Wählen Sie zuerst nach dem Eingang des Zählers. Eingänge für 5 A, 333 mV und Rogowski-Spulen brauchen unterschiedliche Sensoren; keine noch so gute Stromwandlerspezifikation behebt eine falsche Zuordnung. Halten Sie dann für jeden Stromkreis vier Angaben fest: den kleinsten Strom, den Sie messen müssen, den normalen Betriebsbereich, den Spitzenstrom und den fertigen Außendurchmesser des Leiters.
Ausgangsart
Ein Stromwandler mit Stromausgang hat einen Sekundärnennstrom von 1 A oder 5 A. Er fällt unter IEC 61869-2 und braucht am Sekundärkreis jederzeit eine niederohmige Bürde. Der 5-A-Ausgang ist in der Schaltanlagenmessung weiterhin üblich. Für längere Leitungen zum Zähler eignet sich 1 A: Bei gleichem Kabel ist der Leitungsverlust bei Nennstrom 25-mal kleiner.
Bei einem Stromwandler mit Spannungsausgang liegt der Bürdenwiderstand im Gehäuse. Er liefert eine niedrige Spannung, typischerweise 333 mV bei Nennstrom. IEC 61869-10 behandelt diese passiven Sensoren mit geringer Ausgangsleistung. Sie werden häufig für Unterzählung verwendet, weil ihre Ausgangsleitungen unter Last getrennt werden können.
Eine Rogowski-Spule liefert eine kleine Spannung proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des Stroms, angegeben in mV je kA bei 50 Hz. Der Zähler oder ein separates Integrationsglied wandelt sie in einen Stromwert um.
Eine falsche Paarung kann gefährlich sein. Ein 5-A-Stromwandler an einem hochohmigen Spannungseingang hat nahezu einen offenen Sekundärkreis und kann gefährliche Spannung erzeugen. Ein 333-mV-Sensor an einem 5-A-Eingang sieht beinahe einen Kurzschluss; der Zähler zeigt nahezu null an.
Stromwandlerbauarten
Ringkern-Stromwandler
Ein Ringkern-Stromwandler bildet einen geschlossenen Ring, durch den der Leiter geführt wird. Ohne Luftspalt im Kern benötigt er bei gleicher Größe weniger Magnetisierungsstrom als ein Klappkern-Stromwandler und hält seine Genauigkeit bei kleinem Strom besser. Für die Montage muss der Leiter getrennt und die Anlage abgeschaltet werden. Planen Sie am Hauptanschluss die Abschaltung oder wählen Sie einen Klappkern-Stromwandler beziehungsweise eine Rogowski-Spule.
Klappkern-Stromwandler
Ein Klappkern-Stromwandler lässt sich öffnen und um einen vorhandenen Leiter schließen. Seine Trennstelle bildet einen Luftspalt. Dieser erhöht den Magnetisierungsstrom und besonders bei kleinem Strom den Verhältnis- und Phasenfehler. Schmutz an den Kontaktflächen oder ein nicht vollständig geschlossener Verschluss vergrößern den Spalt. Reinigen Sie die Flächen, schließen Sie den Verschluss vollständig und vergleichen Sie die angegebene Klasse sowie Fehlergrenzen bei kleinem Strom mit einem Ringkern-Stromwandler. Ein Klappkern erspart das Trennen des Leiters, macht Arbeiten in einer unter Spannung stehenden Verteilung aber nicht sicher. Der Installationshinweis von Schneider Electric nennt Vorsichtsmaßnahmen.
Rogowski-Spulen
Eine Rogowski-Spule hat keinen magnetischen Kern. Sie kann nicht in Sättigung geraten, liefert über einen großen Bereich einen linearen Ausgang und lässt sich als flexible Schleife um große Kabel und Sammelschienen legen. Bei kleinem Strom ist das Signal schwach; die Rauschgrenze von Integrationsglied und Zähler begrenzt deshalb die Messung niedriger Lasten. Auch die Lage der Spule beeinflusst das Ergebnis. Eine flexible Spule eines Herstellers ist bei 3 % bis 120 % des Nennstroms mit ±1,0 % spezifiziert; ein außermittiger oder schräger Leiter ergänzt einen typischen Fehler von ±0,5 %, maximal ±1,0 % (Continental Control Systems). Zentrieren Sie den Leiter, halten Sie die Spule senkrecht dazu und schließen Sie ihren Verschluss vollständig. Bewerten Sie Spule, Integrationsglied und Zähler als eine Messkette. Der Rogowski-Leitfaden vertieft das Thema.
Nennstrom
Der Primärnennstrom bestimmt das Verhältnis. Ein 200/5-Stromwandler gibt bei 200 A sekundär 5 A und bei 110 A 2,75 A ab. Die Genauigkeitsgrenzen gelten bis 120 % des Nennstroms. Darüber ist der Fehler ohne erweiterten Nennstrombereich nicht spezifiziert. IEC 61869-2 (5.203) nennt 120 %, 150 % und 200 % als bevorzugte Werte für den thermischen Dauernennstrom. Prüfen Sie den thermischen Kurzzeitstrom (Ith für eine Sekunde) gegen den Fehlerstrom am Einbauort.
Für die Last dimensionieren, nicht für den Schalter
Die Nennleistung eines Schalters beschreibt nicht die Last. Eine Zuleitung mit 400-A-Schalter trägt tagsüber 80 bis 120 A, nachts 15 A und kurzzeitig 250 A:
- Ein 400/5-Stromwandler der Klasse 0.5 arbeitet tagsüber bei 20 % bis 30 % Nennstrom. Bei 80 A beträgt die Fehlergrenze ±0,75 %. Die Spitze liegt bei 62,5 %. Nachts sind es 3,75 %. Unter 5 % hat Klasse 0.5 keine Fehlergrenze, sodass die Nachtwerte keine spezifizierte Genauigkeit haben.
- Ein 400/5-Stromwandler der Klasse 0.5S hält ab 20 % Nennstrom ±0,5 %. Bei 3,75 % liegt er zwischen der Grenze von ±1,5 % bei 1 % und ±0,75 % bei 5 %.
- Ein 150/5-Stromwandler der Klasse 0.5 läuft tagsüber bei 53 % bis 80 % und nachts bei 10 %. Die Spitze von 250 A entspricht 167 % Nennstrom. Wählen Sie deshalb eine Ausführung mit 200 % erweitertem Nennstrombereich.
Sowohl der 400/5-Wandler der Klasse 0.5S als auch der 150/5-Wandler mit erweitertem Bereich sind hier vertretbar. Der 400/5-Wandler der Klasse 0.5 ist es nicht, wenn die nächtliche Grundlast wichtig ist.
Späterer Lastzuwachs
Wächst ein Stromkreis künftig von 100 auf 180 A, erspart ein 200/5-Stromwandler einen Austausch. Bei heute 100 A läuft er mit 50 % seines Nennstroms im genauesten Bereich jeder Klasse. Das Risiko ist eine niedrige Grundlast. Bei 10 A sind es 5 %; hier erlaubt Klasse 0.5 ±1,5 % und Klasse 0.5S ±0,75 %.
Genauigkeitsklasse
Für Messstromwandler legt IEC 61869-2 (5.6.201.3, Tabellen 201 und 202) bei Nennfrequenz und einer Bürde zwischen 25 % und 100 % der Nennausgangsleistung diese Grenzen fest:
| Klasse | Fehler bei Anteil des Nennstroms | 1 % | 5 % | 20 % | 100 % | 120 % |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 | Verhältnisfehler | nicht spezifiziert | ±1,5 % | ±0,75 % | ±0,5 % | ±0,5 % |
| 0.5 | Phasenverschiebung | nicht spezifiziert | ±90′ | ±45′ | ±30′ | ±30′ |
| 0.5S | Verhältnisfehler | ±1,5 % | ±0,75 % | ±0,5 % | ±0,5 % | ±0,5 % |
| 0.5S | Phasenverschiebung | ±90′ | ±45′ | ±30′ | ±30′ | ±30′ |
| 0.2S | Verhältnisfehler | ±0,75 % | ±0,35 % | ±0,2 % | ±0,2 % | ±0,2 % |
| 0.2S | Phasenverschiebung | ±30′ | ±15′ | ±10′ | ±10′ | ±10′ |
S-Klassen erreichen dieselben Grenzen schon bei niedrigerem Strom. Die Grenze der Klasse 0.5S bei 1 % entspricht der Grenze der Klasse 0.5 bei 5 %; ihre Grenze bei 5 % entspricht Klasse 0.5 bei 20 %. Das ist für Stromkreise mit langer Teillast wichtig, etwa Beleuchtung, nächtliche HLK-Lasten und Reservestromkreise.
Die Phasenverschiebung kann bei niedrigem Leistungsfaktor stärker ins Gewicht fallen als der Verhältnisfehler. Der relative Fehler der Wirkleistung entspricht näherungsweise dem Phasenfehler in Radiant multipliziert mit tan φ. Bei Nennstrom darf ein Stromwandler der Klasse 0.5 um 30′ oder 0,5° abweichen. Bei Leistungsfaktor 0,5 ergibt das etwa 1,5 % Fehler in kW, das Dreifache seiner Verhältnisfehlergrenze. Bei 5 % Nennstrom und demselben Leistungsfaktor erlaubt die Grenze von 90′ ungefähr 4,5 %.
Die Wandlerklasse gilt nur für den Stromwandler. Der Zähler hat eine eigene Klasse, beispielsweise nach IEC 62053-22 für transformatorbetriebene Wirkenergiezähler. Die Fehler beider Komponenten summieren sich; keine der beiden Klassen allein belegt die Genauigkeit der Installation oder die Eignung für eine Abrechnung. Der Begriffsleitfaden von Beckhoff erklärt Datenblattbegriffe.
Die Klassengrenzen gelten nur bei Nennfrequenz. Auf der Versorgungsseite eines drehzahlgeregelten Antriebs oder Wechselrichters enthält der Strom Oberschwingungen, zum Beispiel die fünfte und siebte bei 250 und 350 Hz in einem 50-Hz-System. Fragen Sie nach dem Frequenzgang, wenn Oberschwingungsleistung relevant ist. Messen Sie einen Antrieb auf seiner Versorgungsseite. Sein Ausgang hat veränderliche Frequenz; bei niedriger Frequenz kommt ein Eisenkern der Sättigung näher.
Ein Messstromwandler kann zusätzlich einen Instrumentensicherheitsfaktor FS 5 oder FS 10 haben (5.6.201.6). Beim FS-Fachen des Primärnennstroms und bei Nennbürde erreicht sein Gesamtfehler 10 %. Darüber steigt der Sekundärstrom nicht mehr proportional, was den Zähler bei einem Fehler schützt. Ist die tatsächliche Bürde deutlich kleiner als die Nennbürde, folgt der Wandler einem größeren Fehlerstrom, bevor er sättigt.
Bürde
Die Bürde belastet den Sekundärkreis: Zählereingang, Leitungen sowie alle Klemmen und Prüfblöcke. Datenblätter geben sie bei Sekundärnennstrom in VA an (VA = I² × Z). IEC 61869-2 nennt Nennausgangsleistungen von 2,5, 5, 10, 15 und 30 VA.
Die Klassengrenzen gelten zwischen 25 % und 100 % Nennausgangsleistung. Oberhalb der Nennausgangsleistung steigt der Kernfluss und damit besonders bei großem Strom der Verhältnis- und Phasenfehler. Unter 25 % liegt der Stromwandler außerhalb seines geprüften Bereichs. Ein 15-VA-Wandler an einem elektronischen Zähler mit 0,5 VA und kurzen Leitungen liegt deutlich unter dem Minimum von 3,75 VA. Wählen Sie eine kleinere Nennausgangsleistung oder einen Wandler mit erweitertem Bürdenbereich nach 5.6.201.4, bei dem die Klasse von 1 VA bis zur Nennausgangsleistung (höchstens 15 VA) gilt.
Die Bürde der Leitungsschleife bei Sekundärnennstrom ist I² × R. Bei 5 A ergeben zusätzliche 0,1 Ω Schleifenwiderstand 2,5 VA. Ein Zähler 15 m von einem 200/5-Stromwandler entfernt hat bei einer Leitung aus 2,5 mm² Kupfer eine Schleife von 30 m mit etwa 0,207 Ω bei 20 °C. Das sind 5,2 VA. Mit 1 VA am Zählereingang ergeben sich 6,2 VA und damit mehr als die Nennbürde von 5 VA:
Es gibt drei Lösungen. Mit 4-mm²-Sekundärleitungen hat die Schleife 0,129 Ω und insgesamt 4,2 VA. Ein 10-VA-Stromwandler verträgt 6,2 VA und bleibt zugleich oberhalb von 2,5 VA Mindestbürde. Ein 1-A-Sekundärausgang mit denselben 2,5-mm²-Leitungen ergänzt nur 0,21 VA, sofern der Zähler einen 1-A-Eingang hat. Auch beim Verlängern einer vorhandenen Sekundärleitung muss die Schleife neu berechnet werden. Nutzen Sie den Leiterwiderstandsrechner und prüfen Sie die Gesamtbürde mit dem Rechner für Wandlerverhältnis und Bürde.
Physischer Sitz und Polarität
Messen Sie vor der Auswahl der Öffnung den fertigen Außendurchmesser des Kabels einschließlich Isolierung. Die nominelle Leiterfläche liefert diesen Wert nicht. Der Leitergrößen-Leitfaden erläutert den Unterschied. Bei Sammelschienen prüfen Sie Breite und Dicke gegen die rechteckige Wandleröffnung. Prüfen Sie auch die Außenabmessungen des Wandlers gegen die Abstände zwischen Phasen und zum Gehäuse.
Bei parallelen Kabeln einer Phase führen Sie alle durch einen Wandler oder messen jedes Kabel getrennt und addieren die Werte im Zähler. Führen Sie niemals zwei Phasen oder eine Phase zusammen mit dem Neutralleiter durch denselben Stromwandler. Er würde ihre Summe, also einen Reststrom statt der Last, messen.
Montieren Sie jeden Wandler mit P1 beziehungsweise dem Pfeil zur Einspeiseseite und verbinden Sie S1 und S2 mit den passenden Zählerklemmen. Verdrahtungsfehler hinterlassen typische Muster:
- Ein umgekehrt montierter Wandler zeigt auf dieser Phase negative Leistung. Bei einer symmetrischen Dreiphasenlast beträgt der Gesamtwert ungefähr ein Drittel des tatsächlichen Werts.
- Ein Stromwandler an der Spannung der falschen Phase zeigt einen für die Last unpassenden Leistungsfaktor. Bei einer ohmschen Last liest man etwa 0,5 und eine negative Leistung in Höhe ungefähr der halben tatsächlichen Leistung.
Prüfen Sie Vorzeichen und Leistungsfaktor jeder Phase gegen die Last und vergleichen Sie den Strom mit einer Stromzange.
Sicherheit
Bei einem Stromwandler mit Spannungsausgang liegt die Bürde im Gehäuse. Eine getrennte Ausgangsleitung erzeugt deshalb nicht die hohe Spannung eines offenen Stromsekundärkreises, sofern die interne Bürde intakt ist. Befolgen Sie die Verdrahtungshinweise für den genauen Sensor.
Spannungsfestigkeit
Die Isolierung des Stromwandlers muss zur Netzspannung und zum Einbauort passen. IEC 61010-1 ordnet Messungen am Hausanschluss vor der Hauptüberstromschutzeinrichtung in CAT IV und Messungen in Verteilungen oder festen Installationen in CAT III ein (Continental Control Systems). Bei einem Stromwandler um eine blanke Sammelschiene hängt die Isolierung von seiner eigenen Konstruktion ab. Prüfen Sie seine Bemessungsisolationsspannung gegen die Sammelschienenspannung.
Checkliste zur Stromwandlerauswahl
- Prüfen Sie die akzeptierten Sensoreingänge des Zählers: 1 A, 5 A, 333 mV oder Rogowski.
- Erfassen Sie den kleinsten, normalen und höchsten Strom jedes Stromkreises.
- Wählen Sie Verhältnis und Klasse so, dass der kleinste relevante Strom innerhalb einer spezifizierten Fehlergrenze und die Spitze innerhalb von 120 % oder der erweiterten Nennstromgrenze liegt.
- Prüfen Sie den thermischen Kurzzeitstrom gegen den Fehlerstrom am Einbauort.
- Messen Sie den fertigen Kabeldurchmesser oder die Sammelschienengröße und prüfen Sie Öffnung und Platz in der Verteilung.
- Addieren Sie bei einem Stromausgang die Bürde des Zählers und der Leitungsschleife in VA und halten Sie die Summe zwischen 25 % und 100 % der Nennausgangsleistung.
- Prüfen Sie Bemessungsisolationsspannung und Messkategorie für den Einbauort.
- Prüfen Sie bei Inbetriebnahme Polarität und Phasenzuordnung jedes Wandlers anhand der Messwerte.
Stromsensoren für EpiSensor-Monitore
Ein ZEM-Strommonitor wird mit angeschlossenen und gemeinsam mit dem Zähler kalibrierten Stromsensoren geliefert. Klasse 0.5S nach IEC 62053-22 umfasst daher Zähler und Sensoren zusammen. Stromwandlerverhältnis, Bürde und Klasse müssen am Standort nicht zugeordnet werden. Wählen Sie die Sensoroption: Klappkern-Stromwandler mit 14-mm-Öffnung für Stromkreise bis 120 A oder Rogowski-Spulen für 300 A, 1000 A und 3000 A. Der ZEM integriert das Rogowski-Signal selbst; ein separates Integrationsglied ist nicht nötig.
Die Stromwandlerauswahl erstellt aus Strombereich, Abmessungen des isolierten Leiters, Montagezugabe und Zählereingang zunächst ein allgemeines Auswahlprofil. Einen Kandidaten können Sie daran prüfen. Bei diesem 14-mm-Kabel verlangt eine Zugabe von 2 mm auf jeder Seite eine runde Öffnung von 18 mm:
Der optionale EpiSensor-Abgleich vergleicht das Profil mit veröffentlichten ZEM- oder ZDR-Optionen. Er erteilt keine Freigabe für den Montagezugang, die Genauigkeit bei kleinem Strom oder den Anschluss eines Sensors eines Drittanbieters. Polarität und Phasenzuordnung müssen bei der Inbetriebnahme weiterhin geprüft werden. Wenn die geeignete Option unklar ist, sprechen Sie mit einem Ingenieur und nennen Sie Stromprofil und Leiterabmessungen.
Drahtlose Stromsensoren und Stromzangen anderer Anbieter finden Sie in der Stromwandlerkategorie des Geräteverzeichnisses, jeweils mit dokumentierten Messwerten und Anschlussweg zu Edge.