Warum darf VT nicht kurzgeschlossen und CT nicht geöffnet werden? Erklärt

Wir alle wissen, dass ein Spannungswandler (VT) niemals kurzgeschlossen betrieben werden darf, während ein Stromwandler (CT) niemals offen betrieben werden darf. Das Kurzschließen eines VT oder das Öffnen des Schaltkreises eines CT kann den Wandler beschädigen oder gefährliche Bedingungen schaffen.

Von einem theoretischen Standpunkt aus gesehen sind sowohl VTs als auch CTs Transformatoren; der Unterschied liegt in den Parametern, die sie messen sollen. Warum also ist trotz ihrer grundlegend gleichen Bauart der eine vom Kurzschlussbetrieb und der andere vom Offenbetrieb verboten?

Bei normaler Betriebsweise arbeitet die Sekundärwicklung eines VTs unter nahezu offenen Schaltbedingungen mit einer sehr hohen Lastimpedanz (ZL). Wenn der Sekundärschaltkreis kurzgeschlossen wird, fällt ZL fast auf Null, was zu einem massiven Kurzschlussstrom führt. Dies kann sekundäre Ausrüstung zerstören und ernsthafte Sicherheitsrisiken darstellen. Um dies zu verhindern, kann ein VT auf seiner Sekundarseite Sicherungen haben, um vor Schäden durch einen Kurzschluss zu schützen. Wo möglich, sollten auch auf der Primarseite Sicherungen installiert werden, um das Hochspannungssystem vor Fehlern in der Hochspannungswicklung oder Verbindungen des VTs zu schützen.

Im Gegensatz dazu arbeitet ein CT bei normaler Betriebsweise mit einer sehr niedrigen Impedanz (ZL) auf der Sekundarseite, praktisch im Kurzschlusszustand. Der durch den Sekundärstrom erzeugte magnetische Fluss wirkt entgegen und hebt den Fluss des Primärstroms auf, was zu einem sehr geringen Nettoanregungsstrom und minimalen Kernfluss führt. Daher beträgt die induzierte elektrische Spannung (EMF) in der Sekundärwicklung in der Regel nur einige Dutzend Volt. 

Wenn jedoch der Sekundärschaltkreis geöffnet wird, fällt der Sekundärstrom auf Null, wodurch dieser demagnetisierende Effekt eliminiert wird. Der unveränderte Primärstrom (da ε1 konstant bleibt) wird vollständig zum Anregungsstrom, was zu einem dramatischen Anstieg des Kernflusses Φ führt. Der Kern sättigt sich schnell. Da die Sekundärwicklung viele Windungen hat, führt dies zu einer sehr hohen Spannung (möglicherweise mehrere Tausend Volt) an den offenen Sekundärkontakten. Dies kann die Isolierung durchbrechen und stellt eine schwere Gefahr für das Personal dar. Daher ist ein offener Sekundärschaltkreis an einem CT absolut verboten.

Sowohl VTs als auch CTs sind grundsätzlich Transformatoren—VTs sind dafür ausgelegt, Spannungen zu transformieren, während CTs Ströme transformieren. Warum also kann ein CT nicht offen betrieben werden, während ein VT nicht kurzgeschlossen betrieben werden darf?

Bei normaler Betriebsweise bleiben die induzierten EMFs ε1 und ε2 im Wesentlichen konstant. Ein VT ist parallel zum Schaltkreis geschaltet, arbeitet mit hoher Spannung und sehr niedrigem Strom. Der Sekundärstrom ist auch extrem klein, nahezu Null, und bildet einen Ausgleichszustand mit der nahezu unendlichen Impedanz eines offenen Schaltkreises. Wenn der Sekundärkreis kurzgeschlossen wird, bleibt ε2 konstant, was den Sekundärstrom drastisch steigen lässt und die Sekundärwicklung verbrennt.

Ähnlich arbeitet ein CT, der in Serie mit dem Schaltkreis geschaltet ist, mit hohem Strom und sehr niedriger Spannung. Die Sekundärspannung ist unter normalen Bedingungen nahezu Null, was einen ausgeglichenen Zustand mit einer nahezu nuller Impedanz (Kurzschluss) bildet. Wenn der Sekundärschaltkreis geöffnet wird, bricht der Sekundärstrom zusammen auf Null, und der gesamte Primärstrom wird zum Anregungsstrom. Dies führt zu einem schnellen Anstieg des magnetischen Flusses, was den Kern in tiefe Sättigung treibt und potenziell den Wandler zerstört.

Daher führen, obwohl beide Transformatoren sind, ihre unterschiedlichen Anwendungen zu völlig verschiedenen Betriebsbeschränkungen.