Drehstromtransformator und Schaltgruppen

Im Prinzip könnte man drei einphasige Transformatoren nebeneinanderstellen und jeden an einen Außenleiter anschließen — fertig wäre ein Drehstromtransformator. Genau das macht man in der Praxis aber nur in zwei Fällen: bei sehr großen Leistungen, wo der Transport eines kompletten Drehstromtrafos schwierig wird, oder bei Reserveeinheiten. Im Regelfall baut man die drei Phasen auf einem gemeinsamen Eisenkern. Das spart Material, reduziert Verluste und macht den Trafo kompakter.

Der Dreischenkel-Kern

Der Standard ist der Dreischenkel-Kern: drei vertikale Schenkel, oben und unten durch ein Joch verbunden. Jeder Schenkel trägt die Wicklungen einer Phase — eine Oberspannungs- und eine Unterspannungswicklung, in der Regel konzentrisch übereinander (die Unterspannung innen, die Oberspannung außen).

Neben dem klassischen Dreischenkel-Kern gibt es noch zwei Bauformen, die in der Praxis vorkommen:

• Manteltyp (auch Mantelkern): zwei zusätzliche Außenschenkel ohne Wicklung. Dadurch hat der magnetische Fluss kürzere Wege, der Trafo wird ruhiger und magnetisch symmetrischer. Vor allem bei sehr großen Leistungen.
• Fünfschenkel-Kern: ähnlich Manteltyp, aber mit pfünf Schenkeln in einer Reihe. Die beiden Außenschenkel führen Rückschlussfluss und reduzieren die Kernhöhe — wichtig beim Transport großer Trafos auf der Schiene.

Anschlussbezeichnungen

Die Klemmen am Trafo sind genormt. Auf der Oberspannungsseite (OS) stehen die Großbuchstaben U, V, W mit vorangestellter Ziffer 1, also 1U, 1V, 1W. Auf der Unterspannungsseite (US) das Gleiche mit Ziffer 2: 2U, 2V, 2W. Wird der Sternpunkt herausgeführt, kommt 1N bzw. 2N dazu. Die „1“ steht also nicht für „Phase 1“, sondern für „Wicklung 1“ — die Oberspannungswicklung.

Das ist wichtig, weil beim Lesen eines Klemmenbretts schnell Verwirrung entsteht: 1U und 2U gehören zur selben Phase (auf demselben Schenkel), nur auf unterschiedlicher Spannungsebene.

Auf jedem Schenkel sitzen die drei OS- und drei US-Strangwicklungen. Wie diese drei Wicklungen einer Spannungsseite untereinander verbunden werden, bestimmt das Verhalten des Trafos maßgeblich. Es gibt drei Möglichkeiten: Stern (Y bzw. y), Dreieck (D bzw. d) und Zickzack (Z bzw. z). Der Großbuchstabe steht für die Oberspannungsseite, der Kleinbuchstabe für die Unterspannungsseite.

Stern und Dreieck — kurz

In der Sternschaltung sind die drei Strangwicklungen an einem gemeinsamen Punkt — dem Sternpunkt — verbunden. Die Außenleiterspannung ist um den Faktor √3 größer als die Strangspannung, der Strangstrom gleich dem Außenleiterstrom. Sternpunkt kann herausgeführt werden, dann steht ein Neutralleiter zur Verfügung.

In der Dreieckschaltung sind die drei Strangwicklungen ringförmig in Reihe geschaltet, die drei Verbindungspunkte sind die Außenleiteranschlüsse. Außenleiterspannung gleich Strangspannung, Außenleiterstrom dagegen um Faktor √3 größer als der Strangstrom. Es gibt keinen Sternpunkt.

Die Details zu beiden Schaltungen — Spannungs-, Stromverhältnisse, Vor- und Nachteile — sind in den eigenen Beiträgen zu Sternschaltung (Y) und Dreieckschaltung (Δ) behandelt.

Die Zickzackschaltung im Detail

Die Zickzackschaltung ist auf Trafo-Wicklungen beschränkt und kommt in dieser Form bei sonstigen Drehstromverbrauchern nicht vor. Sie wird fast immer auf der Unterspannungsseite eingesetzt — daher meist als Kleinbuchstabe z in der Schaltgruppe. Reine Z auf der Oberspannungsseite ist selten.

Das Prinzip: Jede der drei US-Strangwicklungen wird in zwei gleiche Hälften geteilt. Pro Strang werden die beiden Hälften nicht auf demselben Schenkel verbunden, sondern auf zwei unterschiedlichen Schenkeln zusammengeschaltet — und zwar gegensinnig. So ergibt sich pro Strang eine Spannung, die aus zwei Halbwicklungs-Spannungen unterschiedlicher Phasen zusammengesetzt ist.

Die Strangspannung jeder Phase setzt sich aus der oberen Halbwicklung eines Schenkels und der gegensinnigen unteren Halbwicklung des benachbarten Schenkels zusammen. Zwei Halbwicklungen, die selbst je 120° gegeneinander phasenverschoben sind, ergeben in Vektorsumme eine Strangspannung, die gegenüber einer einfachen Sternwicklung um 30° verschoben ist. Dieser 30°-Versatz ist der ganze Sinn der Zickzackschaltung.

Was bringt die Zickzack-Schaltung?

Der entscheidende Vorteil zeigt sich bei unsymmetrischer Belastung im Vier-Leiter-Netz. Wenn an einer Phase deutlich mehr Strom gezogen wird als an den anderen — typisch im Ortsnetz, wo die einphasigen Haushaltslasten nie gleichmäßig verteilt sind — würde sich bei einer einfachen Sternwicklung auf der US der Sternpunkt verschieben. Die Phasenspannungen würden ungleich groß. Die Zickzackschaltung kompensiert das: Weil jede Strangspannung aus zwei Halbwicklungen unterschiedlicher Phasen zusammengesetzt ist, verteilt sich der unsymmetrische Strom auf zwei Schenkel und das Magnetfeld bleibt im Wesentlichen symmetrisch. Der Sternpunkt bleibt stabil.

Praktisch heißt das: Ein Yz-Trafo kann den Sternpunkt deutlich höher belasten als ein Yy-Trafo — typischerweise mit dem vollen Bemessungsstrom. Bei reinem Yy ist die einphasige Belastbarkeit dagegen stark eingeschränkt. Auch Oberschwingungen, die durch nichtlineare Verbraucher (Schaltnetzteile, Wechselrichter, Beleuchtungstechnik) eingespeist werden, fließen besser ab.

Der Preis für diesen Vorteil: Pro Phase werden zwei Halbwicklungen statt einer kompletten Wicklung benötigt. Der Materialaufwand ist um etwa 15 % höher als bei einer reinen Sternschaltung gleicher Leistung — das ist der Grund, warum man die Zickzackschaltung nicht generell einsetzt, sondern nur dort, wo die Sternpunktbelastbarkeit wirklich gebraucht wird.

Mit Stern, Dreieck und Zickzack stehen drei Schaltungsarten zur Verfügung, die auf OS und US frei kombiniert werden können. Das ergibt theoretisch viele mögliche Kombinationen — und je nach Kombination kommt eine andere Phasenverschiebung zwischen Ober- und Unterspannungs-Außenleiterspannung heraus. Genau diese drei Informationen — OS-Schaltung, US-Schaltung, Phasenverschiebung — werden in der Schaltgruppe zusammengefasst.

Aufbau der Bezeichnung

Eine Schaltgruppe besteht immer aus drei Teilen:

• Großbuchstabe — Schaltung der Oberspannungsseite: Y (Stern), D (Dreieck), Z (Zickzack, selten)
• Kleinbuchstabe — Schaltung der Unterspannungsseite: y, d, z
• Kennzahl — eine Zahl von 0 bis 11

Beispiele: Yy0, Dy5, Yd11, Yz5. Wenn der Sternpunkt der Stern- oder Zickzackseite herausgeführt ist, kommt ein n dazu — etwa Yyn0 oder Dyn5. Das ist im Verteilnetz die Regel, weil der Neutralleiter im 400-V-Netz von dort kommt.

Die Kennzahl — das Uhrzeigerprinzip

Die Zahl 0 bis 11 hinten gibt die Phasenverschiebung zwischen der OS- und der US-Außenleiterspannung angek. Die Regel ist:

Phasenverschiebung = Kennzahl × 30°

Die Kennzahl funktioniert wie die Stundenziffer auf einer Uhr — daher das Uhrzeigerprinzip. Man stellt sich vor, der Zeiger der OS-Außenleiterspannung U₁₂ zeigt zur 12 Uhr. Dann zeigt der Zeiger der zugehörigen US-Außenleiterspannung u₁₂ zur Position der Kennzahl. Bei Dy5 steht der US-Zeiger also auf der „5 Uhr“-Position, was 5 × 30° = 150° nacheilend bedeutet.

Beispiele lesen

Die geraden Kennzahlen (0, 2, 4, 6, 8, 10) entstehen, wenn OS und US gleich geschaltet sind (Yy, Dd, Yz). Die ungeraden Kennzahlen (1, 3, 5, 7, 9, 11) entstehen bei gemischter Schaltung (Yd, Dy). In der Praxis dominieren die Kennzahlen 0, 5, 6 und 11.

Warum verschiebt sich die Phase überhaupt?

Wenn OS und US auf demselben Schenkel liegen, sind ihre Strangspannungen in phase — die Spannung in der OS-Strangwicklung und in der US-Strangwicklung schwingen im Gleichtakt. Das ist die magnetische Kopplung über den gemeinsamen Eisenkern.

Bei der Außenleiterspannung sieht es anders aus: Sie ist je nach Schaltungsart die Strangspannung selbst (Dreieck) oder die Differenz zweier Strangspannungen (Stern, Zickzack). Wenn OS Dreieck und US Stern ist (Dy), dann ist die OS-Außenleiterspannung = OS-Strangspannung, die US-Außenleiterspannung dagegen ist die vektorielle Differenz zweier US-Strangspannungen, die um √3 größer und um 30° verschoben ist. Daher die 30°-Schritte in der Kennzahl.

Theoretisch lassen sich Dutzende Schaltgruppen­kombinationen bauen. In der Praxis hat sich aber eine kleine Auswahl etabliert, die je nach Anwendungsfall sinnvoll ist. Im österreichischen Netz sind im Wesentlichen vier Schaltgruppen dominant.

Die vier Hauptanwendungsfälle

Dy5 vs. Dy11 hat keinen technischen Unterschied beim einzelnen Trafo — die Phasenverschiebung ist halt einmal nacheilend und einmal voreilend. Praktisch wichtig wird der Unterschied nur, wenn zwei Trafos parallel laufen müssen (siehe Kapitel 6) oder wenn ein bestimmter Drehsinn am Verbraucher gewünscht ist. In Österreich ist heute Dyn5 der häufigere Standard im Verteilnetz; in einigen Regionen wird auch Dyn11 verwendet.

Schaltgruppe vom Typenschild ablesen

Am Trafo-Typenschild steht die Schaltgruppe in der Regel direkt mit Sternpunkt­markierung, etwa „Dyn5“ oder „YNd11“ (wobei das große N für einen herausgeführten OS-Sternpunkt steht — selten, aber kommt vor). Daneben sind meist die Nennspannungen (OS und US, Außenleiter), die Nennleistung in kVA, die Bemessungsströme und die Kurzschluss­spannung uk vermerkt.

Zusätzlich findet sich am Klemmenkasten ein Anschluss­schema, das genau zeigt, wie die sechs (oder mit Sternpunkten acht) Anschlüsse zur jeweiligen Wicklungs­schaltung führen. Bei einem Dyn5-Trafo sieht man auf der OS-Seite die drei Wicklungen im Dreieck verbunden, auf der US-Seite einen Sternpunkt mit ausgeführtem Neutralleiter.

Beim Einphasentransformator ist das Übersetzungsverhältnis einfach das Verhältnis der Windungszahlen — und damit auch das Verhältnis der Spannungen. Beim Drehstromtransformator ist das ähnlich, aber mit einem entscheidenden Unterschied: Es gibt eine Strangspannung und eine Außenleiterspannung, und je nach Schaltung sind diese unterschiedlich groß. Daher unterscheidet man auch beim Übersetzungs­verhältnis zwischen Strang und Außenleiter.

Strang-Übersetzungsverhältnis

Auf einem Schenkel liegen OS- und US-Strangwicklung magnetisch gekoppelt. Das Verhältnis der Strangspannungen entspricht direkt dem Verhältnis der Windungszahlen — exakt wie beim Einphasentrafo:

Außenleiter-Übersetzungsverhältnis

Hier kommt die Schaltgruppe ins Spiel. Die Außenleiterspannung ist entweder gleich der Strangspannung (Dreieck) oder √3 mal so groß (Stern, Zickzack). Daraus ergeben sich vier Hauptfälle:

Yy oder Dd:
ü_AL = ü_Str = N1 / N2
Bei gleicher Schaltung beider Seiten heben sich die √3-Faktoren auf — das Außenleiter­verhältnis ist gleich dem Windungs­verhältnis.

Yd (OS Stern, US Dreieck):
ü_AL = √3 × N1 / N2
OS-Außenleiterspannung ist √3 mal die OS-Strangspannung, US-Außenleiterspannung ist gleich der US-Strangspannung. Das Verhältnis wird also um √3 größer als das Strang­verhältnis.

Dy (OS Dreieck, US Stern):
ü_AL = (1 / √3) × N1 / N2
Umgekehrter Fall: OS-Außenleiterspannung ist gleich der OS-Strangspannung, US-Außenleiterspannung ist √3 mal die US-Strangspannung. Das Verhältnis wird um Faktor 1/|3 kleiner.

Yz (OS Stern, US Zickzack):
ü_AL = (2 / √3) × N1 / N2_halb
N2_halb … Windungszahl einer US-Halbwicklung
Bei der Zickzackschaltung muss zur Berechnung die Halbwicklung­szahl herangezogen werden, weil sich die US-Strangspannung als Vektorsumme zweier Halbwicklungs­spannungen ergibt. Diese Vektorsumme ist um den Faktor √3 größer als eine einzelne Halbwicklungs­spannung, daher der Faktor 2/|3.

Wenn die Leistung eines einzelnen Trafos nicht ausreicht oder Redundanz gewünscht ist, schaltet man zwei (oder mehr) Drehstromtrafos parallel auf dieselbe Sammelschiene. Das geht aber nicht beliebig: Vier Bedingungen müssen erfüllt sein, sonst fließen zwischen den Trafos Ausgleichs- oder Kreisströme, die die Wicklungen überlasten oder sogar zerstören.

Voraussetzungen

1. Gleiche Schaltgruppen-Kennzahl. Die Phasenverschiebung zwischen OS und US muss bei beiden Trafos identisch sein. Ein Dyn5-Trafo darf mit einem anderen Dyn5-Trafo parallel laufen, ein Dyn5 mit einem Dyn11 dagegen nicht direkt — die US-Spannungen wären zwischen den Trafos um 60° phasenverschoben, das gäbe sofort Kurzschluss. Manche Kombinationen wie Yd5 mit Dy5 sind technisch möglich, weil die Kennzahl identisch ist; es ist aber eher der Sonderfall.
2. Gleiches Übersetzungsverhältnis. Beide Trafos müssen dieselbe Leerlauf-Sekundärspannung haben, sonst fließt im Leerlauf schon ein Ausgleichsstrom, der die Trafos belastet. Praktisch wird hier eine Toleranz von etwa ±0,5 % akzeptiert.
3. Gleiche Kurzschlussspannung uk. Die Kurzschlussspannung gibt an, wie stark der Trafo bei Belastung seine Sekundärspannung einbrechen lässt. Sind zwei parallel laufende Trafos unterschiedlich, übernimmt der mit kleinerem uk anteilig mehr Last — er wird überlastet, der andere bleibt im Teillastbetrieb. Praktische Toleranz: ±10 %.
4. Gleiche Phasenfolge (Drehfeldrichtung). Banal, aber unverzichtbar: Wenn an einem Trafo U-V-W in der falschen Reihenfolge auf die Sammelschiene gelegt wird, entsteht zwischen den Außenleitern direkt der volle Außenleiter-Spannungsbetrag — und das ist ein satter Kurzschluss. Die Phasenfolge wird vor dem Zuschalten mit einem Drehfeldmessgerät kontrolliert.

Was passiert bei Verletzung der Voraussetzungen?

Schaltgruppen-Kompatibilität

Trafos lassen sich am einfachsten parallel betreiben, wenn sie zur selben Schaltgruppe gehören. Wenn Schaltgruppen mit gleicher Kennzahl, aber unterschiedlicher Buchstaben­kombination zusammenkommen sollen (z. B. Dy5 mit Yd5), funktioniert das prinzipiell — die OS- und US-Klemmen müssen aber so angeschlossen werden, dass die Phasen zusammenpassen. In der Praxis vermeidet man das Mischen unterschiedlicher Schaltgruppen, weil bei Wartung oder Tausch leicht Verwechslungen passieren.