Leitfaden zur Berechnung der Belastung von Messwandlern für MS-Schutzsysteme

Einführung

Die Berechnung der Bürde ist eine der am häufigsten missverstandenen - und folgenreichsten - technischen Aufgaben bei der Auslegung von Mittelspannungsschutzsystemen. Jedes Gerät, das an einen Strom- oder Spannungswandler-Sekundärkreis angeschlossen ist, fügt eine Impedanz hinzu. Wenn die Gesamtlast die Nenn-VA des Transformators übersteigt, verschlechtert sich die Genauigkeit, die Kerne sättigen und die Schutzrelais erhalten verzerrte Signale, die gefährliche Fehlfunktionen verursachen können.

Die direkte Antwort: Die Last des Messwandlers ist die gesamte Volt-Ampere-Last, die dem Sekundärkreis auferlegt wird, und sie muss immer innerhalb der Nennlast des Wandlers bleiben, um die Einhaltung der Genauigkeitsklasse und eine zuverlässige Fehlererkennung zu gewährleisten.

Für Elektroingenieure und EPC-Kontraktoren, die Mittelspannungsschaltanlagen spezifizieren, ist eine falsche Bürde kein unbedeutendes Kalibrierungsproblem - es ist ein Ausfall der Systemzuverlässigkeit, der nur darauf wartet, zu passieren. Dieser Leitfaden führt Sie durch die komplette Methodik der Bürdenberechnung, häufige Fallstricke und Auswahlkriterien, um sicherzustellen, dass Ihre Stromwandler- und Spannungswandleranlagen genau wie geplant funktionieren.

Inhaltsübersicht

• Was ist die Belastung von Messwandlern und wie wird sie definiert?
• Wie berechnet man die CT- und VT-Belastung Schritt für Schritt?
• Wie wirkt sich die Belastung auf die CT-Genauigkeitsklasse und die Schutzleistung aus?
• Was sind die häufigsten Fehler bei der Lastberechnung in MV-Systemen?

Was ist die Belastung von Messwandlern und wie wird sie definiert?

Die Bürde ist die gesamte äußere Impedanz - ausgedrückt in Volt-Ampere (VA) oder Ohm (Ω) - die an die Sekundärklemmen eines Messwandlers angeschlossen ist. Sie stellt die Summe aller Lasten dar, die der Transformator unter Beibehaltung seiner Nenngenauigkeit treiben muss. Bei einem Stromwandler umfasst dies alle Geräte und Leiter in der Sekundärschleife. Bei einem Spannungswandler umfasst sie alle parallel angeschlossenen Mess- und Schutzgeräte.

Um die Belastung zu verstehen, muss man zunächst die beiden Arten, wie sie sich ausdrückt, kennen:

• VA-Belastung: Gesamtscheinleistung, die vom Sekundärkreis bei sekundärem Nennstrom oder -spannung aufgenommen wird
• Impedanz Bürde (Ω): Gesamtwiderstand und -reaktanz des Sekundärkreises, die in detaillierten Berechnungen verwendet werden

Wichtige technische Parameter für die CT-Belastung pro IEC 61869-2¹:

• Nennbelastungen: Die maximale VA, die der Stromwandler unter Einhaltung der angegebenen Genauigkeitsklasse liefern kann (z. B. 15VA, 30VA)
• Nennwert Sekundärstrom²: Standardwerte von 1A oder 5A - die Impedanz der Bürde skaliert mit dem Quadrat dieses Wertes
• Genauigkeitsklasse: 0,2, 0,5 für die Dosierung; 5P, 10P für den Schutz - jeder hat einen definierten Lastbereich
• Leistungsfaktor der Belastung: Typischerweise 0,8 für die Schutzklasse; 1,0 für ohmsche Lasten
• Grenzwertfaktor für die Nenngenauigkeit (ALF³): Umgekehrt proportional zur tatsächlichen Belastung - nimmt zu, wenn die Belastung abnimmt
• Isolationsniveau: 12kV / 24kV / 36kV Klasse für MV-Anwendungen
• Thermischer Dauerstromwert: ≥1,2× Primärnennstrom
• Kriechstrecke: ≥25mm/kV für Standard-Innenraumumgebungen (IEC 60815)

Ein wichtiger, aber oft übersehener Punkt: die Belastung wird nicht allein durch das Relais bestimmt. Der sekundäre Kabelwiderstand, der Kontaktwiderstand der Klemmen und die kombinierte Impedanz aller in Reihe geschalteten Geräte tragen alle dazu bei. Die Nichtbeachtung der Kabelbelastung ist die häufigste Ursache für Verstöße gegen die Genauigkeitsklasse bei Feldinstallationen.

Wie berechnet man die CT- und VT-Belastung Schritt für Schritt?

Die Lastberechnung erfolgt nach einem strukturierten Verfahren. Hier finden Sie die vollständige Methodik, die für MS-Schutz- und Messstromkreise verwendet wird.

Schritt 1: Auflistung aller Geräte des Sekundärkreises

Identifizieren Sie jedes Gerät, das an die sekundäre Stromwandlerschleife angeschlossen ist:

• Schutzrelais (Abstand, Überstrom, Differential)
• Energiemessgerät oder Netzqualitätsanalysator
• Wandler oder Sender
• Amperemeter (falls zutreffend)
• Zwischengeschalteter CT (falls zutreffend)

Schritt 2: Ermitteln Sie die VA- oder Impedanzwerte für jedes Gerät

Jeder Gerätehersteller gibt eine Bürdenleistung bei sekundärem Nennstrom an. Alle Werte sind umzurechnen in Impedanz (Ω) verwenden:

$Z = \frac{VA}{I_s^2}$

Wo $I_s$ ist der sekundäre Nennstrom (1A oder 5A).

Beispiel - 5A Sekundärstromkreis:

Gerät	Nennbelastungen (VA)	Impedanz (Ω)
Distanzschutzrelais	1,0 VA	0.040 Ω
Überstromrelais	0,5 VA	0.020 Ω
Energiemessgerät	1,5 VA	0.060 Ω
Sekundäres Kabel (2× 30m, 2,5mm²)	—	0.432 Ω
Klemme Kontaktwiderstand	—	0.010 Ω
Gesamtbelastung	—	0.562 Ω

Die Gesamtimpedanz wird in VA umgerechnet: $VA_{Gesamt} = Z_{Gesamt} \times I_s^2 = 0,562 \times 25 = 14,05\ VA$

Schritt 3: Berechnen der Kabelbelastung

Der Kabelwiderstand wird wie folgt berechnet:

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

Wo:

• $L$ = Länge des Einwegkabels (Meter)
• $rho$= spezifischer Widerstand von Kupfer =$0,0172 \Omega \cdot mm^2/m$
• $A$ = Querschnittsfläche des Kabels (mm²)

Für 30 m Einbahnstraße mit 2,5 mm² Kupfer: $R_{Kabel} = \frac{2 \mal 30 \mal 0,0172}{2,5} = 0,413} \Omega$

Schritt 4: Verifizierung anhand der Nennlast

Der berechnete Gesamtaufwand muss genügen: $VA_{Ist} \leq VA_{rated}$

Übersteigt der tatsächliche Aufwand den veranschlagten Aufwand, gibt es folgende Möglichkeiten:

• Vergrößerung des Kabelquerschnitts (verringert die Widerstandsbelastung)
• Höher bemessene Laststromwandler spezifizieren
• Reduzieren Sie die Anzahl der in Reihe geschalteten Geräte
• Umschaltung von 5A auf 1A sekundär (reduziert den Kabelaufwand um den Faktor 25)

Schritt 5: Überprüfung der effektiven ALF

Die tatsächliche ALF ändert sich mit der Belastung. Die Beziehung nach IEC 61869-2 ist:

$ALF_{Ist} = ALF_{bewertet} \mal \frac{VA_{rated} + VA_{internal}}{VA_{actual} + VA_{intern}}$

Wo $VA_{intern}$ ist die interne Wicklungslast des Stromwandlers (aus dem Datenblatt). Dieser Schritt ist entscheidend für Abstandsschutz⁴ und Differenzialschutzanwendungen.

Vergleich der CT- und VT-Belastungsberechnung

Parameter	Berechnung der CT-Belastung	VT-Belastungsberechnung
Schaltungstopologie	Serie Schleife	Parallelschaltung
Ausdruck der Belastung	VA oder Ω (Serienimpedanz)	VA oder Ω (Parallelimpedanz)
Kabelaufprall	Hoher - Serienwiderstand fügt direkt	Niedrig - parallele Lasten dominieren
Sekundäre Norm	1A oder 5A	100V oder 110V
Hauptrisiko	Kernsättigung durch übermäßige Belastung	Spannungsabfall und Genauigkeitsverlust
Geltende Norm	IEC 61869-2	IEC 61869-3

Kundenfall - Lastfehler in einer 33-kV-Abzweigschutztafel:
Ein Beschaffungsmanager eines EPC-Unternehmens in Nordafrika wandte sich an uns, nachdem sein neu in Betrieb genommenes 33-kV-Abzweigschutzsystem anhaltende Genauigkeitsfehler bei der Energiemessung aufwies - die Messwerte lagen durchweg 34% zu niedrig. Die Untersuchung ergab, dass das Sekundärkabel 45 Meter lang war (länger als die ursprüngliche Planung mit 20 Metern vorsah), was einen zusätzlichen Widerstand von 0,62 Ω bedeutete. Der installierte Stromwandler war für 15 VA ausgelegt, die tatsächliche Last erreichte jedoch 22 VA, was den Stromwandler über den Bereich seiner 0,5-Genauigkeitsklasse hinaus drückte. Bepto lieferte Ersatzstromwandler mit einer Nennleistung von 30 VA, die den Spezifikationen entsprachen, und die Messgenauigkeit lag wieder bei 0,2%, was den Anforderungen an die Abrechnungsqualität entsprach.

Wie wirkt sich die Belastung auf die CT-Genauigkeitsklasse und die Schutzleistung aus?

Die Beziehung zwischen Last und Stromwandlerleistung ist nicht linear - es handelt sich um einen Schwelleneffekt. Innerhalb der Nennlast behält der Stromwandler seine angegebene Genauigkeitsklasse bei. Jenseits der Nennlast nehmen die Fehler schnell zu, und zwar unter Fehlerbedingungen, Kernsättigung⁵ früher eintritt, als in der ALF-Spezifikation angenommen wird.

Speziell für den Fernschutz hat dies unmittelbare operative Auswirkungen:

• Zu wenig belastet: Der effektive ALF erhöht sich - im Allgemeinen vorteilhaft, aber die Eingangsimpedanz des Relais muss weiterhin eingehalten werden
• Bei Nennlast: CT erfüllt genau die Spezifikationen der Genauigkeitsklasse
• Überlastung (110-150% bewertet): Zusammengesetzter Fehler überschreitet die Klassengrenze; die Messung ist fehlerhaft
• Schwere Überlastung (>150% bewertet): Kern sättigt unter Fehlerbedingungen; Schutzrelais empfängt abgeschnittene Wellenform; Impedanzberechnung schlägt fehl; Distanzrelais löst möglicherweise nicht aus Zone 1

Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit des Schutzes nach Belastungsgrad

Belastungsgrad	Messgenauigkeit	Schutz CT-Verhalten	Entfernungsrelais Antwort
<80% Nennwert	Innerhalb der Klasse	ALF effektiv höher	Zuverlässige Auslösung der Zone 1
80-100% Nennwert	Innerhalb der Klasse	Laut Spezifikation	Zuverlässige Auslösung der Zone 1
100-130% Nennwert	Marginale Fehler	Reduzierte effektive ALF	Mögliche Verzögerung in Zone 1
>150% Nennwert	Erheblicher Fehler	Frühe Sättigung	Risiko der Fehlbedienung

Die praktische Empfehlung für sicherheitskritische Anwendungen: Auslegung auf 75-80% der maximalen Nennlast, Dadurch wird ein Spielraum für künftige Relaiserweiterungen oder Kabelumverlegungen, die den Widerstand erhöhen, bewahrt.

Kundenfall - Fehlfunktion des Schutzes wird auf übermäßige Belastung zurückgeführt:
Ein Energieversorgungsunternehmen in Südostasien meldete, dass ein 22-kV-Freileitungsrelais bei Nahfehlern innerhalb der Zeitspanne von Zone 1 immer wieder versagte und auf Zone 2 (400 ms Verzögerung) umschaltete. Eine detaillierte Analyse der Inbetriebnahme ergab, dass der Sekundärstromkreis des Stromwandlers drei Relais, einen Messwandler und eine 38 Meter lange Kabelstrecke umfasste - eine Gesamtbelastung von 28 VA gegenüber einem Stromwandler mit einer Nennleistung von 15 VA. Der Stromwandler erreichte seine Sättigung bei etwa dem 8-fachen des Nennstroms und lag damit weit unter der in der 5P20-Spezifikation angegebenen 20-fachen Leistung bei Nennlast. Durch den Austausch gegen Bepto 5P20 Stromwandler mit 30 VA konnte das Zeitproblem in Zone 1 vollständig gelöst werden.

Was sind die häufigsten Fehler bei der Lastberechnung in MV-Systemen?

Checkliste für Installation und Inbetriebnahme

1. Messen Sie die tatsächliche Kabellänge - niemals Schätzungen von Konstruktionszeichnungen für die Berechnung des Aufwands verwenden
2. Leiterwiderstand messen mit einem niederohmigen Ohmmeter vor dem Einschalten
3. Überprüfen Sie die tatsächliche Eingangslast der einzelnen Relais aus dem Datenblatt des Herstellers - nicht aus Katalogzusammenfassungen
4. Berechnung der Gesamtlast bei sekundärem Nennstrom vor der Angabe von CT VA rating
5. Sekundäre Einspritzprüfung durchführen zur Überprüfung des Stromwandlerverhältnisses, der Polarität und der Genauigkeit bei der Inbetriebnahme
6. Dokumentation der Bestandsbelastung für künftige Wartungszwecke

Häufige Fehler, die die Verlässlichkeit beeinträchtigen

• Die Belastung durch Kabel ignorieren: In 5A-Sekundärstromkreisen kann eine 30m lange Kabelstrecke 8-15VA beitragen - oft mehr als die Relaislast.
• Mischen von 1A- und 5A-Geräten: Der Anschluss eines 5A-Relais an einen 1A-Stromwandler auf der Sekundärseite führt zu einer starken Überlastung und kann das Relais beschädigen.
• Unter der Annahme, dass die Relaislast gleich der Gesamtlast ist: Das Vergessen von Messgeräten, Messwertgebern und Endwiderständen ist weit verbreitet
• Keine Neuberechnung der ALF nach Laständerungen: Das Hinzufügen eines Relais während eines System-Upgrades ohne erneute Überprüfung des effektiven ALF stellt ein verstecktes Schutzrisiko dar.
• Verwendung der VT-Lastberechnungsmethode für CTs: Reihen- vs. Paralleltopologie - der Berechnungsansatz ist grundlegend verschieden
• Vernachlässigung von Temperatureffekten: Der Kupferwiderstand erhöht sich um ca. 0,4% pro °C - in Installationen mit hoher Luftfeuchtigkeit ist die Kabelbelastung bei 60°C messbar höher als bei 20°C

Schlussfolgerung

Eine genaue Lastberechnung ist keine optionale technische Raffinesse - sie ist eine grundlegende Voraussetzung für die Einhaltung der Genauigkeitsklasse von Messwandlern und die Zuverlässigkeit von Schutzsystemen in der Mittelspannungsstromverteilung. Die wichtigste Erkenntnis: Berechnen Sie immer die gesamte sekundäre Bürde einschließlich des Kabelwiderstands, überprüfen Sie den effektiven ALF für Schutzanwendungen und planen Sie mit einem Maximum von 75-80% der Nennstromwandlerbürde, um eine zuverlässige Fehlererkennung zu gewährleisten. Bei Bepto Electric enthält jeder von uns gelieferte Stromwandler die vollständigen Datenblattspezifikationen für die Bürde und die Werte für den inneren Wicklungswiderstand - damit hat Ihr Entwicklungsteam alles, was es braucht, um vom ersten Tag an genaue Bürdenberechnungen durchzuführen.

Häufig gestellte Fragen zur Berechnung der Belastung von Messwandlern

1. Erfahren Sie mehr über die internationale Norm für Stromwandleranforderungen ↩

2. Verstehen, wie sich die Auswahl sekundärer Ausgabestufen auf die Systembelastung auswirkt ↩

3. Erkennen, wie Sättigungsgrenzen die Genauigkeit von Schutztransformatoren beeinflussen ↩

4. Untersuchen Sie, wie die berechnete Impedanz Fehlerstellen in Verteilungsleitungen identifiziert ↩

5. Verhinderung von Signalverzerrungen durch magnetische Begrenzungen des Transformatorkerns ↩