Berechnung der Sekundärbelastung von Stromwandlern

Einführung

In Mittelspannungsschutzsystemen kann selbst ein perfekt spezifizierter Stromwandler keine zuverlässigen Fehlermeldungen liefern, wenn die Sekundärbürde falsch berechnet wird. Die Sekundärbürde - die Gesamtimpedanz, die an die Sekundärklemmen des Stromwandlers angeschlossen ist - bestimmt direkt, ob Ihr Stromwandler unter Fehlerbedingungen seine Genauigkeit beibehält oder in die Sättigung geht und verfälschte Signale an Ihre Schutzrelais sendet. Für Elektroingenieure, die Mittelspannungsschutzsysteme entwerfen, und für Beschaffungsmanager, die Stromwandler für industrielle Umspannwerke oder Stromnetzeinspeisungen beschaffen, ist eine falsche Bürdenberechnung einer der häufigsten und zugleich folgenreichsten Spezifikationsfehler in der Praxis. Dieser Leitfaden bietet eine strukturierte, ingenieurmäßige Methodik zur Berechnung der Sekundärbürde von Stromwandlern, die alle Widerstandskomponenten in der Sekundärschleife abdeckt, und übersetzt diese Berechnung in eine korrekte Stromwandlerspezifikation gemäß IEC 61869-2.

Inhaltsübersicht

• Was ist die sekundäre CT-Belastung und was beinhaltet sie?
• Wie berechnet man die gesamte Sekundärbelastung Schritt für Schritt?
• Wie wirkt sich die sekundäre Belastung auf die Auswahl der Stromwandler für den Schutz von Mittelspannungsanlagen aus?
• Was sind die häufigsten Fehler bei der Lastberechnung in Schutzschaltungen?

Was ist die sekundäre CT-Belastung und was beinhaltet sie?

CT-Sekundärbelastung ist die Gesamtimpedanz (ausgedrückt in VA oder Ω), die an der Sekundärwicklung des Stromwandlers anliegt durch alle angeschlossenen Geräte und Leiter in der Sekundärschleife. Es handelt sich nicht einfach um die Impedanz der Relaisspule, sondern um die Summe aller Widerstands- und Blindelemente, die der Sekundärstrom durchlaufen muss.

Per IEC 61869-2¹, Die Nennbürde (Sₙ) eines Schutzstromwandlers wird bei einem Nenn-Sekundärstrom (typischerweise 1 A oder 5 A) und einem Nenn-Leistungsfaktor (normalerweise cos φ = 0,8) definiert. Der Stromwandler muss seine Genauigkeitsklasse bis zu diesem Bürdenwert einhalten. Wird dieser Wert überschritten, sinkt der effektive ALF - möglicherweise unter die Anforderungen an den Fehlerpegel des Systems.

Komponenten der sekundären CT-Belastung

Die gesamte sekundäre Belastung umfasst vier verschiedene Elemente:

• Relais-Belastung (S_relay): Der VA-Verbrauch aller angeschlossenen Schutzrelais - Überstrom, Erdschluss, Differenzial, Distanz. Modern numerische Schutzrelais² verbrauchen typischerweise 0,1-0,5 VA pro Phase; elektromechanische Relais können 3-10 VA verbrauchen
• Kabelbelastung (R_cable): Widerstand der sekundären Verdrahtung zwischen den Stromwandlerklemmen und der Relaistafel - oft die größte einzelne Lastkomponente in Feldinstallationen
• Klemmleiste und Anschlusswiderstand (R_terminal): Klein, aber nicht vernachlässigbar bei langen Sekundärketten; typischerweise 0,01-0,05Ω pro Klemmenpaar
• CT-Sekundärwicklungswiderstand (R_ct): Innerer Wicklungswiderstand des Stromwandlers selbst - nicht Teil der externen Last, aber entscheidend für die ALF-Berechnung; gemessen bei 75°C gemäß IEC-Norm

Wichtige technische Spezifikationen, die zu bestätigen sind

• Sekundärer Nennstrom: 1A oder 5A - diese Wahl wirkt sich drastisch auf die Kabelbelastung aus (5A sekundär erzeugt bei gleichem Widerstand 25× mehr Spannungsabfall im Kabel als 1A)
• Isoliersystem: Epoxidharzverguss, Nennspannung 12kV / 24kV / 36kV gemäß IEC 61869
• Genauigkeitsklasse: 5P oder 10P für Schutzschaltungen
• Nennbelastungsbereich: Standardwerte - 2,5VA, 5VA, 10VA, 15VA, 30VA
• Betriebstemperatur: Klasse E (120°C) oder Klasse F (155°C) - beeinflusst den Rct-Korrekturfaktor

Wie berechnet man die gesamte Sekundärbelastung Schritt für Schritt?

Eine strenge Berechnung des sekundären Aufwands erfolgt in einem vierstufigen Prozess. Jeder Schritt muss abgeschlossen werden, bevor die KV-Spezifikation fertiggestellt wird - das Überspringen eines Schritts birgt das Risiko einer Unterspezifikation.

Schritt 1: Ermitteln der Relais-Belastung

Ermitteln Sie den VA-Verbrauch aus den Datenblättern der Relaishersteller für jedes angeschlossene Gerät:

$S_{relay} = \sum_{i=1}^{n} S_{relay,i}$

VA in Widerstand bei sekundärem Nennstrom umrechnen:

$R_{relay} = \frac{S_{relay}}{I_{2n}^2}$

Beispiel: Numerisches Überstromrelais = 0,3VA, Erdschlussrelais = 0,2VA, insgesamt = 0,5VA
Bei I₂ₙ = 5A: $R_{relay} = \frac{0.5}{25} = 0.02 , \Omega$
Bei I₂ₙ = 1A: $R_{relay} = \frac{0.5}{1} = 0.5 , \Omega$

Schritt 2: Berechnen des Kabelwiderstands

Dies ist der kritischste Berechnungsschritt, insbesondere bei Installationen, bei denen die Stromwandler weit von den Relaistafeln entfernt sind:

$R_{Kabel} = \frac{2 \times L \times \rho}{A}$

Wo:

• $L$ = Länge des Einwegkabels (Meter)
• $\rho$ = spezifischer Widerstand von Kupfer³ = 0,0175 Ω-mm²/m (bei 20°C)
• $A$ = Querschnittsfläche des Kabels (mm²)
• Faktor 2 berücksichtigt sowohl die Hin- als auch die Rückleitung

Temperaturkorrektur auf 75°C:

$R_{Kabel,75} = R_{Kabel,20} \times [1 + 0,00393 \times (75 - 20)]$

$R_{Kabel,75} = R_{Kabel,20} \mal 1,216$

Beispiel: 30 m Kabellänge, 2,5 mm² Kupfer:
$R_{Kabel,20} = \frac{2 \mal 30 \mal 0,0175}{2,5} = 0,42 , \Omega$
$R_{Kabel,75} = 0,42 \mal 1,216 = 0,511 , \Omega$

Schritt 3: Anschluss- und Verbindungswiderstand hinzufügen

Für einen typischen Sekundärkreis mit 6 Klemmenpaaren:

$R_{Terminal} = 6 \mal 0,03 = 0,18 , \Omega$

Schritt 4: Summe der gesamten externen Belastung

$R_{Abraum,gesamt} = R_{Relais} + R_{Kabel,75} + R_{Terminal}$

$R_{Abraum,gesamt} = 0,02 + 0,511 + 0,018 = 0,549 , \Omega$

Umrechnung in VA bei sekundärem Nennstrom:

$S_{Abraum,gesamt} = R_{Abraum,gesamt} \times I_{2n}^2 = 0,549 \times 25 = 13,7 , VA$

→ Nennlast des Stromwandlers ≥ 15VA angeben (nächster Standardwert über 13,7VA)

Belastungsvergleich: 1A vs. 5A Sekundarstufe

Parameter	1A Sekundarstufe	5A Sekundarstufe
Kabelwiderstand Auswirkungen	Gering (I²-Effekt minimal)	Hoch (25× mehr VA-Verlust)
Relais-Belastung (VA→Ω)	Höhere Ω pro VA	Niedriger Ω pro VA
Empfohlener Kabelverlauf	Bis zu 100 m praktisch	Idealerweise unter 30 m bleiben
Standard-Belastungsquote	2,5VA-15VA typisch	10VA-30VA typisch
Kerngröße	Kleiner	Größere
Anmeldung	Abgelegene Installationen, lange Kabelwege	Lokale Schaltanlagen

Das Wichtigste zum Mitnehmen: Für Stromwandlerinstallationen, die mehr als 20 Meter von der Relaistafel entfernt sind, 1A Sekundarstufe ist stark bevorzugt - Die Kabelbelastung bei 5 A sekundär kann das gesamte VA-Budget aufbrauchen, bevor das Relais überhaupt ein Signal erhält.

Kundenfall - Stromnetz EPC Auftragnehmer, 33kV Umspannwerk:
Ein EPC-Auftragnehmer in Südasien spezifizierte 5A-Sekundärstromwandler für ein 33-kV-Umspannwerk im Freien, bei dem sich die Stromwandler-Sammelkästen 45 Meter von der Hauptrelaisschalttafel entfernt befanden. Die anfängliche Lastberechnung (nur Relais) ergab 8VA, was weit unter der Nennlast von 15VA lag. Der Anwendungstechniker von Bepto führte jedoch eine Neuberechnung unter Berücksichtigung des Kabelwiderstands durch: 45m × 2,5mm² Kupfer bei 75°C addiert 1,23Ω = 30,7VA auf die Last. Die Gesamtlast überstieg 38 VA - mehr als das Doppelte der Stromwandlerleistung. Die Spezifikation wurde dahingehend überarbeitet, dass 1A-Sekundärstromwandler mit einer Bürde von 15 VA eingesetzt werden, wodurch das Problem noch vor der Fertigung gelöst wurde. Mit dieser einzigen Berechnung konnte ein kompletter Ausfall des Schutzsystems auf einer stromführenden Netzeinspeisung verhindert werden.

Wie wirkt sich die sekundäre Belastung auf die Auswahl der Stromwandler für den Schutz von Mittelspannungsanlagen aus?

Sobald die gesamte sekundäre Last berechnet ist, beeinflusst sie direkt drei Parameter der Stromwandlerspezifikation: die Nennlastklasse, die Auswahl der Genauigkeitsklasse und die Überprüfung der tatsächlichen ALF anhand der Anforderungen an den Systemfehlerpegel.

Schritt 1: Bemessungsbelastungsklasse auswählen

Wählen Sie immer die den nächsten Standardlastwert über der berechneten Gesamtlast:

• Berechnete Last = 13,7VA → Angeben 15VA
• Berechnete Last = 22VA → Angeben 30VA
• Geben Sie niemals einen Stromwandler mit einer Nennlast an, die der berechneten Last entspricht - dies lässt keinen Spielraum.

Schritt 2: Überprüfung der tatsächlichen ALF gegen den Fehlerpegel

Überprüfen Sie bei ausgewählter Nennlast die tatsächliche ALF mit:

$ALF_{Ist} = ALF_{bewertet} \mal \frac{R_{ct} + R_{Abraum,bewertet}}{R_{ct} + R_{Abraum,tatsächlich}}$

Sicherstellen: $ALF_{Ist} \geq \frac{I_{sc,max}}{I_{1n}} \mal 1,1$

Schritt 3: Anwendungsspezifische Belastungsempfehlungen

• Industrielle MV-Verteilung (6-12kV): 5A sekundär, 15VA, Klasse 5P20 - kurze Kabelwege in kompakten MCC-Schalttafeln
• Umspannwerk für das Stromnetz (33-36 kV): 1A sekundär, 15VA, Klasse 5P30 - lange Kabelwege zu entfernten Relaisräumen
• Solarpark MV Sammlung (33kV): 1A sekundär, 10VA, Klasse 10P10 - niedrigere Fehlerstufen, kostenoptimiert
• Stadtring-Haupteinheit (12kV): 1A sekundär, 5VA, Klasse 5P20 - kompakter epoxidvergossener Stromwandler, platzsparend
• Marine / Offshore-Plattform: 1A sekundär, 10VA, Klasse 5P20, IP67 Epoxid-Verkapselung - korrosive Umgebung

Auswirkungen einer korrekten Lastenspezifikation auf die Zuverlässigkeit

• Stromwandler arbeitet während des Fehlers im linearen Bereich → Relais empfängt genaues Fehlerstromsignal
• ✅ Schutzrelais löst innerhalb der korrekten Zeit-Strom-Kennlinie aus
• ✅ Der Differentialschutz sorgt für Stabilität bei Durchgangsfehlern
• ✅ Systemzuverlässigkeit und Betriebszeit bleiben über den gesamten Fehlerbereich erhalten
• ❌ Überlasteter Stromwandler sättigt → Relais erfasst Fehlerstrom zu niedrig → verzögerte oder fehlgeschlagene Auslösung
• ❌ Unterspezifizierte Bürdenleistung → effektive ALF reduziert → blinder Fleck des Schutzes bei hohen Fehlermultiplikatoren

Was sind die häufigsten Fehler bei der Lastberechnung in Schutzschaltungen?

Checkliste für Installation und Verifizierung

1. Messen Sie die tatsächliche Kabellänge - Verwenden Sie Bestandszeichnungen, keine Entwurfsschätzungen; bei der Verlegung vor Ort wird 15-25% zur berechneten Länge hinzugefügt.
2. Relaislast aus aktuellem Datenblatt ablesen - nicht aus dem Gedächtnis oder aus früheren Projektspezifikationen; Relaismodelle variieren erheblich
3. Temperaturkorrektur auf Rct und Kabelwiderstand anwenden - Berechnung immer bei 75°C, nicht bei Umgebungstemperatur
4. Konto für alle Klemmenblöcke - insbesondere in Rangierbahnhöfen mit mehreren Zwischenklemmleisten
5. Überprüfung mit Lastmessgerät bei der Inbetriebnahme - Messung der tatsächlichen sekundären Schleifenimpedanz vor der Einschaltung
6. Prüfung auf parallele Relaisverbindungen - mehrere Relais auf derselben Stromwandlersekundärseite verringern die Gesamtbelastung, erfordern aber eine individuelle Überprüfung

Häufige Fehler, die zu Schutzausfällen führen

• Verwendung des Relais-Typenschilds VA ohne Temperaturkorrektur - der Widerstand der Spule eines elektromechanischen Relais steigt bei Betriebstemperatur erheblich an
• Rückleitungswiderstand ignorieren - der Faktor 2 in der Kabelformel wird häufig weggelassen, wodurch sich die berechnete Kabellast halbiert
• Unter der Annahme, dass die numerische Relaislast gleich der elektromechanischen Relaislast ist - numerische Relais verbrauchen 10-50x weniger VA; eine Überspezifizierung der Belastung verschwendet Kosten, aber eine Unterspezifizierung für den Ersatz alter Relais verursacht Fehler
• Fehlende Neuberechnung der Last nach der Verlegung der Relaistafel - Änderungen der Kabellänge während der Bauphase sind üblich und müssen zu einer Neuberechnung der Belastung führen.
• Spezifizierung der Stromwandlerlast nur auf der Grundlage der Entfernung zum Relaisraum - Vergessen von Zwischenverteilerkästen, Rangierkiosken und Prüfklemmen

Kundenfall - Beschaffungsmanager, industrielle petrochemische Anlage:
Ein Beschaffungsmanager einer petrochemischen Anlage im Nahen Osten bestellte Ersatzstromwandler auf der Grundlage der ursprünglichen Projektspezifikation von 1995 - 5A sekundär, 15VA, Klasse 5P20. Die Relaistafel war im Zuge einer Anlagenerweiterung 2018 verlegt worden, wodurch sich die Kabellänge von 12 auf 38 m verlängerte. Niemand berechnete die Last neu. Nach dem Austausch des Stromwandlers löste der Überstromschutz an einem 11-kV-Motorabgang während eines Phase-Phase-Fehlers nicht aus, was zu Schäden an der Motorwicklung führte. Die Analyse nach dem Vorfall ergab, dass die tatsächliche Last 28,4 VA betrug - fast das Doppelte der Stromwandlerleistung von 15 VA. Bepto bietet jetzt kostenlose Überprüfung der Lastberechnung im Rahmen der CT-Ersatzberatung, um die Genauigkeit der Spezifikationen zu gewährleisten, bevor ein Auftrag erteilt wird.

Schlussfolgerung

Die Berechnung der Stromwandler-Sekundärbürde ist keine Formalität - sie ist ein grundlegender technischer Schritt, der bestimmt, ob Ihr gesamtes MS-Schutzsystem unter Fehlerbedingungen korrekt funktioniert. Durch die systematische Berücksichtigung der Relaisbürde, des Kabelwiderstands bei Betriebstemperatur und des Klemmenblockwiderstands sowie die Überprüfung des Ergebnisses anhand der Stromwandler-Nennbürde und der ALF-Anforderungen stellen die Ingenieure sicher, dass die Stromwandler genaue und zuverlässige Signale liefern, wenn das Stromnetz den Schutz am meisten benötigt. Für die Mittelspannungsverteilung, Umspannwerke und Industrieanlagen ist die korrekte Spezifikation der Bürde die Grundlage für die Zuverlässigkeit des Schutzes.

Häufig gestellte Fragen zur Berechnung der sekundären CT-Belastung

1. Offizielle internationale Norm für Leistungs- und Genauigkeitskriterien von Stromwandlern. ↩

2. Moderne digitale Geräte mit deutlich geringerem VA-Verbrauch im Vergleich zu älteren elektromechanischen Modellen. ↩

3. Physikalische Standardkonstante, die zur Berechnung des Spannungsabfalls und der Verlustleistung in der Sekundärverkabelung verwendet wird. ↩

4. Technischer Parameter, der die Fähigkeit des Stromwandlers bestimmt, die Genauigkeit bei hohen Fehlerströmen beizubehalten. ↩