Netzstationen einschließlich Generatoren und Parallelbetrieb von Transformatoren

Netzstation mit integrierten Generatoren im Einzelbetrieb

Benötigt die Anlage eine hohe Verfügbarkeit, kann ein MS-Standby-Generatorsatz eingesetzt werden. In diesem Fall muss die Anlage über einen automatischen Netzumschalter verfügen. Um die Möglichkeit eines Parallelbetriebes des Generators mit dem Energieversorgungsnetz auszuschließen, benötigt man ein spezielles Schaltfeld mit automatischem Netzumschalter (siehe Abb. B38).

Abb. B38 – Schaltbild einer MS-Schaltanlage mit Notversorgungsschaltfeld

• Schutz

Spezielle Schutzgeräte sollen den Generator selbst schützen. Es sei darauf hingewiesen, dass aufgrund der relativ niedrigen Kurzschlussleistung des Generators, verglichen mit dem Versorgungsnetz, der Aspekt Selektivität besonders beachtet werden muss.

• Steuerung

Ein Spannungsregler zur Steuerung eines Wechselstromgenerators wird im Allgemeinen eingesetzt, um eine Abnahme der Anschlussklemmenspannung durch automatische Erhöhung des Erregerstroms des Wechselstromgenerators auszugleichen, bis der Spannungswert wieder im Normalbereich liegt. Soll der Wechselstromgenerator parallel mit anderen betrieben werden, wird der automatische Spannungsregler auf „Parallelbetrieb” umgeschaltet, indem der Steuerungsstromkreis des automatischen Spannungsreglers geringfügig verändert wird, um eine ausreichende kvars-Aufteilung mit den anderen parallelen Maschinen zu gewährleisten.

Werden mehrere Wechselstromgeneratoren parallel mit automatischem Spannungsregler betrieben, hat eine Erhöhung des Erregerstroms bei einem der Generatoren (z. B. nach manueller Umschaltung von automatischer Spannungsreglersteuerung auf manuelle Steuerung) praktisch keine Auswirkung auf den Spannungswert. Tatsächlich arbeitet der betreffende Wechselstromgenerator einfach nur bei niedrigerem Leistungsfaktor (mehr kVA und daher mehr Strom) als vorher.

Der Leistungsfaktor aller anderen Maschinen verbessert sich automatisch, so dass die erforderlichen Leistungsfaktoren der Last (wie zuvor) gegeben sind.

Parallelbetrieb des Generators mit dem Versorgungsnetz des Netzbetreibers

Zum Anschließen eines Generatorsatzes an das Netz ist im Allgemeinen die Genehmigung des Netzbetreibers erforderlich. Häufig müssen auch die Geräte (Schaltfelder, Schutzrelais) vom Netzbetreiber genehmigt werden.

Die folgenden Ausführungen beinhalten einige grundlegende zu berücksichtigende Aspekte für Schutz- und Steuerungsfunktionen.

• Schutz

Für die Prüfung der Anschlussbedingungen des Generatorsatzes benötigt der Netzbetreiber folgende Informationen:

• in das Netz eingespeiste Leistung,
• Anschlussart,
• Kurzschlussstrom des Generatorsatzes,
• Spannungsunsymmetrie des Generators, usw.

Je nach Anschlussart sind bestimmte Schutzfunktionen erforderlich:

• Unter- und Überspannungsschutz,
• Unter- und Überfrequenzschutz,
• Verlagerungsspannung,
• Anlaufzeitbegrenzung,
• gerichteter Wirkleistungsschutz.

Aus Sicherheitsgründen müssen die Schaltgeräte auch die Funktionen eines Trennschalters erfüllen (d.h. vollständige Trennung aller stromführenden Leiter zwischen dem Generatorsatz und dem Energieversorgungsnetz).

• Steuerung

Bei Parallelbetrieb der Generatoren einer Kundenstation und der Generatoren des Versorgungsnetzes des Netzbetreibers wird die Netzspannung voraussichtlich aus betrieblichen Gründen verringert (Üblicherweise werden MS-Systeme bei ± 5 % der Nennspannung betrieben. Wenn der Lastfluss es erfordert, ist der Wert sogar noch höher.). Ein automatischer Spannungsregler wird so eingestellt, dass er die Spannung (z.B.) innerhalb ± 3 % hält. Somit bewirkt dieser sofort durch Erhöhung des Erregerstromes des Wechselstromgenerators einen Spannungsanstieg.

Anstatt die Spannung zu erhöhen, arbeitet der Wechselstromgenerator einfach bei einem niedrigeren Leistungsfaktor als vorher. Somit erhöht sich seine Stromabgabe solange, bis es schließlich zu einer Auslösung durch die Überstromschutzrelais kommt. Dieses Problem ist bekannt und wird im Allgemeinen durch das Anbringen eines Steuerschalters am automatischen Spannungsregler gelöst, der den Leistungsfaktor auf einem konstanten Wert hält.

Durch diese Wahl stellt der automatische Spannungsregler den Erregerstrom automatisch entsprechend der im Netz vorhandenen Spannung ein, wobei gleichzeitig der Leistungsfaktor des Wechselstromgenerators auf dem voreingestellten Wert gehalten wird (eingestellt an der Steuereinheit des automatischen Spannungsreglers).

Wird der Wechselstromgenerator vom Netz getrennt, muss der automatische Spannungsregler automatisch (schnell) zum Steuermodus „konstante Spannung” umgeschaltet werden.

Parallelbetrieb von Transformatoren

Der Betrieb von zwei oder mehreren parallelgeschalteten Transformatoren ist häufig erforderlich:

• aufgrund eines Lastanstiegs, so dass die Kapazität des vorhandenen Transformators überschritten wird,
• aus Platzgründen, wenn die geometrischen Abmessungen, wie z.B. die Raumhöhe, den Einsatz eines leistungsstärkeren Transformators nicht zulassen,
• aus Sicherheitsgründen (die Wahrscheinlichkeit des gleichzeitigen Ausfalls zweier Transformatoren ist sehr klein),
• bei der Einführung eines Standardtransformators in eine gesamte Anlage.

Gesamtleistung (kVA)

Die verfügbare Gesamtleistung (kVA) von zwei oder mehreren parallelgeschalteten Transformatoren mit derselben Bemessungsleistung (kVA) entspricht der Summe der einzelnen Bemessungsleistungen, vorausgesetzt, dass die Impedanzverhältnisse alle gleichgroß und die Spannungsverhältnisse identisch sind.

Transformatoren mit unterschiedlichen Bemessungsleistungen (kVA) teilen eine Last praktisch (jedoch nicht genau) proportional zu ihren Bemessungsleistungen auf, vorausgesetzt, dass die Spannungs- und Impedanzverhältnisse (bei deren eigener Bemessungsleistung (kVA)) identisch (oder nahezu identisch) sind. In diesem Fall stehen normalerweise insgesamt mehr als 90 % der Summe der zwei Bemessungsleistungen zur Verfügung.

Ein dauerhafter Parallelbetrieb von Transformatoren, deren Bemessungsleistungen (kVA) sich um mehr als 2:1 unterscheiden, wird nicht empfohlen.

Voraussetzungen für den Parallelbetrieb

Alle parallelgeschalteten Geräte müssen aus dem gleichen Netz gespeist werden.

Die zwangsläufig zwischen den Sekundärstromkreisen von parallelgeschalteten Transformatoren fließenden Ströme sind vernachlässigbar klein, vorausgesetzt, dass:

• die Sekundärleitungen von den Transformatoren zum Parallelanschlusspunkt ca. die gleiche Länge und die gleichen Kenndaten haben,
• der Transformatorhersteller vollständig über den Einsatzzweck der Transformatoren informiert ist, so dass:
  • bei den Wicklungskonfigurationen (Stern-, Dreieck-, Zick-Zack-Schaltung) der verschiedenen Transformatoren die gleiche Phasenverschiebung zwischen Primär-und Sekundärspannung vorhanden ist; die Transformatoren müssen die gleiche Schaltgruppe haben,
  • die Kurzschlussimpedanzen gleich groß sind oder sich um weniger als 10 % unterscheiden,
  • der Spannungsunterschied zwischen entsprechenden Phasen 0,4 % nicht überschreitet, konkret bedeutet dies, dass bei gleichen Transformatoren auch die Umsteller (OffLoad-Tap Changer) in der gleichen Stufe stehen müssen)
  • dem Hersteller alle möglichen Informationen über die Anwendungsbedingungen, die zu erwartenden Lastzyklen usw. bereitgestellt werden sollten, so dass die Verluste unter Last- und Leerlaufbedingungen minimiert werden können.

Übliche Schaltgruppen

Wie im Abschnitt 4.4 „Elektrische Kenndaten“ beschrieben wurde, hängt das Verhältnis der Primär-, Sekundär- und Tertiärwicklungen ab von:

• der Wicklungsausführung (Dreieck-, Stern-, Zick-Zack-Schaltung)
• der Anschlussrichtung der Phasenwicklungen

Abhängig davon, welche Seite einer Wicklung den Sternpunkt bildet, ist die Spannung, die diese Wicklung erzeugt, mit der Primärspannung gleichphasig oder um 180° verschoben. Ähnliche Phasenverschiebungen von 180° treten bei den zwei Anschlussmöglichkeiten von Spulen in Dreieckswicklungen auf, während es vier verschiedene Kombinationen bei Zick-Zack-Anschlüssen gibt.

• der Phasenverschiebung der Sekundärspannungen gegenüber den entsprechenden Primärspannungen.

Wie bereits erwähnt, beträgt diese Verschiebung (wenn ≠ Null) immer ein Vielfaches von 30°, und sie hängt von den zwei oben erwähnten Faktoren ab, d.h. der Wicklungsausführung und der Anschlussrichtung (d.h. Polarität) der Phasenwicklungen.

Die bei Weitem am häufigsten verwendete Schaltgruppe bei Verteiltransformatoren ist die Dyn 5- oder die Dyn 11-Gruppe (Abbildung B39 für Beispiel Dyn 11).

Abb. B39 – Phasenverschiebung durch einen Dyn 11-Transformator