Funktionsweise - Informationsportal regelbare Ortsnetztransformatoren

Regelbare Transformatoren können im Automatik-, manuellen und Remote-Modus betrieben werden. Im Automatikmodus wird die Spannung an der Niederspannungssammelschiene (NS) gemessen und, sobald die Regelbandbreite über einen festlegbaren Zeitraum über- oder unterschritten wird, ein Schaltbefehl an den Laststufenschalter übermittelt. Häufige, alternierende Schalt- und Rückschalthandlungen aufgrund kurzfristiger Grenzwertverletzungen werden somit vermieden. Zu beachten ist allerdings, dass die möglichen Schaltvorgänge konstruktionsbedingt durch die Anzapfungsanzahl begrenzt sind, d. h. sobald die Anzapfung mit der kleinsten bzw. größten Wicklungszahl erreicht ist, kann die Spannungsanpassung entsprechend nur jeweils in eine Richtung erfolgen. Für genauere Informationen sei auf die Produktbeschreibungen der jeweiligen Hersteller verwiesen.

Funktionsweise RONT

Im weiteren Verlauf wird das Funktionsprinzip anhand eines mit einem Stufenschalter geregelten Transformators erklärt. Die Spannungsänderung am Transformator erfolgt hierbei durch Veränderung der Übersetzung, d.h. durch Änderung der Windungszahl einer der beiden Wicklungen, US oder OS. Technisch lässt sich dies z. B. durch eine Wicklung mit mehreren Anzapfungen realisieren. In Europa wird bei großen Leistungstransformatoren ausschließlich auf der OS geregelt, in den USA dagegen bevorzugt auf der US.

In Abbildung 1 ist der Fall dargestellt, bei dem die Windungszahländerung auf der Seite erfolgt, auf der die (Ausgangs-)Spannung $U_2$ des Transformators konstant gehalten werden soll. Da z. B. auf der linken Seite die Spannung $U_1$ schwankt, aber die dazugehörige Windungszahl konstant bleibt, schwankt – nach dem Induktionsgesetz – auch der induzierte magnetische Fluss im Eisenkern. Dies gilt genauso bei einer gedachten Magnetisierung von der anderen Seite, d. h. $U_2$ wird (im Rahmen der Regelhysterese) konstant gehalten, aber die dazugehörige Windungszahl kann sich je nach Höhe von unterschiedlich einstellen.

Abbildung 1: Regeltransformator mit variabler Induktion

Umgekehrt spricht man von einem Regeltransformator mit konstanter Induktion (Abbildung 2), wenn sich der Stufenschalter auf der Seite mit der schwankenden Spannung befindet. In diesem Fall bleibt nämlich der magnetische Fluss in seiner Amplitude nahezu unverändert. Nimmt die Spannung $U_1$ ab, würde sich auch die Spannung $U_2$ reduzieren. Um sie konstant zu halten, muss die Windungszahl auf der Seite $U_1$ mit verkleinert werden und zwar im selben Verhältnis wie die Spannungsschwankung. Nach dem Induktionsgesetz $U = \omega \frac{d \Phi}{dt}$ bedeutet dies eine gleichbleibende Induktion.

Abbildung 2: Regeltransformator mit konstanter Induktion

Auch wenn der Ort der Spannungsregelung in seiner Wirkung auf das Übersetzungsverhältnis unbedeutend ist, so spielt er also eine Rolle für die Magnetisierung im Eisenkern. Bei variabler Induktion nimmt mit zunehmender Windungszahl die Flussdichte im Eisenkern und damit seine Ausnutzung ab. Eine optimale Ausnutzung ist demnach bei Regeltransformatoren mit konstanter Induktion gegeben.

Mit Hilfe des nachfolgenden Abbildung 3 wird der Schaltablauf anhand des Lastumschalter-Wähler-Prinzips erklärt. Im oberen Bildteil sind die Wählerkontakte an den Anzapfungen 2 und 3 zu sehen. Im unteren Bildteil bilden die Dauerhauptkontakte $MS_A$ und $MS_B$ zusammen mit den Überschaltwiderständen $R_A$ und $R_B$ sowie den Schaltkontakten $T_A$ und $T_B$ inkl. dem dargestellten Drehkontakt am „current terminal“ den Lastumschalter. Abbildung 3 a zeigt die Ausgangsposition mit einer Aufschaltung der Anzapfung und der Stromableitung über den Dauerhauptkontakt $MS_A$ . Der andere Wählerkontakt steht noch in Position 2. Nun soll eine Umschaltung mit Erhöhung der Windungszahl stattfinden. Zunächst wird dazu der Wählerkontakt von Position 2 auf 4 versetzt (Abbildung 3 b und c). Diese Vorwählung erfolgt stromlos, da über die rechte Seite kein Stromkreis geschlossen ist. Ab Abbildung 3 d beginnt der eigentliche Umschaltvorgang. Der dargestellte Drehkontakt wird nun auf die andere Seite bewegt. Dabei ist er so ausgeführt, dass er zunächst die beiden Kontakte $MS_A$ und $T_A$ verbindet, wobei in dieser Stellung noch keine (wesentliche) Änderung der Strombahn eintritt, da der parallele Pfad mit $R_A$ relativ hochohmig ist im Vergleich zur Dauerstrombahn. In Abbildung 3 e ist der Schaltvorgang dann soweit fortgeschritten, dass der Drehkontakt den Dauerhauptkontakt $MS_A$ verlässt und der Laststrom nun auf den Pfad mit dem Überschaltwiderstand gezwungen wird. Sobald der Drehkontakt auch den Widerstandspfad der anderen Seite berührt, entsteht ein paralleler Pfad für den Laststrom. Dieser teilt sich nun ungefähr zu gleichen Teilen auf die beiden Seiten auf. Zusätzlich wirkt in der Masche „Wählerkontakt in Position 3 – Überschaltwiderstand $R_A$ – Drehkontakt – Überschaltwiderstand $R_B$ – Wählerkontakt in Position 4 – Wicklungsteil zwischen Position 3 und 4“ entsprechend den Windungen zwischen den Anzapfungen 3 und 4 die sog. Stufenspannung (Abbildung 3 f). Dieser treibt in dieser Stellung einen Kreisstrom, der eben von den beiden Überschaltwiderständen $R_A$ und $R_B$ begrenzt wird. Diese Schalterstellung wird deshalb bei ohmschen Überschaltwiderständen nur für sehr kurze Zeit eingenommen. Im nächsten Schaltschritt (Abbildung 3 g) läuft der Drehkontakt auch von dem Kontakt ab, so dass der vorher entstandene „Kurzschlusskreis“ wieder aufgetrennt wird. Dem Laststrom stehen folglich keine zwei parallele Pfade mehr zur Verfügung. Er wird gezwungen nun vollständig auf die Wicklungsanzapfung 4 zu kommutieren. Auch auf der anderen Seite ist die Kontaktanordnung so ausgeführt, dass kurzzeitig die Kontakte $T_B$ und $MS_B$ gemeinsam kontaktiert werden (Abbildung 3 h). Sobald dies geschieht, wechselt der Laststrom fast komplett auf den niederohmigen Pfad mit dem Dauerhauptkontakt $MS_B$ . Am Ende der Schaltsequenz ist nur noch der Dauerhauptkontakt aufgeschaltet (Abbildung 3 i).

Abbildung 3: Grundsätzliche Schaltsequenz eines Widerstandsschnellschalters mit Lastumschalter-Wähler-Prinzip

Die in Abbildung 3 dargestellte Schaltanordnung ist nur eine von vielen Möglichkeiten zur technischen Realisation eines Widerstandsschnellschalters, die hier allerdings nicht weiter behandelt werden. Stattdessen soll nun noch ein Beispiel für einen Lastwähler-Reaktorschalter erläutert werden. Abbildung 4 zeigt dazu die prinzipielle Schaltsequenz. Die Anordnung besteht aus zwei Kontaktpfaden mit den Kontakten $ATS_A$ und $ATS_B$ , die beide im Bildteil a die Anzapfung kontaktieren. Als Überschaltimpedanz dient eine Drossel, welche auch als Preventive Autotransformer $(PA)$ bezeichnet wird und deren Mittenanzapfung die Stromableitung darstellt. Da die Drossel mittig eine Anzapfung zur Stromableitung hat, teilt sich der Laststrom $I_L$ in etwa hälftig auf beide Kontaktpfade auf. Damit sich die magnetischen Flüsse im Eisenkern aufheben und die Eisen-Verluste gering gehalten werden können, sind die zwei Wicklungsteile der Drossel gegensinnig gewickelt. Während einer Umschaltung öffnet zunächst einer der beiden Kontakte $ATS_A$ bzw. $ATS_B$ , so dass der Laststrom gezwungen wird, vollständig über die verbleibende Kontaktstelle zu fließen (Abbildung 4 b). Im nächsten Schritt läuft nun der offene Kontaktpfad auf die andere Wicklungsanzapfung auf, in Abbildung 4 c ist es die Nummer 5.

Der zweite Kontaktpfad befindet sich immer noch in der Ausgangskontaktstellung. Damit wird nun über die beiden Kontaktpfade der entsprechende Wicklungsteil der Regelwicklung „kurzgeschlossen“. Die in diesem Wicklungsteil anteilige Transformatorspannung, die sog. Stufenspannung, treibt in dieser Stellung einen Kreisstrom $I_C$ , der in seiner Höhe von der Impedanz der Überschalt-Drossel begrenzt wird. Diese Schaltstellung wird auch als Brückenposition bezeichnet, weil damit zwei Anzapfungen gebrückt werden. Da der $PA$ so ausgelegt wird, dass er den halben Laststrom plus den Kreisstrom dauerhaft führen kann (in Abbildung 4 c wäre es der rechte Teil des $PA$ ), kann die Brückenposition dauerhaft eingenommen werden. Dabei stellt sich eine Transformatorspannung ein, die sich annähernd als Mittelwert der Spannungen bei alleiniger Kontaktierung der beiden Anzapfungen darstellt. Damit können die Anzahl der Spannungsstufen erhöht bzw. die physischen Wicklungsanzapfungen verringert werden. Dieser Vorteil muss allerdings durch höhere Verluste in den Brückenpositionen erkauft werden. Da der Kreisstrom zu unterschiedlichen Belastungen der beiden Drosselhälften führt, kann die Magnetisierung im Eisen nicht mehr vollständig aufgehoben werden. Es entstehen in dieser Schaltstellung zusätzliche Eisenverluste im $PA$ .

Abbildung 4: Grundsätzliche Schaltsequenz eines Reaktorschalters mit Lastwähler-Prinzip