Stromwandler

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

Ein Stromwandler ist ein Messwandler zum potentialfreien Messen großer Wechselströme. Es gibt verschiedene Ausführungsformen, eine übliche Bauform ist als spezieller Transformator vorzugsweise zur Speisung von Strommessgeräten, Energiezählern und Schutzrelais ausgeführt. Er gibt unter den üblichen Betriebsbedingungen einen Sekundärstrom ab, der praktisch proportional zum Primärstrom ist und ihm gegenüber um einen Phasenverschiebungswinkel abweicht, der bei vorgegebenem Anschlusssinn annähernd null ist [1]. Zum Einsatz im Stromnetz gibt es Ausführungen von Stromwandlern für alle Spannungsebenen.

Aufbau und Anwendung[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. Die Sekundärwicklung wird vor dem Einschalten des Primärstromes

  • zur Sicherheit bei höherer Spannung einseitig geerdet [2] und
  • an die vorgesehene äußere Beschaltung, z. B. an einen Strommesser, angeschlossen.
Stromwandler Stromwandler
Prinzip Durchsteckwandler
Prinzip gewickelter Wandler

Die Primäranschlüsse werden mit P1 (oder K) und P2 (oder L) gekennzeichnet, die Sekundäranschlüsse mit S1 (oder k) und S2 (oder l).

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 Wicklungswiderstand und äußerem Abschlusswiderstand (Bürde) bestimmt. Daher ist man bestrebt, Kernmaterial mit möglichst hoher Permeabilitätszahl zu verwenden.

Schema des Gleichstromwandlers

Zur Messung von Gleichstrom sind solche Stromwandler nicht geeignet. Es gibt jedoch Gleichstromwandler, die unter Verwendung von Feldplatten oder Hallsensoren und Regelverstärkern, auch Gleich- oder Mischstrom einer Erfassung zugänglich machen.

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.[3]

Kennzeichen für den Betrieb[Bearbeiten]

Regulärer Betrieb[Bearbeiten]

Bis zum primären Bemessungsstrom Ipn [1] und bis zu einer vorgegebenen 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 Isn (vorzugsweise 5 A) gemäß der Bemessungsübersetzung Kn = Ipn/Isn . Diese wird als ungekürzter Bruch angegeben, z. B. 200 A / 5 A, abgekürzt zu 200/5 A.

Die relative Strommessabweichung (Übersetzungsmessabweichung) wird definiert durch \tfrac{K_\mathrm n\,I_\mathrm s-I_\mathrm p}{I_\mathrm p}\cdot 100\;\% mit Ip = tatsächlicher primärer Strom und Is = tatsächlicher sekundärer Strom, wenn Ip unter Messbedingungen fließt. Der bei der Bemessungsfrequenz höchste zulässige Betrag der Strommessabweichung wird durch eine Genauigkeitsklasse festgelegt – unterschiedlich für Stromwandler für Messzwecke und Stromwandler für Schutzzwecke.

Die den Sekundärstrom ermöglichende Impedanz des Sekundärkreises wird als Bürde bezeichnet. Üblicherweise wird sie durch die Scheinleistung ausgedrückt, die bei festgelegtem Leistungsfaktor und sekundärem Bemessungsstrom aufgenommen wird. Für die Genauigkeitsanforderungen wird ein spezieller Wert der Bürde, die Bemessungsbürde, zugrunde gelegt. Normwerte der entsprechenden Bemessungsleistung sind 2,5 … 30 VA.

Für Klasse 0,2:
Maximaler Betrag …
bei Ip = … ×Ipn
5 % 20 % 100 % 120 %
… der relativen
Strommessabweichung
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 … 1 (auch 0,2 S, 0,5 S, 3 und 5; hier nicht behandelt). Die Aussagen des Klassenzeichens bei verschiedenen Primärströmen am Beispiel der Klasse 0,2 zeigt die erste Tabelle. [1]

Für Klasse 5P 20:
Maximaler Betrag …
bei Ip = … ×Ipn
1 20
… der relativen
Strommessabweichung
1 % 5 %
… des Fehlwinkels 60’ --

Stromwandler für Schutzzwecke sind bis zu einem Bemessungs-Genauigkeits-Grenzstrom spezifiziert, der um den Genauigkeits-Grenzfaktor über dem primären Bemessungsstrom liegt. Normwerte für diesen Faktor sind 5 … 30. Für diese Wandler wird die Genauigkeitsklasse mit dem Buchstaben P (für protection – Schutz) gekennzeichnet; Normwerte sind die Klassen 5P und 10P. Der Genauigkeits-Grenzfaktor muss hinter der Genauigkeitsklasse mit angegeben werden. Die Aussagen am Beispiel der Klasse 5P 20 zeigt die zweite Tabelle.

Begrenzung ausgangsseitig[Bearbeiten]

Die Angaben zur Messabweichung gelten bei Stromwandlern für Messzwecke nur bei sekundären Bürden im Bereich 25 … 100 % der Bemessungsbürde, die Angaben bei Stromwandlern für Schutzzwecke nur bei Bemessungsbürde. Für Prüfzwecke sind zusätzlich Leistungsfaktoren vorgeschrieben.

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 vom Strom, Kernquerschnitt und der sekundären Windungszahl. So bleibt bei Strommesswandlern 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] Anders gesagt: Stromwandler müssen beim Betrieb ohne angeschlossene Messgeräte oder andere Bürden im Sekundärkreis 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]

 Commons: Current transformers – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c DIN EN 60044-1:2003-12, zugleich VDE 0414-44-1; Messwandler, Teil 1: Stromwandler
  2. 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; aus [1] im Abschnitt über Stromwandler
  3.  P. Menke: Optischer Präzisions-Stromsensor nach dem Faraday-Effekt. Dissertation, Universität Kiel, 1996.
  4. Aus Werksunterlagen [2] (PDF; 4,1 MB) in Kap. 1.4.7; in Übereinstimmung mit [3] im Abschnitt über Stromwandler