Spannungswandler (Energietechnik)

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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Spannungswandler aufgeführt.
Kapazitiver Spannungswandler von 150 kV auf 100 V in einer Freiluftschaltanlage

Ein Spannungswandler ist im Bereich der elektrischen Energietechnik ein Messwandler oder Schutzwandler zum potentialfreien Messen von Wechselspannung. Die Funktion eines Spannungswandlers besteht darin, über einen speziellen Transformator die zu messende hohe Spannung auf geringe Spannungswerte proportional umzusetzen. Diese geringere Spannung, üblich sind Spannungen um 100 V, können in weiter Folge mit Messinstrumenten gemessen und weiter verarbeitet werden. Im Bereich von Hochspannungsanwendungen werden kapazitive Spannungswandler bei Nennspannungen bis über 1 MV eingesetzt. Der Einsatzbereich von Spannungswandlern liegt unter anderem im Bereich von Energiezählern und des Netzschutzes im Bereich der elektrischen Energieverteilung in Umspannwerken und Kraftwerken.[1]

Aufbau[Bearbeiten]

Spannungswandler sind grundsätzlich wie Transformatoren aufgebaut, bestehen aus einer Primärwicklung welche mit der zu messenden Spannung elektrisch verbunden ist, und einer Sekundärwicklung welche galvanisch getrennt zu den Messinstrumenten führt. Für die messtechnische Anwendung weisen Spannungswandler einige konstruktive Anpassungen auf: So darf die Phasenverschiebung der Spannung auf Ober- zu Unterspannung nur einen kleinen Fehler aufweisen, dies ist wichtig um gemeinsam mit dem Stromwandler die Wirkleistung und Blindleistung korrekt erfassen zu können. Das Übersetzungsverhältnis von Spannungswandlern wird üblicherweise so gewählt, dass bei Nennspannung auf der Primärwicklung die sekundärseitige Ausgangsspannung 100 V beträgt. Dazu wird die Sekundärseite mit einer Bürde abgeschlossen deren Wert von der Leistung des Wandlers abhängt, und im Bereich von einigen 10 Ω bis zu einigen 10 kΩ reicht.[2]

Spannungswandler sind primärseitig entweder für einen Anschluss zwischen den zu messenden Außenleitern oder für einen Anschluss gegen Erde ausgelegt. Im ersteren Fall ist die Primärwicklung komplett gegen Erde isoliert und es gibt einphasige oder dreiphasige Ausführung für Dreiphasenwechselstrom. Die Anschlüsse sind hochspannungsfest herausgeführt. Für die Spannungsmessung an einem einzelnen Außenleiter gegen Erde ist ein Ende der Primärwicklung geerdet und der Wandler besitzt nur einen Hochspannungsanschluss. Die Sekundärwicklung ist bei beiden Ausführungen einseitig geerdet. Je nach konkretem Modell sind weitere sekundärseitige Wicklungen vorgesehen, welche beispielsweise der Überwachung gegen Erdschlüsse dienen. Hierzu werden diese Hilfswicklungen des Wandlers jeder der drei Phasen bei Drehstrom in Reihe geschaltet, so dass sich die Spannung bei Fehlerfreiheit zu null addiert.

Kapazitive Spannungswandler[Bearbeiten]

Schaltung eines kapazitiven Spannungswandlers

Im Bereich von Hoch- und Höchstspannungen über 100 kV kommen kapazitive Spannungswandler zur Anwendung. Der Grund liegt darin, dass die Isolationsfestigkeit bei hohen Spannungen sich nur mit großem Aufwand im Transformator sicherstellen lässt. Daher wird, wie in nebenstehender Schaltung dargestellt, ein kapazitiver Spannungsteiler auf der Hochspannungsseite vorgesehen. Der in der Schaltung eingezeichnete hochspannungsfeste Kondensator C1 ist im Inneren des Isolationskörpers untergebracht und mit der hochspannungsführenden Leitung verbunden. Dieser Kondensator kann auch aus einer Reihenschaltung mehrerer einzelner Kondensatoren bestehen, um die Spannungsfestigkeit der gesamten Anordnung zu erhöhen. Die Spule L1 dient dazu die Phasenverschiebung, welche durch den kapazitiven Spannungsteiler bedingt ist, zu kompensieren.

Neben ausschließlichen Spannungs- und Stromwandlern gibt es auch kombinierte Ausführungen, welche Spannungs- und Stromwandler in einem Gehäuse zusammenfassen und einen kompakten Anlagenaufbau erlauben.

Kennzeichen für den Betrieb[Bearbeiten]

Die typische Belastbarkeit induktiver Spannungswandler ist bei Messanwendungen 10 bis 50 VA, bei Eigenstromversorgung der Schaltanlagen können es bis zu einige 100 VA sein. Es ist zu unterscheiden zwischen der Nennbürde, bis zu der der Wandler die Klassengenauigkeit einhält, und die thermische Grenzleistung, bis zu der er belastet werden kann, ohne Schaden zu nehmen.

Die Genauigkeit wird in Mess- und Schutzklassen angegeben, wobei die Messklasse 0,5 eine Messtoleranz von 0,5% der übersetzten Spannung zulässt. In den IEC Normen 60044-2 und 61869-3 werden Messklassen in den Bereichen 0,1%,0,2%,0,5%,1% und 3% spezifiziert, welche im Bereich von 80% - 120% der Nennspannung die Klasse einhalten müssen.

Des Weiteren werden die Schutzklassen 3P und 6P spezifiziert, welche beispielsweise eine Messtoleranz von 3% oder 6% zulassen. Allerdings muss im Falle einer Schutzklasse die spezifizierte Messtoleranz von 5% - 100% * Fv (Fv = Spannungsfaktor, definiert die Klasse bis zu einer gewissen Spannung) erfüllt werden, im Bereich von 2-5% wird die Toleranz verdoppelt.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass eine Wicklung als Mess- und Schutzklasse definiert wurde, in solch einem Fall muss der Spannungswandler beide Klassen einhalten.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Andreas Küchler: Hochspannungstechnik: Grundlagen – Technologie – Anwendungen. 2. Auflage. Springer, 2004, ISBN 978-3-540-21411-3.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. DIN EN 60044-2:2003-12, zugleich VDE 0414-44-2; Messwandler, Teil 2: Spannungswandler; Online
  2. PS-E-15 — Provisional Specifications for Approval of Electronic Voltage Transformers. Abgerufen am 17. Juni 2013.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Voltage transformers – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien