Wer einen Zähler an einem bestehenden Stromkreis nachrüstet, muss meist den Strom in einem Kabel messen, das sich nicht abklemmen lässt. Dafür ist ein Klappwandler gebaut, auch Aufsteckstromwandler oder Klappkern-Stromwandler genannt: Sein Kern lässt sich öffnen und um das Kabel schließen. Deshalb sind Klappwandler die übliche Wahl für nachgerüstetes Energiemonitoring und Unterzählung.
Dieser Komfort kostet Genauigkeit, und der Wandler funktioniert nur an einem Zählereingang, der für seinen Ausgang gebaut ist. Dieser Leitfaden erklärt, wie ein Klappwandler funktioniert, was Sie im Datenblatt prüfen, wie Sie ihn montieren und wie Sie ihn prüfen. Der Leitfaden zur Stromwandlerauswahl behandelt Genauigkeitsklassen und Bürde ausführlicher.
So funktioniert ein Stromwandler erklärt Übersetzung, Magnetisierungsstrom und Bürde, die für jeden Stromwandler gelten, ob Klappwandler oder nicht.
So funktioniert ein Klappwandler
Ein Stromwandler ist ein Transformator. Der Leiter in seinem Fenster ist die Primärwicklung mit einer einzigen Windung. Die Sekundärwicklung besteht aus vielen Windungen auf einem Magnetkern. Der Wechselstrom im Leiter magnetisiert den Kern, und der Kern induziert einen proportionalen Sekundärstrom:
Sekundärstrom = Primärstrom ÷ Übersetzungsverhältnis
Ein Stromwandler 200/5 liefert 5 A, wenn im Leiter 200 A fließen, und 3 A bei 120 A. Der Wandler braucht Wechselstrom, um seinen Kern zu magnetisieren. Ein gewöhnlicher Stromwandler misst deshalb keinen Gleichstrom.
Bei einem Klappwandler besteht der Kern aus zwei Teilen. Über ein Scharnier, eine Klammer oder einen separaten Steg lässt er sich öffnen, um den Leiter legen und wieder schließen. Die Trennstelle hinterlässt einen kleinen Luftspalt im magnetischen Kreis. Der Kern braucht dann mehr Magnetisierungsstrom, und dieser Strom ist der Teil des Primärstroms, der nicht auf der Sekundärseite ankommt. Verhältnisfehler und Phasenfehler wachsen beide, am stärksten bei kleinem Strom, wo der Magnetisierungsstrom einen größeren Anteil am Gesamtstrom hat.
Ausgangsarten
Klappwandler gibt es mit drei Arten von Ausgang. Der Eingang des Zählers bestimmt, welchen Sie brauchen:
| Ausgang | Was er liefert | Typischer Zählereingang | Trennen unter Last |
|---|---|---|---|
| Strom, 1 A oder 5 A | Einen Sekundärstrom proportional zum Primärstrom | Stromwandlereingang 1 A oder 5 A; Zähler in Schaltanlagen | Gefährlich: Sekundärkreis zuerst kurzschließen |
| Strom, Milliampere | Einen kleinen Sekundärstrom, zum Beispiel 100 mA bei Nennstrom | Ein Zähler, der für diesen Sensor gebaut ist | Anweisungen des Herstellers befolgen |
| Spannung, meist 333 mV | Eine Spannung über einem Bürdenwiderstand im Wandler, 0,333 V bei Nennstrom | 333-mV-Eingang; Unterzähler und Datenlogger | Sicher, solange die interne Bürde intakt ist |
IEC 61869-2 gilt für Stromwandler mit Stromausgang. IEC 61869-10 gilt für passive Sensoren mit geringer Ausgangsleistung, darunter Stromwandler mit Spannungsausgang. Eine falsche Paarung misst nicht nur falsch. Ein 5-A-Wandler an einem hochohmigen Spannungseingang hat nahezu einen offenen Sekundärkreis und kann eine gefährliche Spannung erzeugen. Ein 333-mV-Wandler an einem 5-A-Eingang sieht beinahe einen Kurzschluss, und der Zähler zeigt nahezu null an.
Klappwandler oder Ringkern-Stromwandler
| Klappwandler | Ringkern-Stromwandler | |
|---|---|---|
| Montage | Schließt sich um ein angeschlossenes Kabel | Leiter muss abgeklemmt und hindurchgeführt werden |
| Luftspalt im Kern | Ja, an der Trennstelle | Nein |
| Genauigkeit bei kleinem Strom | Geringer bei gleicher Größe und Klasse | Besser |
| Empfindlichkeit gegenüber der Montage | Eine verschmutzte oder teilweise offene Trennstelle erhöht den Fehler | Gering |
| Typischer Einsatz | Nachgerüstetes Monitoring, Unterzählung, befristete Messungen | Neue Verteilungen, Messung in Schaltanlagen, Abrechnungsmessung |
Ist der Leiter eine Sammelschiene, eine Gruppe paralleler Kabel oder ein Kabel, das für jedes praktikable Fenster zu groß ist, bleibt als dritte Möglichkeit eine flexible Rogowski-Spule. Sie hat keinen Eisenkern und gerät deshalb nicht in Sättigung, aber ihr kleines Ausgangssignal begrenzt die Genauigkeit bei kleinem Strom.
Was Sie im Datenblatt prüfen
Ausgang und Übersetzungsverhältnis. Der Ausgang muss zum Zählereingang passen, und das Verhältnis muss den Stromkreis abdecken. Prüfen Sie den Primärnennstrom und ob der Wandler einen erweiterten Strombereich über 100 % hat.
Genauigkeitsklasse und die Ströme, für die sie gilt. IEC 61869-2 legt die Grenzen jeder Klasse bei 5 %, 20 %, 100 % und 120 % des Nennstroms fest, die S-Klassen zusätzlich eine Grenze bei 1 %. Ein Wandler der Klasse 1 darf bei Nennstrom ±1 % Verhältnisfehler haben und bei 5 % des Nennstroms ±3 %. Ein Wandler der Klasse 0.5S darf ab 20 % ±0,5 % haben und bei 5 % ±0,75 %. Ein Klappwandler, der bei Nennstrom genau misst, kann an einem Stromkreis, der mit 5 % seines Nennstroms läuft, trotzdem um mehrere Prozent abweichen.
Phasenfehler. Bei Lasten mit niedrigem Leistungsfaktor verursacht die Phasenverschiebung mehr Energiefehler als der Verhältnisfehler. Der Leitfaden zur Stromwandlerauswahl zeigt die Grenzen und ihre Wirkung auf die kW.
Fenstergröße. Messen Sie den fertigen Außendurchmesser des Kabels einschließlich Isolierung. Der Nennquerschnitt des Leiters gibt ihn nicht an. Der Leitfaden zu Leitergröße und Wandleröffnung erklärt, warum.
Isolation und Zulassung. Prüfen Sie die Bemessungsisolationsspannung gegen die Spannung des Leiters, den der Wandler umschließt, besonders an einer blanken Sammelschiene, und die Messkategorie für seine Lage in der Anlage. In Nordamerika gilt für Stromsensoren zum Energiemonitoring in Unterverteilungen und Schaltanlagen UL 2808, die Norm für Geräte zur Energieüberwachung. Prüfen Sie die Zulassung, die Ihre örtlichen Vorschriften verlangen.
Den Wandler für die Last dimensionieren
Wählen Sie den Nennstrom nach dem Strom, den der Stromkreis tatsächlich führt, nicht nach dem Schutzschalter. Eine Zuleitung an einem 400-A-Schalter, die 60 A führt, betreibt einen 400-A-Wandler bei 15 % seines Nennstroms, wo jede Klasse mehr Fehler zulässt als bei Nennstrom. Nachts, bei 20 A, sind es 5 %.
Das Werkzeug Stromwandler auswählen erstellt aus Strombereich, Leitergröße und Zählereingang eine Auswahlvorgabe. Für ein Kabel mit 25 mm Durchmesser, das 20 A bis 120 A führt, mit 2 mm Abstand auf jeder Seite, verlangt es ein rundes Fenster von 29 mm:
Prüfen Sie bei einem Wandler mit Stromausgang auch die Bürde. Zählereingang, Leitungen und jede Klemme im Kreis müssen zusammen zwischen 25 % und 100 % der Nennausgangsleistung des Wandlers bleiben, damit seine Klasse gilt. Der Rechner für Stromwandlerverhältnis und Bürde prüft Arbeitspunkt und Bürde gemeinsam.
Einen Klappwandler montieren
- Prüfen Sie Ausgang, Verhältnis und Fenster des Wandlers gegen den Zählereingang und den Leiter.
- Bestimmen Sie den Leiter und seine Phase. Beschriften Sie Wandler und Zählerkanal mit derselben Phase.
- Öffnen Sie den Kern. Prüfen Sie, ob beide Flächen der Trennstelle sauber und unbeschädigt sind.
- Legen Sie den Wandler nur um einen Leiter oder um alle parallelen Kabel einer Phase. Nie um zwei Phasen oder um eine Phase und ihren Neutralleiter: Der Wandler misst dann deren Summe, die nahe null liegt.
- Richten Sie die Seite P1 zur Einspeisung aus, sodass der Strom von P1 nach P2 zur Last fließt. Trägt der Wandler einen Pfeil, zeigt er die Stromrichtung an und weist zur Last. Folgen Sie der Kennzeichnung am Wandler.
- Schließen Sie den Kern, bis der Verschluss vollständig einrastet. Sichern Sie den Wandler, damit er nicht geöffnet am Kabel hängen kann.
- Halten Sie bei einem Wandler mit Stromausgang den Sekundärkreis kurzgeschlossen, bis der Zähler angeschlossen ist. Verbinden Sie S1 und S2 oder die Ausgangsleitungen mit dem Zählerkanal derselben Phase.
- Stellen Sie im Zähler das Verhältnis oder den Nennstrom des Wandlers ein, sofern Wandler und Zähler nicht als Paar geliefert und kalibriert wurden.
Die Installation prüfen
Prüfen Sie mit dem Stromkreis unter Last. Messen Sie den Primärstrom am selben Leiter mit einer Stromzange und prüfen Sie dann den Ausgang des Wandlers:
- Stromausgang: Der Sekundärstrom ist gleich dem Primärstrom geteilt durch das Verhältnis. Ein Wandler 200/5 an einer Last von 120 A liefert 3,0 A.
- 333-mV-Ausgang: Die Ausgangsspannung ist gleich 0,333 V mal Primärstrom geteilt durch Nennstrom. Ein 100-A-Sensor an einer Last von 42 A liefert etwa 140 mV AC. Messen Sie sie mit einem Multimeter im Millivoltbereich für Wechselspannung.
Prüfen Sie dann den Zähler. Jede Phase muss bei einer Last mit Bezug positive kW zeigen, einen zur Last passenden Leistungsfaktor und einen Strom innerhalb der gemeinsamen Toleranz von Stromzange und Wandler.
| Symptom | Wahrscheinliche Ursache |
|---|---|
| Negative kW auf einer Phase | Wandler verkehrt herum oder seine Ausgangsleitungen vertauscht |
| Etwa die Hälfte des erwarteten Werts, mit Leistungsfaktor nahe 0,5 an einer ohmschen Last | Wandler mit dem Spannungskanal einer anderen Phase gepaart |
| Wert nahe null an einem belasteten Stromkreis | Zwei Leiter in einem Wandler oder das falsche Kabel |
| Wert einige Prozent zu niedrig oder verändert sich, wenn der Wandler bewegt wird | Kern nicht vollständig geschlossen oder Schmutz auf den Flächen der Trennstelle |
| Jeder Wert um denselben Faktor falsch | Falsches Verhältnis im Zähler eingestellt oder falsche Ausgangsart |
Der Leitfaden zur Unterzählung zeigt, wie sich jeder dieser Fehler nach der Inbetriebnahme in den Daten zeigt.
Klappwandler an EpiSensor-Monitoren
Der ZEM-65-Strommonitor wird mit seinen Stromsensoren bestellt. Die Option für 120 A ist ein Klappwandler mit 14-mm-Fenster und 2 m Kabel. Größere Stromkreise nutzen Rogowski-Spulen für 300 A, 1 kA oder 3 kA. EpiSensor schließt die Sensoren an, kalibriert sie vor der Auslieferung mit dem Zähler und gibt für Zähler und Sensoren zusammen Klasse 0.5S nach IEC 62053-22 an. Vor Ort müssen weder Verhältnis noch Bürde noch Ausgangsart abgestimmt werden. Die Montageschritte oben, die Pfeilrichtung und die Phasenbeschriftung gelten trotzdem.
Ein ZEM sendet über das Zigbee-Mesh an ein Gateway mit Edge. Für einen Zähler, der bereits Stromwandler und eine Modbus-Schnittstelle hat, erklärt der Leitfaden zu Drehstromzählern mit Modbus, wie Sie stattdessen diesen Zähler auslesen.
Häufige Fragen
Was ist ein Klappwandler?
Ein Stromwandler, dessen Kern aus zwei Teilen besteht, die aufklappen oder sich trennen lassen, sodass er sich um ein vorhandenes Kabel oder eine Sammelschiene schließt. Er misst den Wechselstrom im umschlossenen Leiter und dient dazu, Energiemonitoring nachzurüsten, ohne den Stromkreis abzuklemmen. Er heißt auch Aufsteckstromwandler oder Klappkern-Stromwandler.
Was ist der Unterschied zwischen einem Klappwandler und einem Ringkern-Stromwandler?
Ein Ringkern-Stromwandler ist ein geschlossener Ring, deshalb muss der Leiter abgeklemmt und hindurchgeführt werden. Ohne Trennstelle hält er seine Genauigkeit bei kleinem Strom besser. Ein Klappwandler öffnet und schließt sich um einen Leiter, der angeschlossen bleibt. Dafür hat er einen Luftspalt im Kern, der den Fehler erhöht, am stärksten bei kleinem Strom.
Sind Klappwandler genau?
Sie können dieselben Genauigkeitsklassen erreichen wie Ringkern-Stromwandler, aber nur nahe ihrem Nennstrom und mit einem Kern, der auf sauberen Flächen geschlossen ist. Vergleichen Sie die angegebene Klasse und die Fehlergrenzen bei 5 % und 20 % des Nennstroms, und dimensionieren Sie den Wandler so, dass die Last, die den größten Teil der Energie trägt, über 20 % seines Nennstroms läuft.
Darf man einen Klappwandler vom Zähler trennen?
Bei einem Wandler mit Spannungsausgang, etwa einem 333-mV-Typ, liegt der Bürdenwiderstand im Gehäuse. Eine offene Ausgangsleitung erzeugt deshalb keine gefährliche Spannung, solange dieser Widerstand intakt ist. Der Sekundärkreis eines Wandlers mit Stromausgang (1 A oder 5 A) darf nie geöffnet werden, während Primärstrom fließt: Schließen Sie ihn zuerst kurz.
Wie prüfe ich einen Klappwandler?
Messen Sie bei belastetem Stromkreis den Primärstrom mit einer Stromzange. Bei einem Wandler mit Stromausgang sollte der Sekundärstrom gleich dem Primärstrom geteilt durch das Wandlerverhältnis sein. Bei einem 333-mV-Wandler sollte die Ausgangsspannung gleich 0,333 V mal Primärstrom geteilt durch Nennstrom sein.