Ein Elektromotor besitzt im normalen Betrieb einen Strom von ungefähr 80 A. Für die Überwachung wird ein Stromwandler mit einem Übersetzungsverhältnis von 100/5 A eingesetzt. Während des stationären Betriebs stimmen Stromzange, Energiezähler und Stromwandleranzeige sehr gut überein. Beim Einschalten des Motors zeigt die Stromzange jedoch kurzzeitig mehr als 500 A, während das über den Stromwandler angeschlossene Messgerät lediglich 280 oder 300 A errechnet.
Auf den ersten Blick liegt die Vermutung nahe, dass das Messgerät zu langsam ist oder das Übersetzungsverhältnis falsch parametriert wurde. Beides ist möglich. Bei sehr hohen Einschaltströmen kommt jedoch eine weitere Ursache hinzu: Der magnetische Kern des Stromwandlers kann in Sättigung geraten.
Solange der Wandler innerhalb seines vorgesehenen Arbeitsbereichs betrieben wird, folgt der Sekundärstrom dem Primärstrom näherungsweise entsprechend dem Übersetzungsverhältnis. Bei einem 100/5-A-Wandler entsprechen 100 A primär beispielsweise 5 A sekundär. Ein Primärstrom von 80 A ergibt idealisiert ungefähr 4 A sekundär.
Ein Motoranlauf mit 500 A würde rein rechnerisch dagegen 25 A Sekundärstrom verlangen. Ob der Wandler einen solchen Strom tatsächlich proportional übertragen kann, hängt nicht nur vom aufgedruckten Verhältnis 100/5 A ab. Kernmaterial, Kernquerschnitt, Wicklung, Bürde, Frequenz, Gleichanteile im Stromverlauf und die konkrete Wandlerklasse bestimmen, wie weit der Stromwandler in den Überstrombereich hinein noch proportional arbeitet.
Gerät der Kern in Sättigung, steigt der magnetische Fluss nicht mehr entsprechend weiter an. Der Sekundärstrom bildet den Primärstrom dann nicht mehr proportional ab. Besonders die Spitzen der Stromkurve werden verzerrt beziehungsweise abgeschnitten. Das angeschlossene Messgerät kann dadurch einen deutlich niedrigeren Einschaltstrom anzeigen als tatsächlich durch den Primärleiter fließt.
Die wichtigste Regel lautet deshalb: Das Übersetzungsverhältnis beschreibt noch nicht das Verhalten eines Stromwandlers bei sehr hohen Strömen. Für Einschalt-, Anlauf- und Fehlerströme müssen zusätzlich Sättigungsverhalten, Wandlerklasse, Messsicherheits- beziehungsweise Genauigkeitsgrenzfaktor und die reale Sekundärbürde berücksichtigt werden.
Wie arbeitet ein klassischer Stromwandler?
Ein konventioneller Wechselstrom-Stromwandler besteht vereinfacht aus einem magnetischen Kern, durch den der Primärleiter geführt wird, und einer Sekundärwicklung. Der Primärleiter bildet dabei häufig nur eine einzige Windung. Der Strom im Primärleiter erzeugt einen magnetischen Fluss im Kern. Dieser Fluss induziert in der Sekundärwicklung eine Spannung und treibt dadurch den Sekundärstrom durch den angeschlossenen Sekundärkreis.
Das Verhältnis der Windungszahlen bestimmt im Wesentlichen das Übersetzungsverhältnis. Bei einem 400/5-A-Stromwandler soll ein Primärstrom von 400 A unter Nennbedingungen einen Sekundärstrom von 5 A erzeugen. Bei 200 A primär ergeben sich idealisiert 2,5 A sekundär.
Der Stromwandler ist allerdings kein idealer mathematischer Übersetzer. Ein Teil des Primärstromes wird benötigt, um den Kern zu magnetisieren. Wicklungswiderstand, magnetische Eigenschaften des Kernmaterials, Frequenz und die angeschlossene Sekundärbürde bestimmen deshalb die reale Übertragungsgenauigkeit.
Im normalen Messbereich sind diese Fehler bei einem passend ausgewählten Wandler klein und durch die Genauigkeitsklasse begrenzt. Im Überstrombereich verändert sich die Situation. Je weiter der Primärstrom über den Nennstrom hinaus ansteigt, desto stärker nähert sich der Kern seinem magnetischen Grenzbereich.
Warum Einschaltströme besonders kritisch sind
Viele elektrische Verbraucher ziehen beim Einschalten kurzzeitig deutlich mehr Strom als während des späteren stationären Betriebs. Ein typisches Beispiel ist der Direktanlauf eines Asynchronmotors. Abhängig von Motor, Netz und mechanischer Last kann der Anlaufstrom ein Mehrfaches des Nennstroms erreichen.
Auch Transformatoren können beim Einschalten sehr hohe Stromspitzen erzeugen. Dabei ist der Verlauf häufig zusätzlich stark unsymmetrisch und hängt vom Einschaltzeitpunkt der Netzspannung sowie von der Restmagnetisierung des Transformatorkerns ab.
Für einen Stromwandler entsteht dadurch eine vollkommen andere Aufgabe als während des normalen Betriebs. Ein Wandler, der für einen Betriebsstrom von 80 bis 100 A ausgewählt wurde, kann kurzfristig mit mehreren hundert Ampere beaufschlagt werden.
Ob diese Spitze vollständig übertragen werden soll, hängt von der eigentlichen Messaufgabe ab. Für eine einfache Betriebsstromanzeige kann es vollkommen ausreichend oder sogar beabsichtigt sein, dass der Messwandler im starken Überstrombereich nicht mehr proportional arbeitet. Soll dagegen der reale Motoranlauf untersucht, eine Schutzfunktion angesteuert oder ein Ereignisrekorder versorgt werden, kann genau diese Sättigung unerwünscht sein.
Vor der Auswahl muss deshalb zuerst geklärt werden, welcher Strombereich tatsächlich messtechnisch relevant ist.
Was bedeutet magnetische Sättigung?
Der magnetische Fluss im Kern steigt nicht unbegrenzt proportional zur magnetisierenden Kraft. Bei zunehmender magnetischer Feldstärke nähert sich das Kernmaterial einem Bereich, in dem zusätzliche Magnetisierung nur noch eine vergleichsweise geringe Erhöhung der magnetischen Flussdichte bewirkt.
Dieser Bereich wird als magnetische Sättigung bezeichnet.
Für den Stromwandler bedeutet das: Der Kern kann den für eine proportionale Sekundärstromübertragung erforderlichen magnetischen Zustand nicht mehr aufrechterhalten. Ein zunehmender Anteil des Primärstromes wird dann praktisch für die Magnetisierung benötigt, statt entsprechend auf die Sekundärseite übertragen zu werden.
Der Sekundärstrom wächst dadurch nicht mehr im gleichen Verhältnis wie der Primärstrom.
Die Sättigung ist dabei kein harter Schalter, der plötzlich von „korrekt“ auf „falsch“ wechselt. Das Verhalten wird zunehmend nichtlinear. Zunächst nimmt der Fehler zu, anschließend kann die Stromkurve deutlich verzerrt werden.
Bei einem sinusförmigen Primärstrom werden besonders die Bereiche hoher momentaner Stromamplitude beeinflusst. Die Sekundärkurve verliert ihre ursprüngliche Form und die Spitzen werden abgeflacht.
Wie Sättigung den angezeigten Strom verfälscht
Ein digitales Messgerät erhält nicht den Primärstrom selbst, sondern nur das Sekundärsignal des Stromwandlers. Ist dieses Signal durch Sättigung verzerrt, kann auch ein vollkommen korrekt arbeitendes Messgerät daraus nicht mehr den ursprünglichen Primärstrom rekonstruieren.
Angenommen, ein 100/5-A-Wandler wird während eines Motorstarts mit 500 A primär belastet. Ohne Sättigung wären idealisiert 25 A sekundär zu erwarten.
Gerät der Kern bereits deutlich früher in Sättigung, können beispielsweise nur wesentlich kleinere und stark verzerrte Sekundärstromspitzen auftreten. Ein RMS-Messgerät berechnet daraus einen entsprechend niedrigeren Effektivwert.
Die Anzeige von beispielsweise 300 A bedeutet dann nicht, dass der Motor tatsächlich nur 300 A aufgenommen hat. Sie bedeutet lediglich, dass das vom Stromwandler gelieferte Sekundärsignal einem entsprechend kleineren Primärwert entspricht.
Bei kurzen Ereignissen kommt zusätzlich die Dynamik des Messgerätes hinzu. Ein langsam aktualisierendes Einbaumessgerät kann einen Anlaufstrom zusätzlich zeitlich mitteln. Sättigung und Messgerätefilterung können sich somit überlagern.
Für die Diagnose müssen deshalb Stromwandler und Auswertegerät getrennt betrachtet werden.
Warum das Übersetzungsverhältnis allein nicht genügt
Die Angabe 100/5 A beschreibt zunächst den Nennpunkt des Wandlers. Sie bedeutet nicht automatisch, dass jeder beliebige Primärstrom bis beispielsweise 1000 A exakt im gleichen Verhältnis übertragen wird.
Zusätzlich zum Übersetzungsverhältnis gehören bei der Auswahl mindestens Genauigkeitsklasse, Nennbürde und die Kennwerte für den Überstrombereich zur Wandlercharakteristik.
Ein Messstromwandler 100/5 A der Klasse 0,5 mit einem niedrigen Messsicherheitsfaktor kann sich bei einem hohen Motoranlauf völlig anders verhalten als ein Schutzstromwandler mit ebenfalls 100/5 A, aber einer Schutzklasse 5P20.
Beide besitzen nominell dasselbe Übersetzungsverhältnis. Ihre Aufgabe und ihr Verhalten außerhalb des normalen Nennbereiches sind jedoch grundlegend unterschiedlich.
Deshalb sollte die Frage bei einer auffälligen Einschaltstrommessung nicht nur lauten: „Ist 100/5 A richtig eingestellt?“ Ebenso wichtig ist: „Welche Wandlerklasse wurde tatsächlich eingebaut und für welchen Überstrombereich ist sie vorgesehen?“
Welche Rolle die Bürde bei der Sättigung spielt
Die Sekundärbürde bestimmt, welche Spannung der Stromwandler erzeugen muss, um den erforderlichen Sekundärstrom durch den angeschlossenen Kreis zu treiben.
Vereinfacht gilt für eine überwiegend ohmsche Bürde:
US ≈ IS × ZBürde
Je größer die Bürde ist, desto höher muss die vom Stromwandler erzeugte Sekundärspannung werden. Eine höhere erforderliche Sekundärspannung bedeutet gleichzeitig eine stärkere magnetische Beanspruchung des Kerns.
Damit kann eine hohe Bürde dazu führen, dass ein Stromwandler bei einem gegebenen Primärstrom früher in Sättigung gerät als bei einer kleineren Sekundärbürde.
Zur realen Bürde gehören der Strommesseingang, die Hin- und Rückleitung, Prüfklemmen, Übergangswiderstände und weitere in Reihe angeschlossene Geräte. Gerade bei 5-A-Sekundärkreisen können längere Leitungen einen erheblichen VA-Anteil verursachen.
Deshalb kann ein Stromwandler bei der Inbetriebnahme mit einem direkt daneben angeschlossenen Prüfgerät noch einen hohen Strom relativ gut übertragen, während derselbe Wandler nach Anschluss einer langen Sekundärleitung deutlich früher sättigt.
| Einflussgröße | Auswirkung | Bedeutung für hohe Ströme |
|---|---|---|
| Höhere Sekundärbürde | Wandler muss höhere Sekundärspannung erzeugen | Sättigung kann früher auftreten |
| Längere Sekundärleitung | Leitungswiderstand steigt | Zusätzliche Bürde |
| Kleinerer Leiterquerschnitt | Leitungswiderstand steigt | Zusätzliche Bürde und Spannungsbedarf |
| Mehrere Geräte in Reihe | Einzelbürden addieren sich | Weniger Reserve im Überstrombereich |
| 1-A-Sekundärkreis | Deutlich geringere Leitungsbürde bei gleichem Leitungswiderstand | Vorteilhaft bei längeren Strecken |
Die Bürde ist deshalb nicht nur ein Genauigkeitsthema für den normalen Messbereich. Sie beeinflusst auch, wie sich der Stromwandler bei hohen Strömen verhält.
Messstromwandler und gewünschte Sättigung
Bei einem Messstromwandler ist Sättigung im Überstrombereich nicht grundsätzlich ein Konstruktionsfehler.
Im Gegenteil: Ein klassischer Messkern soll im normalen Betriebsbereich möglichst genau arbeiten, bei sehr hohen Überströmen aber die angeschlossenen Mess- und Zählergeräte vor übermäßiger Sekundärstrombelastung schützen.
Dafür wird bei entsprechenden Messstromwandlern ein Messsicherheitsfaktor angegeben. Der Wandler ist damit bewusst anders optimiert als ein Schutzstromwandler.
Für die normale Energie- oder Betriebsstrommessung ist dieses Verhalten sinnvoll. Ein hoher Kurzschlussstrom muss nicht mit voller Genauigkeit auf das angeschlossene Einbaumessgerät übertragen werden.
Probleme entstehen erst, wenn derselbe Messwandler plötzlich für eine andere Aufgabe verwendet wird – beispielsweise zur detaillierten Erfassung des Motoranlaufes oder zur Beurteilung sehr hoher kurzzeitiger Ströme.
Dann kann das eigentlich gewünschte Schutzverhalten des Messkerns zur messtechnischen Begrenzung werden.
Warum Schutzstromwandler anders ausgelegt werden
Ein Schutzrelais benötigt im Fehlerfall möglichst zuverlässige Informationen über hohe Ströme. Ein Schutzstromwandler muss deshalb deutlich weiter in den Überstrombereich hinein übertragen können, bevor die Sättigung zu groß wird.
Seine Aufgabe ist nicht primär, bei beispielsweise 30 oder 50 Prozent Nennstrom die kleinstmögliche Messabweichung für eine Energieabrechnung zu erreichen. Entscheidend ist vielmehr, dass ein hoher Kurzschluss- oder Fehlerstrom ausreichend korrekt an das Schutzgerät übertragen wird.
Aus diesem Grund werden Schutzstromwandler mit anderen Klassen und Grenzfaktoren spezifiziert.
Ein Schutzstromwandler ist dadurch aber nicht automatisch der bessere Messwandler für jede Anwendung. Für präzise Betriebs- oder Energieerfassung können andere Fehlergrenzen gelten. Die jeweilige Kerncharakteristik muss zur Aufgabe passen.
In größeren Anlagen können deshalb getrennte Mess- und Schutzkerne verwendet werden: ein Kern für präzise Messung im normalen Betriebsbereich und ein zweiter Kern für die Schutzfunktion im Überstrombereich.
Messsicherheitsfaktor FS richtig verstehen
Bei Messstromwandlern beschreibt der Messsicherheitsfaktor FS das gewünschte Verhalten im Überstrombereich. Häufig finden sich Angaben wie FS5 oder FS10.
Vereinfacht bedeutet ein kleinerer FS-Wert, dass der Messkern vergleichsweise früher in den Sättigungsbereich übergehen soll und damit die angeschlossenen Messgeräte besser gegen hohe Sekundärströme begrenzt werden.
Wichtig ist jedoch, dass der FS-Wert nicht unabhängig von der Bürde betrachtet werden darf. Die angegebene Wandlercharakteristik bezieht sich auf definierte Betriebsbedingungen und insbesondere auf die spezifizierte Bürde.
Eine deutlich kleinere reale Bürde kann dazu führen, dass der Wandler erst bei einem höheren Primärstrom stark sättigt. Eine höhere Bürde kann dagegen eine frühere Sättigung begünstigen.
Damit ist die Typenschildangabe beispielsweise „Klasse 0,5 FS5 5 VA“ eine zusammengehörende Spezifikation. Einzelne Werte daraus sollten nicht isoliert interpretiert werden.
Für eine einfache Betriebsstrommessung ist ein passender FS-Wert vorteilhaft. Wer den tatsächlichen sechs- oder achtfachen Motoranlaufstrom möglichst korrekt aufzeichnen möchte, muss dagegen prüfen, ob dieser Überstrombereich mit dem gewählten Messkern überhaupt abgebildet werden soll.
5P10, 5P20 und Genauigkeitsgrenzfaktor einordnen
Bei Schutzstromwandlern findet man statt des Messsicherheitsfaktors Bezeichnungen wie 5P10 oder 5P20.
Die Zahl hinter dem P beschreibt dabei vereinfacht den Genauigkeitsgrenzfaktor für die spezifizierte Nennbürde. Ein 5P20-Schutzstromwandler ist für eine andere Aufgabe ausgelegt als ein normaler Messwandler der Klasse 0,5.
Der Schutzkern soll noch bei einem hohen Vielfachen des Nennstromes ein ausreichend brauchbares Sekundärsignal für die Schutzfunktion liefern.
Auch hier beeinflusst die reale Bürde das tatsächliche Verhalten. Ein Schutzstromwandler sollte deshalb nicht allein nach der Aufschrift 5P20 ausgewählt werden. Nennbürde, Sekundärstrom, Leitungswiderstände und Anforderungen des angeschlossenen Schutzrelais müssen zusammen betrachtet werden.
Bei komplexeren Schutzaufgaben kommen zusätzlich Kenngrößen wie Kniepunktspannung, Wicklungswiderstand und transientes Verhalten hinzu. Für eine normale Schaltschrank-Messaufgabe sind diese Angaben häufig nicht notwendig, bei Schutz- und Ereigniserfassung können sie dagegen entscheidend werden.
1 A oder 5 A bei dynamischen Anwendungen
Der Sekundär-Nennstrom beeinflusst insbesondere die Leitungsbürde deutlich.
Für eine ohmsche Leitung gilt:
S = I² × R
Bei gleichem Leitungswiderstand erzeugt ein 5-A-Sekundärkreis deshalb die 25-fache Leitungsbürde eines 1-A-Sekundärkreises.
Bei kurzen Verbindungen innerhalb eines Schaltschrankes kann dieser Unterschied klein genug sein, um praktisch keine Rolle zu spielen. Bei längeren Leitungen zwischen Stromwandler und Mess- oder Schutzgerät kann er dagegen erheblich werden.
Die geringere Sekundärleitungsbürde eines 1-A-Systems reduziert den Spannungsbedarf des Wandlers. Das kann insbesondere bei hohen Überströmen und langen Leitungswegen von Vorteil sein.
Ein Wechsel von 5 A auf 1 A ist jedoch keine nachträgliche Softwareeinstellung am Stromwandler. Wandler und angeschlossenes Gerät müssen für denselben Sekundär-Nennstrom ausgelegt beziehungsweise korrekt parametriert sein.
Unsymmetrische Einschaltströme und Gleichanteile berücksichtigen
Ein weiterer Grund dafür, dass Einschaltströme für Stromwandler schwieriger sind als ein gleich großer stationärer sinusförmiger Wechselstrom, liegt in der möglichen Unsymmetrie der Stromkurve.
Beim Einschalten eines Motors oder Transformators kann der Strom einen ausgeprägten transienten Gleichanteil besitzen. Die positive und negative Halbwelle sind dann zunächst nicht symmetrisch.
Für den magnetischen Kern ist das ungünstig, weil sich der magnetische Fluss während der einzelnen Halbwellen nicht vollständig symmetrisch zurückbildet. Der Kern kann dadurch in einer Richtung sehr schnell in den Sättigungsbereich gelangen.
Hinzu kommt eine mögliche Restmagnetisierung des Stromwandlers. Hat der Kern aus einem vorherigen Ereignis einen remanenten Fluss behalten und zeigt dieser in die ungünstige Richtung, kann die nächste Stromspitze noch früher zur Sättigung führen.
Zwei Einschaltvorgänge mit nominell gleichem Effektivstrom müssen deshalb nicht zwingend exakt dieselbe Sekundärkurve erzeugen.
Gerade für Schutztechnik und hochdynamische Ereignisaufzeichnung ist deshalb nicht nur die Höhe des Stromes, sondern auch seine zeitliche Form relevant.
Stromwandler und Messgerät getrennt beurteilen
Bei einer zu niedrigen Einschaltstromanzeige wird häufig sofort entweder der Wandler oder das Messgerät verantwortlich gemacht. In Wirklichkeit können beide Komponenten das Ergebnis begrenzen.
Der Stromwandler muss zunächst ein ausreichend korrektes Sekundärsignal liefern. Anschließend muss das Messgerät dieses Signal schnell genug erfassen und richtig verarbeiten.
Ein Einbaumessgerät, das seinen Displaywert beispielsweise nur einige Male pro Sekunde aktualisiert, kann einen sehr kurzen Peak nicht vollständig anzeigen, selbst wenn der Stromwandler ihn korrekt übertragen hat.
Umgekehrt kann ein hochauflösender schneller Recorder keinen Primärstrom rekonstruieren, dessen Spitze bereits im gesättigten Stromwandler verloren gegangen ist.
Bei der Fehlersuche ist daher eine unabhängige Vergleichsmessung sinnvoll. Eine geeignete schnelle Stromzange, ein Rogowski-System oder ein anderes für die erwartete Dynamik spezifiziertes Messverfahren kann zeigen, ob die Abweichung bereits am Wandlersekundärsignal entsteht oder erst in der nachgeschalteten Auswertung.
Praxisbeispiel: Motor mit sechsfachem Anlaufstrom
Ein Motor besitzt einen Nennstrom von 90 A. Für die Betriebsstromanzeige wurde ein Stromwandler 100/5 A installiert. Im normalen Betrieb zeigt das angeschlossene Messgerät 89 bis 91 A. Die Messung ist damit grundsätzlich plausibel.
Beim Direktanlauf des Motors zeigt eine geeignete unabhängige Messung einen kurzzeitigen Primärstrom von ungefähr 540 A. Das entspricht dem sechsfachen Nennstrom des Motors.
Das über den Stromwandler angeschlossene Einbaumessgerät zeigt während des Starts jedoch maximal nur rund 330 A.
Zunächst wird die Parametrierung kontrolliert. Das Verhältnis 100/5 A ist im Messgerät korrekt eingestellt. Auch die Phasenzuordnung ist richtig.
Anschließend wird die Sekundärseite untersucht. Zwischen Stromwandler und Messgerät liegen ungefähr 15 m Leitung. Zusätzlich befindet sich eine Prüftrennklemme im Sekundärkreis. Die reale Bürde ist damit höher als ursprünglich angenommen.
Die Kombination aus sehr hohem primärem Einschaltstrom und Sekundärbürde führt dazu, dass der Messkern während eines Teils des Anlaufvorgangs in Sättigung gerät. Die Sekundärstromkurve ist abgeflacht und bildet die Primärspitze nicht mehr proportional ab.
Für den normalen Betriebszweck ist der installierte Stromwandler weiterhin geeignet. Die Aufgabe hat sich jedoch verändert: Zusätzlich soll nun der tatsächliche Motoranlaufstrom dokumentiert werden.
Dafür wird nicht einfach das Übersetzungsverhältnis im Messgerät verändert. Stattdessen wird geprüft, welcher Stromwandler beziehungsweise welches alternative Messverfahren den benötigten dynamischen Bereich und die notwendige Bandbreite abdeckt.
Das Beispiel zeigt, warum die Aussage „Der Stromwandler misst im Betrieb richtig“ noch nicht beweist, dass er auch eine sechsfach höhere transiente Stromspitze korrekt erfasst.
Sättigung systematisch diagnostizieren
Ein charakteristischer Hinweis auf Stromwandlersättigung ist eine Messkette, die im normalen Betriebsbereich sehr gut übereinstimmt und erst bei hohen Strömen zunehmend zu niedrige Werte liefert.
Besonders aussagekräftig ist der Vergleich mit einem unabhängigen Messverfahren. Steigt der reale Primärstrom weiter an, während der aus dem Wandlersekundärsignal berechnete Strom nur noch wenig zunimmt, spricht dies für eine Nichtlinearität im Wandler beziehungsweise im Sekundärkreis.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvoller Prüfschritt |
|---|---|---|
| Normalstrom korrekt, Einschaltstrom deutlich zu klein | Stromwandlersättigung oder zu langsame Auswertung | Sekundärsignal und unabhängige Primärmessung vergleichen |
| Abweichung nimmt mit höherer Bürde zu | Spannungsbedarf des Sekundärkreises zu hoch | Bürde und Leitungswiderstand berechnen |
| Alle Stromwerte proportional falsch | Falsches Übersetzungsverhältnis oder Parametrierung | Wandlerdaten und Messgeräteparameter prüfen |
| Nur sehr kurze Spitzen fehlen | Messgerätebandbreite beziehungsweise Aktualisierungsrate | Schnelleren Recorder oder geeignete Vergleichsmessung verwenden |
| Stark verzerrte Sekundärkurve bei hoher Primärspitze | Magnetische Sättigung | Wandlerklasse, Bürde und Überstromanforderung prüfen |
| Unterschiedliches Verhalten bei identischen Starts | Transienter Gleichanteil oder Remanenz möglich | Zeitverlauf statt nur RMS-Maximum untersuchen |
Eine Diagnose allein anhand eines einzelnen maximalen Displaywertes ist dagegen schwierig. Für dynamische Vorgänge ist der zeitliche Verlauf wesentlich aussagekräftiger.
Stromwandler für hohe Einschaltströme auslegen
Die Auslegung beginnt nicht mit der Auswahl eines möglichst großen Primärnennstromes. Zuerst muss die Messaufgabe definiert werden.
Soll lediglich der normale Betriebsstrom eines Motors überwacht werden, sollte der Stromwandler so dimensioniert werden, dass der relevante Betriebsbereich gut ausgenutzt wird. Ein extrem großer Primärbereich nur wegen eines kurzen Anlaufstromes kann die Auflösung beziehungsweise Genauigkeit im normalen Betriebsbereich unnötig verschlechtern.
Soll dagegen der Einschaltstrom selbst quantitativ ausgewertet werden, muss bekannt sein, welche maximale Stromamplitude, Dauer und Kurvenform erwartet werden und welche Genauigkeit dafür erforderlich ist.
Anschließend werden Wandlerart, Übersetzungsverhältnis, Sekundärstrom, Genauigkeits- beziehungsweise Schutzklasse und reale Bürde gemeinsam betrachtet. Bei längeren Sekundärleitungen kann ein 1-A-System Vorteile besitzen. Für Schutzfunktionen muss zusätzlich die für das Relais benötigte Überstromübertragung betrachtet werden.
Auch der mechanische Einbau darf nicht vergessen werden. Die Öffnung des Stromwandlers muss zum Leiter beziehungsweise zur Stromschiene passen, und die thermischen sowie dynamischen Primärstromgrenzen des Wandlers müssen eingehalten werden.
Die optimale Lösung kann deshalb für Betriebsstrommessung, Energiezählung, Motorstartanalyse und Schutztechnik jeweils unterschiedlich aussehen.
Sekundärkreis niemals unzulässig öffnen
Ein klassischer Stromwandler unterscheidet sich sicherheitstechnisch wesentlich von einem normalen Spannungstransformator.
Während Primärstrom fließt, versucht der Stromwandler einen entsprechenden Sekundärstrom zu erzeugen. Wird der Sekundärkreis geöffnet, kann dieser Strom nicht mehr fließen.
Dadurch können am offenen Sekundärkreis gefährlich hohe Spannungen entstehen. Gleichzeitig wird der Kern stark magnetisiert und der Wandler kann thermisch beziehungsweise magnetisch beansprucht werden.
Deshalb darf ein Stromwandler-Sekundärkreis nicht einfach unter Primärstrom geöffnet werden, um beispielsweise schnell ein Messgerät auszutauschen oder ein Multimeter einzuschleifen.
Für entsprechende Arbeiten werden geeignete Prüf- beziehungsweise Kurzschlussklemmen verwendet. Dabei wird die Sekundärwicklung zuerst sicher kurzgeschlossen, bevor das angeschlossene Messgerät getrennt wird.
Auch dieser Punkt ist bei der Fehlersuche wichtig. Eine schlecht kontaktierende Prüftrennklemme kann die reale Bürde erhöhen oder im Extremfall kurzzeitig einen unerwünschten offenen Sekundärkreis erzeugen.
Häufige Planungs- und Interpretationsfehler
Nur das Übersetzungsverhältnis betrachten
Die Angabe 200/5 A sagt nicht, bis zu welchem Überstrom der Wandler den Primärstrom noch proportional abbildet. Genauigkeitsklasse, Bürde und Überstromkennwerte gehören ebenfalls zur Auswahl.
Den Einschaltstrom mit dem normalen Betriebsbereich gleichsetzen
Ein kurzzeitiger sechs- oder achtfacher Motorstrom stellt eine andere magnetische Belastung dar als ein dauerhaft sinusförmiger Nennstrom.
Messstromwandler und Schutzstromwandler gleichsetzen
Ein Messkern soll im normalen Bereich genau arbeiten und kann im starken Überstrombereich bewusst sättigen. Ein Schutzkern muss hohe Fehlerströme dagegen wesentlich weiter übertragen können.
Eine hohe VA-Leistung automatisch als besser ansehen
Die Wandlerbürde muss zur tatsächlichen Sekundärlast passen. Wandlerklasse, Bürde und gewünschtes Überstromverhalten müssen gemeinsam betrachtet werden.
Die Sekundärleitung bei der Sättigungsbetrachtung ignorieren
Der Leitungswiderstand erhöht die Bürde. Besonders bei 5-A-Systemen und längeren Leitungswegen kann dieser Anteil erheblich sein.
Jede zu niedrige Anlaufstromanzeige als Sättigung interpretieren
Auch ein langsames Messgerät, eine ungeeignete RMS-Auswertung oder eine zu geringe Abtastrate kann kurze Spitzen unterschätzen. Die Messkette muss getrennt analysiert werden.
Den Primärbereich einfach stark vergrößern
Ein 600-A-Wandler löst nicht automatisch jedes Problem eines 100-A-Motors. Ein überdimensionierter Messbereich kann die Qualität der normalen Betriebsstrommessung verschlechtern.
Den Sekundärkreis unter Last öffnen
Das ist sicherheitstechnisch kritisch. Stromwandler-Sekundärkreise müssen mit dafür vorgesehenen Kurzschluss- und Prüfeinrichtungen behandelt werden.
Passende Stromwandler bei ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet Mess-, Genauigkeits-, Schutz-, teilbare und dreiphasige Stromwandler für Niederspannungsanlagen, Schaltschrankbau, Energieüberwachung und Schutzanwendungen an.
Die Kategorie Strom- und Spannungswandler enthält unterschiedliche Bauformen und Strombereiche für Kabel und Stromschienen. Für die Auswahl sollte deshalb nicht nur der Primär-Nennstrom angegeben werden, sondern auch die vorgesehene Mess- oder Schutzfunktion.
Für klassische Messaufgaben stehen Aufsteckstromwandler für Messung mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen, Genauigkeitsklassen und VA-Leistungen zur Verfügung.
Bei höheren Anforderungen an die Messgenauigkeit können Genauigkeitsstromwandler eingesetzt werden. Je nach Baureihe stehen unterschiedliche Klassen, Sekundärströme und Messsicherheitsfaktoren zur Verfügung.
Der TA 327 ist beispielsweise ein einphasiger Präzisions-Stromwandler für Kabel beziehungsweise Stromschiene. Je nach Ausführung sind unterschiedliche Bürden verfügbar. Für eine konkrete Anwendung muss die gewählte Variante zum Übersetzungsverhältnis, zur angeschlossenen Sekundärbürde und zur geforderten Messgenauigkeit passen.
Für Schutzaufgaben stehen dagegen spezielle Schutzstromwandler zur Verfügung. Diese unterscheiden sich im Verhalten bei hohen Strömen bewusst von normalen Messstromwandlern.
Der TAU 81P ist beispielsweise mit Sekundär-Nennströmen von 1 A oder 5 A sowie unterschiedlichen Schutzklassen bis 5P20 erhältlich. Welche Ausführung geeignet ist, hängt von Primärstrom, Bürde, Schutzgerät und erforderlichem Überstromverhalten ab.
Bei der Anfrage für eine Anwendung mit hohen Einschaltströmen sollten deshalb möglichst Betriebsstrom, maximaler Einschalt- beziehungsweise Fehlerstrom, Dauer der Stromspitze, gewünschter Sekundärstrom, Leitungslänge, Leitungsquerschnitt, angeschlossene Gerätebürde und die eigentliche Funktion – Messung oder Schutz – angegeben werden.
Strom- und Spannungswandler bei ICS Schneider
Weiterführend: Stromwandler-Bürde richtig auslegen
Weiterführend: Stromwandler am Energiezähler richtig anschließen und prüfen
Fazit
Ein Stromwandler, der den normalen Betriebsstrom korrekt misst, muss einen hohen Einschaltstrom nicht automatisch genauso genau übertragen.
Das Übersetzungsverhältnis beschreibt den Nennbetrieb – das Verhalten bei hohen Überströmen wird zusätzlich durch Kerncharakteristik, Wandlerklasse, Bürde und den zeitlichen Stromverlauf bestimmt.
Gerät der Kern in Sättigung, steigt der Sekundärstrom nicht mehr proportional mit dem Primärstrom. Die Stromkurve wird verzerrt und die nachgeschaltete Anzeige kann den tatsächlichen Einschaltstrom deutlich unterschätzen.
Bei Messstromwandlern ist dieses Verhalten im starken Überstrombereich teilweise ausdrücklich erwünscht. Ein begrenzter Messsicherheitsfaktor schützt die angeschlossenen Messgeräte. Für Schutztechnik oder die genaue Analyse hoher Einschaltströme werden dagegen Wandler beziehungsweise Messverfahren benötigt, die einen größeren dynamischen Bereich übertragen können.
Die Bürde spielt dabei eine zentrale Rolle. Je größer die Sekundärimpedanz, desto mehr Spannung muss der Stromwandler erzeugen. Lange Leitungen, kleine Leiterquerschnitte und zusätzliche Messgeräte können dadurch den Sättigungsbeginn beeinflussen.
Für eine belastbare Auslegung sollten deshalb Betriebsstrom, erwarteter Einschalt- oder Fehlerstrom, Wandlerklasse, Sekundärstrom, reale Bürde und die Dynamik des angeschlossenen Messgerätes gemeinsam betrachtet werden.
Wer diese Größen sauber trennt, kann auch scheinbar widersprüchliche Messungen erklären: Ein Stromwandler kann bei 80 A hochgenau arbeiten und bei einem 500-A-Anlaufstrom trotzdem deutlich zu wenig anzeigen – ohne dass weder seine Übersetzung noch das angeschlossene Messgerät grundsätzlich falsch sein müssen.
FAQ zu Stromwandlern bei hohen Einschaltströmen
Warum zeigt mein Stromwandler beim Motorstart zu wenig Strom an?
Eine mögliche Ursache ist die magnetische Sättigung des Wandlerkerns. Bei hohen Primärströmen kann das Sekundärsignal nicht mehr proportional ansteigen. Zusätzlich kann ein langsames Messgerät kurze Stromspitzen unterschätzen.
Ist ein 100/5-A-Stromwandler bei 500 A Primärstrom automatisch für 25 A sekundär geeignet?
Nein. 25 A ergeben sich lediglich aus dem idealen Übersetzungsverhältnis. Ob dieser Strom tatsächlich übertragen wird, hängt unter anderem von Kern, Wandlerklasse, Bürde und Überstromverhalten ab.
Was bedeutet Sättigung bei einem Stromwandler?
Der magnetische Kern erreicht einen nichtlinearen Bereich, in dem zusätzlicher Primärstrom nicht mehr proportional in einen höheren Sekundärstrom umgesetzt wird. Dadurch entstehen Betrags- und Kurvenformfehler.
Kann die Bürde beeinflussen, wann ein Stromwandler sättigt?
Ja. Eine höhere Sekundärbürde erfordert eine höhere Sekundärspannung. Dadurch steigt die magnetische Beanspruchung des Kerns und Sättigung kann bei einem niedrigeren Primärstrom auftreten.
Gehört die Sekundärleitung zur Bürde?
Ja. Der Widerstand der kompletten Hin- und Rückleitung gehört ebenso zur Bürde wie der Messeingang und weitere Komponenten im Sekundärkreis.
Warum ist 1 A bei langen Leitungen oft vorteilhaft?
Die Leitungsbürde ist proportional zum Quadrat des Sekundärstromes. Bei gleichem Leitungswiderstand erzeugt ein 5-A-Kreis deshalb die 25-fache Leitungsbürde eines 1-A-Kreises.
Was ist der Unterschied zwischen Mess- und Schutzstromwandler?
Ein Messstromwandler ist für hohe Genauigkeit im normalen Betriebsbereich optimiert und soll bei starken Überströmen häufig bewusst früher sättigen. Ein Schutzstromwandler soll hohe Fehlerströme weiter korrekt genug an ein Schutzrelais übertragen.
Was bedeutet FS5 bei einem Messstromwandler?
FS bezeichnet den Messsicherheitsfaktor. Er charakterisiert das gewünschte Überstrom- beziehungsweise Sättigungsverhalten des Messkerns unter definierten Bedingungen. Ein kleinerer FS-Wert bedeutet grundsätzlich eine stärkere Begrenzung des übertragenen Überstroms.
Was bedeutet 5P20 bei einem Schutzstromwandler?
Die Kennzeichnung beschreibt eine Schutzklasse mit einem Genauigkeitsgrenzfaktor. Der Wandler ist dafür ausgelegt, auch bei einem hohen Vielfachen des Nennstromes innerhalb der für diese Schutzklasse festgelegten Fehlergrenzen zu arbeiten, sofern die spezifizierten Bedingungen einschließlich Bürde eingehalten werden.
Ist ein 5P20-Schutzstromwandler automatisch besser als ein Klasse-0,5-Messstromwandler?
Nein. Beide sind für unterschiedliche Aufgaben optimiert. Für eine präzise Betriebs- oder Energieerfassung kann ein Messstromwandler geeigneter sein, während der Schutzstromwandler für hohe Fehlerströme ausgelegt ist.
Kann ein Stromwandler bei einem Motoranlauf sättigen, obwohl der Mittelwert des Stromes nicht sehr hoch ist?
Ja. Entscheidend ist der zeitliche Stromverlauf. Hohe Spitzen und ein transienter Gleichanteil können den Kern wesentlich stärker beanspruchen als ein stationärer sinusförmiger Strom mit gleichem Effektivwert.
Was bedeutet Remanenz bei einem Stromwandler?
Nach einem starken magnetischen Ereignis kann ein Restfluss im Kern verbleiben. Bei einem folgenden Stromereignis kann diese Restmagnetisierung den Zeitpunkt beeinflussen, zu dem der Kern erneut in Sättigung gerät.
Kann ein digitales Einbaumessgerät den Einschaltstrom zusätzlich unterschätzen?
Ja. Aktualisierungsrate, RMS-Berechnung, Mittelwertbildung und digitale Filter bestimmen, wie kurze Stromereignisse angezeigt werden. Deshalb müssen Wandler und Auswertung separat geprüft werden.
Wie kann ich feststellen, ob der Stromwandler oder das Messgerät die Begrenzung verursacht?
Hilfreich ist der Vergleich des Primärstromes mit einem unabhängigen, ausreichend schnellen Messverfahren und – sofern sicher und fachgerecht möglich – die Aufzeichnung des Sekundärstromverlaufs. Ist das Sekundärsignal bereits verzerrt, liegt die Begrenzung vor der Auswertung.
Sollte ich für einen Motor mit 100 A Betriebsstrom einfach einen 600-A-Stromwandler verwenden, damit der Anlaufstrom passt?
Nicht automatisch. Dadurch wird der normale Betriebsbereich des Wandlers nur zu einem kleinen Teil genutzt. Zunächst muss geklärt werden, ob der Anlaufstrom überhaupt mit derselben Messkette präzise erfasst werden muss.
Kann ich einen normalen Messstromwandler für ein Schutzrelais verwenden?
Nur wenn seine Eigenschaften ausdrücklich zu den Anforderungen des Schutzsystems passen. Ein üblicher Messkern kann im Fehlerstrombereich bewusst sättigen und dadurch ein Schutzrelais mit einem zu kleinen Sekundärsignal versorgen.
Darf die Sekundärseite eines Stromwandlers offen betrieben werden?
Ein klassischer Stromwandler-Sekundärkreis darf bei fließendem Primärstrom nicht unzulässig geöffnet werden. Dabei können gefährlich hohe Sekundärspannungen und eine starke magnetische Beanspruchung entstehen. Für Arbeiten sind dafür vorgesehene Kurzschluss- und Prüfklemmeneinrichtungen zu verwenden.
Welche Angaben brauche ich für die Auswahl eines Stromwandlers bei hohen Einschaltströmen?
Benötigt werden insbesondere normaler Betriebsstrom, maximal erwarteter Einschalt- beziehungsweise Fehlerstrom, Dauer und Form des Stromereignisses, Mess- oder Schutzaufgabe, gewünschtes Übersetzungsverhältnis, 1-A- oder 5-A-Sekundärkreis, Sekundärleitung, angeschlossene Bürde sowie die erforderliche Genauigkeits- oder Schutzklasse.
Welche ICS-Kategorie ist für dieses Thema die richtige?
Für klassische Mess- und Schutzstromwandler ist die Kategorie Strom- und Spannungswandler (Niederspannung) die passende Produktgruppe. Die Kategorie Stromversorgung / Trenntrafos / DC-DC-Wandler behandelt dagegen Stromversorgungs- und Transformatorlösungen und ist für diesen Beitrag nicht die passende Zuordnung.