www.kilovolt.ch
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Spannungswandler
(sogenannte "Potential-Transformer" oder "Instrument-Transformer",
kurz PT) werden in der
Energietechnik verwendet, um die Hochspannung einer
Freileitung überwachen zu können. Ein solcher Messwandler oder Mittelspannungswandler reduziert die
Hochspannung in einem genauen Verhältnis auf eine genormte Niederspannung
(meistens 100 V bei Nennspannung), die von gängigen Messwerken verarbeitet
werden kann. Er sorgt ausserdem für eine Potentialtrennung zwischen Freileitung
und Messstation. Teilweise werden Messwandler auch zur Speisung kleiner
Verbraucher wie Beleuchtungen etc. verwendet. Diese Hochspannungs-Trafos sind äusserst
leistungsfähig und praktisch unzerstörbar (das macht sie wertvoll für Teslaspulenbetrieb und andere
HV-Experimente). Sie können kurzzeitig um ein Vielfaches der
angegebenen Nennleistung überlastet werden. Immerhin müssen solche HV-Transformatoren
im Energie-Alltag Transienten und Überspannungen vom Mehrfachen der Nennspannung aushalten und dann
auch noch vernünftige Messspannungen liefern. Für Experimentierzwecke wird der
Wandler natürlich umgekehrt
betrieben. Wichtig ist allerdings eine
Strombegrenzung (Drossel) in Serie zur 100 V-Wicklung des Trafos, da der
Trafo ansonsten einen beliebig hohen Strom zieht, bis (hoffentlich) die
Netzsicherung auslöst. Es wird
ausserdem entweder eine 100 V-Speisung benötigt, oder man schaltet zwei genau gleiche
Messwandler in Serie mit Strombegrenzung ans 230 V-Netz. Mit mehr als 120V sollte ein Messwandler nicht
gespeist werden, da der Wandlerkern sonst in Sättigung gerät. Dies äussert sich darin, dass der
Trafo selbst im Leerlauf primärseitig einen hohen Strom zieht. Wird der Wandler trotzdem in diesem
Sättigungsbereich betrieben, so resultiert dies in hohen Verlusten (unnötiges Aufheizen des Kerns) und der Wandler gibt einen lauten 50Hz-Brummton von
sich resp. man hört die Oberwellen des verzerrten Signals.
Giessharzwandler werden als Zweipol- oder Einpoltypen hergestellt. Zweipoltypen (Wandler mit zwei "Hörnern") haben beide Enden der Hochspannungswicklung isoliert herausgeführt, während bei den einpoligen Typen der Fusspunkt der Hochspanungswicklung geerdet werden muss und meistens auch gleich verbunden ist mit der Erdung der Niederspannungsseite. Einpolwandler werden zur Messung von Phasen-Erde-Spannungen verwendet, während Zweipol-Messwandler für die Messung von zwischen zwei Phasen eingesetzt werden. Da die Phasen-Phasen-Spannung im Drehstromnetz um den Faktor Wurzel (3) grösser ist als die Phasen-Erde-Spanung, sind die Zweipoltypen meist für höhere Nennspannungen ausgelegt als einpolige Wandler. Allerdings sind zweipolige Wandler durch den grösseren Bedarf an Isolationsmaterial voluminöser und schwerer bei gleicher Leistung.
Einpolige Spannungswandler Zweipolige Spannungswandler
Vorteile zweipoliger Wandler:
Etwas mehr Sicherheit durch erdfreie Hochspannung (potentialfrei)
Vollweg-Gleichrichtung der Hochspannung möglich durch Hochspannungs-Brückengleichrichter
Höhere Spannungen
Die angegebene Leistung auf einem Spannungswandler ist niedrig und führt häufig zum Fehlschluss, dass diese Trafos knur minimale Leistungen umsetzen können. Die angegebene Nennleistung (zum Beispiel 50VA oder 100VA) bezieht sich jedoch nur auf die Genauigkeit des Wandlers, bedeutet also, dass der Wandler bei dieser Leistung seiner Genauigkeitsklasse entspricht. Die thermische Leistung, welche für unsere Experimente interessant ist, ist normalerweise etwa zehn Mal so hoch. Für den kurzzeitigen Betrieb kann der Wandler sogar üblicherweise nochmals mit dem vier- bis fünffachen der thermischen Leistung betrieben werden. Bei einem 100VA-Wandler gilt also ungefähr: Thermische Leistung ca. 1kVA, kurzzeitige Leistung ca. 3 bis 4kVA. Selbstverständlich sind dies nur ungefähre Angaben und müssen nicht für jeden Fall stimmen. Meistens merkt man erst zu spät, wenn der Trafo plötzlich intern durchgebrannt ist. Die Fähigkeit, Wärme nach aussen hin abzuführen, ist bei einem Giessharzwandler relativ schlecht gegeben, da das Harz thermisch gut isoliert. Daher sollte der Wandler immer genug Zeit bekommen, um wieder abzukühlen. Nice to know: Spannungswandler dürfen dauernd mit dem 1.2-fachen der Nennspannung betrieben werden und werden in der Praxis auch so ausgelegt.
Typenschild (Moser-Glaser VK20)
Meist sind noch diverse weitere Angaben auf dem Typenschild zu finden. Dies kann teilweise ziemlich verwirrend sein. Die wichtigsten Kenngrössen sind die folgenden:
Hat man sich erst einmal mühsam mit etwas Glück und/oder Geschick einen Messwandler beschafft, stellt sich schon schnell mal die Frage, wie dieser denn nun korrekt angeschlossen werden muss. Leider sind die Bezeichnungen teilweise etwas verwirrend, und ich bekomme auch öfters Anfragen wegen der Beschaltung von Messwandlern, deshalb soll an dieser Stelle kurz darauf eingegangen werden. Da ich nicht Elektriker bin, kann ich natürlich auch für diese Informationen keinerlei Gewähr übernehmen. Für allfällige fachmännische Korrekturen per E-Mail bin ich jederzeit dankbar!
Anschlussfeld eines einpoligen Messwandlers
Normalerweise gilt: Kleinbuchstaben bezeichnen Niederspannungsklemmen, während Grossbuchstaben für Hochspannungsanschlüsse stehen.
Klemmen "U" und "X": Hochspannungsklemmen. Zwischen diesen beiden Klemmen kann die Hochspannung abgegriffen werden. Die Klemme "U" ist jeweils der einzelne Hochspannungsanschluss oben am Wandler, während die Klemme "X" unten an der Klemmleiste zu finden ist (HV-Fusspunkt). Die Klemme "X" ist in der Regel auch gleich mit der Erde und dem Kern verbunden.
Klemmen "u" und "x": Niederspannungsklemmen. Zwischen diesen beiden Klemmen kann die Niederspannung von 100V eingespeist werden. Die Einspeisung muss über eine Strombegrenzungsdrossel erfolgen. Häufig ist "x" ebenfalls mit der Erde bzw. mit dem Kern des Wandlers verbunden. Diese Verbindung lässt sich aber fast immer bei Bedarf an der Klemmleiste auftrennen (entweder eine Schraube entfernen, die die Verbindung herstellt oder allenfalls muss eine entsprechende Drahtbrücke rausgenommen werden).
Klemmen "2u" und "2x": Toll, wenn der Wandler über diese Anschlussmöglichkeit verfügt! Hier sind jeweils zwei Spulen in Serie geschalten, der Wandler kann also zwischen diesen Anschlüssen mit der doppelten Spannung gespiesen werden (2 x 100V), ohne dass der Kern in Sättigung gerät. Dies bedeutet, dass man hier über eine Strombegrenzung direkt 230V von der Steckdose einspeisen kann und somit der 230V / 100V-Trafo entfällt.
Klemmen "e" und "n": Diese Klemmen sind offenbar gemäss einem Beitrag, den ich in einem Forum gelesen habe, nur zur Erdschlussüberwachung, können also für den "normalen" Betrieb als Hochspannungstrafo ignoriert werden (nicht beschalten).
Klemme mit Erdsymbol: Diese Klemme ist fest mit "X" und dem geerdeten Kern des Wandlers verbunden. Sie hat die gleiche Bedeutung wie die Erdschraube am Kern.
Schraube am Kern des Wandlers: Dies ist der offizielle Erdanschluss des Wandlers. Meist ist dieser mit dem Fusspunkt der Hochspannungswicklung, also dem Anschluss "X" verbunden. Die Schraube sollte mit dem Schutzleiter oder einer anderen guten (niederohmigen) Erde verbunden werden. Bei einer Serieschaltung zweier Einpolwandler kann dieser Punkt als gemeinsame Erdung und gleichzeitig als Mittelpunkt für beide Hochspannungswicklungen genommen werden.
Klemmen "V" und "U": Dies sind die beiden Hochspannungsanschlüsse oben am Wandler, die beiden "Hörner". Zwischen diesen beiden Anschlüssen kann eine potentialfreie (erdfreie) Hochspannung abgegriffen (oder auch eingespiesen) werden. Möchte man mit einer erdbezogenen Hochspannung arbeiten oder zwei Wandler in Serie schalten, so kann auch einer der beiden Hochspannungsanschlüsse geerdet werden.
Klemmen "v" und "u": Dies sind die Niederspannungsanschlüsse des Wandlers. Hier werden die 100V über eine entsprechende Strombegrenzung eingespeist.
Schraube am Kern des Wandlers: Dies ist der offizielle Erdanschluss des Wandlers. Er ist bei Zweipolwandlern nur mit dem Kern verbunden.
Im Laufe der Zeit (über mehrere Jahre hinweg) habe ich insgesamt
acht
Messwandler beschafft. Drei grosse, zweipolige Moser-Glaser-Wandler und fünf einpolige 10kV
resp. 16kV-Wandler unterschiedlicher Hersteller. Jeweils zwei einpolige Wandler
können sekundärseitig in Serie geschalten werden, wenn beide "X"-Anschlüsse
verbunden und geerdet werden und primärseitig die beiden Wandler
antiparallel liegen. Auf diese Weise entsteht auf der Sekundärseite der beiden
Wandler zwischen den beiden U-Anschlüssen die doppelte Hochspannung, ohne dass
an einem Punkt der Schaltung mehr als die einfache Spannung gegen Erde auftritt. Natürlich
können nicht mehr als zwei Wandler auf diese Weise in Serie geschalten werden, da ja
der Mittelpunkt geerdet werden muss (Prinzip wie bei Mittelpunktsschaltung von
Neontrafos).
Spannungswandler sind meist nicht billig. Neu sind diese sogar eher unbezahlbar für einen privaten Hochspannungsfreak. Auf ebay werden ab und zu welche angeboten, aber der Markt ist ziemlich begrenzt und man bezahlt relativ stolze Preise. Besser ist es daher, bei einem örtlichen Energieunternehmen nach älteren, ausrangierten Messwandlern zufragen. Meist sind die Firmen sehr kooperativ und geben alte Wandler umsonst oder sehr günstig ab, wenn man freundlich und kompetent fragt und erklärt, was man damit vorhat. Uralte Wandler dürfen/können nämlich oft aufgrund ändernder Sicherheitsnormen und Genauigkeitsanforderungen nicht mehr eingesetzt werden. Oder bei Umstellung auf eine höhere Spannungsebene fallen ebenfalls alte Hochspannungskomponenten wie Messwandler an, die dann bei den E-Werken keine Verwendung mehr finden und eigentlich nur noch verschenkt werden können ;-). Gewisse Wandler werden aber auch präventiv ersetzt, um einem möglichen Ausfall wegen internen Teilentladungen vorzubeugen.
Die beiden einpoligen 16kV-Wandler auf den untenstehenden Bildern habe ich von einem MFK-Forum-Mitglied abgekauft. Diese beiden Messwandler haben eine Leistung von je 450VA und lassen sich mit Mittelpunkterdung HV-seitig in Serie schalten. Dies ergibt 32kV bei Normalbetrieb und max. ca. 40kV bei leichter Überspannung. Bei HV-seitiger Parallelschaltung können die Trafos auf der 100V-Seite in Serie betrieben werden, wodurch der 230V/115V-Trafo entfällt. Beide Wandler sind leicht und handlich und daher wertvoll im Alltag für schnelle Versuche.
Moser-Glaser VKE24M, 16000V/√3: 100V/√3
Die beiden folgenden, zweipoligen Moser-Glaser VK24C habe ich freundlicherweise von einem netten Leser meiner Webseite geschenkt bekommen. Nochmals ganz herzlichen Dank für das grosszügige Geschenk! Die beiden sind meine neusten Wandler. Sie stammen aus dem Jahr 1997. Das Übersetzungsverhältnis beträgt 16000V:100V, die Wandler können jedoch (kurzzeitig) mit bis zu 24kV betrieben werden. Mit je 26kg Gewicht sind sie noch relativ leicht und handlich, wenn man mit anderen Zweipolwandlern vergleicht. Aufgrund dessen, dass die beiden genau gleich daherkommen, kann man sie niederspannungsseitig in Serie schalten und spart sich damit den 230V:115V-Trafo. Die Übersetzungsverhältnisse sind, wie nicht anders vermutet, sehr genau. Werden die Wandler so geschaltet, dass der eine die Spannung rauftransformiert und der andere anschliessend wieder runter, so ergibt sich exakt die gleiche Ausgangsspannung wie am Eingang.
Der folgende Moser-Glaser VK20 Zweipolwandler war mein erster Wandler überhaupt und er ist bis heute in meiner kleinen Sammlung. Diesen erhielt ich freundlicherweise kostenlos von IBA Kraftwerk Aarau, an dieser Stelle nochmals ganz herzlichen Dank! Der Transformator wiegt 55 kg und verkraftet kurzzeitig durchaus Leistungen von bis zu 4 kVA, was wohl für jeden einigermassen sinnvollen Versuch ausreichen sollte. Er stammt aus dem Jahre 1961 und funktioniert noch wie am ersten Tag. Richtig gute Qualität!
Moser-Glaser VK20, 16000V:100V
Gesamter Aufbau Anschlusskasten Typenschild
Ein kleiner, aber doch recht schwerer (27kg) und vermutlich sehr alter 10kV-Wandler ist auf dem nächtsen Bild zu sehen. Er stammt vom früheren VEB, Transformatoren- und Röntgenwerk Dresden. Diesen habe ich bei Ebay ersteigert. Interessamterweise geht der Kern dieses Trafos relativ früh in Sättigung, wenn man mit anderen Wandlern mit ähnlichen Kenndaten vergleicht. Vermutlich hatte man früher noch nicht so gute Kernmaterialien zur Verfügung wie heute. Wenn man jedoch bedenkt, wieviele Jährchen dieser Trafo schon auf dem Buckel hat und dass er noch immer tadellos funktioniert, so ist das schon eine beachtliche Leistung.
VEB UEGT10 Mittelspannungswandler
10kV Messwandler Anschlusskasten Test mit Lichtbogen
Hier ein deutlich modernerer Giessharzwandler des Herstellers AEG, ebenfalls 10kV und einpolig. Durch sein relativ geringes Gewicht ist er flexibel und vielseitig einsetzbar im Experimentieralltag. Diesen Spannungswandler habe ich zu einem geringen Preis auf Ebay geschossen. Normalerweise kosten Spannungswandler auf Ebay zwischen 100 und 200 Euro pro Stück, je nach Zustand, Nennspannung und Anzahl Pole. Wenn man Glück hat, so hat der Verkäufer keine günstigen Stichworte für die Suche gewählt, sodass man den Trafo nur unter exotischen Begriffen findet. Genau dies war hier der Fall, deshalb war wohl auch der Preis nur ein geringer Bruchteil des normalne Preisniveaus.
Diesen superkleinen Siemens-Messwandler habe ich ebenfalls auf ebay erworben. Aufgrund des günstigen Preises konnte ich einfach nicht widerstehen ;-). Es ist ebenfalls ein 10kV-Wandler, der allerdings erst bei ca. 120V Eingangsspannung erste Sättigungserscheinungen zeigt, also problemlos bis zu 12kV Hochspannung liefern kann. Mit nur 17kg ist er der kleinste und handlichste meiner PTs und eignet sich dadurch gut für unterschiedliche Experimentierumgebungen. Obwohl er so klein und leicht daherkommt, scheint er hohe Leistungen problemlos zu verkraften. Auf dem Bild mit dem Lichtbogen ist ein Kurzzeit-Betrieb mit 32A primärseitig zu sehen... die Kabel werden warm, die 90V Speisetrafos ebenfalls, nur der Wandler bleibt kühl ;-) Naja gut, man kann natürlich nichts aussagen über die Temperatur im Innern der Wicklungen, weshalb ich ihn auch nur kurzzeitig so belaste und danach ungefähr eine halbe Stunde Zeit gebe zum auskühlen.
Nachfolgend einige Bilder des "Mini-Wandlers" (für grössere Ansicht bitte auf die Bilder klicken):
Anschlussleiste Typenschild Test mit Lichtbogen
Auf
den folgenden Bildern ist ein grosser 20kV-Messwandler von Siemens zu sehen,
welcher später in seine Bestandteile zerlegt wurde. Interessant
erscheint mir der fette Drahtdurchmesser der Niederspannungswicklung. Dies lässt erahnen, welch hohe Ströme
eine solche Wicklung ertragen kann. Die hohe Belastbarkeit macht die Messwandler zu wertvollen Hochspannungstrafos für
Experimentierzwecke. Ganz allgemein ist auf den Bildern gut zu sehen, wie
überdimensioniert ein solcher Messwandler tatsächlich ist. Ob neuere Typen
ebenso leistungsstark gebaut sind, sei dahingestellt.
Bitte beachten Sie: Die Bilder dieses Siemens-Messwandlers sind nicht von mir! Sie wurden mir freundlicherweise von Herrn C. Gies zur Verfügung gestellt. An dieser Stelle nochmals ganz herzlichen Dank, Herr Gies!
Messwandler im Originalzustand
Anschlusskasten Typenschild Kernbleche
Spulenkörper / Gehäuse Kern mit Blechen Bodenteil
