Die beiden Haupttypen von Messtransformatoren in einem Stromnetz.

I. Spannungstransformer (VT)

Der Spannungstransformer (Potentialtransformer, abgekürzt PT; Spannungstransformer, abgekürzt VT) ist ein elektrisches Gerät, das zur Transformation von Spannungspegeln in Starkstromkreisen verwendet wird.

1. Arbeitsprinzip

Der Spannungstransformer arbeitet nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion und hat eine Struktur, die der eines herkömmlichen Transformatoren ähnelt, bestehend aus einer Primärwicklung, einer Sekundärwicklung und einem Kern. Die Primärwicklung ist parallel zum zu messenden Hochspannungskreis geschaltet und hat eine große Anzahl von Wicklungen.

Die Sekundärwicklung, mit weniger Windungen, ist an Messinstrumente, Schutzrelais und andere Lasten angeschlossen. Unter normalen Betriebsbedingungen ist die Sekundärseite etwa im Leerlaufzustand. Gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion ist das Verhältnis von Primär- zu Sekundärspannung gleich dem Wicklungsverhältnis (U₁/U₂ = N₁/N₂). Dies ermöglicht es, die hohe Spannung proportional auf eine standardisierte niedrige Spannung (in der Regel 100V oder 100/√3 V) herunterzuschalten, was sicher und geeignet für Mess- und Schutzgeräte ist.

Sein elektrisches Symbol lautet wie folgt:

2. Funktionen

• Spannungsmessung: Reduziert hohe Systemspannungen auf standardisierte niedrige Spannungen (z.B. 100V oder 100/√3 V) für Voltmesser, Energiemesser und andere Messinstrumente, um eine Echtzeitüberwachung der Netzspannung zu ermöglichen.
• Schutzrelais: Bietet verlässliche Spannungssignale für Schutzrelais zur Über- und Unterspannungsschutzfunktion. Bei unnormalen Spannungsbedingungen reagiert das Schutzsystem schnell, löst einen Auslösebefehl aus, um den defekten Kreis zu isolieren und die System- und Gerätesicherheit zu gewährleisten.
• Energiermessung und -abrechnung: Arbeitet zusammen mit Energiemessern, um den Stromverbrauch in Hochspannungskreisen genau zu messen. Es dient als wichtige Grundlage für die Abrechnung und Energiebilanzierung durch Versorgungsunternehmen.

3. Eigenschaften

• Hohe Genauigkeit: Messqualitäts-Spannungstransformatoren haben hohe Genauigkeitsklassen (z.B. 0,2, 0,5), um eine präzise Spannungsmessung und Energiemessung zu gewährleisten. Schutzqualitäts-VTs legen den Fokus auf eine schnelle Reaktionsfähigkeit und haben vergleichsweise niedrigere Genauigkeitsklassen (z.B. 3P, 6P).
• Hohe Isolationsanforderungen: Hochspannungs-VTs müssen hohe Betriebsspannungen aushalten und verwenden in der Regel ölgetränkte, SF₆-Gas- oder feste Harzisolierung für eine stabile und zuverlässige Leistung. Niederspannungs-VTs sind meist trocken, haben eine einfache Struktur und sind leicht zu warten.
• Sekundärseite darf nicht kurzgeschlossen werden: Ein Kurzschluss auf der Sekundärseite kann extrem hohe Ströme erzeugen, die die Wicklungen überhitzen und zerstören können. Daher muss der Sekundärkreis durch Sicherungen oder Miniatur-Leitungsschalter geschützt sein.

4. Anwendungsbereiche

• Hochspannungsanwendungen: Geeignet für Übertragungsleitungen und Umspannwerke mit Spannungen von 1 kV und darüber (z.B. 10 kV, 35 kV, 110 kV-Systeme). Wird verwendet, um Bus- oder Leitungsspannungen zu überwachen und Eingaben für Schutzsysteme bereitzustellen, um eine sichere und stabile Netzbetrieb zu gewährleisten.
• Niederspannungsanwendungen: Anwendbar für Verteilungssysteme unter 1 kV (z.B. 220V-Haushaltsnetze, 380V-Industriesysteme). Häufig installiert in Niederspannungs-Schaltanlagen zur Überwachung der Verbraucherseite-Spannung oder zur Verbindung mit Energiemessern zur Strommessung.

II. Stromtransformatoren (CT)

Ein Stromtransformator (CT), auch bekannt als Stromwandler, ist ein Instrumententransformator, der unter normalen Betriebsbedingungen einen Sekundärstrom erzeugt, der weitgehend proportional zum Primärstrom ist, mit einer Phasendifferenz, die bei korrekter Verbindung nahe Null liegt.

1. Arbeitsprinzip

Der Stromtransformator arbeitet nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion und hat eine Struktur, die der eines herkömmlichen Transformatoren ähnelt, bestehend aus einer Primärwicklung, einer Sekundärwicklung und einem magnetischen Kern. Die Primärwicklung ist in Serie mit dem zu messenden Kreis geschaltet und hat sehr wenige Windungen (manchmal nur eine Windung), die den hohen Primärstrom tragen.

Die Sekundärwicklung, mit vielen mehr Windungen, ist in Serie mit Messinstrumenten, Schutzrelais und anderen Lasten angeschlossen, um einen geschlossenen Kreis zu bilden. Unter normalen Betriebsbedingungen ist die Sekundärseite etwa kurzgeschlossen. Gemäß der elektromagnetischen Induktion ist das Verhältnis von Primär- zu Sekundärstrom umgekehrt proportional zum Wicklungsverhältnis (I₁/I₂ = N₂/N₁). Dies ermöglicht es, große Ströme proportional auf standardisierte niedrige Ströme (in der Regel 5A oder 1A) herunterzuskalieren, was die Messung, Überwachung und den Schutz erleichtert.

Sein elektrisches Symbol lautet wie folgt:

Das Verhältnis des Nennstroms von Primär- zu Sekundärseite eines Stromtransformators wird als Stromtransformationsverhältnis (Ke) bezeichnet. Der Ausdruck für das Stromtransformationsverhältnis lautet:

Hinweis:

• W₁, W₂ sind die Anzahl der Windungen in der Primär- und Sekundärwicklung des Transformatoren, jeweils;
• I₁ₑ, I₂ₑ sind die Nennströme der Primär- und Sekundärwicklung, jeweils;
• I₁, I₂ sind die tatsächlichen Ströme in der Primär- und Sekundärwicklung, jeweils.

2. Funktionen

• Strommessung: Reduziert hohe Primärströme auf standardisierte niedrige Sekundärströme (z.B. 5A oder 1A), um Amperemesser, Energiemesser und andere Instrumente zu ermöglichen, den Laststrom in Echtzeit zu überwachen.
• Schutzrelais: Liefert Stromsignale an Schutzrelais für Überstrom-, Differenz- und Entfernungsschutz. Bei Fehlern wie Kurzschlüssen oder Überlastungen löst das Schutzsystem ein Auslösesignal aus, um die Stromversorgung zu trennen, um Schäden an Geräten und Systeminstabilität zu verhindern.
• Elektrische Trennung: Bietet galvanische Trennung zwischen dem Hochspannungs/Hochstrom-Primärkreis und den Niederspannungs-Sekundärkreisen, die für Messung, Steuerung und Schutz verwendet werden. Dies gewährleistet die Sicherheit des Personals und der Sekundäreinrichtungen.

3. Eigenschaften

• Hohe Zuverlässigkeit: Muss hohe mechanische und thermische Belastungen während Kurzschlüssen aushalten. CTs sind so konstruiert, dass sie ausgezeichnete dynamische und thermische Stabilität aufweisen, um unter extremen Fehlbedingungen intakt zu bleiben.
• Mehrere Wicklungen: Hochspannungs-CTs haben oft mehrere Sekundärwicklungen – eine für die Messung (hohe Genauigkeit, z.B. Klasse 0,5) und eine weitere für den Schutz (weite Spannbreite und schnelle Reaktionsfähigkeit, z.B. Klasse 5P oder 10P). Niederspannungs-CTs haben in der Regel eine oder zwei Wicklungen, um grundlegende Anforderungen zu erfüllen.
• Sekundärseite darf nicht offen sein: Ein offener Kreis auf der Sekundärseite kann extrem hohe Spannungen (bis zu mehrere kV) über die Wicklung induzieren, was ernsthafte Risiken von Isolierbrüchen, Geräteschäden und elektrischen Schlägen darstellt. Daher muss der Sekundärkreis während des Betriebs geschlossen bleiben – das Öffnen ist streng verboten.

4. Anwendungsbereiche

• Hochspannungsanwendungen: Verwendet in Übertragungsleitungen und Umspannwerken mit Spannungen von 1 kV und darüber (z.B. 10 kV, 35 kV, 110 kV-Systeme). Weit verbreitet in der Strom- und Schutzüberwachung von kritischer Ausrüstung wie Transformatoren, Schaltgeräten und Busleitern, spielt eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Netzzuverlässigkeit und -sicherheit.
• Niederspannungsanwendungen: Anwendbar in Verteilungssystemen unter 1 kV (z.B. Industriewerkstätten, kommerzielle Gebäude, Wohnkomplexe). Typischerweise installiert in Niederspannungsschaltanlagen oder Verteilerkästen zur Überwachung von Nebenschaltkreisen, Energiemessung oder Integration mit Reststromschutzgeräten (RCDs) und Smart-Metern, um eine sichere und effiziente Energienutzung zu ermöglichen.