Stromwandler – Funktionsprinzip und Anwendung

Bei der Arbeit mit Energiesystemen ist es häufig erforderlich, bestimmte elektrische Größen in ihnen ähnliche Analoga mit proportional veränderten Werten umzuwandeln. Dadurch können Sie bestimmte Vorgänge in Elektroinstallationen simulieren und Messungen sicher durchführen.

Der Betrieb des Stromwandlers (CT) basiert auf das Gesetz der elektromagnetischen InduktionBetrieb in elektrischen und magnetischen Feldern, die in Form von Harmonischen wechselnder Sinusgrößen variieren.

Es wandelt den Primärwert des im Stromkreis fließenden Stromvektors unter Berücksichtigung der Modulproportionalität und der exakten Winkelübertragung in einen sekundären reduzierten Wert um.

Das Funktionsprinzip des Stromwandlers

Die Darstellung der Vorgänge bei der Umwandlung elektrischer Energie im Transformator wird anhand des Diagramms erläutert.

Der Strom I1 fließt durch die Leistungsprimärwicklung mit der Windungszahl w1 und überwindet deren Impedanz Z1.Um diese Spule bildet sich ein Magnetfluss F1, der von einem Magnetkreis erfasst wird, der senkrecht zur Richtung des Vektors I1 liegt. Diese Ausrichtung gewährleistet einen minimalen Verlust elektrischer Energie bei der Umwandlung in magnetische Energie.

Durch die senkrecht stehenden Windungen der Wicklung w2 induziert der Fluss F1 in ihnen eine elektromotorische Kraft E2, unter deren Einfluss in der Sekundärwicklung ein Strom I2 entsteht, der die Impedanz der Spule Z2 und der angeschlossenen Ausgangslast Zn überwindet. In diesem Fall entsteht an den Anschlüssen des Sekundärkreises ein Spannungsabfall U2.

Man nennt die Größe K1, bestimmt durch das Verhältnis der Vektoren I1 / I2 Transformationskoeffizient... Sein Wert wird beim Entwurf von Geräten festgelegt und in vorgefertigten Strukturen gemessen. Die Unterschiede zwischen den Indikatoren realer Modelle und den berechneten Werten werden anhand der messtechnischen Kennlinie – Genauigkeitsklasse eines Stromwandlers – bewertet.

Im tatsächlichen Betrieb sind die Werte der Ströme in den Spulen keine konstanten Werte. Daher wird der Transformationskoeffizient normalerweise durch Nennwerte angegeben. Sein Ausdruck 1000/5 bedeutet beispielsweise, dass bei einem primären Betriebsstrom von 1 Kiloampere 5 Ampere Lasten in den Sekundärwindungen wirken. Anhand dieser Werte wird die Langzeitleistung dieses Stromwandlers berechnet.

Der magnetische Fluss F2 vom Sekundärstrom I2 verringert den Wert des Flusses F1 im Magnetkreis. In diesem Fall wird der darin erzeugte Fluss des Transformators Ф durch die geometrische Summation der Vektoren Ф1 und Ф2 bestimmt.

Gefährliche Faktoren beim Betrieb des Stromwandlers

Im Falle eines Isolationsfehlers besteht die Möglichkeit einer Beeinträchtigung durch Hochspannung

Da der Magnetkreis des TT aus Metall besteht, eine gute Leitfähigkeit aufweist und die isolierten Wicklungen (Primär- und Sekundärwicklung) magnetisch miteinander verbindet, besteht bei einem Bruch der Isolationsschicht ein erhöhtes Risiko eines Stromschlags für Personen oder Sachschäden.

Um solche Situationen zu verhindern, wird einer der Sekundäranschlüsse des Transformators geerdet, um bei Unfällen das Hochspannungspotential über ihn abzuleiten.

Dieser Anschluss ist immer am Gehäuse des Gerätes gekennzeichnet und in den Anschlussplänen angegeben.

Die Möglichkeit, bei einem Ausfall des Sekundärkreises von einem Hochspannungspotential betroffen zu sein

Die Anschlüsse der Sekundärwicklung sind mit „I1“ und „I2“ gekennzeichnet, sodass die Richtung der fließenden Ströme polar ist und in allen Wicklungen gleich ist. Wenn der Transformator in Betrieb ist, müssen sie immer an die Last angeschlossen sein.

Dies erklärt sich dadurch, dass der durch die Primärwicklung fließende Strom ein hohes Leistungspotential (S = UI) aufweist, das verlustarm in einen Sekundärkreis umgewandelt wird und bei dessen Unterbrechung die Stromkomponente stark auf die Werte abnimmt ​​der Leckage durch die Umgebung, aber gleichzeitig erhöht der Abfall die Spannungen im gebrochenen Abschnitt erheblich.

Das Potenzial an den offenen Kontakten der Sekundärwicklung kann beim Stromdurchgang in der Primärschleife mehrere Kilovolt erreichen, was sehr gefährlich ist.

Deshalb müssen alle Sekundärkreise von Stromwandlern immer sicher montiert sein und Shunt-Kurzschlüsse müssen immer an außer Betrieb genommenen Wicklungen oder Kernen installiert werden.

Designlösungen für Stromwandlerschaltungen

Jeder Stromwandler ist als elektrisches Gerät darauf ausgelegt, bestimmte Probleme beim Betrieb elektrischer Anlagen zu lösen. Die Industrie produziert davon ein großes Sortiment. In manchen Fällen ist es jedoch bei der Verbesserung von Strukturen einfacher, vorgefertigte Modelle mit bewährten Technologien zu verwenden, als neue zu entwerfen und herzustellen.

Das Prinzip der Erstellung eines Single-Turn-TT (im Primärkreis) ist grundlegend und im Foto links dargestellt.

Hier besteht die mit Isolierung bedeckte Primärwicklung aus einem geraden Bus L1-L2, der durch den Magnetkreis des Transformators verläuft, und die Sekundärwicklung ist mit Windungen darum gewickelt und mit der Last verbunden.

Das Prinzip zur Erstellung eines Multiturn-Stromwandlers mit zwei Kernen ist rechts dargestellt. Dabei werden zwei Einwindungstransformatoren mit ihren Sekundärkreisen genommen und eine bestimmte Anzahl Windungen der Leistungswicklungen durch ihre Magnetkreise geführt. Auf diese Weise wird nicht nur die Leistung erhöht, sondern auch die Anzahl der ausgangsseitig angeschlossenen Schaltkreise weiter erhöht.

Diese drei Prinzipien können auf unterschiedliche Weise geändert werden. Beispielsweise ist die Verwendung mehrerer identischer Spulen um einen einzigen Magnetkreis weit verbreitet, um separate, unabhängige Sekundärkreise zu schaffen, die autonom arbeiten. Diese werden Kerne genannt. Auf diese Weise wird der Schutz von Schaltern oder Leitungen (Transformatoren) mit unterschiedlichen Zwecken an die Stromkreise eines Stromwandlers angeschlossen.

Kombinierte Stromwandler mit einem leistungsstarken Magnetkreis, die im Notbetrieb von Geräten verwendet werden, und herkömmliche Stromwandler, die für Messungen bei Nennnetzparametern ausgelegt sind, arbeiten in Geräten der Energieversorgung.Um Bewehrungsstäbe gewickelte Spulen werden zum Betrieb von Schutzgeräten verwendet, während herkömmliche Spulen zur Messung von Strom oder Leistung/Widerstand verwendet werden.

Sie heißen so:

• Schutzspulen gekennzeichnet mit dem Index „P“ (Relais);

• Messung, angegeben durch die Zahlen der metrologischen Genauigkeitsklasse TT, zum Beispiel „0,5“.

Schutzwicklungen ermöglichen im Normalbetrieb des Stromwandlers die Messung des Primärstromvektors mit einer Genauigkeit von 10 %. Bei diesem Wert spricht man von „zehn Prozent“.

Messfehler

Das Prinzip der Bestimmung der Genauigkeit des Transformators ermöglicht die Bewertung seines auf dem Foto gezeigten Ersatzschaltbilds. Darin werden alle Werte von Primärgrößen bedingt auf die Wirkung in Sekundärschleifen reduziert.

Das Ersatzschaltbild beschreibt alle in den Wicklungen ablaufenden Prozesse unter Berücksichtigung der Energie, die für die Magnetisierung des Kerns mit dem Strom I aufgewendet wird.

Das auf seiner Basis aufgebaute Vektordiagramm (Dreieck SB0) zeigt, dass sich der Strom I2 von den Werten von I'1 mit dem Wert von I in Richtung uns (Magnetisierung) unterscheidet.

Je größer diese Abweichungen sind, desto geringer ist die Genauigkeit des Stromwandlers. Um CT-Messfehler zu berücksichtigen, werden folgende Konzepte eingeführt:

• relativer aktueller Fehler, ausgedrückt als Prozentsatz;

• Winkelfehler berechnet aus der Bogenlänge AB im Bogenmaß.

Der Absolutwert der Abweichung der Primär- und Sekundärstromvektoren wird durch das AC-Segment bestimmt.

Gängige Industriedesigns von Stromwandlern werden für den Betrieb in Genauigkeitsklassen hergestellt, die durch die Eigenschaften von 0,2 definiert sind; 0,5; 1,0; 3 und 10 %.

Praktische Anwendung von Stromwandlern

Eine Vielzahl ihrer Modelle findet sich sowohl in kleinen elektronischen Geräten, die in einem kleinen Gehäuse untergebracht sind, als auch in Energiegeräten, die erhebliche Abmessungen von mehreren Metern einnehmen. Sie werden nach Betriebseigenschaften unterteilt.

Klassifizierung von Stromwandlern

Nach Vereinbarung sind sie unterteilt in:

• Messung, Übertragung von Strömen an Messgeräte;
• geschützt, an aktuelle Schutzstromkreise angeschlossen;
• Labor, mit einer hohen Genauigkeitsklasse;
• Zwischenprodukte, die zur Rückumwandlung verwendet werden.

Beim Betrieb von Anlagen wird TT verwendet:

• Außeninstallation im Freien;

• für geschlossene Installationen;

• Einbaugeräte;

• von oben – Hülse einführen;

• tragbar, sodass Sie Messungen an verschiedenen Orten durchführen können.

Je nach Wert der Betriebsspannung des TT-Geräts gibt es:

• Hochspannung (mehr als 1000 Volt);

• für Nennspannungswerte bis 1 Kilovolt.

Außerdem werden Stromwandler nach der Art der Isoliermaterialien, der Anzahl der Transformationsschritte und anderen Merkmalen klassifiziert.

Abgeschlossene Aufgaben

Externe Messstromwandler werden zum Betrieb von Stromkreisen zur Messung elektrischer Energie, zur Messung und zum Schutz von Leitungen oder Leistungsspartransformatoren eingesetzt.

Das Foto unten zeigt ihre Lage für jede Phase der Leitung und die Installation der Sekundärkreise im Anschlusskasten der 110-kV-Schaltanlage für den Leistungsspartransformator.

Die gleichen Aufgaben werden von Stromwandlern der externen Schaltanlage – 330 kV – übernommen, allerdings sind sie angesichts der Komplexität der Anlagen mit höherer Spannung viel größer dimensioniert.

Bei Energieanlagen werden häufig eingebettete Bauformen von Stromwandlern verwendet, die direkt auf dem Gehäuse des Kraftwerks platziert werden.

Sie verfügen über Sekundärwicklungen mit Leitungen, die in einem abgedichteten Gehäuse um die Hochspannungsbuchse herum angeordnet sind. Die Leitungen der CT-Klemmen werden zu den hier angebrachten Klemmenkästen geführt.

Interne Hochspannungsstromtransformatoren verwenden meist spezielles Transformatorenöl als Isolator. Ein Beispiel für eine solche Konstruktion ist auf dem Foto für Stromwandler der TFZM-Serie dargestellt, die für den Betrieb bei 35 kV ausgelegt sind.

Bis einschließlich 10 kV werden bei der Herstellung der Box feste dielektrische Materialien zur Isolierung zwischen den Wicklungen verwendet.

Ein Beispiel für einen Stromtransformator TPL-10, der in KRUN, geschlossenen Schaltanlagen und anderen Schaltanlagentypen verwendet wird.

Ein Beispiel für den Anschluss des Sekundärstromkreises eines der REL 511-Schutzkerne für einen 110-kV-Leistungsschalter wird anhand eines vereinfachten Diagramms dargestellt.

Stromwandlerfehler und wie man sie findet

Ein an eine Last angeschlossener Stromwandler kann unter dem Einfluss thermischer Überhitzung, zufälliger mechanischer Einwirkungen oder aufgrund schlechter Installation den elektrischen Widerstand der Isolierung der Wicklungen oder deren Leitfähigkeit zerstören.

In Betriebsgeräten kommt es am häufigsten zu Beschädigungen der Isolierung, was zu Windungskurzschlüssen der Wicklungen (Verringerung der übertragenen Leistung) oder zum Auftreten von Leckströmen durch zufällig erzeugte Kurzschlüsse führt.

Um die Stellen mit mangelhafter Installation des Stromkreises zu identifizieren, werden regelmäßig Inspektionen des Arbeitskreises mit Wärmebildkameras durchgeführt.Auf dieser Grundlage werden die Defekte unterbrochener Kontakte sofort behoben und eine Überhitzung der Geräte verringert.

Das Fehlen einer Schließung von Windung zu Windung wird von den Spezialisten der Relaisschutz- und Automatisierungslabore überprüft:

• Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie;

• Laden des Transformators von einer externen Quelle;

• Messungen der Hauptparameter im Arbeitsschema.

Sie analysieren auch den Wert des Transformationskoeffizienten.

In allen Arbeiten wird das Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärstromvektoren anhand der Größe geschätzt. Ihre Winkelabweichungen werden mangels hochpräziser Phasenmessgeräte, die zur Überprüfung von Stromwandlern in messtechnischen Laboren eingesetzt werden, nicht durchgeführt.

Hochspannungsprüfungen der dielektrischen Eigenschaften werden den Spezialisten des Isolationsdienstlabors übertragen.