Ein Gleichstromkreis wird über einen Messshunt überwacht. Direkt nach dem Einschalten zeigt das Messgerät beispielsweise 500 A. Nach einigen Minuten Dauerbetrieb liegt die Anzeige trotz scheinbar unveränderter Last bei 503 A. Leitungen, Netzteil und Verbraucher arbeiten stabil. Woher kann die Veränderung kommen?
Eine mögliche Ursache ist die Eigenerwärmung des Shunts. Ein Messshunt ist zwar sehr niederohmig, wird jedoch vom vollständigen Laststrom durchflossen. Dadurch entsteht Verlustleistung. Mit steigender Temperatur kann sich wiederum der elektrische Widerstand des Shuntmaterials geringfügig verändern.
Da das Messgerät aus dem Spannungsabfall über dem Shunt auf den Strom schließt, verändert ein temperaturabhängiger Widerstand unmittelbar die Stromanzeige. Zusätzlich beeinflussen Einbauort, Luftzirkulation, angrenzende Stromschienen und Schaltschranktemperatur den thermischen Gleichgewichtszustand.
Bei einer präzisen Shunt-Strommessung muss deshalb nicht nur Nennstrom und Nennspannungsabfall betrachtet werden. Auch Verlustleistung, Temperaturkoeffizient, Einbausituation und thermische Stabilisierung gehören zur Messkette.
Wie funktioniert die Strommessung mit einem Shunt?
Ein Messshunt ist ein sehr niederohmiger Präzisionswiderstand, der in Reihe in den zu messenden Stromkreis eingebaut wird.
Der Laststrom erzeugt über dem Widerstand einen kleinen Spannungsabfall.
Nach dem Ohmschen Gesetz gilt:
U = I × R
Der Strom kann daraus bestimmt werden:
I = U / R
Ein Shunt mit:
500 A / 60 mV
besitzt rechnerisch einen Widerstand von:
R = 0,060 V / 500 A = 0,00012 Ω
also:
120 µΩ
Bei 500 A entstehen über diesem Widerstand 60 mV. Das nachgeschaltete Messgerät kann dieses Signal beispielsweise auf eine Anzeige von 0…500 A skalieren.
Die Strommessung setzt dabei voraus, dass der tatsächliche Widerstand des Shunts ausreichend stabil und bekannt ist.
Warum erwärmt sich ein niederohmiger Shunt überhaupt?
Auch ein sehr kleiner Widerstand setzt elektrische Leistung in Wärme um.
Die Verlustleistung beträgt:
P = I² × R
Für den beispielhaften Shunt mit:
R = 120 µΩ
und:
I = 500 A
ergibt sich:
P = 500² × 0,00012 Ω = 30 W
30 W Verlustleistung müssen kontinuierlich an die Umgebung beziehungsweise über Anschlüsse und Stromschienen abgeführt werden.
Ein Shunt kann deshalb trotz seines sehr kleinen Widerstandes im Dauerbetrieb deutlich wärmer als seine Umgebung werden.
Was bedeutet der Temperaturkoeffizient des Widerstands?
Der elektrische Widerstand eines realen Werkstoffs ist temperaturabhängig.
Der Temperaturkoeffizient – häufig als TCR beziehungsweise Temperaturkoeffizient des Widerstandes bezeichnet – beschreibt vereinfacht, wie stark sich der Widerstand mit der Temperatur verändert.
Für einen kleinen Temperaturbereich kann näherungsweise geschrieben werden:
R(T) ≈ R₀ × [1 + α × (T - T₀)]
Dabei bedeuten:
R(T)= Widerstand bei aktueller Temperatur,R₀= Widerstand bei Referenztemperatur,α= Temperaturkoeffizient,T - T₀= Temperaturänderung.
Präzisionsshunts verwenden Werkstoffe beziehungsweise Konstruktionen, die diesen Temperatureinfluss möglichst klein halten.
Klein bedeutet jedoch nicht automatisch null.
Für eine konkrete Berechnung muss deshalb der tatsächlich spezifizierte Temperaturkoeffizient des verwendeten Shunts herangezogen werden.
Wie wird die Widerstandsänderung zum Strommessfehler?
Ein typisches Anzeigegerät ist auf den Nennwert des Shunts skaliert.
Beispielsweise:
60 mV = 500 A
Diese Zuordnung basiert auf dem vorgesehenen Widerstandswert.
Erhöht sich der tatsächliche Widerstand aufgrund der Temperatur, erzeugt derselbe reale Strom einen etwas größeren Spannungsabfall.
Das Messgerät interpretiert diesen größeren Spannungsabfall als höheren Strom.
Beispielhaft angenommen:
R kalt = 120,00 µΩ
und nach Erwärmung:
R warm = 120,24 µΩ
Dies entspricht einer Widerstandsänderung von:
+0,2 %
Bei unverändertem realem Strom steigt der Spannungsabfall ebenfalls um ungefähr 0,2 %.
Ein Messsystem ohne entsprechende Korrektur würde dadurch ebenfalls etwa 0,2 % höher anzeigen.
Die Zahlenwerte dienen hier nur zur Veranschaulichung. Für einen konkreten Shunt sind dessen spezifizierte Temperaturdaten maßgeblich.
Warum ist Betrieb am Nennstrom thermisch anspruchsvoll?
Die Verlustleistung wächst quadratisch mit dem Strom.
Wird ein Shunt bei seinem Nennstrom betrieben, entsteht die für diesen Betriebszustand vorgesehene maximale Dauerverlustleistung.
Die Konstruktion muss diese Wärme an die Umgebung beziehungsweise über die elektrischen Anschlüsse abgeben können.
Bei der Auswahl sollten deshalb mindestens berücksichtigt werden:
- Dauerstrom,
- maximaler Betriebsstrom,
- Einschaltdauer,
- Umgebungstemperatur,
- Montagebedingungen,
- zulässige Überlast.
Ein Shunt mit ausreichend hohem Nennstrom ist damit nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch auszulegen.
Wie stark sinkt die Erwärmung bei Teillast?
Da die Verlustleistung proportional zum Quadrat des Stromes ist, sinkt sie bei reduziertem Strom überproportional.
Wird derselbe 500-A-Shunt beispielsweise nur mit:
250 A
betrieben, beträgt die Verlustleistung:
P = 250² × 0,00012 Ω = 7,5 W
Der Strom wurde halbiert, die Verlustleistung beträgt jedoch nur noch ein Viertel.
| Strom | Relativer Strom | Relative Verlustleistung |
|---|---|---|
| 500 A | 100 % | 100 % |
| 400 A | 80 % | 64 % |
| 250 A | 50 % | 25 % |
| 100 A | 20 % | 4 % |
Deshalb kann sich ein Shunt bei 20 % Nennstrom thermisch völlig anders verhalten als bei kontinuierlichem Betrieb nahe seinem Nennstrom.
Warum benötigt ein Shunt eine thermische Stabilisierungszeit?
Nach dem Einschalten springt die Temperatur des Shunts nicht sofort auf ihren endgültigen Wert.
Zunächst entsteht Verlustleistung im Widerstandselement. Anschließend erwärmen sich:
- das Widerstandselement,
- Anschlussblöcke,
- Stromschienen,
- Schraubverbindungen und
- die unmittelbar umgebende Luft.
Gleichzeitig wird Wärme an die Umgebung abgegeben.
Nach einer gewissen Zeit stellt sich ein thermisches Gleichgewicht ein:
erzeugte Wärme ≈ abgeführte Wärme
Erst dann bleibt auch die Shunttemperatur bei unveränderten Betriebsbedingungen weitgehend konstant.
Bei hochgenauen Messungen kann es deshalb sinnvoll sein, einen Wert erst nach ausreichender thermischer Stabilisierung als Referenz- beziehungsweise Dauerwert zu betrachten.
Welche Rolle spielt die Kühlung?
Die Betriebstemperatur eines Shunts hängt davon ab, wie effektiv die Verlustwärme abgeführt wird.
Mögliche Wärmewege sind:
- Wärmeleitung über die Anschlussbolzen,
- Wärmeleitung in Kabelschuhe oder Stromschienen,
- natürliche Konvektion an die Umgebungsluft,
- erzwungene Luftkühlung,
- Wärmestrahlung.
Ein frei montierter Shunt in einem gut belüfteten Schaltschrank kann deshalb eine andere Gleichgewichtstemperatur erreichen als dasselbe Bauteil in einem engen, geschlossenen Gehäuse.
Auch benachbarte Wärmequellen beeinflussen die Situation.
Eine gute Kühlung verbessert damit nicht direkt die elektrische Genauigkeitsklasse des Shunts, kann aber die Temperaturerhöhung und damit temperaturabhängige Widerstandsänderungen reduzieren.
Warum beeinflusst die Einbaulage das Messergebnis?
Bei natürlicher Konvektion steigt erwärmte Luft nach oben.
Deshalb beeinflusst die räumliche Anordnung:
- wie gut Luft am Shunt vorbeiströmen kann,
- ob warme Luft gestaut wird,
- ob sich mehrere Shunts gegenseitig erwärmen,
- ob Wärmequellen direkt darunter angeordnet sind.
Herstellervorgaben zu Einbaulage und Mindestabständen sollten daher eingehalten werden.
Insbesondere mehrere Hochstromshunts sollten nicht ohne thermische Betrachtung eng nebeneinander montiert werden.
Welche Rolle spielen Stromschienen und Anschlusskabel?
Die Hochstromanschlüsse sind gleichzeitig elektrische und thermische Schnittstellen.
Massive Kupferschienen können Wärme aus dem Shunt abführen.
Gleichzeitig besitzen Schraubverbindungen und Kabelschuhe eigene Kontaktwiderstände.
Ein schlechter Hochstromanschluss kann deshalb:
- zusätzliche Verlustleistung erzeugen,
- lokale Erwärmung verursachen,
- den Shunt thermisch beeinflussen,
- zu Spannungsabfällen außerhalb des eigentlichen Messwiderstands führen.
Bei der thermischen Diagnose sollte deshalb nicht nur das Widerstandselement selbst betrachtet werden.
Heiße Anschlussbolzen können auf ein Kontaktproblem hinweisen, selbst wenn der eigentliche Shunt korrekt dimensioniert ist.
Warum müssen Sense-Leitungen separat angeschlossen werden?
Der Spannungsabfall eines Shunts beträgt typischerweise nur einige zehn oder hundert Millivolt.
Die Messleitungen sollten deshalb direkt an den dafür vorgesehenen Sense-Anschlüssen angeschlossen werden.
Der Hochstromanschluss und der Spannungserfassungspunkt erfüllen unterschiedliche Aufgaben:
- Hochstromanschluss: führt den Laststrom,
- Sense-Anschluss: erfasst ausschließlich den definierten Spannungsabfall des Shunts.
Wird die Messspannung stattdessen beispielsweise an den Kabelschuhen oder weiter entfernt an einer Stromschiene abgegriffen, können zusätzliche Kontakt- und Leitungswiderstände in das Messsignal eingehen.
Diese Widerstände können sich ebenfalls erwärmen und damit zusätzliche temperaturabhängige Fehler verursachen.
Die getrennte Spannungserfassung entspricht damit dem Prinzip einer Vierleiter- beziehungsweise Kelvinmessung.
Was passiert bei hoher Schaltschranktemperatur?
Ein Shunt erwärmt sich nicht ausgehend von einer festen Raumtemperatur, sondern von seiner tatsächlichen Umgebungstemperatur.
Liegt die Lufttemperatur im Schaltschrank beispielsweise bereits deutlich über der normalen Raumtemperatur, beginnt der Shunt seinen Betrieb auf einem höheren Temperaturniveau.
Zusätzliche Wärmequellen können sein:
- Netzteile,
- Frequenzumrichter,
- Schütze,
- Leistungshalbleiter,
- andere Hochstromschienen.
Bei der Auslegung sollte deshalb nicht nur die nominelle Raumtemperatur des Gebäudes verwendet werden.
Relevant ist die reale Umgebungstemperatur am Einbauort unter maximaler Anlagenbelastung.
Was bewirken kurzzeitige Überströme?
Ein kurzzeitiger Überstrom kann eine wesentlich höhere Momentanverlustleistung erzeugen.
Verdoppelt sich der Strom beispielsweise kurzzeitig, steigt die Verlustleistung rechnerisch auf das Vierfache.
Aufgrund der thermischen Masse steigt die Temperatur bei einem sehr kurzen Impuls zwar nicht sofort proportional an.
Wiederholen sich solche Lastspitzen jedoch häufig, kann die mittlere Temperatur deutlich steigen.
Bei der Shuntauswahl müssen deshalb berücksichtigt werden:
- Spitzenstrom,
- Impulsdauer,
- Wiederholrate,
- zulässige Kurzzeitüberlast.
Eine rein auf dem normalen Dauerstrom basierende Auswahl kann bei Anwendungen mit starken Lade-, Anlauf- oder Entladeströmen unzureichend sein.
Praxisbeispiel: 500-A-Shunt erwärmt sich im Dauerbetrieb
In einem DC-Prüfstand wird ein Shunt mit:
500 A / 60 mV
zur Strommessung eingesetzt.
Der reale Laststrom wird durch eine unabhängige Referenz mit ungefähr:
400 A
bestätigt.
Direkt nach dem Einschalten stimmt die Shuntanzeige sehr gut mit der Referenz überein.
Nach 20 Minuten zeigt das Shuntsystem jedoch einen geringfügig höheren Wert.
Bei der Untersuchung wird festgestellt:
- der Laststrom ist stabil,
- die Sense-Leitungen sind korrekt angeschlossen,
- der Shunt wird deutlich wärmer,
- die Anzeige stabilisiert sich parallel zur Shunttemperatur.
Der Effekt ist außerdem reproduzierbar: Nach vollständiger Abkühlung beginnt der Verlauf beim nächsten Start erneut.
Die Diagnose spricht damit für einen thermischen Einfluss und nicht für zufällige elektrische Störungen.
Anschließend wird geprüft, ob die beobachtete Abweichung innerhalb der für den konkreten Shunt und das Messsystem zulässigen Spezifikation liegt.
Das Beispiel zeigt: Eine reproduzierbare Änderung während der Aufwärmphase kann ein normales thermisches Verhalten der Messkette sein – entscheidend ist, ob sie innerhalb der spezifizierten Grenzen bleibt.
Temperaturbedingte Messabweichung systematisch diagnostizieren
- Tatsächlichen Laststrom mit geeigneter Referenz kontrollieren.
- Nennstrom und Nennspannungsabfall des Shunts prüfen.
- Verlustleistung beim aktuellen Strom berechnen.
- Shunttemperatur beziehungsweise Temperaturverlauf erfassen.
- Messwert während der Aufwärmphase dokumentieren.
- Prüfen, ob Messwert und Temperatur korreliert driften.
- Sense-Anschlüsse kontrollieren.
- Hochstromanschlüsse auf Erwärmung prüfen.
- Luftzirkulation und Einbaulage kontrollieren.
- Benachbarte Wärmequellen berücksichtigen.
- Temperaturkoeffizient beziehungsweise Herstellerdaten heranziehen.
- Messung nach vollständiger Abkühlung wiederholen.
Systematische Auslegung und Prüfung
- Normalen Dauerstrom bestimmen.
- Maximalen Dauerstrom bestimmen.
- Kurzzeitige Spitzenströme erfassen.
- Passenden Shunt-Nennstrom auswählen.
- Nennspannungsabfall passend zum Messgerät auswählen.
- Shuntwiderstand und Verlustleistung berechnen.
- Thermische Einbaubedingungen prüfen.
- Herstellervorgaben zu Abstand und Einbaulage beachten.
- Hochstromverbindungen ausreichend dimensionieren.
- Sense-Leitungen separat an den Messanschlüssen anschließen.
- Messsystem unter typischer Dauerlast betreiben.
- Temperatur- und Messwertverlauf beobachten.
- Messwert nach thermischer Stabilisierung dokumentieren.
- Verhalten bei maximal vorgesehenem Dauerstrom prüfen.
Häufige Fehler
- Nur den Nennstrom betrachten: Verlustleistung und thermische Einbausituation werden dadurch nicht bewertet.
- Temperaturkoeffizient ignorieren: Eine Widerstandsänderung verändert unmittelbar die mV/A-Zuordnung.
- Direkt nach dem Einschalten messen: Der Shunt kann seinen thermisch stabilen Betriebszustand noch nicht erreicht haben.
- Auflösung des Anzeigegerätes mit Gesamtgenauigkeit gleichsetzen: Temperaturdrift des Shunts bleibt davon unberührt.
- Sense-Leitungen an den Hochstromkabelschuhen anschließen: Zusätzliche Kontaktspannungsabfälle können in das Messsignal eingehen.
- Schlechte Hochstromverbindung ignorieren: Lokale Erwärmung am Anschluss kann den Shunt zusätzlich thermisch beeinflussen.
- Shunts zu dicht nebeneinander montieren: Gegenseitige Erwärmung kann die Betriebstemperatur erhöhen.
- Schaltschranktemperatur mit Raumtemperatur gleichsetzen: Am Shunt kann die reale Umgebung deutlich wärmer sein.
- Aktive Kühlung nachträglich verändern: Ein anderer Luftstrom kann auch den thermischen Messzustand verändern.
- Nur Dauerstrom betrachten: Wiederkehrende Stromspitzen können die mittlere thermische Belastung erhöhen.
- Temperaturdrift mit Defekt gleichsetzen: Zunächst muss geprüft werden, ob der Effekt reproduzierbar und innerhalb der Spezifikation ist.
DER 060 / 100 / 150 als Messshunts für hohe Gleichströme
ICS Schneider bietet mit den Baureihen DER 060, DER 100 und DER 150 Nebenwiderstände zur indirekten Messung hoher Gleichströme an.
Die Shunts erzeugen einen zum Laststrom proportionalen mV-Spannungsabfall, der von einem nachgeschalteten Messgerät ausgewertet werden kann.
Der DER 100 ist beispielsweise für Primärströme von:
1 ... 6000 A
verfügbar.
Als Nennspannungsabfälle stehen:
60 mV,100 mVoder150 mV
zur Verfügung.
Die Produktbeschreibung nennt Genauigkeitsklasse 0,5.
Für eine konkrete thermische Auslegung müssen zusätzlich die technischen Daten der gewählten Shunt-Ausführung, der Betriebsstrom sowie die tatsächlichen Einbaubedingungen berücksichtigt werden.
Gerade bei hohen Dauerströmen sollte nicht allein nach dem maximal messbaren Strom ausgewählt werden. Verlustleistung, Temperaturentwicklung, Anschlussquerschnitte und Kühlung gehören zur Gesamtplanung.
Passende Produkte finden Sie beim DER 100 Nebenwiderstand sowie unter Nebenwiderstände / Shunts bei ICS Schneider.
Fazit
Ein Messshunt ist kein thermisch neutrales Bauteil. Obwohl sein Widerstand sehr klein ist, erzeugt der vollständige Laststrom eine Verlustleistung, die den Shunt erwärmt.
Da die Verlustleistung quadratisch mit dem Strom wächst, wird die thermische Situation besonders bei Dauerbetrieb nahe dem Nennstrom relevant.
Mit steigender Temperatur kann sich der Widerstand des Shunts geringfügig verändern. Da die Stromanzeige auf dem Verhältnis zwischen Strom und mV-Spannungsabfall basiert, wird diese Widerstandsänderung unmittelbar zum Messfehler.
Wie warm der Shunt tatsächlich wird, hängt nicht nur von seiner elektrischen Belastung ab. Anschlussquerschnitte, Stromschienen, Einbaulage, Luftzirkulation, Schaltschranktemperatur und benachbarte Wärmequellen beeinflussen den thermischen Gleichgewichtszustand.
Für hochgenaue beziehungsweise reproduzierbare Messungen sollte deshalb auch berücksichtigt werden, ob unmittelbar nach dem Einschalten oder erst nach thermischer Stabilisierung gemessen wird.
Für eine zuverlässige Shunt-Strommessung gilt deshalb: Nennstrom und Spannungsabfall passend auswählen, Verlustleistung berechnen, thermische Einbaubedingungen berücksichtigen, Sense-Leitungen korrekt anschließen und den Messwert bei anspruchsvollen Anwendungen erst nach einem definierten beziehungsweise stabilen thermischen Zustand bewerten.
FAQ: Erwärmung und Temperaturfehler bei Stromshunts
Warum wird ein Shunt warm?
Der vollständige Laststrom fließt durch den niederohmigen Widerstand. Dadurch entsteht entsprechend P = I² × R elektrische Verlustleistung, die in Wärme umgesetzt wird.
Kann ein Shunt trotz sehr kleinem Widerstand heiß werden?
Ja. Bei mehreren hundert oder tausend Ampere kann selbst ein Widerstand im Mikro- beziehungsweise Milliohmbereich eine erhebliche Verlustleistung erzeugen.
Beeinflusst die Temperatur die Strommessung?
Ja. Ändert sich der Widerstand des Shunts mit der Temperatur, verändert sich bei gleichem realem Strom auch der Spannungsabfall und damit die vom Messgerät berechnete Stromanzeige.
Was bedeutet Temperaturkoeffizient beim Shunt?
Der Temperaturkoeffizient beschreibt, wie stark sich der elektrische Widerstand mit der Temperatur verändert. Für genaue Berechnungen muss der Wert der konkreten Shunt-Ausführung verwendet werden.
Warum ist der Fehler bei hohem Strom größer?
Die Verlustleistung steigt quadratisch mit dem Strom. Dadurch nimmt die Eigenerwärmung bei hoher Belastung wesentlich stärker zu.
Wie viel Verlustleistung erzeugt ein 500-A-/60-mV-Shunt?
Bei Nennstrom beträgt die elektrische Verlustleistung P = U × I = 0,060 V × 500 A = 30 W.
Muss ein Shunt vor einer genauen Messung aufwärmen?
Bei hohen Genauigkeitsanforderungen kann es sinnvoll sein, den thermisch stabilen Zustand abzuwarten. Entscheidend sind Herstellerdaten und die Anforderungen der jeweiligen Anwendung.
Verbessert ein Lüfter die Messgenauigkeit?
Ein Lüfter verändert nicht die grundlegende Genauigkeitsklasse des Shunts. Er kann jedoch die Betriebstemperatur und damit temperaturbedingte Widerstandsänderungen reduzieren. Dabei müssen die zulässigen Einbaubedingungen beachtet werden.
Warum sind separate Sense-Anschlüsse wichtig?
Sie erfassen den Spannungsabfall direkt über dem definierten Shuntwiderstand. Dadurch werden zusätzliche Spannungsabfälle an Hochstromanschlüssen und Leitungen weitgehend von der eigentlichen Messung getrennt.
Kann ein lockerer Kabelschuh den Messwert beeinflussen?
Ja. Ein erhöhter Kontaktwiderstand kann zusätzliche Wärme erzeugen. Wird die Messspannung zudem an einer ungünstigen Stelle abgegriffen, kann auch der zusätzliche Spannungsabfall direkt in den Messwert eingehen.
Warum sollte die Schaltschranktemperatur berücksichtigt werden?
Sie bestimmt die Ausgangs- beziehungsweise Umgebungstemperatur des Shunts. Bei bereits hoher Umgebungstemperatur erreicht der Shunt unter Last eine entsprechend höhere Betriebstemperatur.
Welche Shunts bietet ICS Schneider an?
ICS führt unter anderem die Nebenwiderstände DER 060, DER 100 und DER 150. Die Baureihe ist für hohe Gleichströme vorgesehen; beim DER 100 sind beispielsweise Primärströme von 1 bis 6000 A sowie Nennspannungsabfälle von 60, 100 oder 150 mV verfügbar.