Ein Stromversorgungssystem funktioniert wie ein großes Symphonieorchester, bei dem verschiedene Komponenten harmonisch zusammenarbeiten, um Energie zu liefern. Doch so wie ein Orchester auf dissonante Töne stoßen kann, sind elektrische Systeme Störungen durch Fehler ausgesetzt. Wenn Kurzschlüsse oder Erdschlussfehler in Stromnetzen auftreten – ähnlich wie störende Geräusche, die eine musikalische Darbietung unterbrechen – können sie den Betrieb stören, Geräte beschädigen und Sicherheitsrisiken schaffen. Um diese Störungen umgehend zu erkennen und zu beseitigen, wurden Differenzialschutzsysteme entwickelt, wobei geteilte Stromwandler als ihre kritischen Komponenten dienen.

Geteilte Stromwandler sind Spezialinstrumente, die hauptsächlich im Differenzialschutz von Stromversorgungssystemen eingesetzt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Stromwandlern verfügen sie über zwei unabhängige Wicklungen oder Spulen, die jeweils Stromsignale von einer Phase des Stromversorgungssystems empfangen. Durch den Vergleich der Ströme aus diesen Wicklungen kann das System Anomalien wie Erdschlussfehler, Phasenschlüsse oder Leistungsminderungen erkennen. Bei Erkennung von Anomalien aktiviert sich das Schutzsystem sofort, um den fehlerhaften Stromkreis zu isolieren und sowohl Geräte als auch Personal zu schützen.

Der geteilte Stromwandler arbeitet nach dem Kirchhoffschen Stromgesetz. Unter normalen Bedingungen bleiben die durch beide Wicklungen fließenden Ströme gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet, was zu einem Differenzstrom von Null führt. Wenn interne Fehler auftreten – wie z. B. Erdschlussfehler – bricht der Stromausgleich zwischen den Wicklungen zusammen, wodurch ein messbarer Differenzstrom erzeugt wird. Das Schutzsystem analysiert die Größe und Richtung dieses Stroms, um die Art und den Ort des Fehlers zu bestimmen, und gibt dann Auslösebefehle aus, um den betroffenen Stromkreis zu trennen.

Insbesondere arbeiten diese Wandler in Verbindung mit Differenzialrelais, die aktiviert werden, wenn der Differenzstrom vordefinierte Schwellenwerte überschreitet, wodurch Leistungsschalter ausgelöst werden. Um die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit zu erhöhen, werden häufig zusätzliche Maßnahmen wie prozentuale Differenzialrelais eingesetzt, die Transformatorfehler und Einschaltströme berücksichtigen.

Geteilte Stromwandler gibt es in zwei Hauptkonfigurationen:

• Fenster-Typ: Mit einem kreisförmigen oder rechteckigen Design mit einer zentralen Öffnung ermöglichen diese, dass Stromkabel oder Sammelschienen direkt hindurchgeführt werden. Ihre kompakte, einfache Struktur erleichtert die Installation und Wartung in verschiedenen Spannungsebenen und Stromkapazitäten.
• Stab-Typ: Durch die Integration einer Leiterstange als Primärwicklung erhöht dieses Design den Nennstrom und die Kurzzeit-Stoßfestigkeit des Transformators, wodurch er für Hochstromanwendungen geeignet ist.

Diese Wandler spielen eine entscheidende Rolle in Stromnetzen, darunter:

• Generatorschutz: Schutz vor Wicklungsfehlern, einschließlich Phasenschlüssen, Windungsschlüssen und Erdschlussfehlern
• Transformatorschutz: Erkennung von Wicklungsfehlern und Tankfehlern
• Sammelschienenschutz: Identifizierung von Kurzschlüssen und Erdschlussfehlern auf Stromschienen
• Motorschutz: Verhinderung von Schäden durch interne Wicklungsfehler

Design, Herstellung und Prüfung von geteilten Stromwandlern müssen internationalen und nationalen Standards entsprechen, um Leistung und Sicherheit zu gewährleisten. Zu den wichtigsten Standards gehören:

• CSA (Canadian Standards Association)
• IEC (International Electrotechnical Commission)
• NEMA (National Electrical Manufacturers Association)
• IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)

Diese Spezifikationen regeln kritische Parameter wie Nennspannung/Nennstrom, Genauigkeitsklasse, Kurzzeit-Stoßstrom, Isolationsfestigkeit und Temperaturanstieg sowie entsprechende Prüfmethoden.

Die Auswahl geeigneter geteilter Stromwandler erfordert die Berücksichtigung mehrerer Faktoren:

• Systemspannung und Nennströme
• Erforderliche Genauigkeitsklasse für Schutzschaltungen
• Kurzschlussfestigkeit, die den Systemanforderungen entspricht
• Installationsbeschränkungen und physische Konfiguration
• Spezielle Umweltanforderungen (hohe Temperatur, Feuchtigkeit, explosionsgefährdete Bereiche)

Viele Hersteller verwenden die Epoxidharzverkapselungstechnologie für diese Wandler und bieten:

• Hervorragende Isolationseigenschaften, die Hochspannungsdurchschläge verhindern
• Erhöhte mechanische Festigkeit, die interne Komponenten schützt
• Effektive Feuchtigkeits- und Staubbeständigkeit, die die Zuverlässigkeit verbessert
• Flammhemmende Eigenschaften in ausgewählten Formulierungen

Eine alternde Energieinfrastruktur erfordert häufig Wandler-Upgrades aufgrund von Leistungsminderungen oder sich ändernden Schutzanforderungen. Zu den wichtigsten Überlegungen gehören:

• Kompatibilität mit bestehenden Schutzsystemen in Bezug auf Verhältnis, Genauigkeit und Verdrahtung
• Zuverlässigkeit und Betriebsstabilität
• Wirtschaftlichkeit unter Einhaltung der technischen Anforderungen

Mit der Entwicklung intelligenter Netze und digitaler Umspannwerke stehen geteilte Stromwandler vor neuen Chancen und Herausforderungen. Zu den neuen Trends gehören:

• Digitale Signalumwandlung zur verbesserten Datenverarbeitung
• Intelligente Funktionen wie Selbstdiagnose und adaptive Kalibrierung
• Kompakte Designs unter Verwendung fortschrittlicher Materialien
• Integrierte Schutzlösungen, die mehrere Funktionen kombinieren

Als grundlegende Komponenten von Differenzialschutzsystemen spielen geteilte Stromwandler eine unverzichtbare Rolle bei der Aufrechterhaltung der Netzstabilität und -sicherheit. Technologische Fortschritte werden ihre Entwicklung hin zu digitalen, intelligenten, kompakten und integrierten Lösungen weiter vorantreiben und einen zuverlässigen Betrieb des Stromversorgungssystems für die kommenden Jahre gewährleisten.