verursachen. Transformatoren sind so programmiert, dass sie sich im Falle einer Überspannung abschalten, aber die Abschaltung kann bis zu 60 Millisekunden dauern.

Wie wähle ich einen Spannungswandler aus?

Die wichtigsten Faktoren für die Auswahl eines Potenzialtransformators sind die Betriebsspannung, die Anwendung (Innen- oder Außenbereich), der Aufstellungsort, die primären und sekundären Spannungswerte und der Isolationsgrad.