Qualität der Versorgungsspannung

Ein angemessener Spannungswert an den Hausanschlussklemmen des Abnehmers ist für den zufriedenstellenden Betrieb von Geräten und Einrichtungen wesentlich. Praktische Stromwerte und daraus resultierende Spannungsfälle in einem typischen NS-Netz zeigen die Bedeutung der Aufrechterhaltung eines hohen Leistungsfaktors als Mittel zur Verringerung von Spannungsfällen.

Die Qualität der Versorgungsspannung im NS-Netz besagt im weitesten Sinne:

• Übereinstimmung mit normativen Grenzwerten bezüglich Größenordung und Frequenz.
• Mögliche Spannungschwankungen innerhalb dieser Grenzwerte.
• Unterbrechungsfreie Stromversorgung, außer bei geplanten Wartungsabschaltungen oder aufgrund von Systemfehlern oder anderen Notfällen.
• Aufrechterhaltung einer nahezu sinusförmigen Schwingungsform.

In diesem Unterkapitel wird nur die Aufrechterhaltung der Spannungswerte behandelt, die übrigen Themen werden unter Qualität elektrischer Netze in Kapitel E erörtert.

In den meisten Ländern sind die Netzbetreiber verpflichtet, den Spannungswert am Hausanschluss der Kunden auf dem festgelegten Nennwert ± 10 % (siehe Festlegung von Normspannungen) zu halten.

Die IEC und die meisten nationalen Normen empfehlen, dass NS-Einrichtungen so entwickelt und getestet werden, dass sie innerhalb von ± 10 % der Nennspannung zufriedenstellend arbeiten. Dadurch bleibt unter den schlechtesten Bedingungen (von z.B. - 4 % am Hausanschluss) eine Spanne von 4 % zulässigem Spannungsfall im Verteilnetz der Kundenanlage.

Die Spannungsfälle in einem typischen Verteilnetz treten wie folgt auf:
Die Spannung an den HS-Klemmen eines Verteiltransformators wird normalerweise durch die automatische Lastregelung der HS-Stufenschalter an den Transformatoren der Umspannstation (mit hoher Übertragungsleistung) in einem Toleranzbereich von ± 2 % gehalten.

Wenn sich der Verteiltransformator an einem Ort in der Nähe einer Umspannstation (mit hoher Übertragungsleistung) befindet, kann der Spannungsbereich ± 2 % auf einen Spannungswert eingestellt werden, der über dem HS-Nennwert liegt. Die Spannung könnte z.B. in einem 20 kV-Netz 20,5 kV ± 2 % betragen. In diesem Fall sollte der HS-Stufenschalter (für die Betätigung im spannungsfreien Zustand) des Verteiltransformators auf die Position + 2,5 % eingestellt sein.

Umgekehrt ist bei Standorten, die von der Umspannstation (mit hoher Übertragungsleistung) weiter entfernt sind, ein Wert von 19,5 kV ± 2 % möglich, wobei der HS-Stufenschalter (für die Betätigung im spannungsfreien Zustand) auf die Position -5 % eingestellt sein sollte.

Die verschiedenen Spannungswerte in einem Netz sind normal und hängen von der häufig wechselnden Strombelastung im Netz ab. Darüber hinaus sind diese Spannungsunterschiede der Grund für den Begriff „Nennwert”, wenn man sich auf die Netzspannung bezieht.

Praktische Anwendung

Mit der korrekten Einstellung des HS-Stufenschalters (für die Betätigung im spannungsfreien Zustand) am Verteiltransformator wird eine unbelastete Transformator-Ausgangsspannung innerhalb eines Bereichs von ± 2 % seines unbelasteten Spannungsausgangs gehalten.

Um sicherzustellen, dass der Verteiltransformator den erforderlichen Spannungswert bei Volllast aufrechterhalten kann, muss die Ausgangsspannung im lastfreien Zustand so hoch wie möglich sein, ohne jedoch den oberen Grenzwert von + 5 % zu überschreiten (für dieses Beispiel angenommen). Aktuell ergibt das Wicklungsverhältnis im Allgemeinen eine Ausgangsspannung von etwa 104 % ohne Last , wenn an die HS-Seite Nennspannung angelegt wird, oder wird durch den Stufenschalter angepasst, wie vorstehend beschrieben. Dies führt im vorliegenden Fall zu einem Spannungsbereich von 102 bis 106 %.

Ein typischer NS-Verteiltransformator hat eine Kurzschluss-Reaktanzspannung uK von 4 % bis 630 kVA oder 6 % ab 630 kVA bis 2500 kVA. Wenn angenommen wird, dass seine Widerstandsspannung ein Zehntel dieses Wertes beträgt, ist der Spannungsfall im Verteiltransformator wie folgt,

wenn mit einem Blindleistungsfaktor von 0,8 bei Volllast versorgt wird:

U% _Fall = R% cos φ + X% sin φ

= 0,5 x 0,8 + 5 x 0,6

= 0,4 + 3 = 3,4 %

Der Spannungsbereich an den Ausgangsklemmen des voll belasteten Verteiltransformators ist daher (102 - 3,4) = 98,6 % bis (106 - 3,4) = 102,6 %.

Der maximal zulässige Spannungsfall entlang eines Verteilnetzkabels ist daher 98,6 - 95 = 3,6 %.

Dies bedeutet praktisch, dass ein mittelgroßes 3-phasiges 230/400 V-Vierleiter-Verteilnetzkabel mit Kupferleitern mit 240 mm² in der Lage wäre, eine Gesamtlast von 292 kVA mit einem Blindleistungsfaktor von 0,8 zu versorgen (gleichmäßig verteilt im Umkreis von 306 m um das Verteilnetzkabel). Alternativ könnte die gleiche Last auf dem Grundstück eines Einzelkunden in einer Entfernung von 153 Metern vom Tranformator bei gleichem Spannungsfall versorgt werden usw.

Die max. Leistung, die über das Kabel laut Berechnungen nach IEC 60287 (Ausgabe 2006) übertragen werden kann, beträgt 290 kVA. Damit ist der Wert 3,6 % nicht sehr einschränkend, d.h. das Kabel kann über normalerweise in NS-Verteilnetzen erforderliche Entfernungen voll belastet werden.

Außerdem ist ein Blindleistungsfaktor von 0,8 für industrielle Lasten angemessen. In gemischten halbindustriellen Bereichen ist 0,85 ein üblicherer Wert, wohingegen 0,9 im Allgemeinen für Berechnungen in Wohngebieten verwendet wird, so dass der vorstehend erwähnte Spannungsfall als „Worst Case”-Beispiel betrachtet werden kann.