Berechnung und Analyse des Frequenzübertragungsverhaltens von induktiven Spannungswandlern in Mittelspannungsnetzen

Abstract

Induktive Spannungswandler sind Transformatoren welche für Mess- und Schutzzwecke im Versorgungsnetz verwendet werden. Diese Art von Transformatoren hat im Vergleich zu Verteiltransformatoren eine sehr kleine Bemessungsleistung. Ihre Aufgabe besteht darin, eine auf ihrer Primärseite auftretende Mittelspannung (<40 kV) in eine auf ihrer Sekundärseite messbare Niederspannung im Genauigkeitsrahmen ihrer definierten Mess-bzw. Schutzklasse zu transformieren. Das Übersetzungsverhältnis eines induktiven Spannungswandlers wird für eine Bemessungsfrequenz von 50 Hz ausgelegt. Durch die stetig steigende Anzahl von nichtlinearen Verbrauchern im Versorgungsnetz erhöhen sich die von der Bemessungsfrequenz (50 Hz) abweichenden Anteile der Spannung. Diese sogenannten Oberschwingungen führen zu einer zusätzlichen Belastung der Betriebsmittel und können im Resonanzfall sogar zu einer Zerstörung von Anlagenteilen führen. Für die Überprüfung der Spannungsqualität im Rahmen der Power Quality müssen diese von der Bemessungsfrequenz abweichenden Anteile, messtechnisch erfasst werden können. Im Zuge dieser Diplomarbeit wurde untersucht wie induktive Spannungswandler Spannungen mit Frequenzen welche von der Bemessungsfrequenz abweichen, von ihrer Primärseite auf ihre Sekundärseite übertragen. Hierfür wurde ein Messsystem entwickelt, welches es ermöglicht Spannungen im Bereich von 3 bis 5 kV mit Frequenzen von bis zu 15 kHz zu erzeugen. Mit diesem Messsystem wurde das Übertragungsverhältnis von induktiven Spannungswandlern unterschiedlichster Spannungsebenen (10 kV - 30 kV) ermittelt. Des weiteren wurden mehrere Modelle untersucht mit denen die Frequenzgänge von Spannungswandlern berechnet werden können. Aus diesen Untersuchungen wurde ein Berechnungspogramm zur Ermittlung der Übersetzungsverhältnisse von induktiven Spannungswandlern bei Frequenzen bis 15 kHz entwickelt.

Inductive voltage transformers are used for measurement and protection applications in power grids. These kind of transformers have a small rated power compared to distribution transformers. Their main task is transforming a medium voltage from the primary side into a secondary voltage within their defined accuracy class. The voltage ratio of an inductive voltage transformer is calculated for a rated frequency of 50 Hz. The constantly increasing number of non-linear loads in the grid causes an increase of voltage components which deviate from the rated frequency. These so-called harmonics produce additional loads for the equipment which, in the case of resonance may even lead to the destruction of plant components. In order to check the voltage quality in terms of power quality issues, a measurement of the voltage components which deviate from rated frequency is necessary. In this master thesis the capability of an inductive voltage transformer to transfer harmonics from its primary side to the secondary side has been analysed. For this purpose a measurement system which allows to generate measurement voltages up to 5 kV with frequencies up to 15 kHz has been developed. With this measurement system the transmission ratio of inductive voltage transformers with different voltage levels (10 kV - 30 kV) is determined. Several mathematical models to calculate the frequency response of voltage transformers were examined. With this knowledge a calculation software to determine the voltage ratio of inductive voltage transformers for frequencies up to 15 kHz was designed.