Stromwandler

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Ein Stromwandler ist ein Messwandler[1], der einen hohen Primärstrom in ein gut verarbeitbares elektrisches Signal überträgt. Im engeren Sinne wird darunter ein auf messtechnische Erfordernisse ausgelegter Transformator verstanden, der zum potentialfreien Messen großer Wechselströme dient.

Solch ein Stromwandler gibt als Ausgangssignal einen Sekundärstrom von Milliampere bis wenigen Ampere ab, der im Wesentlichen proportional zum Primärstrom ist. Der zu messende Strom kann bei entsprechend hohem Windungszahl-Verhältnis nahezu beliebig hoch sein. Dabei weicht der Sekundärstrom bei einem Stromwandler gegenüber dem Primärstrom um einen Phasenverschiebungswinkel ab, der bei passendem Anschluss annähernd null ist.[2]

Der mit der Wandlung verbundene Magnetisierungsstrom ist neben der Kernsättigung eine der Ursachen zu Messabweichungen.

Kombinierter Strom- und Spannungswandler in einer 110-kV-Anlage

Zum Einsatz im Stromnetz gibt es Ausführungen von Stromwandlern für alle Spannungsebenen. Stromwandler besitzen je nach Anwendung unterschiedliche Kennlinien:

  • für Messzwecke, zur Erzeugung eines innerhalb des Messbereiches möglichst proportional herabgesetzten Stromes für Strommessgeräte, Energiezähler. Solche Wandler schützen sich und die angeschlossenen Messgeräte bei Überstrom, indem sie in die Sättigung gehen.
  • für Schutzzwecke, zur Übertragung eines herabgesetzten Stromes an Schutzrelais, Steuer- und Regelgeräte. Solche Wandler liefern auch bei hohen Überströmen noch ein primärstromabhängiges Ausgangssignal.

Aufbau und Anwendung[Bearbeiten]

Induktive Stromwandler[Bearbeiten]

Induktive Stromwandler haben nur eine oder wenige Primärwindungen, die vom zu messenden Strom durchflossen werden, sowie eine größere Anzahl von Sekundärwindungen. Oft besteht die Primärwicklung aus einer durch den Ringkern des Wandlers geführten Stromschiene, was einer einzigen Primärwindung entspricht. Der Sekundärstrom ist gegenüber dem zu messenden Primärstrom verringert – und zwar umgekehrt proportional zum Verhältnis der Anzahlen der Primär- und Sekundärwindungen.

Zur Sicherheit wird die Sekundärwicklung bei Stromwandlern im Mittel- und Hochspannungsnetz einseitig geerdet[3][4].

Die Sekundärwicklung muss z. B. an ein Strommessgerät angeschlossen oder kurzgeschlossen sein, da ansonsten hohe Kernverluste oder sogar gefährliche Spannungen auf der Sekundärseite auftreten können. Der maximal zulässige sekundärseitige Scheinwiderstand darf zu einem bestimmungsgemäßen Betrieb nicht überschritten werden. Im sekundären Stromkreis können Strommessgeräte (auch Strompfade von Leistungsmessgeräten oder Energiezählern) liegen oder auf Strom empfindliche Schutzrelais (Bimetallauslöser oder Magnetauslöser), die Überstromzustände detektieren und bewerten können.

Stromwandler Zeichnung.svg Stromwandler wickel Zeichnung.svg
Prinzip des Durchsteckwandlers
Prinzip des gewickelten Wandlers

Die Primäranschlüsse werden mit P1 und P2 gekennzeichnet (früher K und L), die Sekundäranschlüsse mit S1 und S2 (früher k und l). Die Anschlüsse P1 und S1 müssen zu jeweils demselben Zeitpunkt dieselbe Polarität haben.

Stromwandler können für Frequenzen von 16 Hz bis in den MHz-Bereich gebaut werden. Die untere Grenzfrequenz wird durch die Sekundärinduktivität und die Summe aus deren Wicklungswiderstand und äußerer Bürde (Belastung) bestimmt. Die Zeitkonstante \tau des bei einem primärseitigen Rechtecksignal sekundärseitig exponentiell abnehmenden Stromes beträgt

\tau = L/(R_i+R_b)

mit
L - Sekundärinduktivität
R_i - ohmscher Widerstand der Sekundärwicklung
R_b - Bürde

Daher ist man bestrebt, bei Netz- oder niedriger Frequenz Kernmaterial mit möglichst hoher Permeabilitätszahl zu verwenden. Das sind Bleche oder Ringbandkerne aus Silicium-Eisenlegierungen oder Ringbandkerne aus nanokristallinen Legierungen[5]. Auch hochpermeable Ferrite sind bei niedrigen Frequenzen, besonders jedoch für höhere Frequenzen gebräuchlich.

Andere Stromwandler[Bearbeiten]

Neben den induktiven Stromwandlern zur Messung von Wechselstrom gibt es auch Geräte zur Messung von Gleich- und Mischstrom auf der Basis von Feldplatten oder Hallsensoren, siehe Gleichstromwandler.

Bei Hochspannungsanwendungen kommen zur Strommessung auch magnetooptische Stromwandler, basierend auf dem Faraday-Effekt, zur Anwendung. Dabei wird ein Lichtwellenleiter spulenförmig um den Leiter gewickelt, der Stromfluss im Leiter führt zu einer Drehung der Polarisationsebene des Lichtstrahls im Lichtwellenleiter.[6]

Kennzeichen für den Betrieb[Bearbeiten]

Regulärer Betrieb[Bearbeiten]

Bis zum primären Bemessungsstrom I_\mathrm{pr}[2] und in einem vorgegebenen Bereich der Belastung verhält sich ein Stromwandler im Rahmen seiner zulässigen Messabweichung wie eine ideale Stromquelle bzw. Konstantstromquelle, deren Ausgangsstrom (Sekundärstrom) einzig vom Eingangsstrom (Primärstrom) und nicht von der Belastung abhängt und zwar bis zum sekundären Bemessungsstrom I_\mathrm{sr} (vorzugsweise 5 A) gemäß der Bemessungsübersetzung k_\mathrm{r}= I_\mathrm{pr}/I_\mathrm{sr}.[1] Diese wird als ungekürzter Bruch angegeben, z. B. 200 A / 5 A, oft abgekürzt zu 200/5 A.

Die Übersetzungsmessabweichung (früher Strommessabweichung) wird als relative Größe definiert durch

\varepsilon= \frac{k_\mathrm r\,I_\mathrm s-I_\mathrm p}{I_\mathrm p}\cdot 100\;\%

mit I_\mathrm p = tatsächlicher primärer Strom und I_\mathrm s = tatsächlicher sekundärer Strom, wenn I_\mathrm p unter Messbedingungen fließt.

Die Phasendifferenz bei sinusförmigem Verlauf zwischen dem sekundären und dem primären Stromzeiger ist beim idealen Stromwandler gleich null. Die tatsächliche Differenz wird als Fehlwinkel bezeichnet.

Der bei der Bemessungsfrequenz höchste zulässige Betrag der Übersetzungsmessabweichung und der höchste zulässige Betrag des Fehlwinkels werden durch eine Genauigkeitsklasse festgelegt – unterschiedlich für Stromwandler für Messzwecke und Stromwandler für Schutzzwecke.

Der den Sekundärstrom ermöglichende Scheinleitwert des Sekundärkreises wird als Bürde bezeichnet.[1] Üblicherweise wird sie durch die Scheinleistung ausgedrückt, die bei sekundärem Bemessungsstrom und festgelegtem Leistungsfaktor der Bürde (oft 0,8 induktiv) aufgenommen wird. Für die Genauigkeitsangaben wird ein spezieller Wert der Bürde, die Bemessungsbürde, zugrunde gelegt. Normwerte der Bemessungsleistung sind 2,5 … 30 VA.

Für Klasse 0,2:
Maximaler Betrag …
bei I_\mathrm p=\ \ldots\ \times I_\mathrm{pr}
5 % 20 % 100 % 120 %
  … der Übersetzungs-
messabweichung
0,75 % 0,35 % 0,2 % 0,2 %
… des Fehlwinkels 30’ 15’ 10’ 10’

Begrenzung eingangsseitig[Bearbeiten]

Stromwandler für Messzwecke sind bis 120 % des Bemessungsstromes spezifiziert in den Genauigkeitsklassen 0,1 – 0,2 – 0,5 – 1 (auch 0,2S – 0,5S – 3 – 5; hier nicht behandelt). Die Zahl steht für die höchste zulässige Übersetzungsmessabweichung in Prozent bei primärem Bemessungsstrom und bei Bemessungsleistung. Die Aussagen des Klassenzeichens zu verschiedenen Primärströmen am Beispiel der Klasse 0,2 zeigt die erste Tabelle.[2]

Für Klasse 5P20:
Maximaler Betrag …
  bei I_\mathrm p=\ \ldots\ \times I_\mathrm{pr}  
1 20
  … der Übersetzungs-
messabweichung
1 % 5 %
… des Fehlwinkels 60’ --

Stromwandler für Schutzzwecke sind bis zu einem Bemessungs-Genauigkeitsgrenzstrom spezifiziert, der um den Genauigkeitsgrenzfaktor über dem primären Bemessungsstrom liegt. Normwerte für diesen Faktor sind 5 … 30. Für diese Wandler werden in der Genauigkeitsklasse an die Zahl noch der Buchstabe P (für protection – Schutz) und der Genauigkeitsgrenzfaktor angefügt; Normwerte sind die Klassen 5P und 10P. Die Aussagen am Beispiel der Klasse 5P20 zeigt die zweite Tabelle.

Durch Beifügung weiterer Buchstaben an das P kann der Stromwandler weiter beschrieben werden.

Begrenzung ausgangsseitig[Bearbeiten]

Die Angaben zur Messabweichung gelten bei Stromwandlern für Messzwecke bei jeder Bürde im Bereich 25 … 100 % der Bemessungsleistung, die Angaben bei Stromwandlern für Schutzzwecke nur bei Bemessungsbürde. Dabei muss die Bürde den festgelegten Leistungsfaktor besitzen.

Ein nicht geschlossener Sekundärkreis wirkt auf den Wandler wie eine Bürde mit nahezu unendlich hohem Widerstand. Dabei ist die Kurvenform des Sekundärsignals sehr stark verzerrt, weil dann die auf den Kern und die Spule wirkende Spannungszeitfläche zu groß ist; siehe auch Wirkprinzip des Transformators. Die Höhe der auftretenden Spannung ist abhängig von Stromstärke, Kernquerschnitt und sekundärer Windungszahl. So bleibt bei Stromwandlern bis ca. 500/5 A und kleinen Bemessungsleistungen der Scheitelwert der »offenen« Spannung meist unterhalb 200 V. Bei größeren Wandlern können jedoch höhere Spannungsspitzen auftreten, die eine Gefahr bei Berührung der offenen Klemmen für den Menschen darstellen, im Wandler zu Durchschlägen und zwischen den Klemmen zu Überschlägen führen können. Die Sekundärkreise von Stromwandlern dürfen niemals offen betrieben werden, da speziell bei großen Strömen und leistungsstarken Kernen lebensgefährliche Spannungen an den Sekundärklemmen auftreten können.[4][7] Anders gesagt: Stromwandler beim Betrieb ohne angeschlossene Messgeräte oder andere Bürden im Sekundärkreis müssen an ihren Klemmen kurzgeschlossen sein.

Summenstromwandler[Bearbeiten]

Summen Stromwandler Zeichnung.svg
Prinzip des Summenstromwandlers
Siemens I=40A ΔI=30mA RCD.JPG
Summenstromwandler in einem Fehlerstromschutzschalter

Eine Sonderform des Stromwandlers ist der Summenstromwandler, wie er etwa in Fehlerstromschutzschaltern verwendet wird. Dabei sind zwei oder mehr Leiter (meist Hin- und Rückleiter bzw. Außen- und Neutralleiter in einem Einphasenwechselstrom-Netz oder alle drei Außenleiter und der Neutralleiter bei Dreiphasenwechselstrom) durch einen Stromwandler geführt. Gewandelt wird dann nur der Differenzstrom aus den Leitern. So können etwa Fehlerströme erkannt werden.

Siehe auch[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c DIN EN 61869-1:2010-04, zugleich VDE 0414-9-1: Messwandler − Teil 1: Allgemeine Anforderungen
  2. a b c DIN EN 61869-2:2013-07, zugleich VDE 0414-9-2: Messwandler – Teil 2: Zusätzliche Anforderungen für Stromwandler.
    Für die Vorgängernorm DIN EN 60044-2 besteht eine Übergangsfrist bis Okt. 2015
  3. Nach VDE 0141, Absatz 5.3.4, sollen Strom- und Spannungswandler ab einer Messspannung von ≥ 3,6 kV geerdet werden. Bei Niederspannungen (bis zu einer Messspannung von ≤ 1,2 kV) kann die Erdung entfallen, sofern die Wandlergehäuse nicht großflächig berührbare Metallflächen besitzen.
  4. a b Aus Werksunterlagen [1] im Abschnitt über Stromwandler; abgerufen am 25. Januar 2015
  5. http://www.vacuumschmelze.de/index.php?id=139
  6.  P. Menke: Optischer Präzisions-Stromsensor nach dem Faraday-Effekt. Dissertation, Universität Kiel, 1996.
  7. Aus Werksunterlagen [2] (PDF) in Kap. 1.4.7; abgerufen am 25. Januar 2015