Machbarkeitsstudie Netzkuppeltransformator “Nullstromsperre“

Diese Machbarkeitsstudie untersucht das prinzipielle Betriebsverhalten eines Transformators für die Bahnstromversorgung. Das 110-kV-16,7-Hz-Bahnstromnetz in Österreich wird gelöscht betrieben. Zur Begrenzung der eines möglichen Fehlers, wird das Netz in voneinander isolierte Abschnitt unterteilt. Dazu werden aktuell Netzkuppeltransformatoren mit einem Übersetzungsverhältnis von 110 kV:110 kV verwendet. Nachteil dieser Methode ist, dass die Anzahl der benötigten Netzkuppeltransformatoren mit der Länge und Anzahl von Kabelstrecken im Netz zunimmt. Mit zunehmender Anzahl an Netzkuppeltransformatoren steigt auch die Verluste im Netz.

Das neue Transformatordesign basiert auf dem Prinzip einer Gleichtaktdrossel. Die Transformatorwicklungen werden dabei in Serie mit den beiden Phasen verbunden. Eine Phase fungiert als Hinleiter, die andere als Rückleiter. Im normalen Betriebszustand ist der magnetische Gesamtfluss aus beiden Phase null, da zwischen den Beiden strömen ein Phasenversatz von 180° besteht. Im Fehlerfall sind die Ströme in Amplitude und ggf. auch in ihrer Phasenlage unterschiedlich. Somit ist der magnetische Gesamtfluss im Transformatorkern ungleich null und es findet eine Spannungsinduktion in den beiden Phasen statt. Dadurch erhöht sich die wirksame Impedanz des Transformators in den beiden Phasen, was zur Strombegrenzung führt.

Gegenüber einem Netzkuppeltransformator bietet das neue Transformatordesign, im weiteren Nullstromsperre genannt, den Vorteil geringerer Verluste im Betrieb sowie geringerer Abmessungen.

In der Machbarkeitsstudie wird das elektrische Betriebsverhalten der Nullstromsperre bei verschiedenen Betriebs- bzw. Fehlerfällen untersucht. Zudem wird ein konkretes elektrisches und mechanisches Design der Nullstromsperre erstellt und die Kenndaten aufgezeigt. Vor allem das thermische Verhalten und der „Loss-of-Life“ stehen dabei im Mittelpunkt der Untersuchungen.

Abb. 2 zeigt die simulierten Strom- und Spannungsverläufe des Netzabschnittes aus Abb.1. Für die linken Verläufe wurde die beiden Kabelstrecken direkt miteinander verbunden; für die mittleren Verläufe wurden die beiden Kabelstrecken mit einem konventionellen Netzkuppeltransformer verbunden und für die rechten Verläufe wurden die Nullstromsperre zwischen die beiden Kabelstrecken platziert.

Das Verhalten der „Nullstromsperre“, hinsichtlich Strom und Spannung, ist in diesem Fall identisch.

 

Publikationen
Polster, C. S; Albert, D.; Renner, H.; Obkircher, C.; Rader, G.
Zero-sequence current blocking device for two phase AC systems
In: 54th International Universities Power Engineering Conference,Bucharest, 2019, Conference Paper and Presentation; DOI: 10.1109/UPEC.2019.8893601.

Obkircher, C.
“Device for reducing earth leakage current,” European Patent EP2362514A2, Aug. 31, 2011.