Spannungswandler für Messkreise: Übersetzung, Bürde und Absicherung richtig auslegen

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Ein Spannungswandler mit einem Übersetzungsverhältnis von 400 V / 100 V scheint zunächst einfach auszulegen: Auf der Primärseite liegen 400 V an, auf der Sekundärseite erhält das Messgerät 100 V. In der Praxis reicht diese Betrachtung jedoch nicht aus. Bereits die Auswahl einer ungeeigneten Bürde, ein falsch parametrierter Übersetzungsfaktor oder ein zu großer Spannungsabfall in der Sekundärleitung kann dazu führen, dass ein eigentlich präziser Spannungswandler im gesamten Messkreis keine ausreichend genaue Messung mehr ermöglicht.

Hinzu kommen Fragen zur Absicherung und zum Anschluss. Soll die Primärseite separat abgesichert werden? Welche Sicherung gehört auf die Sekundärseite? Darf ein Spannungswandler sekundärseitig kurzgeschlossen werden? Muss ein Sekundäranschluss geerdet werden? Und wie viel VA muss der Wandler tatsächlich bereitstellen?

Besonders wichtig ist außerdem die Unterscheidung zwischen einem Spannungswandler für Mess- und Schutzaufgaben und einem normalen Transformator zur Stromversorgung. Ein Messspannungswandler soll eine Primärspannung möglichst genau und phasenrichtig auf einen definierten Sekundärwert übertragen. Er ist nicht dafür vorgesehen, beliebige Steuergeräte, Relais oder andere Verbraucher mit Leistung zu versorgen.

Für die richtige Auslegung eines Spannungswandlers müssen Primärspannung, Sekundärspannung, Anschlussart, Übersetzungsverhältnis, Genauigkeitsklasse, tatsächliche Bürde, Leitungsverluste, Absicherung und das nachgeschaltete Messgerät gemeinsam betrachtet werden.

Passende Geräte finden Sie bei ICS Schneider unter Spannungswandler für Niederspannungs-Messkreise sowie allgemein unter Messgeräte für den Anlagen- und Schaltschrankbau.

Für Mess- und Schutzanwendungen stehen beispielsweise die BTV 6 Spannungswandler und BTV 10 Spannungswandler zur Verfügung. Je nach Ausführung können Primärspannungen bis 690 V auf standardisierte Sekundärspannungen wie 100 V beziehungsweise 100/√3 V umgesetzt werden.

Was ist ein Spannungswandler für Messkreise?

Ein Spannungswandler ist ein Messwandler, der eine Wechselspannung proportional auf einen definierten niedrigeren Spannungswert transformiert.

Die vereinfachte Messkette lautet:

Netzspannung → Spannungswandler → Sekundärspannung → Messgerät / Energiezähler / Schutzgerät

Typische Sekundärspannungen von Messspannungswandlern sind beispielsweise:

100 V

oder bei einer Phase-Neutral-Messung:

100 / √3 V ≈ 57,7 V

Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass das nachgeschaltete Messgerät nicht direkt für die vollständige Netzspannung ausgelegt sein muss und der Messkreis galvanisch vom Primärkreis getrennt werden kann.

Typische Anwendungen

• Spannungsanzeige in Schaltschränken,
• Multifunktionsmessgeräte,
• Energiezähler,
• Netzüberwachung,
• Messumformer,
• Schutzrelais,
• Synchronisierung und Spannungsvergleich.

Messspannungswandler und Versorgungstransformator unterscheiden

Ein Spannungswandler für Messzwecke ist nicht dasselbe wie ein Transformator zur Versorgung von Steuerstromkreisen.

Messspannungswandler

Die wichtigste Aufgabe lautet:

Primärspannung möglichst genau proportional übertragen

Relevant sind deshalb insbesondere:

• Übersetzungsfehler,
• Phasenfehler,
• Genauigkeitsklasse,
• definierte Bürde,
• Mess- beziehungsweise Schutzanforderungen.

Versorgungstransformator

Bei einem Steuer- oder Versorgungstransformator steht dagegen die Versorgung einer Last im Vordergrund.

Typische Verbraucher sind:

• Relais,
• Schütze,
• Steuerungen,
• Ventile,
• Hilfsstromkreise.

Hier stehen unter anderem Ausgangsleistung, Spannungsregelung, Einschaltstrom und thermische Belastbarkeit im Vordergrund.

Ein präziser Messspannungswandler sollte deshalb nicht als allgemeine Hilfsstromversorgung für zusätzliche Verbraucher verwendet werden.

Für solche Aufgaben finden Sie bei ICS Schneider separate Lösungen unter Stromversorgung, Transformatoren und Wandler.

Übersetzungsverhältnis richtig berechnen

Das Übersetzungsverhältnis ergibt sich aus Primär- und Sekundärnennspannung.

Vereinfacht:

kU = Uprim / Usek

Beispiel

Ein Spannungswandler besitzt:

Uprim = 400 V

und:

Usek = 100 V

Damit ergibt sich:

kU = 400 V / 100 V = 4

Misst das nachgeschaltete Gerät sekundär:

97,5 V

entspricht dies primär:

97,5 V × 4 = 390 V

Der Übersetzungsfaktor ist Teil der gesamten Messkette

Der Spannungswandler liefert zunächst nur die Sekundärspannung.

Das Messgerät muss anschließend wissen, welches Primär-/Sekundärverhältnis verwendet wird.

Wird beispielsweise fälschlicherweise:

500 / 100 V

statt:

400 / 100 V

parametriert, zeigt das Messgerät einen proportional falschen Primärwert an.

Phase-Phase und Phase-Neutral unterscheiden

Bei Drehstromnetzen muss geklärt werden, welche Spannung tatsächlich gemessen werden soll.

Phase-Phase

In einem typischen europäischen 400-V-Netz beträgt die Außenleiterspannung:

U L-L = 400 V

Ein Spannungswandler kann beispielsweise:

400 V → 100 V

übersetzen.

Phase-Neutral

Die Spannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter beträgt im gleichen Netz ungefähr:

U L-N = 400 V / √3 ≈ 230 V

Ein dazu passender Wandler kann beispielsweise nach dem Verhältnis:

400 / √3 V → 100 / √3 V

ausgeführt sein.

Damit beträgt die Sekundärspannung gegen Neutralpunkt:

ca. 57,7 V

Das Übersetzungsverhältnis bleibt dabei gleich

Bei:

400 / √3 V → 100 / √3 V

beträgt der Faktor ebenfalls:

kU = 4

Die Anschlussart muss jedoch zum Netz und zum nachgeschalteten Messgerät passen.

Übersetzungsfaktor im Messgerät richtig einstellen

Viele digitale Einbaumessgeräte, Energiezähler und Multifunktionsmessgeräte können direkt mit einem Spannungswandler betrieben werden.

In der Parametrierung werden häufig Werte wie:

VT Primary

und:

VT Secondary

beziehungsweise:

Voltage Transformer Ratio

eingestellt.

Beispiel

Wandler:

600 V / 100 V

Messgerät:

VT Primary = 600 V

VT Secondary = 100 V

Übersetzungsfaktor:

6

Bei Leistungs- und Energiemessungen besonders wichtig

Eine falsch parametrierte Spannung wirkt sich nicht nur auf die angezeigte Spannung aus.

Auch daraus berechnete Größen können betroffen sein, beispielsweise:

• Wirkleistung,
• Blindleistung,
• Scheinleistung,
• Wirkenergie,
• Blindenergie.

Werden zusätzlich Stromwandler verwendet, müssen deshalb:

Spannungswandlerfaktor × Stromwandlerfaktor

korrekt in die Skalierung der gesamten Leistungsmessung einfließen.

Was bedeutet die Bürde eines Spannungswandlers?

Die Bürde beschreibt die elektrische Belastung der Sekundärseite des Spannungswandlers.

Sie wird üblicherweise in:

VA

angegeben.

Angeschlossene Messgeräte nehmen auf der Sekundärseite eine kleine Leistung auf.

Diese Verbraucher bilden gemeinsam die Bürde des Wandlers.

Typische Sekundärverbraucher sind

• Voltmeter,
• Multifunktionsmessgeräte,
• Energiezähler,
• Messumformer,
• Schutzrelais,
• Überwachungsrelais.

Die relevante Information im Datenblatt des nachgeschalteten Geräts kann beispielsweise lauten:

Spannungseingang: Leistungsaufnahme 0,5 VA

Werden mehrere Geräte parallel angeschlossen, addieren sich deren Bürden grundsätzlich.

Gesamtbürde des Messkreises berechnen

Für eine erste Auslegung kann die Gesamtbürde vereinfacht aus den angeschlossenen Geräten bestimmt werden.

Beispiel:

Verbraucher	Bürde
Digitales Voltmeter	0,5 VA
Energiezähler	0,5 VA
Netzüberwachungsrelais	1,0 VA
Messumformer	0,5 VA

Damit ergibt sich:

Sgesamt = 0,5 + 0,5 + 1,0 + 0,5 VA

Sgesamt = 2,5 VA

Hinzu kommen gegebenenfalls Verluste beziehungsweise zusätzliche Belastungen des Sekundärkreises.

Ein 6-VA-Spannungswandler besitzt damit ausreichend Nennbürde – aber:

Es reicht nicht aus, lediglich zu prüfen:

2,5 VA < 6 VA

Zusätzlich muss geprüft werden, in welchem Bürdenbereich die gewünschte Genauigkeitsklasse vom Hersteller garantiert wird.

Warum ein größerer VA-Wert nicht automatisch besser ist

Bei Transformatoren zur Stromversorgung wird häufig bewusst Leistungsreserve vorgesehen.

Bei einem präzisen Spannungswandler darf dieses Prinzip nicht unbegrenzt übertragen werden.

Ein stark überdimensionierter Spannungswandler kann messtechnisch ungünstig sein

Die Genauigkeitsangaben eines Messspannungswandlers gelten für definierte Bürden beziehungsweise Bürdenbereiche.

Wird beispielsweise nur eine sehr kleine elektronische Messgerätebürde angeschlossen, obwohl der Wandler für eine wesentlich höhere Nennbürde ausgelegt wurde, kann sich die tatsächlich erreichbare Messgenauigkeit verändern.

Moderne digitale Messgeräte besitzen oft eine vergleichsweise hohe Eingangsimpedanz und benötigen deshalb nur sehr wenig Leistung.

Die Auswahl nach dem Prinzip „100 VA sind sicherer als 10 VA“ ist bei Messspannungswandlern daher nicht automatisch richtig.

Ausgewählt werden sollte eine Nennbürde, die zum tatsächlichen Messkreis und zum garantierten Genauigkeitsbereich des Wandlers passt.

Leitungswiderstand und Spannungsabfall berücksichtigen

Die Genauigkeit eines Spannungswandlers wird an seinen Sekundärklemmen spezifiziert.

Das Messgerät befindet sich in der Anlage jedoch möglicherweise mehrere Meter entfernt.

Zwischen Wandler und Messgerät liegen:

• Leitungen,
• Sicherungselemente,
• Klemmen,
• Trennklemmen,
• Steckverbindungen.

Jede dieser Komponenten kann einen zusätzlichen Spannungsabfall verursachen.

Leitungsverlust

Vereinfacht gilt für einen ohmschen Leiter:

Uverlust = Isek × RLeitung

und:

PLeitung = Isek² × RLeitung

Bei einem 100-V-Messkreis sind die Ströme häufig klein

Eine Bürde von:

5 VA

bei:

100 V

entspricht näherungsweise:

I = 5 VA / 100 V = 0,05 A

also:

50 mA

Trotzdem können lange Leitungswege bei hochgenauen Messungen relevant werden.

Besonders wichtig bei Präzisionsmessungen

Der Wandler kann seine Genauigkeitsklasse an den Sekundärklemmen einhalten, während das weiter entfernte Messgerät aufgrund des zusätzlichen Spannungsabfalls bereits einen größeren Gesamtfehler erhält.

Die Genauigkeit des Spannungswandlers ist deshalb nicht automatisch die Genauigkeit des vollständigen Messkreises.

Genauigkeitsklasse richtig interpretieren

Messspannungswandler werden nach definierten Genauigkeitsklassen spezifiziert.

Typische Klassen für Messzwecke sind beispielsweise:

Klasse 0,5

oder:

Klasse 1

Die Klasse beschreibt nicht einfach einen pauschalen Fehler bei beliebiger Spannung und beliebiger Bürde.

Die zulässigen Übersetzungs- und Phasenfehler gelten unter den in der jeweiligen Norm und im Datenblatt definierten Betriebsbedingungen.

Für die Auslegung bedeutet das

Es müssen gemeinsam betrachtet werden:

• Genauigkeitsklasse,
• Primärspannung,
• Bürde,
• Frequenz,
• Verwendungszweck.

Bei einer reinen Spannungsanzeige kann eine andere Genauigkeitsanforderung ausreichend sein als bei einer Energiemessung oder einer Schutzfunktion.

Mess- und Schutzwicklung beziehungsweise Mess- und Schutzklasse unterscheiden

Spannungswandler können für Messaufgaben und für Schutzaufgaben ausgelegt sein.

Messung

Hier steht eine möglichst genaue Übertragung im normalen Betriebsbereich im Vordergrund.

Typische Genauigkeitsklassen der bei ICS Schneider angebotenen BTV-Baureihe sind beispielsweise:

0,5

und:

1

Schutz

Bei Schutzgeräten ist zusätzlich wichtig, dass das Spannungsverhältnis auch in den für die Schutzfunktion relevanten Spannungsbereichen ausreichend definiert bleibt.

Hierfür werden spezielle Schutzklassen verwendet, beispielsweise:

3P

.

Eine Schutzklasse darf deshalb nicht einfach als „schlechtere Messklasse“ interpretiert werden.

Sie beschreibt eine andere Aufgabe innerhalb des elektrischen Schutzsystems.

Primärseite richtig absichern

Ein Spannungswandler ist primärseitig direkt mit dem zu messenden Netz verbunden.

Die Primärverdrahtung muss deshalb entsprechend der Netzspannung, des Kurzschlussstroms und des verwendeten Schutzkonzepts ausgelegt werden.

Eine geeignete Primärabsicherung kann unter anderem schützen

• die Anschlussleitung,
• den Messzweig,
• den Spannungswandler bei internen Fehlern,
• nachgelagerte Anlagenteile.

Die konkrete Sicherungsgröße kann nicht allein aus der VA-Bürde des Messkreises bestimmt werden.

Zu berücksichtigen sind unter anderem:

• Herstellerangaben des Wandlers,
• Netzform,
• Bemessungsspannung,
• verfügbarer Kurzschlussstrom,
• Leiterquerschnitt,
• Selektivität,
• geltende Anlagen- und Produktnormen.

Eine pauschale Aussage wie „jeder Spannungswandler wird primär mit 2 A abgesichert“ wäre daher technisch nicht korrekt.

Sekundärseite richtig absichern

Auch der Sekundärkreis eines Spannungswandlers kann bei einem Kurzschluss hohe Ströme führen.

Eine geeignete sekundärseitige Absicherung schützt insbesondere:

• Messleitungen,
• Klemmen,
• Messgeräte,
• weitere angeschlossene Stromkreise.

Mehrere Messkreise

Werden mehrere Geräte oder Funktionsgruppen von einem Wandler versorgt, kann eine getrennte Absicherung beziehungsweise Trennmöglichkeit für einzelne Messzweige sinnvoll sein.

Dadurch lässt sich beispielsweise ein Messgerät warten, ohne den gesamten Sekundärkreis unnötig aufzutrennen.

Sicherung und Genauigkeit

Auch eine Sicherung besitzt einen elektrischen Widerstand.

Bei hochgenauen Messungen muss deshalb der mögliche Spannungsabfall im vollständigen Sekundärkreis berücksichtigt werden.

Die Sicherung sollte außerdem so ausgewählt werden, dass:

• der Leiter geschützt wird,
• die notwendige Abschaltbedingung erreicht wird,
• unnötige Spannungsabfälle vermieden werden,
• die Messfunktion nicht unbeabsichtigt verfälscht wird.

Warum ein Spannungswandler nicht sekundär kurzgeschlossen werden darf

Ein Spannungswandler verhält sich hinsichtlich seines Sekundärkreises grundsätzlich anders als ein Stromwandler.

Beim Spannungswandler

soll der Sekundärkreis eine definierte Spannung bereitstellen.

Ein Kurzschluss bedeutet:

sehr kleine Lastimpedanz → sehr hoher Sekundärstrom

Dadurch können:

• Wicklungen thermisch überlastet werden,
• Sicherungen auslösen,
• Leitungen überlastet werden,
• der Spannungswandler beschädigt werden.

Die Sekundärseite eines Spannungswandlers darf deshalb nicht absichtlich kurzgeschlossen werden.

Spannungswandler und Stromwandler nicht verwechseln

Gerade bei Wartungsarbeiten ist dieser Unterschied sicherheitsrelevant.

Eigenschaft	Spannungswandler	Stromwandler
Sekundärbetrieb	nahezu Spannungsquelle	nahezu Stromquelle
Sekundär kurzschließen	nicht zulässig	bei geeigneter Vorgehensweise für Wartung üblich beziehungsweise erforderlich
Sekundärkreis öffnen	grundsätzlich der normale Leerlauffall möglich	bei primär durchflossenem Strom gefährlich und zu vermeiden
Lasten	parallel angeschlossen	in den Sekundärstromkreis eingeschleift

Die häufig bekannte Regel „Messwandler niemals sekundär öffnen“ gilt für Stromwandler und darf nicht auf Spannungswandler übertragen werden.

Umgekehrt darf die bei Stromwandlern verwendete Kurzschlussbrücke niemals gedankenlos auf einen Spannungswandler-Messkreis übertragen werden.

Sekundärkreis und Erdungskonzept

Ein galvanisch getrennter Spannungswandler erzeugt zunächst einen Sekundärstromkreis, dessen Potenzial gegenüber Erde durch das Anlagenkonzept definiert werden muss.

Je nach Anwendung kann vorgesehen sein, einen Punkt der Sekundärseite mit Erde beziehungsweise einem definierten Bezugspotenzial zu verbinden.

Ziele können sein

• definiertes Sekundärpotenzial,
• Vermeidung eines frei schwebenden Messkreises,
• Schutz bei Isolationsfehlern zwischen Primär- und Sekundärkreis,
• eindeutige Referenz für angeschlossene Geräte.

Aber:

Ob und wo geerdet wird, hängt von:

• Netzform,
• Schutzkonzept,
• Geräteausführung,
• Anlagenstandard,
• geltenden Vorschriften

ab.

Der Sekundärkreis sollte nicht an mehreren ungeplanten Stellen geerdet werden, da dadurch zusätzliche Strompfade und Messfehler entstehen können.

Eine bewusst geerdete Verbindung darf außerdem nicht durch eine ungeeignet angeordnete Sicherung oder Trennstelle unbeabsichtigt aufgehoben werden.

Mehrere Messgeräte an einem Spannungswandler betreiben

Spannungseingänge werden grundsätzlich parallel an den Sekundärkreis angeschlossen.

Beispiel:

Spannungswandler 100 V → Voltmeter + Energiezähler + Messumformer

Bei jedem zusätzlichen Gerät steigt die Gesamtbürde

Deshalb muss nach einer Erweiterung geprüft werden:

Sgesamt ≤ zulässige Bürde des Wandlers für die geforderte Genauigkeitsklasse

Typischer Nachrüstfehler

Eine Anlage besitzt ursprünglich nur ein analoges Voltmeter.

Später werden zusätzlich installiert:

• Energiezähler,
• Netzüberwachungsrelais,
• Messumformer.

Elektrisch funktionieren alle Geräte.

Trotzdem kann die ursprüngliche Auslegung des Spannungswandlers nicht mehr zur neuen Gesamtbürde passen.

Nach jeder wesentlichen Änderung sollte deshalb die Messkette erneut bewertet werden.

Spannungswandler in Drehstromnetzen einsetzen

Für eine dreiphasige Spannungsmessung hängt die notwendige Anzahl und Verschaltung der Spannungswandler von Netzform und Messaufgabe ab.

Mögliche Konzepte verwenden beispielsweise:

• drei Spannungswandler zwischen Außenleiter und Neutralpunkt,
• Spannungswandler zwischen Außenleitern,
• spezielle Schaltungen für Drei-Leiter-Netze.

Entscheidend ist das nachgeschaltete Messgerät

Ein Multifunktionsmessgerät kann beispielsweise für:

• 3P3W,
• 3P4W,
• Messung über Spannungswandler

unterschiedlich parametriert werden.

Eine falsche Netzkonfiguration kann trotz korrekt dimensionierter Spannungswandler zu:

• falschen Spannungen,
• falschen Leistungen,
• falschen Energiezählwerten

führen.

Wann eine direkte Spannungsmessung sinnvoller ist

In Niederspannungsanlagen ist ein Spannungswandler nicht automatisch erforderlich.

Viele moderne Einbau- und Multifunktionsmessgeräte können Netzspannungen direkt erfassen.

Eine Direktmessung kann sinnvoll sein, wenn

• die Netzspannung innerhalb des zulässigen Messbereichs liegt,
• die notwendige Isolationskoordination gegeben ist,
• keine zusätzliche galvanische Trennung benötigt wird,
• das Messgerät für die entsprechende Messkategorie und Anwendung vorgesehen ist.

Ein Spannungswandler kann dagegen sinnvoll sein, wenn

• das Messgerät nur einen standardisierten Wandlereingang besitzt,
• galvanische Trennung erforderlich ist,
• mehrere Geräte mit derselben normierten Sekundärspannung versorgt werden sollen,
• eine definierte Mess- oder Schutzklasse benötigt wird,
• die Primärspannung nicht direkt vom Messgerät verarbeitet werden kann.

Bei einer neuen Anlage sollte deshalb zunächst geprüft werden, ob überhaupt ein Spannungswandler benötigt wird.

Netzfrequenz und Sonderfrequenzen berücksichtigen

Induktive Spannungswandler sind für einen definierten Frequenzbereich ausgelegt.

Bei den BTV 6 und BTV 10 nennt ICS Schneider beispielsweise:

Nennfrequenz 50 Hz

und einen Arbeitsbereich von:

47 … 63 Hz

Optional sind Ausführungen für:

400 Hz

mit dafür definierter Bürde vorgesehen.

Warum das wichtig ist

Die magnetischen Eigenschaften des Wandlers hängen von Frequenz und Spannung ab.

Ein Wandler für ein 50-Hz-Netz darf deshalb nicht ohne Prüfung für beliebige:

• Frequenzumrichterausgänge,
• 400-Hz-Bordnetze,
• variable Frequenzen

eingesetzt werden.

Insbesondere ein PWM-Ausgang eines Frequenzumrichters ist keine normale sinusförmige Netzspannung.

Bemessungsspannungsfaktor richtig bewerten

Neben der Nennspannung geben Spannungswandler einen Bemessungsspannungsfaktor an.

Dieser beschreibt, welche erhöhte Primärspannung der Wandler unter definierten Bedingungen verträgt beziehungsweise innerhalb seiner vorgesehenen Funktion abbilden können muss.

Für die BTV 6 und BTV 10 nennt ICS Schneider beispielsweise

für den Dauerbetrieb:

1,2 × Upr

und für bestimmte Phase-Neutral-Anwendungen zeitlich begrenzt:

1,9 × Upr für 8 Stunden

.

Diese Angabe darf nicht mit einer frei nutzbaren dauerhaften Überlastreserve verwechselt werden.

Die zulässige Anwendung hängt von Anschlussart und Herstellerangaben ab.

Spannungswandler systematisch in Betrieb nehmen

1. Netzform bestimmen: Einphasig, 3-Leiter oder 4-Leiter festlegen.
2. Messgröße definieren: Phase-Phase- oder Phase-Neutral-Spannung bestimmen.
3. Primärspannung prüfen: Nennspannung und mögliche Überspannungen erfassen.
4. Sekundärspannung auswählen: Eingang des nachgeschalteten Messgeräts berücksichtigen.
5. Übersetzungsverhältnis berechnen: Primär-/Sekundärverhältnis dokumentieren.
6. Genauigkeitsanforderung festlegen: Anzeige, Energieerfassung oder Schutz unterscheiden.
7. Gerätebürden erfassen: VA-Angaben aller angeschlossenen Spannungseingänge addieren.
8. Leitungsweg prüfen: Querschnitt, Länge und mögliche Spannungsabfälle berücksichtigen.
9. Wandlerbürde auswählen: Tatsächliche Belastung mit dem garantierten Genauigkeitsbereich vergleichen.
10. Primärschutz festlegen: Sicherung beziehungsweise Schutzorgan passend zur Anlage auslegen.
11. Sekundärschutz festlegen: Leitungen und angeschlossene Geräte gegen Kurzschluss schützen.
12. Erdungskonzept prüfen: Sekundärbezug eindeutig festlegen.
13. Verdrahtung kontrollieren: Primär- und Sekundärklemmen nicht vertauschen.
14. Messgerät parametrieren: Primär- und Sekundärspannung korrekt einstellen.
15. Phase zuordnen: Bei Drehstrommessungen Spannungskanäle eindeutig L1, L2 und L3 zuordnen.
16. Sekundärspannung messen: Vor Freigabe Plausibilitätsprüfung durchführen.
17. Primärwert vergleichen: Übersetzungsverhältnis anhand einer Referenzmessung prüfen.
18. Messkreis dokumentieren: Wandlerdaten, Sicherungen, Bürde, Übersetzung und angeschlossene Geräte festhalten.

Typische Fehlerbilder in Spannungswandler-Messkreisen

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Angezeigte Spannung ist exakt um einen konstanten Faktor falsch	falsches Übersetzungsverhältnis parametriert	VT Primary und VT Secondary kontrollieren
400-V-Netz wird als etwa 100 V angezeigt	Messgerät zeigt Sekundärwert ohne Skalierung	Wandlerfaktor im Messgerät aktivieren
Spannung wird bei mehreren angeschlossenen Geräten geringer	Bürde oder Spannungsabfall im Sekundärkreis zu hoch	Gesamtbürde und Leitungsweg prüfen
Messwert stimmt am Wandler, aber nicht am entfernten Messgerät	Spannungsabfall in Leitung, Sicherung oder Klemmen	Spannung direkt an beiden Messpunkten vergleichen
Sekundärsicherung löst aus	Kurzschluss oder Verdrahtungsfehler	Sekundärkreis spannungsfrei auf Fehler prüfen
Primärsicherung löst wiederholt aus	Wandlerfehler oder falsche Schutzdimensionierung möglich	Wandler und Schutzkonzept überprüfen
Wandler wird ungewöhnlich warm	Überlast, falsche Spannung oder falsche Frequenz möglich	Primärspannung, Frequenz und Bürde prüfen
Nur eine Phase zeigt falsche Werte	Phasenzuordnung oder einzelne Sicherung fehlerhaft	L1/L2/L3-Zuordnung und Sicherungen kontrollieren
Leistungsmessung ist falsch, Spannungen wirken plausibel	Spannungs- und Stromkanäle unterschiedlichen Phasen zugeordnet	Phasenfolge und Messkanalzuordnung prüfen
Messwert schwankt nach Erweiterung des Messkreises	zusätzliche Bürde oder Kontaktproblem	neue Gesamtbürde berechnen
Wandler wurde bewusst sekundär kurzgeschlossen	Verwechslung mit Stromwandler	Kurzschluss sofort beseitigen und Wandler prüfen
Messung zeigt Offset gegen Erde	ungeklärtes oder mehrfaches Erdungskonzept	Sekundärbezug und Erdungspunkte prüfen

Praxisbeispiel: 400 V auf 100 V für ein Einbaumessgerät

In einer Maschine soll die Außenleiterspannung eines 400-V-Netzes mit einem Einbaumessgerät überwacht werden.

Das Messgerät ist für einen Spannungswandlereingang von:

100 V AC

vorgesehen.

Schritt 1: Übersetzung

Gewählt wird:

400 V / 100 V

Damit:

kU = 4

Schritt 2: Bürde des Messgeräts

Angenommen, der Spannungseingang benötigt:

0,5 VA

Zusätzlich wird ein Messumformer mit:

1 VA

angeschlossen.

Gesamt:

S = 1,5 VA

Schritt 3: Wandler auswählen

Ein Wandler mit einer für die geforderte Genauigkeitsklasse passenden Nennbürde oberhalb der tatsächlichen Belastung wird ausgewählt.

Dabei wird nicht einfach der größtmögliche VA-Wert gewählt, sondern geprüft, welcher Bürdenbereich für die gewünschte Klasse vorgesehen ist.

Schritt 4: Verdrahtung

Die Primärseite wird entsprechend dem Anlagen- und Schutzkonzept an die beiden Außenleiter angeschlossen.

Auf der Sekundärseite werden Messgerät und Messumformer parallel angeschlossen.

Schritt 5: Parametrierung

Im Messgerät wird eingestellt:

Primary Voltage = 400 V

Secondary Voltage = 100 V

Schritt 6: Plausibilitätskontrolle

Bei einer tatsächlichen Netzspannung von:

404 V

sollte sekundär ungefähr:

101 V

anliegen.

Das Einbaumessgerät skaliert diesen Wert wieder auf ungefähr:

404 V

Ergebnis

Der Wandler wird nicht nur nach 400/100 V ausgewählt. Erst Übersetzung, Bürde, Genauigkeitsklasse, Verdrahtung, Absicherung und Parametrierung ergeben gemeinsam einen funktionierenden Messkreis.

Spannungswandler systematisch auswählen

1. Primärnetz bestimmen: Nennspannung, Netzform und Frequenz erfassen.
2. Anschlussart definieren: Phase-Phase oder Phase-Neutral festlegen.
3. Sekundärspannung festlegen: Passend zum Messgerät beispielsweise 100 V oder 100/√3 V wählen.
4. Übersetzungsverhältnis bestimmen: Primär- und Sekundärwerte eindeutig dokumentieren.
5. Mess- oder Schutzaufgabe festlegen: Gewünschte Genauigkeitsklasse auswählen.
6. Bürde jedes Geräts ermitteln: Datenblätter der Spannungseingänge prüfen.
7. Gesamtbürde berechnen: Alle parallel angeschlossenen Verbraucher berücksichtigen.
8. Genauigkeitsbereich prüfen: Nicht nur die maximale VA-Angabe des Wandlers betrachten.
9. Leitungsverluste berücksichtigen: Besonders bei langen Sekundärleitungen und hoher Genauigkeit.
10. Frequenz prüfen: 50/60 Hz beziehungsweise Sonderfrequenzen berücksichtigen.
11. Bemessungsspannungsfaktor prüfen: Passend zur Netz- und Anschlussart auswählen.
12. Primärschutz auslegen: Schutzorgan anhand des vollständigen Anlagenkonzepts dimensionieren.
13. Sekundärschutz auslegen: Messleitungen und angeschlossene Geräte schützen.
14. Erdung festlegen: Sekundärkreis eindeutig in das Schutzkonzept einbinden.
15. Messgerät parametrieren: Wandlerfaktor und Netzform korrekt einstellen.
16. Erweiterungsreserve realistisch planen: Künftige Geräte berücksichtigen, den Wandler aber nicht unnötig stark überdimensionieren.
17. Inbetriebnahmemessung durchführen: Primär- und Sekundärwert vergleichen.

Passende Spannungswandler bei ICS Schneider

ICS Schneider führt Spannungswandler für Mess- und Schutzanwendungen in Niederspannungsnetzen in unterschiedlichen Leistungs- und Genauigkeitsklassen.

BTV 3 – für kleinere Messbürden

Der BTV 3 Spannungswandler ist für Wechselspannungs-Messkreise vorgesehen.

ICS Schneider nennt unter anderem:

• verschiedene Primärspannungen für Niederspannungsnetze,
• Sekundärspannungen von 100 V beziehungsweise 100/√3 V und weitere Varianten,
• Messausführung Klasse 1,
• Bürden bis 6 VA bei entsprechender Phase-Phase-Ausführung beziehungsweise 3 VA bei entsprechender Phase-Neutral-Ausführung.

Damit ist der BTV 3 besonders für Messkreise mit vergleichsweise geringer Leistungsaufnahme interessant.

BTV 6 – Messung und Schutz

Der BTV 6 ist für Mess- und Schutzaufgaben ausgelegt.

ICS Schneider nennt unter anderem:

• Phase-Phase-Primärspannung 100 … 690 V,
• Sekundärspannung 100 V,
• Phase-Neutral-Ausführungen 100/√3 … 690/√3 V,
• Sekundärspannung 100/√3 V,
• Genauigkeitsklassen 0,5 und 1 für Messung,
• Schutzklasse 3P,
• Nennfrequenz 50 Hz,
• Arbeitsfrequenz 47 … 63 Hz,
• optional 400 Hz mit definierter Bürde,
• Bemessungsspannungsfaktor 1,2 × Upr im Dauerbetrieb.

Für die Messklasse 0,5 nennt ICS für entsprechende Ausführungen beispielsweise:

6 VA bei Phase-Phase

beziehungsweise:

3 VA bei Phase-Neutral

.

BTV 10 – höhere Messbürde

Der BTV 10 besitzt ebenfalls Ausführungen für Mess- und Schutzanwendungen.

Genannt werden unter anderem:

• Primärspannungen bis 690 V,
• 100 V beziehungsweise 100/√3 V sekundär,
• Genauigkeitsklassen 0,5 und 1,
• Schutzklasse 3P,
• 50-Hz-Ausführung,
• Arbeitsbereich 47 … 63 Hz,
• optional 400 Hz,
• Bemessungsspannungsfaktor 1,2 im Dauerbetrieb.

Gegenüber kleineren Varianten kann der BTV 10 für Messketten interessant sein, bei denen mehrere oder leistungsstärkere Sekundärverbraucher angeschlossen werden.

Weitere BTV-Ausführungen

Für steigende Bürden stehen innerhalb der Produktgruppe außerdem:

• BTV 20,
• BTV 50,
• BTV 100

zur Verfügung.

Die Auswahl sollte jedoch nicht allein nach der maximal verfügbaren VA-Leistung erfolgen.

Entscheidend ist immer die Kombination aus gewünschter Genauigkeitsklasse und tatsächlicher Bürde des Mess- beziehungsweise Schutzkreises.

Eine Übersicht finden Sie unter Spannungswandler bei ICS Schneider.

Fazit

Spannungswandler ermöglichen eine galvanisch getrennte und standardisierte Spannungsmessung in elektrischen Anlagen. Für eine zuverlässige Messung reicht es jedoch nicht aus, lediglich Primär- und Sekundärspannung auszuwählen.

Das Übersetzungsverhältnis bestimmt die Skalierung

Bei einem Wandler von 400 V auf 100 V beträgt der Faktor 4. Dieser Wert muss auch im nachgeschalteten Messgerät korrekt hinterlegt sein.

Die Anschlussart muss zum Netz passen

Phase-Phase- und Phase-Neutral-Anwendungen verwenden unterschiedliche Nennspannungen. Werte wie 100 V und 100/√3 V dürfen nicht verwechselt werden.

Die Bürde entscheidet mit über die Messgenauigkeit

Alle angeschlossenen Messgeräte belasten den Sekundärkreis. Gleichzeitig ist ein unnötig stark überdimensionierter Spannungswandler nicht automatisch genauer.

Leitungen gehören zur Messkette

Spannungsabfälle über Sicherungen, Klemmen und lange Sekundärleitungen können die tatsächlich am Messgerät anliegende Spannung verändern.

Primär- und Sekundärkreis müssen geschützt werden

Die Auswahl der Sicherungen erfolgt nicht pauschal, sondern abhängig von Wandler, Leiterquerschnitt, Netz, Kurzschlussbedingungen und dem Schutzkonzept der Anlage.

Spannungswandler dürfen sekundär nicht kurzgeschlossen werden

Dies ist ein entscheidender Unterschied zum Stromwandler. Ein Kurzschluss kann zu sehr hohen Sekundärströmen und zur Beschädigung des Spannungswandlers führen.

Für die Praxis gilt

Netzform bestimmen → Phase-Phase oder Phase-Neutral festlegen → Primär- und Sekundärspannung auswählen → Übersetzungsverhältnis berechnen → Mess- oder Schutzklasse bestimmen → tatsächliche Gerätebürde erfassen → Leitungsverluste berücksichtigen → passende Wandlerbürde auswählen → Primär- und Sekundärabsicherung planen → Erdungskonzept festlegen → Messgerät mit korrektem Wandlerfaktor parametrieren → Primär- und Sekundärspannung bei der Inbetriebnahme vergleichen → Messkreis vollständig dokumentieren.

FAQ: Spannungswandler in Niederspannungs-Messkreisen

Was ist ein Spannungswandler?

Ein Spannungswandler transformiert eine primäre Wechselspannung proportional auf eine definierte Sekundärspannung, die von Mess- oder Schutzgeräten verarbeitet werden kann.

Wofür wird ein Spannungswandler im Schaltschrank eingesetzt?

Typische Anwendungen sind Spannungsanzeigen, Energiezähler, Multifunktionsmessgeräte, Netzüberwachung und Schutzrelais.

Ist ein Spannungswandler dasselbe wie ein Transformator?

Er arbeitet ebenfalls nach dem Transformatorprinzip, ist jedoch speziell für die möglichst genaue Übertragung einer Messspannung beziehungsweise für definierte Schutzfunktionen ausgelegt.

Kann ich einen Messspannungswandler als Stromversorgung verwenden?

Er sollte nicht als allgemeiner Versorgungstransformator für zusätzliche Verbraucher verwendet werden. Seine Nennbürde und Genauigkeit beziehen sich auf Mess- beziehungsweise Schutzkreise.

Wie berechne ich das Übersetzungsverhältnis?

Mit kU = Uprim / Usek. Bei 400 V primär und 100 V sekundär beträgt das Übersetzungsverhältnis 4.

Was bedeutet 400/100 V?

Bei einer Primärspannung von 400 V liefert der Wandler nominal 100 V sekundär.

Was bedeutet 400/√3 zu 100/√3 V?

Diese Angabe wird typischerweise bei Phase-Neutral-Schaltungen verwendet. 400/√3 V entsprechen ungefähr 230 V und 100/√3 V ungefähr 57,7 V.

Was bedeutet Bürde bei einem Spannungswandler?

Die Bürde ist die elektrische Belastung des Sekundärkreises durch angeschlossene Mess- und Schutzgeräte und wird in VA angegeben.

Wie berechne ich die Gesamtbürde?

Für eine erste Auslegung werden die VA-Aufnahmen der parallel angeschlossenen Geräte addiert. Zusätzliche Leitungs- und Kontaktverluste müssen bei Bedarf ebenfalls berücksichtigt werden.

Kann ich mehrere Messgeräte an einen Spannungswandler anschließen?

Ja. Spannungseingänge werden parallel angeschlossen. Die Gesamtbürde und der für die Genauigkeitsklasse zulässige Bürdenbereich dürfen jedoch nicht überschritten werden.

Ist ein Wandler mit möglichst hoher VA-Leistung immer besser?

Nein. Eine zu große Nennbürde kann bei einem nur sehr schwach belasteten Messkreis ebenfalls ungünstig für die Genauigkeit sein. Der Wandler sollte passend zur tatsächlichen Bürde gewählt werden.

Warum sind moderne Messgeräte für die Bürdenauslegung wichtig?

Elektronische Messgeräte besitzen häufig sehr hochohmige Spannungseingänge und benötigen deshalb nur eine geringe VA-Leistung. Alte Auslegungswerte können dadurch deutlich überdimensioniert sein.

Was bedeutet Genauigkeitsklasse 0,5?

Sie definiert normativ zulässige Übersetzungs- und Phasenfehler unter bestimmten Spannungs-, Frequenz- und Bürdenbedingungen. Sie ist kein pauschaler Fehlerwert unter allen Betriebsbedingungen.

Was bedeutet Klasse 3P?

3P ist eine Schutzklasse für Spannungswandler. Sie ist für Schutzanwendungen definiert und darf nicht einfach mit einer Messklasse gleichgesetzt werden.

Was ist wichtiger: Genauigkeitsklasse oder Bürde?

Beide Größen müssen gemeinsam betrachtet werden. Eine Genauigkeitsklasse wird nur unter den dafür vorgesehenen Betriebs- und Bürdenbedingungen eingehalten.

Beeinflusst die Sekundärleitung die Genauigkeit?

Ja. Leitungs-, Sicherungs- und Kontaktwiderstände verursachen einen Spannungsabfall zwischen den Wandlerklemmen und dem Messgerät.

Wie kann ich den Spannungsabfall reduzieren?

Unter anderem durch geeigneten Leiterquerschnitt, kurze Leitungswege, geeignete Klemmen und eine auf die Messanforderung abgestimmte Verdrahtung.

Muss die Primärseite eines Spannungswandlers abgesichert werden?

Das Schutzkonzept des Primärmesskreises muss entsprechend der konkreten Anlage ausgelegt werden. Welche Sicherung beziehungsweise welches Schutzorgan erforderlich ist, hängt unter anderem von Wandler, Netz, Leiterquerschnitt und Kurzschlussbedingungen ab.

Muss die Sekundärseite abgesichert werden?

Der Sekundärkreis muss gegen unzulässige Kurzschlussströme und Leitungsüberlastung geschützt werden. Die konkrete Ausführung hängt vom Anlagen- und Schutzkonzept ab.

Darf ich die Sekundärseite eines Spannungswandlers kurzschließen?

Nein. Ein sekundärer Kurzschluss kann sehr hohe Ströme erzeugen und den Wandler beziehungsweise die Verdrahtung beschädigen.

Darf ich die Sekundärseite eines Spannungswandlers offen lassen?

Der Leerlauf ist bei einem Spannungswandler grundsätzlich nicht mit der gefährlichen offenen Sekundärseite eines Stromwandlers vergleichbar. Die jeweiligen Hersteller- und Anlagenvorgaben sind dennoch einzuhalten.

Warum darf ein Stromwandler nicht offen betrieben werden?

Bei einem primär durchflossenen Stromwandler können bei offenem Sekundärkreis gefährlich hohe Spannungen entstehen. Das ist ein grundlegend anderes Verhalten als bei einem Spannungswandler.

Darf ein Stromwandler sekundär kurzgeschlossen werden?

Bei geeigneter Vorgehensweise wird ein Stromwandler für Wartungsarbeiten sekundär kurzgeschlossen. Dieses Verfahren darf keinesfalls auf einen Spannungswandler übertragen werden.

Muss die Sekundärseite eines Spannungswandlers geerdet werden?

Das hängt vom Schutz- und Erdungskonzept der Anlage ab. Wenn eine Erdung vorgesehen ist, muss sie eindeutig und entsprechend den geltenden Vorgaben ausgeführt werden.

Warum sollte der Sekundärkreis nicht mehrfach geerdet werden?

Mehrere Erdungspunkte können unerwünschte Ausgleichsströme und zusätzliche Messfehler verursachen.

Warum zeigt mein Messgerät nur 100 V an, obwohl das Netz 400 V hat?

Wahrscheinlich zeigt das Messgerät lediglich die tatsächliche Sekundärspannung an. Der Spannungswandlerfaktor 400/100 beziehungsweise 4 muss im Messgerät berücksichtigt werden.

Warum zeigt mein Messgerät einen konstant zu hohen Wert?

Eine häufige Ursache ist ein falsch parametriertes Primär-/Sekundärverhältnis.

Kann ein falscher Spannungswandlerfaktor auch die Leistungsmessung verfälschen?

Ja. Wirk-, Blind- und Scheinleistung sowie Energie können proportional falsch berechnet werden.

Was ist bei Strom- und Spannungswandlern gemeinsam zu parametrieren?

Bei einer Leistungs- oder Energiemessung müssen sowohl das Stromwandlerverhältnis als auch das Spannungswandlerverhältnis korrekt berücksichtigt werden.

Kann ich einen Spannungswandler an einem Frequenzumrichterausgang verwenden?

Nicht ohne ausdrückliche Prüfung. Ein PWM-Ausgang unterscheidet sich erheblich von einer sinusförmigen Netzspannung. Wandler und Messsystem müssen für diese Signalform und Frequenzanteile geeignet sein.

Warum ist die Frequenz für einen Spannungswandler wichtig?

Das magnetische Verhalten des Wandlers hängt von der Frequenz ab. Deshalb müssen Nenn- und Arbeitsfrequenz zur Anwendung passen.

Welche Frequenz besitzt der BTV 6?

ICS Schneider nennt 50 Hz als Nennfrequenz und 47 … 63 Hz als Arbeitsfrequenz. Eine 400-Hz-Ausführung ist optional mit definierter Bürde möglich.

Welche Primärspannung kann der BTV 6 messen?

Für Phase-Phase-Anwendungen nennt ICS Schneider Primärnennspannungen von 100 bis 690 V. Für Phase-Neutral-Anwendungen stehen entsprechende Werte von 100/√3 bis 690/√3 V zur Verfügung.

Welche Sekundärspannung besitzt der BTV 6?

Für Phase-Phase-Anwendungen werden 100 V und für entsprechende Phase-Neutral-Anwendungen 100/√3 V verwendet.

Welche Genauigkeitsklassen besitzt der BTV 6?

ICS Schneider nennt die Klassen 0,5 und 1 für Messaufgaben sowie 3P für Schutzanwendungen.

Was bedeutet der Bemessungsspannungsfaktor 1,2?

Er beschreibt eine definierte zulässige erhöhte Betriebsspannung relativ zur Nennprimärspannung. Für die BTV 6 und BTV 10 nennt ICS Schneider 1,2 Upr im Dauerbetrieb.

Was bedeutet 1,9 Upr für 8 Stunden?

Dies ist eine zeitlich begrenzte Spannungsfaktor-Angabe für bestimmte Anschlussbedingungen. Sie darf nicht als allgemeine dauerhafte Überlastfähigkeit interpretiert werden.

Wann sollte ich den BTV 3 wählen?

Der BTV 3 kann für kleinere Messbürden und Anwendungen interessant sein, bei denen die Genauigkeitsklasse 1 ausreichend ist.

Wann ist der BTV 6 interessant?

Der BTV 6 eignet sich für Mess- und Schutzanwendungen mit vergleichsweise kleiner bis mittlerer Bürde und ist unter anderem in Messklasse 0,5 verfügbar.

Wann sollte ein BTV 10 oder größer gewählt werden?

Wenn die angeschlossene Mess- beziehungsweise Schutzkette eine entsprechend höhere Bürde benötigt. Die Auswahl muss dennoch anhand des zulässigen Genauigkeitsbereichs erfolgen.

Wo finde ich den BTV 3 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter BTV 3 Spannungswandler bei ICS Schneider.

Wo finde ich den BTV 6 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter BTV 6 Spannungswandler bei ICS Schneider.

Wo finde ich den BTV 10 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter BTV 10 Spannungswandler bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Spannungswandler?

Eine Übersicht finden Sie unter Spannungswandler bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Messgeräte für den Schaltschrankbau?

Eine Übersicht finden Sie unter Messgeräte für den Anlagen- und Schaltschrankbau bei ICS Schneider.