Leitfaden zur Stromwandlerkonstruktion für Schutz und Messtechnik

Leitfaden zur Stromwandlerkonstruktion für Schutz und Messtechnik

Stromwandler (CTs) sind präzise Geräte, die Primärströme in standardisierte Sekundärwerte für Relais und Messgeräte umwandeln. Die Konstruktion eines CT erfordert ein ausgewogenes Verhältnis zwischen magnetischer Leistung, thermischen Grenzen und mechanischer Robustheit, um die Genauigkeitsanforderungen unter wechselnden Betriebsbedingungen zu erfüllen.

Schnelle Definition: Die Konstruktion von Stromwandlern ist der ingenieurtechnische Prozess, bei dem Kernmaterialien, Wicklungsanordnungen und Isoliersysteme ausgewählt werden, um Primärströme genau auf einem skalierten Sekundärwert wiederzugeben.

Wesentliche Erkenntnisse aus dem Projekt

• Die CT-Auslegung muss mit den Normen IEC 61869-2 und IEEE C57.13 hinsichtlich Genauigkeit, Sicherheit und Prüfung übereinstimmen.
• Kernsättigung, Bemessungsbelastung und thermische Leistung bestimmen die Zuverlässigkeit des CT während von Störungen.
• Enwei Electric bietet maßgeschneiderte Wandler für Schutz-, Mess- und digitale Umspannwerkanwendungen.
• Externe Referenzen von IEC, IEEE und NERC leiten Spezifikationen, Prüfverfahren und Wartungsprotokolle.

Festlegung der Konstruktionsziele

Konstrukteure klären zunächst, ob der Stromwandler dem Schutz, der Messtechnik oder beidem dient. Für den Schutzbereich priorisieren Wandler die transienten Eigenschaften und eine hohe Kniestromspannung, um Sättigung während Fehlerströmen zu vermeiden. Messstromwandler legen den Fokus auf Genauigkeit über verschiedene Lastbereiche hinweg. Umgebungsbedingungen, Montagebeschränkungen und die Integration in Schaltanlagen beeinflussen Geometrie und Isolationsauswahl.

Grundlagen des magnetischen Kreises

Der Kern des Stromwandlers bildet einen magnetischen Kreis, der den durch den Primärstrom erzeugten Fluss leitet. Die Querschnittsfläche des Kerns und die Länge des magnetischen Weges bestimmen den Magnetisierungsstrom und die Sättigungscharakteristik. Konstrukteure verwenden hochpermeable Materialien, um den Magnetisierungsstrom zu minimieren und sicherzustellen, dass der Sekundärstrom dem Primärstromsignal genau folgt.

Luftspalte, die oft unerwünscht sind, können bei speziellen Stromwandlern gezielt eingebaut werden, um die Sättigung zu steuern. Allerdings erhöhen Spalte den Magnetisierungsstrom und verringern die Genauigkeit, weshalb sie sorgfältig modelliert werden müssen.

Normenkonformität und Referenzen

• IEC 61869-2:2012 — Legt Genauigkeitsklassen, thermische Grenzwerte und Prüfverfahren fest. Quelle: IEC
• IEEE C57.13-2016 — Regelt Anforderungen an Messwandler in Nordamerika. Quelle: IEEE
• NERC PRC-005 — Beschreibt Wartungsintervalle für Komponenten von Schutzsystemen. Quelle: NERC

Die Einhaltung der Vorschriften stellt sicher, dass Stromwandler die globalen Anforderungen an Genauigkeit und behördliche Prüfungen erfüllen.

Berechnungen zur Kernkonstruktion

Konstrukteure berechnen die Querschnittsfläche des Kerns anhand der maximal zulässigen Flussdichte des gewählten Materials unter Berücksichtigung des Primärstroms, des Übersetzungsverhältnisses und der Frequenz. Die Flussdichte muss unter Spitzenfehlerbedingungen unterhalb der Sättigungsgrenze bleiben.

Die Knickpunktspannung wird aus den Kernkennwerten und dem Übersetzungsverhältnis berechnet, wodurch sichergestellt wird, dass Schutzstromwandler ihre Ausgangsleistung aufrechterhalten, wenn die Sekundärkreise hohe Belastungen erfahren. Ingenieure ermitteln außerdem den Magnetisierungsstrom und die Erregungskurven, um die Genauigkeit innerhalb der vorgesehenen Genauigkeitsklassen zu überprüfen.

Gesichtspunkte zur Wicklung und Belastung

Die Auslegung der Sekundärwicklung beinhaltet die Auswahl von Leiterquerschnitt und Windungszahl, um das gewünschte Übersetzungsverhältnis zu erreichen und gleichzeitig thermische Lasten zu bewältigen. Die Wicklungswiderstände und die Streuinduktivität tragen zur Gesamtbelastung bei und müssen minimiert werden.

Die Belastungsberechnungen umfassen angeschlossene Geräte – Messgeräte, Relais – sowie die Leitungswiderstände. Die Gesamtbelastung muss unterhalb des Nennwerts liegen, um die Genauigkeit sicherzustellen. Einige Ausführungen verfügen über mehrere Sekundärwicklungen für separate Schutz- und Messkreise.

Auswahl von Kern- und Wicklungsmaterialien

Schutzstromwandler verwenden oft gewalzten Siliziumstahl oder nanokristalline Materialien für eine hohe Sättigungsflussdichte. Messstromwandler können amorphe Legierungen verwenden, um die Genauigkeit bei niedrigen Strömen zu verbessern. Die Isolierung der Sekundärwicklung erfolgt mit lackisoliertem Kupferdraht, ergänzt durch Epoxid-, Mylar- oder Nomex-Schichten, abhängig von der Spannungsklasse.

Das mechanische Design beinhaltet Tragstrukturen, Klemmrahmen und Harzverguss, um Kurzschlusskräfte standzuhalten. Außen-CTs erfordern wetterfeste Gehäuse, während Innen-CTs in Schaltanlagengehäuse integriert werden.

Thermische und mechanische Leistung

CTs erzeugen Wärme durch Kupferverluste und Kernhysterese. Thermische Modellierung stellt sicher, dass der Temperaturanstieg innerhalb der IEC-Grenzwerte bleibt. Konstrukteure können gegossene Epoxidgehäuse oder ölgetränkte Gehäuse verwenden, um Wärme effektiv abzuleiten.

Kurzschlusskräfte können mehrere kN überschreiten, insbesondere bei anwendungen mit hohem Strom. CT-Rahmen, Halterungen und Isolierung müssen mechanischen Belastungen widerstehen, um Verformungen oder Isolationsausfälle zu vermeiden.

Testen und Validierung

Prototypen von Stromwandlern durchlaufen routinemäßige, Typ- und Sonderprüfungen: Genauigkeitsprüfungen des Übersetzungsverhältnisses, Polaritätsprüfungen, Isolationsprüfungen, Kurzzeitstrombelastbarkeit und Teilentladungsmessungen. Die Erregungskurven bestätigen die Knickpunktspannung, während Temperaturanstiegsprüfungen das thermische Design validieren.

Digitale Modellierungswerkzeuge wie die Finite-Elemente-Analyse (FEA) unterstützen die Überprüfung der magnetischen Flussverteilung und mechanischer Spannungen vor der physischen Prüfung. Die Labore von Enwei Electric erfassen Daten, um die Konformität mit Kundenspezifikationen und internationalen Normen zu zertifizieren.

Ingenieur-Checkliste für die Stromwandler-Auslegung

• Anwendung festlegen: Schutz, Messung oder Kombination.
• Wählen Sie das Kernmaterial aus und bestimmen Sie die Querschnittsfläche, um Sättigung zu vermeiden.
• Berechnen Sie das Windungsverhältnis, die Knickpunktspannung und den Magnetisierungsstrom.
• Bewerten Sie die Belastung, einschließlich angeschlossener Geräte und Verdrahtung.
• Gestalten Sie Isolation, thermisches Management und mechanische Halterungen für die Betriebsumgebung.
• Planen Sie die Validierungsprüfungen gemäß IEC 61869-2 und IEEE C57.13.

Enwei Electrics CT-Design-Know-how

Enwei Electric fertigt Mittel- und Niederspannungs-Stromwandler mit anpassbaren Übersetzungen, Genauigkeitsklassen und Isoliersystemen. Entdecken Sie die Produktoptionen unter https://www.enweielectric.com/products/current-transformers. Die Integration in Schaltanlagen ( https://www.enweielectric.com/products/switchgear) und Transformatoren ( https://www.enweielectric.com/products/transformers) gewährleistet ein harmonisches Systemverhalten.

Technische FAQ zur Stromwandlerkonstruktion

Wie verhindert man die Sättigung von Stromwandlern bei Störungen?

Entwerfen Sie für eine hohe Kniepunktspannung, indem Sie geeignete Kernmaterialien auswählen, die Windungszahl erhöhen und die Belastung so steuern, dass die Grenzwerte nicht überschritten werden.

Kann ein einzelner Stromwandler sowohl für den Schutz als auch für die Messtechnik verwendet werden?

Ja, mit zwei sekundären Wicklungen, die für unterschiedliche Genauigkeitsklassen ausgelegt sind, jedoch ist eine sorgfältige Lastmanagement erforderlich, um gegenseitige Beeinflussungen zu vermeiden.

Welche Designunterstützung bietet Enwei Electric?

Enwei Electric bietet Anwendungsengineering, Auswahl des Übersetzungsverhältnisses und Verifikationstests, um Stromwandler gemäß Schutz- oder Messanforderungen maßgeschneidert bereitzustellen.

Aufruf zum Handeln: Konstruieren Sie präzise Stromwandler mit Enwei Electric

Ein robustes Stromwandler-Design ist entscheidend für genaue Messungen und zuverlässigen Schutz. Arbeiten Sie mit Enwei Electric zusammen für konstruierte Stromwandlerlösungen, Prüfung und Unterstützung bei der Systemintegration. Kontaktieren Sie Enwei Electric noch heute, um Ihr Stromwandler-Designprojekt zu beschleunigen.

Projektanträge

Sehen Sie reale Einsatzbeispiele und Highlights aus der Galerie in den Produktzentren von Enwei Electric:

• Transformatoren-Lösungen für Verteilungs- und Industrieprojekte.
• Schaltanlagen-Portfolios für Mittel- und Niederspannungs-Schaltanlagenräume.
• Stromwandler-Bereiche unterstützen präzise Messtechnik und Schutzfunktionen.
• Vorgefertigte Umspannwerke die Transformatoren, Schaltanlagen und Schaltschränke integrieren.