In modernen Umspannwerken erfordert die präzise Auslegung von Stromversorgungssystemen ein klares Verständnis der momentanen (transienten) Belastungen und ihrer Auswirkungen auf die Gerätedimensionierung, insbesondere bei Batterieladegeräten in Gleichstromsystemen. Dieser Artikel erläutert das Konzept transienter Belastungen, ihre Auswirkungen und die korrekte Berechnung der Ladekapazität unter solchen Bedingungen.

1. Was ist eine momentane (transiente) Last?

Eine vorübergehende Last bezeichnet einen kurzzeitigen, hohen Leistungsbedarf, der typischerweise einige Millisekunden bis mehrere Sekunden dauert. Diese Lasten sind gekennzeichnet durch:

(1)Stromstärke oder Leistung mit hoher Amplitude

(2)Kurze Dauer

(3)Unvorhersehbarer Zeitpunkt

Häufige Beispiele:

Einschaltströme beim Motoranlauf oder bei der Transformatorerregung (bis zu 5–10× Nennstrom)

Schaltstöße von Schweißgeräten oder Hochfrequenz-Induktionsanlagen

Fehlerereignisse wie Blitzeinschläge oder Kurzschlüsse, die kurze, aber intensive Lastspitzen verursachen

2. Warum sind vorübergehende Lasten wichtig?

(a) Auswirkungen auf elektrische Geräte

Elektrische Komponenten wie Leistungsschalter, Transformatoren und Kabel müssen für folgende Belastungen ausgelegt sein:

Spitzenstromfestigkeit

Thermische Belastung bei Überspannungen:
Andernfalls kann es zu einem Zusammenbruch der Isolierung, einer Überhitzung oder einem Geräteausfall kommen.

(b) Herausforderungen für Schutzeinrichtungen

Schutzrelais können vorübergehende Belastungen als Fehlerzustände fehlinterpretieren. Es ist wichtig:

Legen Sie geeignete Schutzschwellen fest

Unterscheiden Sie zwischen normalen Transienten und tatsächlichen Fehlern

3. Berechnung der Ladekapazität (Gleichstromsysteme in Umspannwerken)

Szenario:

Ein Ladegerät versorgt ein Gleichstromsystem mit Strom, das Batterien, Steuerungsschutz und Notlasten versorgt. Die richtige Dimensionierung muss folgende Punkte berücksichtigen:

Batterieladebedarf

Stationäre Gleichstromlasten

Mögliche vorübergehende (momentane) Belastungen

4. Schrittweise Berechnung

(a) Ladestrom bestimmen

Bei Lithium- oder Blei-Säure-Batterien beträgt die Konstantstromladung normalerweise 0,1–0,2 C, wobei C die Nennkapazität (Ah) ist.

Beispiel:
Batteriekapazität = 200 Ah
Ladestrom = 0,1C = 20A

(b) Ladeleistung berechnen

Ladespannung = 2,35 V/Zelle × 110 Zellen = 258,5 V
Ladeleistung = 20 A × 258,5 V = 5,17 kW

(c) Weitere Lasten hinzufügen

Dauerlast: zB Steuer-/Schutzgeräte ≈ 1kW

Transiente Belastung: zB Schließen des Leistungsschalters ≈ 3kW (kurze Dauer)

(d) Berücksichtigung von Effizienz und Sicherheitsmarge

Ladegerät-Effizienz (η): typisch 85 %

Margenfaktor: normalerweise 20–30 %

5. Endgültige Formel

P _Ladegerät =P _Laden +P _{regelmäßige Belastung} +P _{transiente Belastung /} η × (1 + Rand)

6. Beispielberechnungen

Fall A: Laden und vorübergehende Belastung überschneiden sich nicht

Ladeleistung = 5,2 kW

Regelmäßige Last = 1 kW

Transiente Belastung = ausgeschlossen

P = (5,2 + 1) × 1,2/0,85 ≈ 8,75 kW ⇒ 10-kW-Ladegerät auswählen

Fall B: Laden und vorübergehende Belastung erfolgen gleichzeitig (Worst-Case-Szenario)

Kurzzeitbelastung = 3kW inklusive

P = (5,2 + 1 + 3) × 1,2 / 0,85 ≈ 13,06 kW ⇒ 15-kW-Ladegerät auswählen

Abschluss

Die Auslegung auf transiente Lastbedingungen ist für die Zuverlässigkeit von Umspannwerken unerlässlich. Eine Unterschätzung der Spitzenlast kann zu Geräteausfällen und Systemausfällen führen. Berücksichtigen Sie bei der Berechnung der Ladekapazität stets:

Anforderungen zum Laden der Batterie

Überlappung stationärer und transienter Lasten

Effizienz und Sicherheitsmargen

Mit diesen Überlegungen können Sie sicherstellen, dass Ihre Gleichstromsysteme sicher, effizient und zuverlässig arbeiten – auch bei kurzzeitigen Spannungsspitzen.