In einem industriellen Prüffeld versorgt ein Trenntransformator mehrere elektrische Mess- und Prüfgeräte mit einer galvanisch getrennten Wechselspannung. Der Transformator besitzt eine Nennleistung von 600 VA und wird an einer Netzspannung von 230 V betrieben. Im normalen Betrieb liegt der aufgenommene Strom innerhalb des vorgesehenen Bereichs. Dennoch löst beim Einschalten gelegentlich der vorgeschaltete Leitungsschutzschalter aus.
Bei einer erneuten Prüfung werden zunächst sämtliche sekundärseitigen Verbraucher getrennt. Anschließend wird der Transformator erneut eingeschaltet. Überraschenderweise tritt die Auslösung auch ohne angeschlossene Last auf.
Ein klassischer Kurzschluss oder eine Überlast durch angeschlossene Verbraucher scheint damit zunächst unwahrscheinlich. Trotzdem kann der Strom beim Einschalten kurzzeitig ein Vielfaches des normalen Betriebsstroms erreichen.
Die Ursache kann der Magnetisierungseinschaltstrom des Transformators sein. Beim Zuschalten der Netzspannung muss sich im Eisenkern ein magnetischer Fluss aufbauen. Abhängig vom Einschaltzeitpunkt und der noch vorhandenen Magnetisierung des Kerns kann dabei ein besonders hoher magnetischer Fluss entstehen.
Wird die Sättigungsgrenze des Kernmaterials vorübergehend erreicht, sinkt die wirksame Magnetisierungsinduktivität. Dadurch kann ein hoher, häufig asymmetrischer Stromimpuls entstehen. Dieser Vorgang ist bei Transformatoren grundsätzlich möglich und nicht automatisch ein Hinweis auf einen Defekt.
Die Höhe des Einschaltstroms ist jedoch nicht bei jedem Einschaltvorgang identisch. Sie wird unter anderem vom Einschaltwinkel der Netzspannung, der Remanenz des Kerns, der Transformatorbauform, dem Wicklungswiderstand und der Impedanz des versorgenden Netzes beeinflusst.
Das erklärt, weshalb derselbe Trenntransformator mehrfach problemlos eingeschaltet werden kann und anschließend bei einem weiteren Einschaltvorgang plötzlich eine vorgeschaltete Sicherung auslöst.
Besonders bei häufig geschalteten Prüfständen, größeren Trenntransformatoren, empfindlichen Stromversorgungen und Anlagen mit begrenzter Netzleistung kann dieser Effekt zu wiederkehrenden Betriebsunterbrechungen führen.
Für die richtige Beurteilung ist entscheidend, zwischen dem normalen Nennstrom, dem kurzzeitigen Magnetisierungseinschaltstrom, dem sekundärseitigen Lastanlaufstrom und einem tatsächlichen elektrischen Fehler zu unterscheiden.
Auch die Eigenschaften der vorgeschalteten Schutzeinrichtung spielen eine wichtige Rolle. Leitungsschutzschalter mit B-, C- oder D-Charakteristik besitzen unterschiedliche elektromagnetische Auslösebereiche. Schmelzsicherungen verhalten sich abhängig von ihrer Bauart und Zeit-Strom-Kennlinie wiederum anders.
Es wäre allerdings gefährlich, eine wiederholt auslösende Sicherung einfach durch eine Ausführung mit höherem Nennstrom oder trägerer Kennlinie zu ersetzen. Die Schutzfunktion für Leitung, Transformator und angeschlossene Betriebsmittel muss auch nach einer Änderung vollständig erhalten bleiben.
Eine geeignete Einschaltstrombegrenzung kann in bestimmten Anwendungen die technisch bessere Lösung darstellen. Dabei wird die Magnetisierung des Transformators kontrollierter aufgebaut oder der anfängliche Strom vorübergehend begrenzt.
Zusätzlich muss der Transformator für die angeschlossenen Verbraucher korrekt dimensioniert werden. Die Nennleistung wird üblicherweise in Voltampere angegeben und darf nicht ohne Berücksichtigung des Leistungsfaktors mit der Wirkleistung in Watt gleichgesetzt werden.
Ein ausreichend dimensionierter Trenntransformator muss sowohl den dauerhaften Laststrom als auch die zulässigen kurzzeitigen Belastungen beherrschen. Darüber hinaus sind die Netzimpedanz, der Spannungsfall auf Zuleitungen, das Schutzkonzept der galvanisch getrennten Sekundärseite und die tatsächlichen Betriebsbedingungen zu berücksichtigen.
Dieser Fachbeitrag erläutert die Ursachen des Magnetisierungseinschaltstroms und zeigt, warum dieser auch im Leerlauf auftritt. Er beschreibt den Einfluss von Remanenz und Einschaltwinkel, die Eigenschaften unterschiedlicher Schutzgeräte und die technischen Möglichkeiten zur Einschaltstrombegrenzung.
Ein ausführliches Rechenbeispiel betrachtet einen Trenntransformator mit 600 VA bei 230 V. Es zeigt die Berechnung des Nennstroms, den Unterschied zwischen Stromspitzenwert und Effektivwert, die Auslösebereiche verschiedener Leitungsschutzschalter sowie den Einfluss einer Zuleitungsimpedanz auf den Spannungsfall.
Ergänzend behandelt der Beitrag Lastverhalten, primär- und sekundärseitige Schutzmaßnahmen, EMV, galvanische Trennung, Messverfahren, Diagnose und geeignete Trenn- und Trennstelltransformatoren aus dem Sortiment von ICS Schneider Messtechnik.
Inhaltsverzeichnis
- Messaufgabe und typische Einschaltprobleme bei Trenntransformatoren
- Funktionsprinzip eines Trenntransformators
- Magnetisierungsstrom und Einschaltstrom unterscheiden
- Remanenz, Einschaltwinkel und Kernsättigung verstehen
- Zeitlichen Verlauf des Einschaltstroms richtig beurteilen
- B-, C- und D-Charakteristik von Leitungsschutzschaltern
- Schmelzsicherungen, Zeit-Strom-Kennlinien und Selektivität
- Praxisbeispiel: Nennstrom, Einschaltspitze und Sicherungsauslösung berechnen
- Nennleistung, Laststrom und Leistungsreserve richtig dimensionieren
- Leerlauf, Teillast, Volllast und sekundärseitige Einschaltströme
- Netzimpedanz, Leitungsverluste und Spannungseinbruch
- Einschaltstrombegrenzung und kontrollierte Vormagnetisierung
- Primärseitigen Überlast- und Kurzschlussschutz auslegen
- Sekundärseitige Schutzmaßnahmen und galvanische Trennung
- EMV, Netzrückwirkungen und empfindliche Messtechnik
- Häufiges Schalten, Wiederanlauf und thermische Beanspruchung
- Einschaltstrom mit geeigneter Messtechnik erfassen
- Prüfgeräte, Messunsicherheit und reproduzierbare Messbedingungen
- Elektrische Sicherheit und relevante Normen
- Systematischer Prüf- und Inbetriebnahmeablauf
- Typische Fehlerbilder und gezielte Diagnose
- Passende ICS-Produkte für galvanisch getrennte Stromversorgung
- Fazit: Einschaltstrom und Schutzkonzept gemeinsam auslegen
- Häufig gestellte Fragen zum Einschaltstrom von Trenntransformatoren
1. Messaufgabe und typische Einschaltprobleme bei Trenntransformatoren
Trenntransformatoren werden in Laboren, Prüfständen, Werkstätten, elektrischen Anlagen und industriellen Versorgungssystemen eingesetzt.
Sie ermöglichen eine galvanisch getrennte Wechselspannungsversorgung und können dadurch Bestandteil eines geeigneten elektrischen Schutz- oder Messkonzepts sein.
1.1 Einschalten eines unbelasteten Transformators
Ein Transformator kann bereits beim Einschalten ohne sekundärseitige Last einen hohen Primärstrom aufnehmen.
Dieser Strom entsteht durch den Aufbau des magnetischen Flusses im Eisenkern.
Ein hoher Einschaltstrom im Leerlauf ist deshalb nicht automatisch ein Zeichen für einen Kurzschluss.
1.2 Unregelmäßige Sicherungsauslösung
Bei manchen Anlagen löst die vorgeschaltete Schutzeinrichtung nur gelegentlich aus.
Ein solcher Fehler kann mit unterschiedlichen Einschaltzeitpunkten und der magnetischen Vorgeschichte des Transformatorkerns zusammenhängen.
1.3 Auslösung bei angeschlossener Last
Wenn ein Trenntransformator zusammen mit mehreren Verbrauchern eingeschaltet wird, können sich der Magnetisierungseinschaltstrom und die Einschaltströme der angeschlossenen Geräte überlagern.
Die resultierende Strombelastung muss deshalb für das gesamte System betrachtet werden.
1.4 Typische Einsatzbereiche
Die Problematik ist insbesondere relevant für:
- Elektrische Labor- und Prüfplätze.
- Mess- und Kalibrieranlagen.
- Industrielle Schaltschränke.
- Automatisierungsanlagen.
- Versorgung empfindlicher Messgeräte.
- Elektrische Sicherheitsprüfstände.
- Netzgetrennte Versorgung von Versuchsaufbauten.
- Häufig geschaltete industrielle Prüfsysteme.
- Versorgung über Generatoren oder USV-Systeme.
- Transformatoren mit großer magnetischer Kernmasse.
1.5 Ziel der technischen Untersuchung
Die Untersuchung soll klären, ob eine Schutzgeräteauslösung durch einen zulässigen Einschaltvorgang, eine Überlast, einen Kurzschluss oder einen anderen elektrischen Fehler verursacht wird.
Daraus ergeben sich die notwendigen Maßnahmen für Transformatorauswahl, Absicherung und Einschaltstrombegrenzung.
2. Funktionsprinzip eines Trenntransformators
Ein Trenntransformator besitzt elektrisch voneinander isolierte Primär- und Sekundärwicklungen.
Die Energieübertragung erfolgt magnetisch über einen gemeinsamen Kern.
2.1 Galvanische Trennung
Zwischen Primär- und Sekundärwicklung besteht bei einem bestimmungsgemäß aufgebauten Trenntransformator keine direkte leitende Verbindung.
Die Spannung auf der Sekundärseite wird durch elektromagnetische Induktion erzeugt.
2.2 Magnetischer Fluss
Die angelegte Wechselspannung erzeugt einen zeitlich veränderlichen magnetischen Fluss im Eisenkern.
Für eine idealisierte Wicklung gilt:
u(t) = N · dΦ(t)/dt
Dabei bezeichnet:
- u(t) die momentane Wicklungsspannung.
- N die Windungszahl.
- Φ(t) den magnetischen Fluss.
- t die Zeit.
2.3 Spannungsübersetzung
Für einen idealisierten Transformator besteht näherungsweise der Zusammenhang:
U1/U2 = N1/N2
Das Verhältnis der Wicklungszahlen bestimmt damit das Spannungsübersetzungsverhältnis.
2.4 Transformator 230 V zu 230 V
Ein Trenntransformator mit 230 V Primär- und 230 V Sekundärspannung stellt eine galvanisch getrennte Wechselspannung mit nominell gleicher Spannung bereit.
Er ist kein automatischer Spannungsregler.
Die tatsächliche Ausgangsspannung kann sich durch Netzspannungsänderungen und Belastung verändern.
2.5 Leerlaufbetrieb
Auch ohne angeschlossenen Verbraucher fließt im normalen Wechselspannungsbetrieb ein Leerlaufstrom.
Er umfasst insbesondere den für die Magnetisierung des Kerns erforderlichen Strom und die zur Deckung der Kernverluste notwendige Wirkstromkomponente.
2.6 Belasteter Transformator
Bei angeschlossener Last fließt sekundärseitig Strom.
Der dadurch hervorgerufene Primärstromanteil ermöglicht die Energieübertragung vom Netz zum Verbraucher.
Die Wicklungs- und Kernverluste müssen zusätzlich berücksichtigt werden.
2.7 Abgrenzung zum Spartransformator
Ein gewöhnlicher Spartransformator verwendet Wicklungsteile, die primär- und sekundärseitig elektrisch miteinander verbunden sind.
Er bietet deshalb nicht die galvanische Trennung eines entsprechend ausgeführten Trenntransformators.
3. Magnetisierungsstrom und Einschaltstrom unterscheiden
Der Begriff Magnetisierungsstrom wird häufig sowohl für den normalen Betriebszustand als auch für den transienten Einschaltvorgang verwendet.
Für die Bewertung ist eine klare Unterscheidung erforderlich.
3.1 Normaler Magnetisierungsstrom
Im stationären Wechselspannungsbetrieb wird ein magnetischer Fluss im Eisenkern aufrechterhalten.
Dafür ist ein bestimmter Magnetisierungsstrom notwendig.
Sein Betrag hängt unter anderem von Kernmaterial, Wicklung und Betriebsspannung ab.
3.2 Magnetisierungseinschaltstrom
Beim Einschalten muss sich der magnetische Fluss ausgehend vom vorhandenen magnetischen Zustand des Kerns aufbauen.
Dabei kann eine vorübergehende Asymmetrie entstehen, die zu einem wesentlich höheren Strom führt.
3.3 Einschaltstrom im Leerlauf
Auch bei sekundärseitig unbelastetem Transformator kann der magnetische Einschaltstrom groß sein.
Er darf deshalb nicht mit dem Einschaltstrom eines angeschlossenen Verbrauchers gleichgesetzt werden.
3.4 Einschaltstrom der Verbraucher
Angeschlossene Geräte können beim Einschalten zusätzliche Ströme verursachen.
Beispiele sind die Ladung von Zwischenkreiskondensatoren oder der Anlauf elektrischer Motoren.
3.5 Überlagerung der Stromanteile
Wenn Transformator und Verbraucher gleichzeitig eingeschaltet werden, können sich verschiedene zeitabhängige Stromanteile überlagern.
Die tatsächliche Stromform ergibt sich aus dem gesamten elektrischen System.
3.6 Kurzschlussstrom
Ein Kurzschlussstrom entsteht durch einen elektrischen Fehler beziehungsweise eine entsprechend niederohmige unzulässige Verbindung.
Er ist vom grundsätzlich möglichen Magnetisierungseinschaltstrom zu unterscheiden.
Bei der Fehlerdiagnose müssen beide Ursachen sorgfältig untersucht werden.
4. Remanenz, Einschaltwinkel und Kernsättigung verstehen
Die Höhe des Magnetisierungseinschaltstroms wird maßgeblich durch den magnetischen Zustand des Transformatorkerns beim Zuschalten beeinflusst.
4.1 Remanenz
Als Remanenz wird die nach dem Abschalten verbleibende Magnetisierung des Kernmaterials bezeichnet.
Sie hängt von der magnetischen Vorgeschichte des Transformators ab.
4.2 Einschaltwinkel
Die Netzwechselspannung besitzt zu jedem Zeitpunkt einen bestimmten Phasenwinkel.
Wird der Transformator eingeschaltet, beginnt die Veränderung des magnetischen Flusses in Abhängigkeit vom zeitlichen Integral der angelegten Spannung.
4.3 Einschalten beim Spannungsnulldurchgang
Ein Einschalten in der Nähe des Spannungsnulldurchgangs kann bei einem einfachen einphasigen Transformator zu einer besonders großen anfänglichen Flussauslenkung führen.
Dies hängt mit dem Zusammenhang zwischen Spannung und magnetischem Fluss zusammen.
Ein gewöhnliches Nulldurchgangsschalten ist deshalb nicht automatisch die optimale Maßnahme zur Begrenzung des Transformator-Einschaltstroms.
4.4 Einschalten nahe dem Spannungsscheitel
Bei bestimmten Ausgangsbedingungen kann das Zuschalten näher am Spannungsscheitel den anfänglichen magnetischen Flussverlauf günstiger gestalten.
Die Wirkung hängt jedoch auch von der vorhandenen Remanenz ab.
4.5 Kernsättigung
Überschreitet der magnetische Fluss den vorgesehenen Arbeitsbereich des Kernmaterials, kann der Kern in Sättigung geraten.
In diesem Zustand sinkt die wirksame Magnetisierungsinduktivität stark.
Dadurch kann der Primärstrom erheblich ansteigen.
4.6 Netzimpedanz
Der resultierende Einschaltstrom wird unter anderem durch den Wicklungswiderstand, Streureaktanzen und die Impedanz der versorgenden Stromquelle begrenzt.
Eine niederimpedante Versorgung kann unter ansonsten gleichen Bedingungen höhere Stromspitzen ermöglichen.
4.7 Unterschiedliche Einschaltvorgänge
Weil Einschaltwinkel und Remanenz nicht bei jedem Einschaltvorgang identisch sind, kann auch der Stromverlauf variieren.
Aus einem einzigen problemlos durchgeführten Einschaltversuch lässt sich daher nicht zuverlässig schließen, dass unter allen zulässigen Bedingungen keine Sicherungsauslösung auftreten wird.
5. Zeitlichen Verlauf des Einschaltstroms richtig beurteilen
Der Magnetisierungseinschaltstrom ist ein zeitabhängiger elektrischer Vorgang.
Für seine Bewertung reichen der höchste Stromwert oder der normale Betriebsstrom allein nicht aus.
5.1 Stromspitzenwert
Der höchste momentane Stromwert während des Einschaltens wird als Spitzenwert bezeichnet.
Er wird beispielsweise in Ampere als momentaner Scheitelwert angegeben.
5.2 Effektivwert
Der Effektivwert einer Wechselstromgröße beschreibt deren quadratische Wirkung über ein definiertes Zeitintervall.
Bei einem sinusförmigen Strom gilt:
ISpitze = √2 · Ieff
Dieser Zusammenhang gilt jedoch nicht allgemein für stark asymmetrische Einschaltstromverläufe.
5.3 Einschaltstromimpuls
Der Magnetisierungseinschaltstrom kann insbesondere während der ersten Netzperioden deutlich erhöht sein.
Der weitere zeitliche Verlauf hängt von Transformator, Netzimpedanz und Betriebsbedingungen ab.
5.4 Asymmetrischer Stromverlauf
Der Einschaltstrom ist häufig nicht symmetrisch um null.
Er kann einen ausgeprägten Gleichanteil beziehungsweise eine entsprechende transiente Asymmetrie enthalten.
5.5 Stromoberschwingungen
Die vorübergehende magnetische Sättigung kann einen nichtsinusförmigen Stromverlauf mit ausgeprägten Oberwellen verursachen.
5.6 Zeitliche Abklingung
Mit fortschreitendem Einschwingvorgang nimmt die zusätzliche Magnetisierungsstromkomponente im Allgemeinen ab.
Die notwendige Zeit ist bauart- und anwendungsabhängig.
5.7 Bedeutung für Schutzgeräte
Eine Sicherung oder ein Leitungsschutzschalter reagiert nicht ausschließlich auf einen im Datenblatt genannten Einschaltstromfaktor.
Auch Dauer, Stromform, thermische Vorbelastung und die Auslösekennlinie der konkreten Schutzeinrichtung sind relevant.
5.8 Messung des Einschaltvorgangs
Für eine zuverlässige Diagnose kann eine zeitaufgelöste Aufzeichnung des Primärstroms sinnvoll sein.
Eine gewöhnliche langsam aktualisierte Stromanzeige erfasst sehr kurze Stromspitzen möglicherweise nicht vollständig.
6. B-, C- und D-Charakteristik von Leitungsschutzschaltern
Leitungsschutzschalter besitzen unterschiedliche Auslösecharakteristiken, die für die Versorgung von Transformatoren relevant sein können.
6.1 Thermische Auslösung
Die thermische Auslösung dient insbesondere dem Schutz vor länger anhaltender Überlast.
Ihre Reaktion hängt von Stromhöhe und Zeit ab.
6.2 Elektromagnetische Auslösung
Die elektromagnetische Auslösung reagiert auf hohe Stromwerte und soll insbesondere bei Kurzschlüssen eine schnelle Abschaltung ermöglichen.
Der entsprechende Auslösebereich hängt von der gewählten Charakteristik ab.
6.3 Charakteristik B
Bei Leitungsschutzschaltern mit B-Charakteristik nach IEC/EN 60898-1 liegt der charakteristische elektromagnetische Auslösebereich zwischen dem Drei- und Fünffachen des Bemessungsstroms.
6.4 Charakteristik C
Bei C-Charakteristik liegt dieser Bereich zwischen dem Fünf- und Zehnfachen des Bemessungsstroms.
Diese Charakteristik kann in entsprechend ausgelegten Stromkreisen mit höheren Einschaltströmen sinnvoll sein.
6.5 Charakteristik D
Bei D-Charakteristik liegt der charakteristische elektromagnetische Auslösebereich zwischen dem Zehn- und Zwanzigfachen des Bemessungsstroms.
Die Anwendung erfordert eine entsprechend geeignete Anlagen- und Schutzgeräteauslegung.
6.6 Kennlinienbereiche
Für einen Leitungsschutzschalter mit 6 A Bemessungsstrom ergeben sich aus den charakteristischen Vielfachen die in der Tabelle genannten Bereiche.
| Charakteristik | Bereich bezogen auf In | Beispiel bei 6 A | Technische Bedeutung |
|---|---|---|---|
| B | 3 bis 5 × In | 18 bis 30 A | Empfindlicher gegenüber höheren kurzzeitigen Strömen |
| C | 5 bis 10 × In | 30 bis 60 A | Größerer magnetischer Auslösebereich für geeignete Stromkreise mit Einschaltspitzen |
| D | 10 bis 20 × In | 60 bis 120 A | Für entsprechend ausgelegte Stromkreise mit hohen kurzzeitigen Strombelastungen |
6.7 Einschaltspitze richtig vergleichen
Ein gemessener kurzer Stromspitzenwert darf nicht unkritisch direkt mit diesen Kennlinienbereichen verglichen werden.
Die standardisierten Auslösebereiche beziehen sich auf definierte Prüfbedingungen mit Wechselstrom. Der tatsächliche Magnetisierungseinschaltstrom kann dagegen sehr kurz und stark asymmetrisch sein.
Für eine verlässliche Beurteilung ist die vollständige Stromform zusammen mit den konkreten Gerätekennlinien zu betrachten.
6.8 Schutzfunktion erhalten
Ein Wechsel von B auf C oder D darf nicht allein zur Beseitigung unerwünschter Einschaltauslösungen erfolgen.
Unter anderem müssen Leitungsquerschnitt, Verlegebedingungen, Kurzschlussstrom und erforderliche Abschaltbedingungen weiterhin erfüllt sein.
7. Schmelzsicherungen, Zeit-Strom-Kennlinien und Selektivität
Neben Leitungsschutzschaltern können Schmelzsicherungen zum Schutz von Transformator- und Versorgungsstromkreisen eingesetzt werden.
7.1 Zeit-Strom-Verhalten
Bei Schmelzsicherungen hängt die Abschmelzzeit von der Strombelastung ab.
Ein hoher Strom kann bei kurzer Einwirkdauer anders bewertet werden als eine geringere, länger anhaltende Überlast.
7.2 Träge Sicherungen
Bestimmte träge Sicherungen können kurze Einschaltstromimpulse überstehen, ohne auszulösen.
Die tatsächliche Eignung ergibt sich aus ihrer Zeit-Strom-Kennlinie und den Herstellerangaben.
7.3 I²t-Betrachtung
Für die thermische Wirkung eines zeitabhängigen Stroms ist das Integral des Stromquadrats über die Zeit relevant:
I²t = ∫ i(t)² dt
Der genaue Zusammenhang zwischen Strombelastung und Sicherungsverhalten hängt von der betreffenden Sicherung ab.
7.4 Kurzzeitiger Stromimpuls
Ein hoher Stromspitzenwert mit sehr kurzer Dauer kann eine andere thermische Belastung verursachen als ein gleicher Stromwert über eine längere Zeit.
Die Bewertung darf deshalb nicht ausschließlich auf dem Spitzenwert beruhen.
7.5 Sicherungsnennstrom
Der Nennstrom einer Sicherung muss für die Leitung und den vorgesehenen Betriebsstrom geeignet sein.
Eine Sicherung darf nicht einfach größer gewählt werden, um Einschaltprobleme zu beseitigen.
7.6 Selektivität
Bei hintereinandergeschalteten Schutzorganen ist zu prüfen, welches Gerät im Fehlerfall auslösen soll.
Die Selektivität hängt von den eingesetzten Schutzorganen, dem Kurzschlussstrom und ihren Kennlinien ab.
7.7 Herstellerangaben
Für die Auswahl sind die empfohlenen primär- und sekundärseitigen Schutzmaßnahmen des Transformatorherstellers besonders wichtig.
Die Empfehlungen müssen mit dem tatsächlichen Stromkreis und den geltenden Installationsanforderungen abgestimmt werden.
8. Praxisbeispiel: Nennstrom, Einschaltspitze und Sicherungsauslösung berechnen
Ein Labor verwendet einen einphasigen Trenntransformator mit 600 VA Nennleistung und einer galvanisch getrennten Ausgangsspannung von 230 V.
Die technische Auslegung entspricht hinsichtlich der Nennspannungen und der Dauerleistung beispielsweise der ICS-Baureihe 5357.2.
Zur Untersuchung eines gelegentlich auslösenden vorgeschalteten Leitungsschutzschalters werden mehrere idealisierte Berechnungen durchgeführt.
8.1 Ausgangsdaten und Annahmen
Für das Rechenbeispiel gelten folgende Bedingungen:
- Einphasiger Trenntransformator.
- Nennscheinleistung: 600 VA.
- Primärnennspannung: 230 V AC.
- Sekundärnennspannung: 230 V AC.
- Netzfrequenz: 50 Hz.
- Vorgeschalteter Leitungsschutzschalter: 6 A.
- Zu vergleichende Auslösecharakteristiken: B, C und D.
- Angenommener Einschaltstrom-Spitzenwert: 32 A.
- Angenommene Dauer des höchsten Strombereichs: wenige Millisekunden.
- Beispielhafte Strommessung über ein zusätzliches Intervall: 15 A Effektivwert über 10 ms.
- Einseitige Länge der angenommenen Kupferzuleitung: 15 m.
- Zuleitungsquerschnitt: 1,5 mm².
- Spezifischer Widerstand des Kupfers: 0,0178 Ω · mm²/m bei 20 °C.
- Für die reine Spannungsfallbetrachtung ein vereinfachtes ohmsches Leitungsmodell.
Die angenommenen Einschaltstromwerte sind frei gewählt. Sie sind keine zugesicherten Einschaltstromkennwerte des ICS-Transformators 5357.2.
8.2 Primärnennstrom berechnen
Für einen einphasigen Transformator ergibt sich der rechnerische Nennstrom aus der Nennscheinleistung und der Primärspannung:
I1,N ≈ SN/U1,N
Für den Transformator gilt:
I1,N = 600 VA / 230 V
I1,N ≈ 2,61 A
Dieser Wert beschreibt einen idealisierten Nennstrombezug aus der Scheinleistung.
Der tatsächlich aufgenommene Primärstrom bei einer bestimmten Last hängt zusätzlich von Verlusten, Leerlaufstrom und Leistungsfaktor ab.
8.3 Sekundärnennstrom berechnen
Bei einer nominellen Sekundärspannung von 230 V gilt:
I2,N = 600 VA / 230 V
I2,N ≈ 2,61 A
Der verwendete 600-VA-Trenntransformator kann somit eine entsprechende Nennlast von ungefähr 2,61 A bei der vorgesehenen Sekundärnennspannung versorgen.
Die tatsächlich zulässige Belastung ergibt sich aus den spezifischen Herstellerangaben.
8.4 Bemessungsstrom der vorgeschalteten Sicherung
Für das Beispiel wird ein vorgeschalteter Leitungsschutzschalter mit 6 A Bemessungsstrom angenommen.
Der aus der Nennscheinleistung abgeleitete Primärnennstrom von ungefähr 2,61 A liegt unter diesem Bemessungsstrom.
Daraus folgt jedoch weder, dass ein 6-A-Leitungsschutzschalter für die konkrete Installation geeignet ist, noch dass er beim Einschalten nicht auslösen kann.
8.5 Angenommener Einschaltstrom-Spitzenwert
Für die Untersuchung wird ein hypothetischer Stromspitzenwert von 32 A angenommen.
Der Quotient aus diesem momentanen Spitzenwert und dem Primärnennstrom beträgt:
32 A / 2,61 A ≈ 12,3
IEinschalt,Spitze/I1,N ≈ 12,3
Diese dimensionslose Zahl vergleicht allerdings einen momentanen Spitzenwert mit einem nominellen Effektivwert.
Sie ist deshalb kein direkt normgerecht interpretierbarer Auslösefaktor des Leitungsschutzschalters.
8.6 Vergleich mit dem normalen sinusförmigen Stromscheitel
Wird der idealisierte Primärnennstrom als sinusförmiger Strom betrachtet, ergibt sich:
IN,Spitze = √2 · I1,N
IN,Spitze = √2 · 2,61 A
IN,Spitze ≈ 3,69 A
Der angenommene Einschaltstrom-Spitzenwert von 32 A entspricht somit ungefähr:
32 A / 3,69 A ≈ 8,7
8,7-fachem sinusförmigem Nennstromscheitel
Auch dies ist nur eine rechnerische Einordnung und kein Nachweis eines bestimmten Auslöseverhaltens.
8.7 Charakteristik B bei 6 A
Für den charakteristischen elektromagnetischen Auslösebereich eines B6-Leitungsschutzschalters ergibt sich:
Unterer Bereich: 3 · 6 A = 18 A
Oberer Bereich: 5 · 6 A = 30 A
B6: 18 bis 30 A
8.8 Charakteristik C bei 6 A
Für einen C6-Leitungsschutzschalter:
Unterer Bereich: 5 · 6 A = 30 A
Oberer Bereich: 10 · 6 A = 60 A
C6: 30 bis 60 A
8.9 Charakteristik D bei 6 A
Für einen D6-Leitungsschutzschalter:
Unterer Bereich: 10 · 6 A = 60 A
Oberer Bereich: 20 · 6 A = 120 A
D6: 60 bis 120 A
8.10 Warum der direkte Vergleich nicht ausreicht
Der angenommene Spitzenwert von 32 A liegt numerisch oberhalb von 30 A.
Daraus darf jedoch nicht geschlossen werden, dass ein B6-Leitungsschutzschalter in diesem Beispiel zwingend auslöst.
Die charakteristischen Vielfachen des Bemessungsstroms beziehen sich auf die entsprechenden normierten Prüfbedingungen. Ein kurzer asymmetrischer Magnetisierungsstromimpuls besitzt dagegen eine andere Stromform.
Das tatsächliche Auslöseverhalten kann deshalb nur mit geeigneten Gerätekennlinien und der relevanten Einschaltstrom-Zeit-Kurve bewertet werden.
8.11 Hypothetisches I²t-Modell
Zusätzlich wird angenommen, dass bei einer zeitaufgelösten Messung über ein Intervall von 10 ms ein Effektivwert von 15 A festgestellt wird.
Für dieses Messintervall ergibt sich:
I²t = Ieff² · Δt
I²t = 15² A² · 0,010 s
I²t = 2,25 A²s
Dieser Wert beschreibt die elektrische Stromquadrat-Zeit-Belastung des betrachteten Intervalls.
Er darf nicht ohne weitere Herstellerinformationen mit einem beliebigen Grenzwert einer Schmelzsicherung oder eines Leitungsschutzschalters gleichgesetzt werden.
8.12 Zuleitungswiderstand berechnen
Für die vereinfachte Rechnung wird eine einphasige Kupferzuleitung mit 15 m einfacher Leitungslänge und 1,5 mm² Leiterquerschnitt betrachtet.
Da Hin- und Rückleiter berücksichtigt werden, beträgt die gesamte leitende Länge:
Lgesamt = 2 · 15 m
Lgesamt = 30 m
Der ohmsche Leitungswiderstand beträgt:
RL = ρ · L/A
RL = 0,0178 · 30 / 1,5 Ω
RL = 0,356 Ω
8.13 Spannungsfall beim Nennstrom
Beim berechneten Nennstrom von ungefähr 2,61 A ergibt sich im vereinfachten ohmschen Modell:
ΔU = 2,61 A · 0,356 Ω
ΔU ≈ 0,93 V
Der Spannungsfall entspricht ungefähr 0,4 % der angenommenen Netzspannung von 230 V.
8.14 Spannungsfall bei erhöhter Strombelastung
Wird für eine getrennte Betrachtung ein Strom von 20 A eingesetzt, ergibt sich:
ΔU = 20 A · 0,356 Ω
ΔU = 7,12 V
Dieser Wert veranschaulicht den möglichen Einfluss der Zuleitung auf die Spannung bei höherer Strombelastung.
Er beschreibt jedoch nicht den tatsächlichen zeitabhängigen Spannungsverlauf bei einem asymmetrischen Transformator-Einschaltimpuls.
8.15 Verlustleistung der Zuleitung
Beim idealisierten Nennstrom beträgt die ohmsche Verlustleistung:
PL = I² · RL
PL = 2,61² · 0,356 W
PL ≈ 2,43 W
Diese Leistung wird im betrachteten Modell als Wärme in den Hin- und Rückleitern umgesetzt.
8.16 Ergebnisse im Überblick
| Berechnungsgröße | Annahme beziehungsweise Berechnung | Ergebnis |
|---|---|---|
| Transformator-Nennscheinleistung | Frei gewählte Bezugsgröße | 600 VA |
| Primärnennspannung | Geräte-Nennwert | 230 V AC |
| Sekundärnennspannung | Geräte-Nennwert | 230 V AC |
| Rechnerischer Primärnennstrom | 600 VA / 230 V | 2,61 A |
| Rechnerischer Sekundärnennstrom | 600 VA / 230 V | 2,61 A |
| Hypothetischer Einschaltstrom-Spitzenwert | Frei gewählte Annahme | 32 A |
| Sinusförmiger Nennstromscheitel | √2 · 2,61 A | 3,69 A |
| Verhältnis der Stromscheitel | 32 / 3,69 | 8,7 |
| Magnetischer B6-Auslösebereich | 3 bis 5 · 6 A | 18 bis 30 A |
| Magnetischer C6-Auslösebereich | 5 bis 10 · 6 A | 30 bis 60 A |
| Magnetischer D6-Auslösebereich | 10 bis 20 · 6 A | 60 bis 120 A |
| Hypothetischer 10-ms-Effektivwert | Frei gewählte Annahme | 15 A |
| I²t über 10 ms | 15² · 0,010 | 2,25 A²s |
| Einseitige Leitungslänge | Frei gewählt | 15 m |
| Leiterquerschnitt | Frei gewählt | 1,5 mm² |
| Hin- und Rückleiterwiderstand | 0,0178 · 30 / 1,5 | 0,356 Ω |
| Ohmscher Spannungsfall bei 2,61 A | 2,61 · 0,356 | 0,93 V |
| Ohmscher Spannungsfall bei 20 A | 20 · 0,356 | 7,12 V |
| Ohmsche Leitungsverlustleistung bei 2,61 A | 2,61² · 0,356 | 2,43 W |
8.17 Interpretation
Das Beispiel zeigt, dass der normale Nennstrom eines Transformators wesentlich niedriger sein kann als sein kurzzeitiger Einschaltstrom.
Ein hypothetischer Einschaltstrom-Spitzenwert von 32 A ist bei der Bewertung eines vorgeschalteten 6-A-Leitungsschutzschalters entsprechend zu berücksichtigen.
Allerdings reicht dieser Spitzenwert nicht aus, um eine Auslösung sicher vorherzusagen.
Zusätzlich müssen Stromform, zeitlicher Verlauf, Schutzgerätekennlinie und Betriebsbedingungen bekannt sein.
8.18 Grenzen der Berechnung
Die berechneten Nennströme und Leitungswiderstände beruhen auf den angegebenen idealisierten Annahmen.
Die Werte für Einschaltstrom und Stromquadrat-Zeit-Belastung sind ausdrücklich hypothetisch.
Insbesondere stellen sie keine gemessenen oder vom Hersteller zugesicherten Einschaltstromkennwerte des ICS 5357.2 dar.
Das Beispiel begründet keine Freigabe für den Einsatz eines bestimmten Leitungsschutzschalters oder einer bestimmten Sicherung.
Die konkrete Schutzgeräteauswahl muss nach den geltenden Anforderungen erfolgen.
9. Nennleistung, Laststrom und Leistungsreserve richtig dimensionieren
Die richtige Dimensionierung eines Trenntransformators beginnt mit der Ermittlung der tatsächlich benötigten elektrischen Leistung.
9.1 Scheinleistung
Transformatoren werden üblicherweise mit einer Nennscheinleistung in Voltampere spezifiziert.
Für ein einphasiges System gilt:
S = Ueff · Ieff
9.2 Wirkleistung
Die Wirkleistung wird in Watt angegeben.
Bei sinusförmigen Spannungen und Strömen gilt:
P = Ueff · Ieff · cos φ
Bei nichtsinusförmigen Verhältnissen müssen auch Verzerrungsanteile berücksichtigt werden.
9.3 Leistungsfaktor
Ein Verbraucher mit kleinerem Leistungsfaktor kann bei gleicher Wirkleistung einen höheren Effektivstrom benötigen.
Für die Dimensionierung des Transformators ist deshalb die tatsächliche Scheinleistung relevant.
9.4 Dauerleistung
Die Summe der angeschlossenen Dauerlasten muss innerhalb der zulässigen Transformatorbelastung liegen.
Umgebungstemperatur, Kühlung und Betriebsdauer müssen berücksichtigt werden.
9.5 Kurzzeitbelastbarkeit
Einige Transformatoren sind für definierte kurzzeitige Überlasten ausgelegt.
Solche Angaben beziehen sich auf die vom Hersteller vorgesehenen Bedingungen und dürfen nicht mit dem Magnetisierungseinschaltstrom gleichgesetzt werden.
9.6 Leistungsreserve
Eine ausreichende Reserve kann für spätere Erweiterungen und Lastschwankungen sinnvoll sein.
Die Reserve darf jedoch nicht allein nach einem pauschalen Prozentwert gewählt werden.
9.7 Größerer Transformator
Ein Transformator mit höherer Nennleistung kann einen größeren Dauerlaststrom bereitstellen.
Ein größerer Transformator beseitigt jedoch nicht automatisch das Problem des Magnetisierungseinschaltstroms.
Je nach Konstruktion können auch größere Einschaltstromspitzen entstehen.
9.8 Frequenz und Eingangsspannung
Der Transformator muss für Netzspannung und Frequenz geeignet sein.
Ein Betrieb mit zu hoher Spannung oder zu niedriger Frequenz kann den magnetischen Fluss im Eisenkern erhöhen.
Das Verhältnis von Spannung zu Frequenz ist deshalb bei der Auslegung relevant.
10. Leerlauf, Teillast, Volllast und sekundärseitige Einschaltströme
Ein Trenntransformator verhält sich unter verschiedenen Lastbedingungen unterschiedlich.
10.1 Leerlauf
Im Leerlauf wird keine Nutzleistung an einen angeschlossenen Verbraucher abgegeben.
Trotzdem entstehen Magnetisierungsstrom und Kernverluste.
10.2 Teillast
Bei Teillast fließt ein entsprechend kleinerer Laststrom.
Die tatsächliche Ausgangsspannung und die Verluste hängen von der Transformatorausführung ab.
10.3 Volllast
Bei Nennlast muss der Transformator seine angegebene Dauerleistung unter den spezifizierten Bedingungen bereitstellen können.
10.4 Netzgeräte mit Gleichrichter
Viele angeschlossene Mess- und Steuergeräte besitzen Gleichrichter und Zwischenkreiskondensatoren.
Beim Einschalten können dadurch zusätzliche Ladeimpulse entstehen.
10.5 Motorische Verbraucher
Elektrische Motoren können während des Anlaufs deutlich höhere Ströme aufnehmen als im stationären Betrieb.
Diese Lastströme sind bei der Auslegung zu berücksichtigen.
10.6 Gleichzeitiges Einschalten
Werden Transformator und mehrere Verbraucher gleichzeitig zugeschaltet, kann die resultierende Strombelastung größer sein als beim Einschalten des unbelasteten Transformators.
10.7 Zeitversetztes Einschalten
Ein zeitlich gestaffeltes Einschalten von Verbrauchern kann in geeigneten Anlagen helfen, zusätzliche Lastanlaufströme zu begrenzen.
Der Magnetisierungseinschaltstrom des Transformators selbst muss dennoch separat berücksichtigt werden.
10.8 Diagnose durch Lasttrennung
Ein Vergleich von Einschaltvorgängen mit und ohne angeschlossene Last kann bei einer Fehlersuche hilfreich sein.
Solche Prüfungen dürfen jedoch ausschließlich nach einem sicheren und freigegebenen Verfahren erfolgen.
11. Netzimpedanz, Leitungsverluste und Spannungseinbruch
Die Eigenschaften der versorgenden Stromquelle beeinflussen den Einschaltvorgang.
11.1 Netzimpedanz
Die Netzimpedanz umfasst ohmsche und induktive Anteile des versorgenden Systems.
Sie wirkt sich auf den verfügbaren Strom und den Spannungsverlauf aus.
11.2 Lange Zuleitungen
Lange Anschlussleitungen besitzen einen höheren Widerstand und eine entsprechende Impedanz.
Dadurch kann bei erhöhtem Strom ein zusätzlicher Spannungsfall entstehen.
11.3 Spannungseinbruch
Ein großer Einschaltstrom kann unter bestimmten Bedingungen einen kurzzeitigen Spannungseinbruch verursachen.
Die tatsächliche Höhe hängt von Netzimpedanz und Stromverlauf ab.
11.4 Empfindliche Messtechnik
Messgeräte, Steuerungen und Kommunikationssysteme können auf kurze Versorgungseinbrüche empfindlich reagieren.
Die Versorgung muss deshalb hinsichtlich entsprechender Netzereignisse bewertet werden.
11.5 Generatorversorgung
Bei Generatoren kann die verfügbare Kurzzeitstrombelastbarkeit begrenzt sein.
Ein Transformator-Einschaltstrom kann dadurch unter Umständen die Ausgangsspannung stärker beeinflussen.
11.6 USV-Versorgung
USV-Systeme besitzen eigene Strombegrenzungs- und Überlastfunktionen.
Die Eignung für die Versorgung von Transformatoren muss anhand der entsprechenden Herstellerangaben geprüft werden.
11.7 Spannungsfall unter Dauerlast
Auch der normale Leiterwiderstand verursacht einen Spannungsfall und elektrische Verluste.
Die Zuleitung muss deshalb für den Dauerstrom und die erforderliche Spannungsqualität ausgelegt sein.
11.8 Kein Ersatz für Schutzberechnung
Eine vereinfachte ohmsche Spannungsfallrechnung ersetzt keine vollständige Kurzschlussstrom-, Abschaltbedingungs- oder Netzimpedanzberechnung.
12. Einschaltstrombegrenzung und kontrollierte Vormagnetisierung
Zur Begrenzung des Magnetisierungseinschaltstroms stehen unterschiedliche technische Verfahren zur Verfügung.
12.1 Einschaltstrombegrenzung
Eine Einschaltstrombegrenzung reduziert den anfänglichen Strom beim Zuschalten des Transformators.
Das Ziel besteht darin, unerwünschte Schutzgeräteauslösungen und zusätzliche Netzbelastungen zu vermindern.
12.2 Vorwiderstand
Ein geeigneter Vorwiderstand kann den anfänglichen Strom begrenzen.
Nach dem vorgesehenen Einschwingvorgang kann er bei entsprechendem Gerätekonzept überbrückt werden.
Die Auslegung muss insbesondere die elektrische und thermische Belastung berücksichtigen.
12.3 NTC-Widerstände
Ein NTC-Widerstand besitzt ein temperaturabhängiges Widerstandsverhalten.
Bei geeigneter Anwendung kann er einen Einschaltstrom begrenzen.
Seine Wirkung hängt jedoch von Temperatur, Einschalthäufigkeit und den tatsächlichen Betriebsbedingungen ab.
12.4 Wiederholtes Einschalten
Ein noch warmer NTC-Widerstand kann beim erneuten Einschalten einen anderen Widerstand besitzen als im kalten Zustand.
Bei häufig geschalteten Anlagen muss dieser Effekt berücksichtigt werden.
12.5 Elektronische Einschaltstrombegrenzung
Elektronische Schaltungen können den Einschaltvorgang gezielt beeinflussen.
Die konkrete Wirkung und Eignung hängen vom Gerätedesign ab.
12.6 Vormagnetisierung
Durch eine geeignete Vormagnetisierung kann der magnetische Ausgangszustand des Transformatorkerns vor dem vollständigen Einschalten beeinflusst werden.
Dies kann unter entsprechenden Bedingungen hohe Magnetisierungsstromspitzen vermindern.
12.7 Kontrolliertes Schalten
Bei geeigneten Steuerverfahren kann der Einschaltzeitpunkt beziehungsweise Magnetisierungsverlauf gezielt beeinflusst werden.
Die Wirkung hängt von der Transformatorbauart und der magnetischen Vorgeschichte ab.
12.8 Schutzfunktion bleibt notwendig
Eine Einschaltstrombegrenzung ersetzt weder den notwendigen Kurzschlussschutz noch die erforderlichen Überlast- und Schutzmaßnahmen.
12.9 ICS-Geräte mit entsprechender Funktion
ICS bietet mit dem Trenntransformator 5357.5 eine Ausführung mit Vormagnetisierungsschalter an.
Der Trennstelltransformator 5315.0 besitzt laut Produktbeschreibung eine elektronische Einschaltstrombegrenzung.
Für eine konkrete Anwendung müssen die verfügbaren Funktionen und die Eignung der gesamten Versorgung separat bewertet werden.
13. Primärseitigen Überlast- und Kurzschlussschutz auslegen
Der primärseitige Schutz muss für den Transformator und den versorgenden Stromkreis geeignet sein.
13.1 Schutz der Zuleitung
Leitungen müssen gegen unzulässige Überlast und Kurzschluss geschützt werden.
Die Auslegung hängt unter anderem von Querschnitt, Material, Verlegeart und Strombelastbarkeit ab.
13.2 Transformator-Schutzanforderungen
Je nach Transformatorausführung können besondere Anforderungen an Überlast- oder Temperaturschutz bestehen.
Die Herstellerangaben sind maßgeblich.
13.3 Einschaltstrom berücksichtigen
Die primärseitige Schutzeinrichtung muss für die erwarteten zulässigen Einschaltvorgänge geeignet sein.
Gleichzeitig muss sie bei tatsächlichen Fehlern die notwendige Schutzwirkung gewährleisten.
13.4 Leitungsschutzschalter
Die Auswahl umfasst Nennstrom, Charakteristik, Abschaltvermögen und die Anforderungen des Stromkreises.
Ein geeigneter Leitungsschutzschalter muss unter den tatsächlichen Netzbedingungen sicher auslösen können.
13.5 Schmelzsicherungen
Schmelzsicherungen können je nach Transformator und Schutzkonzept vorgesehen sein.
Die Auswahl muss anhand der Zeit-Strom-Kennlinie und den zu erwartenden Strombelastungen erfolgen.
13.6 Kurzschlussstrom am Einbauort
Der verfügbare Kurzschlussstrom muss für die Auswahl des Schutzgeräts bekannt beziehungsweise entsprechend ermittelt sein.
13.7 Abschaltbedingungen
Die erforderlichen Abschaltbedingungen müssen auch bei einer Änderung der Sicherungscharakteristik erhalten bleiben.
13.8 Keine unzulässige Vergrößerung
Eine Sicherung darf nicht einfach durch ein größeres Schutzgerät ersetzt werden, weil sie beim Einschalten gelegentlich auslöst.
Die Ursachenklärung und eine vollständige elektrische Bewertung sind erforderlich.
14. Sekundärseitige Schutzmaßnahmen und galvanische Trennung
Bei Trenntransformatoren müssen primär- und sekundärseitige Schutzmaßnahmen getrennt betrachtet werden.
14.1 Galvanisch getrennte Sekundärseite
Die Sekundärwicklung ist elektrisch von der Primärwicklung isoliert.
Die tatsächliche Schutzwirkung ergibt sich aus dem gesamten vorgesehenen Schutzsystem.
14.2 Schutztrennung
Elektrische Schutztrennung ist eine definierte Schutzmaßnahme mit entsprechenden Anforderungen.
Der Einsatz eines Trenntransformators allein bedeutet nicht automatisch, dass alle Bedingungen dieser Schutzmaßnahme erfüllt sind.
14.3 Schutzleiter des Transformatorgehäuses
Ein Trenntransformator der Schutzklasse I besitzt einen entsprechenden Schutzleiteranschluss beziehungsweise eine dafür vorgesehene Schutzleiterverbindung.
Die galvanische Trennung der Sekundärwicklung bedeutet nicht, dass ein schutzleiterpflichtiges Gerätegehäuse ohne Schutzleiter betrieben werden darf.
14.4 Erdbezug der Sekundärseite
Die Sekundärseite kann je nach Anwendung und Schutzkonzept unterschiedlich behandelt werden.
Ob eine Verbindung zu Erde oder anderen Potentialen vorgesehen beziehungsweise zulässig ist, muss für den konkreten Stromkreis geklärt werden.
Eine unbedachte Erdverbindung kann die Eigenschaften der vorgesehenen Schutztrennung verändern.
14.5 Mehrere Verbraucher
Werden mehrere Verbraucher an eine getrennte Sekundärversorgung angeschlossen, können zusätzliche Schutzbedingungen gelten.
Die Ausführung muss den dafür vorgesehenen Anforderungen entsprechen.
14.6 Sekundärseitige Überlast
Auch die Sekundärwicklung kann durch zu hohe Belastung thermisch gefährdet werden.
Der dafür vorgesehene Schutz hängt von Transformator und Anschlusskonzept ab.
14.7 Sekundärseitiger Kurzschluss
Ein sekundärseitiger Kurzschluss wird durch die Eigenschaften des Transformators und die vorhandenen Schutzorgane beeinflusst.
Die notwendige Abschaltung muss anhand der konkreten Auslegung sichergestellt werden.
14.8 Trenntransformator und Sicherheitstransformator
Die Anforderungen an allgemeine Trenntransformatoren nach IEC 61558-2-4 und Sicherheitstransformatoren nach IEC 61558-2-6 sind zu unterscheiden.
Ein gewöhnlicher 230-V-Trenntransformator stellt nicht automatisch eine SELV- oder PELV-Versorgung bereit.
15. EMV, Netzrückwirkungen und empfindliche Messtechnik
Die elektromagnetische Verträglichkeit kann bei der Versorgung empfindlicher Mess- und Automatisierungstechnik eine wichtige Rolle spielen.
15.1 Magnetisches Streufeld
Transformatoren besitzen bauartbedingt magnetische Streufelder.
Diese können unter bestimmten Bedingungen empfindliche benachbarte Messanordnungen beeinflussen.
15.2 Einschalttransienten
Der Einschaltvorgang kann eine kurzzeitige Veränderung des Netzstroms verursachen.
In Verbindung mit einer vorhandenen Netzimpedanz können dadurch Spannungsänderungen entstehen.
15.3 Auswirkungen auf Messgeräte
Empfindliche elektronische Geräte können auf kurzzeitige Versorgungseinbrüche oder Störungen reagieren.
Die konkrete Störfestigkeit hängt von den jeweiligen Geräten ab.
15.4 Galvanische Trennung
Die galvanische Trennung kann für geeignete Messaufgaben Vorteile hinsichtlich der Potentialtrennung bieten.
Sie beseitigt jedoch nicht automatisch alle elektromagnetischen Störungen.
15.5 Kapazitive Kopplung
Zwischen Primär- und Sekundärwicklung können parasitäre Kapazitäten bestehen.
Über diese können hochfrequente Störanteile gekoppelt werden.
15.6 Schirmwicklung
Bestimmte Transformatoren können mit zusätzlichen Schirmmaßnahmen ausgestattet sein.
Ob diese vorhanden sind und welche Wirkung sie besitzen, ist anhand der konkreten Ausführung zu prüfen.
15.7 Leitungsführung
Die Verlegung von Energie- und Signalleitungen kann das Störverhalten beeinflussen.
Geeignete Abstände, Schirmung und Potentialausgleichsmaßnahmen können erforderlich sein.
15.8 EMV-Gesamtbetrachtung
Die Auswahl eines Trenntransformators ersetzt keine vollständige EMV-Bewertung der betreffenden Anlage.
16. Häufiges Schalten, Wiederanlauf und thermische Beanspruchung
Die Einschalthäufigkeit kann bei bestimmten Transformator- und Einschaltstrombegrenzungskonzepten relevant sein.
16.1 Gelegentliches Einschalten
Ein Transformator in einem selten eingeschalteten Laborgerät stellt andere Anforderungen als ein regelmäßig geschaltetes Versorgungssystem.
16.2 Häufige Einschaltvorgänge
Wiederkehrende Einschaltströme können Schutzgeräte, Kontakte und Komponenten einer Einschaltstrombegrenzung beanspruchen.
16.3 Ausschalten und Wiedereinschalten
Nach dem Abschalten kann im Kern eine Restmagnetisierung verbleiben.
Der nächste Einschaltvorgang kann daher einen anderen Stromverlauf aufweisen.
16.4 NTC-Verhalten
Bei Einschaltstrombegrenzern mit NTC-Widerständen muss die Temperaturabhängigkeit berücksichtigt werden.
Nach kurzer Ausschaltzeit kann ein noch warmer NTC einen deutlich kleineren Widerstand besitzen als bei einem Kaltstart.
16.5 Elektronische Begrenzung
Elektronische Einschaltstrombegrenzungen können für bestimmte wiederkehrende Einschaltvorgänge geeignet sein.
Die zulässige Schalthäufigkeit muss jedoch anhand der Geräteangaben geprüft werden.
16.6 Schutzgerätezustand
Bei wiederholten Auslösungen können die thermischen Zustände von Schutzgeräten unterschiedlich sein.
Dies kann das tatsächliche Auslöseverhalten beeinflussen.
16.7 Schaltkontakte
Schütze und Schalter müssen für die auftretenden Einschaltströme geeignet sein.
Die Auswahl darf sich nicht ausschließlich auf den stationären Transformatornennstrom stützen.
16.8 Betriebsstrategie
Für häufig geschaltete Anlagen kann ein geeignetes Einschaltmanagement die Betriebssicherheit verbessern.
Die tatsächliche Lösung muss jedoch zur gesamten elektrischen Anlage passen.
17. Einschaltstrom mit geeigneter Messtechnik erfassen
Zur Diagnose einer Einschaltstromproblematik ist eine geeignete Strommessung erforderlich.
17.1 Multimeter
Ein gewöhnliches Multimeter kann den normalen Betriebsstrom erfassen.
Sehr kurze Einschaltstromspitzen werden bei einer langsam aktualisierten Anzeige jedoch möglicherweise nicht korrekt dargestellt.
17.2 Stromzange
Geeignete Stromzangen können die Stromaufnahme ohne direkte Unterbrechung des Stromkreises erfassen.
Die tatsächliche Eignung hängt von Messbereich, Bandbreite und Messfunktion ab.
17.3 Inrush-Funktion
Bestimmte Strommesszangen besitzen eine spezielle Inrush-Funktion.
Die verwendete Messdauer und Auswertemethode müssen für den betrachteten Stromverlauf geeignet sein.
17.4 Stromwandler mit Oszilloskop
Eine geeignete Kombination aus Stromsensor und zeitaufgelöstem Messgerät kann den tatsächlichen Einschaltstromverlauf sichtbar machen.
Der Sensor muss für die Stromspitze und ihre Frequenzanteile ausreichend geeignet sein.
17.5 Spitzenwert und Effektivwert
Die Messung sollte eindeutig zwischen momentanen Stromspitzen, Effektivwerten über definierte Intervalle und Dauerbetriebsstrom unterscheiden.
17.6 Strom-Zeit-Aufzeichnung
Für eine fundierte Beurteilung der Sicherungsauslösung ist eine Strom-Zeit-Aufzeichnung häufig aussagekräftiger als ein einzelner Maximalwert.
17.7 Mehrere Einschaltversuche
Bei zulässigen und freigegebenen Prüfbedingungen können mehrere Einschaltvorgänge erforderlich sein, um die Streuung zu untersuchen.
Die Versuche dürfen den Transformator und die elektrische Anlage nicht unzulässig beanspruchen.
17.8 Sichere Messung
Die Messung an Netzstromkreisen muss mit geeigneten Geräten und unter Beachtung der entsprechenden Sicherheitsanforderungen erfolgen.
Ungeeignete Messleitungen oder Messverfahren dürfen nicht eingesetzt werden.
18. Prüfgeräte, Messunsicherheit und reproduzierbare Messbedingungen
Die Bewertung des Einschaltstroms hängt auch von den Eigenschaften der verwendeten Messtechnik ab.
18.1 Messbereich
Das Messgerät muss sowohl den normalen Betriebsstrom als auch die möglichen Einschaltstromspitzen erfassen können.
Eine Übersteuerung kann den angezeigten Spitzenwert verfälschen.
18.2 Dynamische Bandbreite
Eine zu geringe Messbandbreite kann schnelle Stromanteile dämpfen oder zeitlich verändern.
18.3 Abtastrate
Bei digitaler Aufzeichnung muss die Abtastrate für die interessierenden Stromanteile ausreichend sein.
Die analoge Signalbandbreite und Anti-Aliasing-Filterung sind ebenfalls zu berücksichtigen.
18.4 Spitzenwertmessung
Die Funktion einer Spitzenwertanzeige hängt von der internen Messmethode ab.
Ein als Inrush ausgewiesener Messwert kann je nach Gerät anders definiert sein als ein tatsächlicher Momentanscheitelwert.
18.5 Kalibrierung
Die Kalibrierung eines Strommessgeräts dokumentiert seine Messabweichungen unter definierten Bedingungen.
Die Kalibrierung muss zur vorgesehenen Messaufgabe passen.
18.6 Dynamische Messunsicherheit
Eine statische oder niederfrequente Stromkalibrierung belegt nicht automatisch die Genauigkeit bei stark transienten Stromformen.
18.7 Reproduzierbarkeit
Bei der Bewertung mehrerer Einschaltvorgänge müssen Netzspannung, Transformatorzustand und Schaltbedingungen dokumentiert werden.
18.8 Gesamtbewertung
Für eine belastbare Diagnose müssen Messgerät, Messverfahren, Stromform und die Kennlinien der Schutzeinrichtung gemeinsam bewertet werden.
19. Elektrische Sicherheit und relevante Normen
Trenntransformatoren werden häufig in sicherheitsrelevanten und messtechnischen Anwendungen eingesetzt.
Die richtige elektrische Auslegung ist daher wesentlich.
19.1 IEC 61558-1
IEC 61558-1 enthält allgemeine Sicherheitsanforderungen und Prüfungen für Transformatoren und entsprechende Stromversorgungseinheiten innerhalb ihres Anwendungsbereichs.
19.2 IEC 61558-2-4
IEC 61558-2-4 behandelt besondere Anforderungen und Prüfungen für allgemeine Trenntransformatoren und entsprechende Stromversorgungseinheiten.
19.3 IEC 61558-2-6
IEC 61558-2-6 behandelt Sicherheitstransformatoren und Stromversorgungseinheiten mit solchen Transformatoren.
Der Anwendungsbereich unterscheidet sich von dem eines gewöhnlichen Trenntransformators.
19.4 EN 60204-1
Bei der elektrischen Ausrüstung von Maschinen sind die Anforderungen der EN 60204-1 zu berücksichtigen, soweit sie für die konkrete Anlage gelten.
19.5 IEC/EN 60898-1
IEC/EN 60898-1 beschreibt unter anderem entsprechende Leitungsschutzschalter mit charakteristischen Auslösebereichen.
19.6 IEC/EN 60947-2
Weitere Leistungsschalter und Schutzgeräte für entsprechende industrielle Anwendungen können unter IEC/EN 60947-2 fallen.
19.7 Schutz gegen elektrischen Schlag
Die galvanische Trennung einer Sekundärwicklung verhindert nicht unter sämtlichen Umständen gefährliche elektrische Berührungen.
Die vollständige Schutzmaßnahme muss entsprechend dem vorgesehenen System ausgelegt sein.
19.8 Schutzklasse I
Ein Trenntransformator der Schutzklasse I benötigt die dafür vorgesehene Schutzleiterverbindung.
Dies gilt unabhängig davon, dass seine Sekundärwicklung galvanisch getrennt ist.
19.9 Sekundärseitige Schutzbedingungen
Der Anschluss mehrerer Verbraucher, eine mögliche Erdverbindung und die Auswahl von Schutzgeräten müssen entsprechend der vorgesehenen Schutzmaßnahme bewertet werden.
19.10 Arbeiten an Netzstromkreisen
Prüfungen, Änderungen von Sicherungen und Arbeiten an elektrischen Anschlüssen dürfen nur durch entsprechend qualifizierte Personen unter den erforderlichen Schutzbedingungen erfolgen.
20. Systematischer Prüf- und Inbetriebnahmeablauf
Bei wiederkehrenden Sicherungsauslösungen während des Einschaltens sollte der gesamte Versorgungskreis systematisch untersucht werden.
Der folgende Ablauf dient der technischen Einordnung und muss an die konkrete Anlage angepasst werden.
- Messaufgabe definieren: Klären, welche Geräte versorgt werden und welche Funktion die galvanische Trennung erfüllen soll.
- Transformator identifizieren: Hersteller, Modell, Nennleistung, Spannungen und Frequenz erfassen.
- Herstellerunterlagen prüfen: Angaben zu Einschaltstrom, Überlastbarkeit, Schutzmaßnahmen und Schaltbetrieb auswerten.
- Versorgungssystem erfassen: Netzform, Versorgungsspannung, Frequenz und relevante Netzimpedanz bestimmen.
- Primärseitigen Schutz dokumentieren: Sicherungsart, Nennstrom, Charakteristik und Abschaltvermögen feststellen.
- Zuleitung prüfen: Leiterquerschnitt, Verlegeart, Länge und Schutzbedingungen bewerten.
- Sekundärseitige Last erfassen: Die angeschlossenen Verbraucher und deren Dauerleistungen bestimmen.
- Lastanlaufströme berücksichtigen: Eventuelle Einschaltströme der Verbraucher gesondert bewerten.
- Gesamtscheinleistung berechnen: Nennlast und mögliche Erweiterungen berücksichtigen.
- Transformator-Nennstrom bestimmen: Primär- und Sekundärstrom aus den entsprechenden Nennwerten ableiten.
- Fehlerbild dokumentieren: Festhalten, ob die Auslösung immer oder nur gelegentlich auftritt.
- Sicheren Prüfzustand herstellen: Die notwendigen elektrischen Schutzmaßnahmen nach freigegebenem Verfahren umsetzen.
- Sichtprüfung durchführen: Gehäuse, Anschlüsse, Sicherungen, Leitungen und erkennbare thermische Schäden kontrollieren.
- Schutzkonzept prüfen: Primär- und sekundärseitige Absicherung und Schutzmaßnahmen berücksichtigen.
- Geeignete Strommesstechnik auswählen: Ein Messverfahren verwenden, das den transienten Einschaltstrom ausreichend erfasst.
- Stromform aufzeichnen: Spitzenwert, zeitlichen Verlauf und geeignete Effektivwertintervalle dokumentieren.
- Netzspannung erfassen: Bei Bedarf den zeitgleichen Spannungsverlauf untersuchen.
- Last- und Leerlaufverhalten vergleichen: Nur bei entsprechend sicherem und freigegebenem Prüfaufbau.
- Auslösekennlinie bewerten: Den gemessenen Stromverlauf mit der konkreten Schutzgerätekennlinie vergleichen.
- Überlast und Kurzschluss ausschließen beziehungsweise untersuchen: Die elektrischen Fehlerursachen nach geeignetem Verfahren bewerten.
- Einschaltstrombegrenzung prüfen: Eine geeignete technische Lösung anhand der tatsächlichen Strombelastung auswählen.
- Schutzgeräteänderungen bewerten: Nennstrom oder Charakteristik nur nach vollständiger Schutz- und Netzberechnung ändern.
- Schutzwirkung nachweisen: Leitungs-, Transformator- und Abschaltbedingungen überprüfen.
- Wiederholprüfung durchführen: Die Wirksamkeit einer Änderung unter vorgesehenen Betriebsbedingungen kontrollieren.
- Ergebnisse dokumentieren: Transformator, Last, Netzbedingungen, Schutzgeräte, Messwerte und Bewertung nachvollziehbar festhalten.
Dieser Ablauf unterstützt die Diagnose, ersetzt aber keine erforderliche elektrische Planung oder sicherheitstechnische Freigabe.
21. Typische Fehlerbilder und gezielte Diagnose
Beim Einschalten von Trenntransformatoren können unterschiedliche Fehlerbilder auftreten.
Die Ursachen müssen anhand der elektrischen und magnetischen Betriebsbedingungen untersucht werden.
| Fehlerbild | Mögliche Ursache | Geeignete Diagnose |
|---|---|---|
| Sicherung löst nur gelegentlich beim Einschalten aus | Unterschiedlicher Einschaltwinkel und vorhandene Remanenz | Mehrere sichere Einschaltmessungen und Auslösekennlinie bewerten |
| Auslösung auch ohne angeschlossene Verbraucher | Magnetisierungseinschaltstrom oder Fehler im Transformator beziehungsweise Primärkreis | Leerlauf-Einschaltstrom und elektrische Fehlerursachen untersuchen |
| Auslösung nur mit angeschlossener Last | Zusätzliche Lastanlaufströme oder Überlast | Laststrom, Einschaltfolge und Transformatorleistung prüfen |
| Transformator arbeitet nach dem Einschalten normal | Kurzzeitiger Einschaltstromimpuls | Transienten Stromverlauf und Schutzgerätekennlinie vergleichen |
| Sicherung löst nach längerer Betriebszeit aus | Mögliche Dauerüberlast, thermische Belastung oder elektrischer Fehler | Dauerstrom, Temperatur und Schutzbedingungen untersuchen |
| Starker Spannungsabfall beim Einschalten | Hoher Einschaltstrom bei relevanter Netzimpedanz | Strom- und Spannungsverlauf zeitgleich erfassen |
| Steuerung startet beim Einschalten des Trafos neu | Versorgungseinbruch oder andere Netzrückwirkung | Versorgungsqualität und Störfestigkeit prüfen |
| Einschaltstrom unterschiedlich nach kurzen Pausen | Remanenz beziehungsweise Temperaturzustand eines Begrenzers | Magnetische und thermische Ausgangsbedingungen berücksichtigen |
| NTC-Begrenzung wirkt beim erneuten Einschalten schwächer | NTC ist noch warm und besitzt geringeren Widerstand | Abkühlzeit und Eignung für die Schalthäufigkeit prüfen |
| Transformator wird im Dauerbetrieb ungewöhnlich heiß | Überlast, Kühlungsproblem, ungeeignete Spannung oder Frequenz | Last, Netzbedingungen und Temperatur nach Herstellerverfahren bewerten |
| Brummen ist ungewöhnlich stark | Magnetostriktion, mechanische Resonanz oder ungeeignete magnetische Betriebsbedingungen | Befestigung, Betriebsspannung, Frequenz und Temperatur prüfen |
| Nach Wechsel von B auf C löst die Sicherung nicht mehr beim Start aus | Anderer elektromagnetischer Auslösebereich | Unbedingt auch Kurzschluss- und Abschaltbedingungen nachweisen |
| Sekundärspannung fällt bei Last deutlich ab | Überlast, Transformatorinnenimpedanz oder Leitungsverluste | Lastscheinleistung und Spannungsfall messen |
| USV schaltet beim Transformatorstart ab | Strombegrenzung oder Überlastreaktion der USV | Kompatibilität von USV und Transformator prüfen |
| Ungewöhnlicher Strom bleibt nach dem Einschalten dauerhaft bestehen | Überlast, falsche Anschlussbedingungen oder elektrischer Defekt | Anlage sicher außer Betrieb nehmen und Ursachen fachgerecht prüfen |
Die aufgeführten Ursachen sind mögliche Diagnoseansätze und keine abschließenden Fehlernachweise.
Insbesondere dürfen wiederholte Sicherungsauslösungen nicht ohne entsprechende Ursachenklärung ignoriert werden.
22. Passende ICS-Produkte für galvanisch getrennte Stromversorgung
ICS Schneider Messtechnik bietet verschiedene Trenntransformatoren, Trennstelltransformatoren und weitere Stromversorgungskomponenten für Labor-, Prüf- und industrielle Anwendungen an.
Die Auswahl richtet sich insbesondere nach Primärspannung, Sekundärspannung, erforderlicher Scheinleistung, Dauerstrom, Schutzkonzept und den zu erwartenden Einschaltbedingungen.
22.1 ICS 5357.2 – Trenntransformator 600 VA
Der ICS 5357.2 ist ein Trenntransformator in einem Tischgehäuse mit galvanisch getrennter Sekundärseite.
Er ist für geeignete Labor-, Prüf- und Versorgungsanwendungen vorgesehen.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Primärnennspannung 230 V AC.
- Nennfrequenz 50 bis 60 Hz.
- Sekundärspannung 230 V AC.
- Nennscheinleistung 600 VA.
- Dauer-Ausgangsstrom 2,6 A.
- Kurzeitbelastbarkeit 690 VA.
- Galvanisch getrennte Sekundärseite.
- Schutzklasse I.
- Schutzart IP30.
- Konvektionskühlung.
- Primäranschluss über Netzleitung mit Schutzkontaktstecker.
- Zweipolige Ausgangssteckdose.
- Sicherungen an der Gerätefront.
- Beleuchteter Netzschalter.
- Tischgeräteausführung.
Der 5357.2 eignet sich für entsprechende Anwendungen, bei denen eine galvanisch getrennte 230-V-Wechselspannungsversorgung benötigt wird.
Bei der Auslegung müssen sowohl die angeschlossene Last als auch die tatsächlichen Einschaltbedingungen berücksichtigt werden.
Aus dem Nennstrom von ungefähr 2,6 A lässt sich kein verbindlicher maximaler Magnetisierungseinschaltstrom ableiten.
Die Eignung der vorgeschalteten Absicherung muss deshalb für die konkrete Installation geprüft werden.
Weitere Informationen: ICS 5357.2 bei ICS Schneider Messtechnik
22.2 ICS 5357.3 – Trenntransformator 800 VA
Der ICS 5357.3 ist ein galvanisch getrennter Trenntransformator für eine höhere Nennscheinleistung.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Primärnennspannung 230 V AC.
- Frequenzbereich 50 bis 60 Hz.
- Sekundärspannung 230 V AC.
- Nennscheinleistung 800 VA.
- Dauer-Ausgangsstrom 3,47 A.
- Kurzeitbelastbarkeit 920 VA.
- Galvanisch getrennte Sekundärseite.
- Konvektionskühlung.
- Tischgehäuse.
- Schutzklasse I.
- Schutzart IP30.
- Netzanschluss mit Schutzkontaktstecker.
- Zweipolige Ausgangssteckdose.
- Sicherungen an der Front.
- Beleuchteter Netzschalter.
Der 5357.3 ist für Anwendungen mit entsprechend höherem Leistungsbedarf interessant.
Auch bei dieser Ausführung muss das Einschaltstromverhalten unabhängig von der normalen Dauerbelastbarkeit bewertet werden.
Eine größere Transformatorleistung ist keine automatische Lösung für unerwünschte Sicherungsauslösungen.
Weitere Informationen: ICS 5357.3 bei ICS Schneider Messtechnik
22.3 ICS 5357.4 – Trenntransformator 1.000 VA
Der ICS 5357.4 ist ein Trenntransformator mit einer Nennleistung von 1.000 VA und galvanisch getrennter Ausgangsspannung.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Eingangsspannung 230 V AC.
- Netzfrequenz 50 bis 60 Hz.
- Ausgangsspannung 230 V AC.
- Nennscheinleistung 1.000 VA.
- Dauer-Ausgangsstrom 4,35 A.
- Kurzeitbelastbarkeit 1.150 VA.
- Galvanisch getrennte Sekundärseite.
- Schutzklasse I.
- Schutzart IP30.
- Konvektionskühlung.
- Gehäuse als Tischgerät.
- Frontseitige Sicherungen.
- Beleuchteter Netzschalter.
Der Transformator kann für größere Labor- und Prüfplatzversorgungen infrage kommen.
Die Nennleistung von 1.000 VA beschreibt seine vorgesehene Dauerbelastbarkeit.
Sie ist nicht mit dem kurzzeitigen Magnetisierungseinschaltstrom gleichzusetzen.
Weitere Informationen: ICS 5357.4 bei ICS Schneider Messtechnik
22.4 ICS 5357.5 – Trenntransformator 2.300 VA mit Vormagnetisierungsschalter
Der ICS 5357.5 ist ein leistungsstärkerer galvanisch getrennter Trenntransformator im Tischgehäuse.
Besonders relevant für die hier behandelte Einschaltproblematik ist der in der Produktbeschreibung genannte Vormagnetisierungsschalter.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Primärnennspannung 230 V AC.
- Frequenzbereich 50 bis 60 Hz.
- Sekundärspannung 230 V AC.
- Nennscheinleistung 2.300 VA.
- Dauer-Ausgangsstrom 10 A.
- Kurzeitbelastbarkeit 2.600 VA.
- Galvanisch getrennte Sekundärseite.
- Vormagnetisierungsschalter.
- Frontseitige thermo-magnetische Sicherungsautomaten.
- Beleuchteter Netzschalter beziehungsweise Kontrollfunktion.
- Konvektionskühlung.
- Schutzklasse I.
- Schutzart IP30.
- Tischgeräteausführung.
Der Vormagnetisierungsschalter ist für Anwendungen interessant, bei denen hohe Einschaltströme betrieblich problematisch sein können.
Seine tatsächliche Wirkung und die vorgesehenen Bedienbedingungen müssen anhand der Herstelleranweisungen geprüft werden.
Der Vormagnetisierungsschalter ersetzt nicht die notwendige primär- und sekundärseitige Absicherung.
Weitere Informationen: ICS 5357.5 bei ICS Schneider Messtechnik
22.5 ICS 5315.0 – Trennstelltransformator mit elektronischer Einschaltstrombegrenzung
Der ICS 5315.0 kombiniert eine galvanisch getrennte Versorgung mit einer einstellbaren Ausgangsspannung.
Er ist für geeignete Labor- und Prüfstandsanwendungen mit variablem Spannungsbedarf vorgesehen.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Primärnennspannung 230 V AC.
- Frequenzbereich 50 bis 60 Hz.
- Einstellbare Ausgangsspannung von 2 bis 250 V AC.
- Maximaler Ausgangsstrom 10 A.
- Dauerleistung 2.500 VA.
- Kurzeitbelastbarkeit 2.875 VA.
- Galvanisch getrennte Sekundärseite.
- Elektronische Einschaltstrombegrenzung.
- Drei thermo-magnetische Sicherungsautomaten an der Front.
- Konvektionskühlung.
- Schutzklasse I.
- Schutzart IP30.
- Tischgeräteausführung.
- Netzkontrollleuchte.
Der 5315.0 ist insbesondere interessant, wenn zusätzlich zur galvanischen Trennung eine variable Wechselspannung benötigt wird.
Die elektronische Einschaltstrombegrenzung kann für entsprechende Versorgungs- und Schaltaufgaben von Vorteil sein.
Die konkrete Auslegung der vorgeschalteten Schutzeinrichtung muss dennoch anhand der tatsächlichen Betriebsbedingungen erfolgen.
Ein Trennstelltransformator ist außerdem nicht mit einem gewöhnlichen Sparstelltransformator gleichzusetzen, da bei der entsprechenden Trennstellbauform die galvanische Trennung erhalten bleibt.
Weitere Informationen: ICS 5315.0 bei ICS Schneider Messtechnik
22.6 ICS 5357-Serie – Trenntransformatoren in verschiedenen Leistungsklassen
Die ICS 5357-Serie umfasst galvanisch getrennte Festspannungstransformatoren in unterschiedlichen Leistungsklassen.
Die Produktreihe enthält unter anderem:
- 5357.0 mit 250 VA.
- 5357.1 mit 400 VA.
- 5357.2 mit 600 VA.
- 5357.3 mit 800 VA.
- 5357.4 mit 1.000 VA.
- 5357.5 mit 2.300 VA.
Für entsprechende Ausführungen stehen außerdem Varianten für andere primärseitige Spannungen zur Verfügung.
Die Geräte sind für geeignete Anwendungen vorgesehen, bei denen eine galvanisch getrennte Wechselspannungsversorgung benötigt wird.
Die Auswahl muss anhand der benötigten Ausgangsspannung, Lastscheinleistung, Dauerbelastbarkeit und des Schutzkonzepts erfolgen.
Die Produktreihe umfasst überwiegend Tischgeräte für Labor- und Prüfanwendungen. Ihre Bauform darf nicht ohne Prüfung mit einem Transformator für die direkte Montage auf einer Schaltschrank-Hutschiene gleichgesetzt werden.
Weitere Informationen: ICS Trenntransformatoren
22.7 Trennstelltransformatoren für flexible Prüfspannungen
ICS bietet neben Festspannungs-Trenntransformatoren verschiedene Trennstelltransformatoren an.
Diese ermöglichen je nach Ausführung die Bereitstellung einer variablen Wechselspannung bei galvanisch getrenntem Ausgang.
Sie eignen sich für entsprechende Mess- und Prüfanwendungen, in denen sowohl Potentialtrennung als auch Spannungsvariation benötigt werden.
Bei der Auswahl sind insbesondere zu beachten:
- Primärspannung und Frequenz.
- Maximale Ausgangsspannung.
- Ausgangsstrom.
- Dauerleistung.
- Kurzzeitbelastbarkeit.
- Vorhandene Einschaltstrombegrenzung.
- Primär- und sekundärseitige Schutzfunktionen.
- Gehäusebauform und Anschlussart.
- Elektrische Schutzmaßnahmen.
Weitere Informationen: ICS Trennstelltransformatoren
22.8 Technische Auswahl eines geeigneten Trenntransformators
Für eine konkrete Anfrage sollten die folgenden Angaben vorliegen:
- Primärspannung.
- Netzfrequenz.
- Benötigte Sekundärspannung.
- Einphasige oder dreiphasige Versorgung.
- Erforderliche Dauer-Scheinleistung in VA.
- Normaler Primär- und Sekundärlaststrom.
- Art der angeschlossenen Verbraucher.
- Zusätzliche Lastanlaufströme.
- Häufigkeit der Einschaltvorgänge.
- Vorhandene primärseitige Absicherung.
- Sicherungsnennstrom und Auslösecharakteristik.
- Verfügbare Netzimpedanz beziehungsweise Kurzschlussstrombedingungen.
- Leitungslängen und Leiterquerschnitte.
- Erforderliche primär- und sekundärseitige Schutzmaßnahmen.
- Gewünschte Einschaltstrombegrenzung.
- Notwendige galvanische Trennung.
- Labor-, Prüfstand- oder Schaltschrankeinbau.
- Umgebungstemperatur und Kühlbedingungen.
- Benötigte EMV-Eigenschaften.
- Gegebenenfalls erforderliche Prüf- und Dokumentationsunterlagen.
Auf dieser Grundlage kann beurteilt werden, welche Transformatorausführung und welches Schutz- beziehungsweise Einschaltkonzept zur Anwendung passt.
Zur Stromversorgungstechnik bei ICS Schneider Messtechnik
23. Fazit: Einschaltstrom und Schutzkonzept gemeinsam auslegen
Beim Einschalten eines Trenntransformators kann kurzzeitig ein wesentlich höherer Primärstrom auftreten als während des normalen Betriebs.
Dieser Strom entsteht insbesondere durch den Aufbau des magnetischen Flusses im Eisenkern.
Die Höhe des Magnetisierungseinschaltstroms hängt unter anderem vom Einschaltwinkel, der verbleibenden Magnetisierung des Kerns und den elektrischen Eigenschaften des Transformators und der Stromversorgung ab.
Besonders wichtig ist die Erkenntnis, dass ein hoher Einschaltstrom auch ohne angeschlossene sekundärseitige Last auftreten kann.
Eine Sicherungsauslösung während des Einschaltens ist deshalb nicht automatisch ein Nachweis für einen überlasteten Verbraucher oder einen Kurzschluss.
Gleichzeitig darf eine Auslösung nicht ohne weitere Prüfung als unbedenklicher Einschaltvorgang abgetan werden.
Die Ursachen müssen systematisch untersucht werden.
Bei der Bewertung des Einschaltstroms ist zwischen einem momentanen Spitzenwert und einem Effektivwert über ein definiertes Zeitintervall zu unterscheiden.
Ein stark asymmetrischer Stromimpuls kann nicht ohne Weiteres wie ein sinusförmiger Dauerstrom behandelt werden.
Das ist insbesondere beim Vergleich mit Schutzgerätekennlinien wichtig.
Leitungsschutzschalter mit B-, C- und D-Charakteristik besitzen unterschiedliche elektromagnetische Auslösebereiche.
Die B-Charakteristik reagiert bei kleineren Vielfachen des Bemessungsstroms als die C- oder D-Charakteristik.
Allerdings darf die Auswahl einer trägeren Charakteristik nicht allein mit dem Ziel erfolgen, unerwünschte Einschaltauslösungen zu vermeiden.
Die erforderlichen Leitungs- und Fehlerschutzbedingungen müssen auch nach einer Änderung erfüllt sein.
Das Rechenbeispiel zeigt diese Problematik anhand eines Trenntransformators mit 600 VA bei 230 V.
Der rechnerische Nennstrom beträgt ungefähr 2,61 A.
Ein frei angenommener Einschaltstrom-Spitzenwert von 32 A liegt deutlich darüber.
Für einen 6-A-Leitungsschutzschalter ergeben sich charakteristische magnetische Auslösebereiche von 18 bis 30 A bei B-, 30 bis 60 A bei C- und 60 bis 120 A bei D-Charakteristik.
Diese Zahlen ermöglichen eine erste technische Einordnung, aber keine sichere Vorhersage des tatsächlichen Auslöseverhaltens eines kurzen asymmetrischen Einschaltimpulses.
Hierfür müssen die Strom-Zeit-Kurve und die Eigenschaften des konkreten Schutzgeräts berücksichtigt werden.
Eine weitere Einflussgröße ist die Netzimpedanz.
Bei einem hohen Einschaltstrom kann eine relevante Zuleitungsimpedanz zu einem kurzzeitigen Spannungsfall führen.
Empfindliche Mess- und Steuergeräte können unter bestimmten Bedingungen auf solche Versorgungseinbrüche reagieren.
Die Auswahl des Transformators muss deshalb auch Netzspannung, Frequenz, Leitungslänge und angeschlossene Last berücksichtigen.
Bei der Dimensionierung ist außerdem zwischen der Nennscheinleistung in Voltampere und der tatsächlich aufgenommenen Wirkleistung zu unterscheiden.
Ein größerer Transformator kann zwar mehr Dauerlast versorgen, löst aber nicht automatisch das Problem hoher Magnetisierungseinschaltströme.
In geeigneten Anwendungen kann eine kontrollierte Einschaltstrombegrenzung vorteilhaft sein.
Dies gilt insbesondere für häufig geschaltete Prüfstände, größere Transformatoren und Versorgungssysteme mit begrenzter Kurzzeitstrombelastbarkeit.
Bei ICS Schneider Messtechnik ist beispielsweise der 5357.5 mit einem Vormagnetisierungsschalter verfügbar.
Der Trennstelltransformator 5315.0 bietet laut Produktbeschreibung eine elektronische Einschaltstrombegrenzung.
Die Wirksamkeit und Eignung solcher Funktionen muss für die jeweilige Anwendung geprüft werden.
Darüber hinaus darf die elektrische Schutzwirkung einer galvanischen Trennung nicht überschätzt werden.
Ein Trenntransformator ersetzt nicht automatisch sämtliche primär- und sekundärseitigen Schutzmaßnahmen.
Insbesondere ist die Schutztrennung als definierte Schutzmaßnahme von der bloßen Verwendung eines Transformators mit getrennten Wicklungen zu unterscheiden.
Die Schutzklasse des Gerätegehäuses, erforderliche Erdungsverbindungen und die Anzahl beziehungsweise Art angeschlossener Verbraucher müssen entsprechend berücksichtigt werden.
Eine zuverlässige Auslegung umfasst daher Transformator, Einschalteinrichtung, primärseitige Schutzgeräte, Sekundärschutz, angeschlossene Verbraucher und die Eigenschaften der Stromversorgung.
Die entscheidende Erkenntnis lautet: Ein hoher Einschaltstrom eines Trenntransformators ist nicht automatisch eine Überlast oder ein elektrischer Fehler. Er kann durch Remanenz, ungünstigen Einschaltwinkel und vorübergehende Kernsättigung verursacht werden. Für einen zuverlässigen Betrieb müssen Einschaltstromverlauf, Auslösekennlinie, Transformatorleistung und vollständiges elektrisches Schutzkonzept gemeinsam bewertet werden. Eine geeignete Einschaltstrombegrenzung kann dabei die bessere Lösung sein als das unkontrollierte Vergrößern einer Sicherung.
24. Häufig gestellte Fragen zum Einschaltstrom von Trenntransformatoren
24.1 Warum zieht ein Trenntransformator beim Einschalten einen hohen Strom?
Beim Einschalten muss sich im Eisenkern des Transformators ein magnetischer Fluss aufbauen. Je nach Einschaltwinkel und vorhandener Remanenz kann dabei eine besonders große Flussauslenkung entstehen. Wird der Kern vorübergehend gesättigt, sinkt die wirksame Magnetisierungsinduktivität und es kann ein hoher Einschaltstrom fließen. Dieser Vorgang ist nicht automatisch ein elektrischer Fehler.
24.2 Kann ein Trenntransformator auch ohne angeschlossene Last einen hohen Einschaltstrom verursachen?
Ja. Der Magnetisierungseinschaltstrom entsteht beim Aufbau des magnetischen Flusses und kann deshalb auch bei unbelasteter Sekundärseite auftreten. Zusätzliche Verbraucher sind für diesen Effekt nicht erforderlich. Das Einschaltverhalten im Leerlauf kann daher für die Fehlersuche besonders aufschlussreich sein.
24.3 Warum löst die Sicherung nur manchmal beim Einschalten aus?
Der Einschaltstrom kann von Einschaltvorgang zu Einschaltvorgang unterschiedlich sein. Entscheidend sind unter anderem der Einschaltzeitpunkt innerhalb der Netzspannungsperiode und die verbleibende Magnetisierung des Eisenkerns. Dadurch kann der Strom bei einem Einschaltvorgang unkritisch bleiben und bei einem anderen deutlich höher ausfallen.
24.4 Was bedeutet Remanenz bei einem Transformator?
Remanenz bezeichnet die Magnetisierung, die nach dem Abschalten im magnetischen Kern zurückbleiben kann. Sie beeinflusst den Ausgangszustand beim nächsten Einschalten. Abhängig von ihrer Richtung und dem Einschaltwinkel kann sie eine größere oder kleinere anfängliche magnetische Flussauslenkung verursachen.
24.5 Warum kann das Einschalten beim Spannungsnulldurchgang ungünstig sein?
Der magnetische Fluss hängt vom zeitlichen Integral der angelegten Spannung ab. Bei einem einfachen einphasigen Transformator kann ein Einschalten nahe dem Spannungsnulldurchgang eine besonders große anfängliche Flussauslenkung hervorrufen. Der tatsächliche Effekt hängt zusätzlich von der vorhandenen Restmagnetisierung ab. Nulldurchgangsschalten ist deshalb nicht automatisch eine geeignete Einschaltstrombegrenzung für Transformatoren.
24.6 Wie hoch kann der Einschaltstrom eines Trenntransformators sein?
Der Einschaltstrom kann kurzzeitig ein Vielfaches des normalen Primärstroms erreichen. Eine allgemeingültige Zahl lässt sich jedoch nicht für alle Transformatoren festlegen. Die tatsächliche Höhe hängt von Kernmaterial, Bauform, Wicklungswiderstand, Netzimpedanz, Remanenz und Einschaltwinkel ab. Für die Auslegung sind Herstellerangaben oder geeignete Messungen erforderlich.
24.7 Ist ein hoher Einschaltstrom automatisch ein Kurzschluss?
Nein. Ein hoher Magnetisierungseinschaltstrom kann ein normaler transienter Vorgang sein. Allerdings können auch Kurzschluss, Überlast oder ein elektrischer Defekt zu hohen Strömen führen. Die Unterscheidung erfordert eine geeignete Diagnose. Wiederholt auslösende Schutzgeräte dürfen deshalb nicht ohne Ursachenklärung ignoriert werden.
24.8 Was ist der Unterschied zwischen Einschaltstrom und Nennstrom?
Der Nennstrom beschreibt den Strom bei einer definierten Nennbelastung. Der Einschaltstrom kann beim Zuschalten vorübergehend deutlich höher sein. Er besitzt häufig eine stark zeitabhängige und asymmetrische Stromform. Deshalb müssen beim Einschaltstrom neben der Höhe auch die Dauer und die jeweilige Messdefinition berücksichtigt werden.
24.9 Welche Sicherungscharakteristik eignet sich für einen Trenntransformator?
Die geeignete Charakteristik hängt vom Transformator, dem Einschaltstromverlauf und dem gesamten Schutzkonzept ab. B-, C- und D-Leitungsschutzschalter besitzen unterschiedliche elektromagnetische Auslösebereiche. Eine C- oder D-Charakteristik darf jedoch nicht pauschal empfohlen werden. Kurzschlussstrom, Leitungsschutz und erforderliche Abschaltbedingungen müssen für die konkrete Installation nachgewiesen werden.
24.10 Was ist der Unterschied zwischen B- und C-Charakteristik?
Bei Leitungsschutzschaltern nach IEC/EN 60898-1 liegt der charakteristische elektromagnetische Auslösebereich bei B zwischen dem Drei- und Fünffachen des Bemessungsstroms und bei C zwischen dem Fünf- und Zehnfachen. Die C-Charakteristik ist damit für bestimmte höhere Einschaltströme weniger empfindlich. Ob sie eingesetzt werden darf, hängt jedoch von der vollständigen elektrischen Schutzberechnung ab.
24.11 Darf ich einen B6-Leitungsschutzschalter einfach durch einen C6 ersetzen?
Nein, ein solcher Austausch darf nicht ohne Prüfung erfolgen. Durch die andere Auslösecharakteristik verändern sich die Bedingungen für die schnelle Abschaltung bei hohen Fehlerströmen. Es muss überprüft werden, ob die erforderlichen Abschaltbedingungen, der Kurzschlussstrom und die Schutzwirkung für die Leitung weiterhin erfüllt sind.
24.12 Hilft eine träge Schmelzsicherung gegen den Einschaltstrom?
Eine entsprechend geeignete träge Sicherung kann kurze Einschaltstromimpulse unter bestimmten Bedingungen überstehen. Ihre Auswahl muss jedoch anhand der tatsächlichen Zeit-Strom-Kennlinie und der Schutzanforderungen erfolgen. Eine größere oder trägere Sicherung darf nicht ohne entsprechende elektrische Bewertung eingesetzt werden.
24.13 Was ist eine Einschaltstrombegrenzung für Transformatoren?
Eine Einschaltstrombegrenzung ist eine technische Einrichtung, die den anfänglichen Strom beim Zuschalten reduziert. Dafür können beispielsweise geeignete Vorwiderstände, temperaturabhängige Widerstände oder elektronische Verfahren verwendet werden. Die konkrete Lösung muss zum Transformator, seiner Leistung und der vorgesehenen Schalthäufigkeit passen.
24.14 Was bewirkt eine Vormagnetisierung?
Eine geeignete Vormagnetisierung beeinflusst den magnetischen Ausgangszustand des Eisenkerns vor dem vollständigen Einschalten. Dadurch kann die anfängliche magnetische Flussauslenkung unter entsprechenden Bedingungen günstiger verlaufen und der Einschaltstrom reduziert werden. Die tatsächliche Wirkung hängt von der verwendeten Technik und dem Transformator ab.
24.15 Kann ein größerer Trenntransformator die Sicherungsauslösung verhindern?
Nicht automatisch. Ein größerer Transformator kann mehr elektrische Dauerlast versorgen. Sein Magnetisierungseinschaltstrom kann jedoch ebenfalls hoch sein. Wenn die Ursache der Auslösung im Einschaltstrom des Transformatorkerns liegt, ist eine reine Vergrößerung der Nennleistung keine zuverlässige Problemlösung. Die Ursachen müssen gezielt untersucht werden.
24.16 Wie misst man den Einschaltstrom eines Trenntransformators?
Geeignet sind Messsysteme, die kurze und gegebenenfalls asymmetrische Stromverläufe ausreichend genau erfassen können. Dazu gehören bestimmte Stromzangen mit geeigneter Inrush-Funktion oder zeitaufgelöste Messsysteme mit passendem Stromsensor. Entscheidend sind Messbandbreite, Messbereich und die Unterscheidung zwischen Stromspitzenwert und Effektivwert.
24.17 Erhöht ein Trenntransformator automatisch die elektrische Sicherheit?
Ein Trenntransformator ermöglicht eine galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite. Die tatsächliche elektrische Schutzwirkung hängt jedoch vom gesamten System ab. Insbesondere müssen die Schutzmaßnahmen für das Gerätegehäuse, die Sekundärseite und die angeschlossenen Verbraucher berücksichtigt werden. Galvanische Trennung allein ersetzt kein vollständiges Sicherheitskonzept.
24.18 Welcher ICS-Trenntransformator eignet sich bei Problemen mit hohen Einschaltströmen?
Die Auswahl hängt von Spannung, Leistung, Last und vorhandener Absicherung ab. ICS bietet beispielsweise Trenntransformatoren der 5357-Serie mit Leistungen von 250 bis 2.300 VA an. Der 5357.5 besitzt einen Vormagnetisierungsschalter. Der Trennstelltransformator 5315.0 verfügt über eine elektronische Einschaltstrombegrenzung und bietet zusätzlich eine variable Ausgangsspannung. Ob diese Geräte für die konkrete Anwendung geeignet sind, muss anhand der tatsächlichen elektrischen Betriebs- und Schutzbedingungen geprüft werden.