Ein Stromwandler ist ein Messwandler, der einen kleinen Sekundärstrom in festem Verhältnis zum Strom in einem Leiter liefert. Ein Wandler 400/5 zum Beispiel gibt an seinen Sekundärklemmen 5 A ab, wenn 400 A durch ihn fließen; so kann ein Zähler oder ein Schutzrelais einen großen Strom mit einem kleinen Eingang messen, getrennt von der Spannung des Stromkreises. Der Leiter führt durch den Kern des Wandlers und wirkt als Primärwicklung mit einer Windung; die Sekundärwicklung hat viele Windungen, und das Windungsverhältnis bestimmt das Stromverhältnis. Stromwandler sitzen in Hauptverteilungen, Unterverteilungen und Umspannwerken überall dort, wo ein Strom zu groß ist, um direkt durch einen Zähler zu fließen.
So funktioniert ein Stromwandler
Der Strom im Primärleiter erzeugt im Kern einen magnetischen Wechselfluss. Der Fluss induziert eine Spannung in der Sekundärwicklung, und weil der Sekundärkreis über den Zähler geschlossen ist, fließt ein Sekundärstrom. Dieser Strom erzeugt einen Gegenfluss. In einem idealen Wandler heben sich beide genau auf, und die Amperewindungen sind im Gleichgewicht:
Ip × Np = Is × Ns
Mit einer einzigen Primärwindung (das Kabel führt einmal durch einen Ringkernwandler) ist der Sekundärstrom der Primärstrom geteilt durch die Zahl der Sekundärwindungen. Ein Wandler 400/5 hat also 80 Sekundärwindungen. Führt man das Kabel zweimal durch das Fenster, verdoppeln sich die Primär-Amperewindungen, und derselbe Wandler verhält sich wie 200/5. So lässt sich ein Standardwandler an einer kleinen Last einsetzen, sofern das Fenster Platz für die zusätzliche Windung hat.
Ein Stromwandler ist eine Stromquelle. Er treibt den Strom, den das Verhältnis verlangt, durch den Sekundärkreis und baut dafür gerade so viel Spannung auf wie nötig. Mit einem 5-A-Sekundärkreis und einer Gesamtbürde von 4,4 VA beträgt die Sekundärspannung bei Nennstrom 4,4 ÷ 5 = 0,88 V. Eine höhere Bürde braucht mehr Spannung, mehr Fluss und mehr Magnetisierungsstrom, und daher kommen die Fehler.
Übersetzungs- und Phasenfehler
Ein realer Wandler braucht einen Teil der Primär-Amperewindungen, um seinen Kern zu magnetisieren. Dieser Magnetisierungsstrom erreicht den Sekundärkreis nie; der Sekundärstrom ist deshalb etwas kleiner, als das Verhältnis erwarten lässt, und etwas in der Phase verschoben. Die beiden Fehler sind:
| Fehler | Definition | Wirkung auf einen Zähler |
|---|---|---|
| Übersetzungsfehler (Stromfehler) | (Kn × Is − Ip) ÷ Ip in Prozent, wobei Kn die Nennübersetzung ist | Strom, Leistung und Energie werden etwa um diesen Prozentsatz zu niedrig oder zu hoch gemessen |
| Fehlwinkel | Der Winkel zwischen Primär- und Sekundärstrom in Bogenminuten | Fehler bei Leistung und Energie, die mit sinkendem Leistungsfaktor wachsen |
Bei kleinem Strom macht der Magnetisierungsstrom einen größeren Anteil aus; deshalb erlauben die Genauigkeitsklassen bei 5 % des Nennstroms größere Fehler als bei 100 %. Er steigt mit der Bürde; deshalb verliert ein Wandler, der über seine Nennleistung in VA hinaus belastet wird, an Genauigkeit. Ein Luftspalt wie beim Klappwandler (Aufsteckstromwandler) erhöht ihn weiter. Der Leitfaden zur Auswahl von Stromwandlern nennt die Grenzwerte der IEC 61869-2 für jede Klasse und jeden Strom.
Bürde und Sekundärkreis
Die Bürde ist alles, was am Sekundärkreis hängt: der Zählereingang, die Leitungen und jede Klemme und jeder Prüfblock in der Schleife. Sie wird in VA bei Sekundärnennstrom angegeben (VA = Is² × R bei ohmscher Bürde). Oft ist die Leitungsschleife der größte Anteil. Ein Wandler 400/5, der einen Zähler mit 1 VA Eingangsbürde über je 10 m Kupferleitung 2,5 mm² speist, hat eine Schleife von 20 m mit etwa 0,138 Ω; das ergibt bei 5 A zusätzlich 25 × 0,138 = 3,4 VA:
Die Summe von 4,4 VA passt zu einem 5-VA-Wandler. Dieselben Leitungen an einem 1-A-Sekundärkreis fügen nur 0,14 VA hinzu, weil der Verlust mit dem Quadrat des Stroms fällt; deshalb sprechen lange Leitungen zum Zähler für 1-A-Wandler. Stromwandler mit 333-mV-Ausgang umgehen die Frage: Der Bürdenwiderstand sitzt im Wandler, und der Zählereingang ist ein hochohmiger Spannungseingang.
Die Übersetzung als Multiplikator: ein Rechenbeispiel
Ein Zähler an einem Wandler 400/5 misst an seinem Sekundäreingang 3,2 A. Die Übersetzung Kn ist 400 ÷ 5 = 80, der Primärstrom also 3,2 × 80 = 256 A. Ist derselbe Zähler auf Sekundärwerte eingestellt, wird auch jeder Leistungs- und Energiewert mit 80 multipliziert: 1,5 kWh im Sekundärregister sind 120 kWh im Stromkreis. Die meisten Zähler lassen die Eingabe der Wandlerübersetzung zu und wenden den Multiplikator selbst an. Eine falsche Übersetzung im Zähler ist einer der häufigsten Inbetriebnahmefehler, weil die Werte plausibel aussehen. Der Leitfaden zu Wandlerzählern erklärt den Multiplikator bei Wandlerzählern und wie man ihn mit einer Zangenmessung prüft.
Bauarten von Stromwandlern
| Bauart | Aufbau | Einsatz |
|---|---|---|
| Ringkern- oder Durchsteckwandler | Ein geschlossener Kern nur mit Sekundärwicklung; Kabel oder Stromschiene bilden die Primärseite | Niederspannungs-Hauptverteilungen und Unterverteilungen |
| Klappwandler (Aufsteckstromwandler) | Ein Ring, der sich um einen spannungsführenden Leiter öffnen lässt | Nachrüstung der Messung ohne Abschaltung |
| Stabstromwandler | Ein Ring mit eingebauter Stromschiene als Primärleiter | Schaltanlagen im Schaltschrankbau |
| Wandler mit gewickelter Primärseite | Eine Primärwicklung mit mehreren Windungen für kleine Nennströme | Kleine Nennströme, etwa 5 A bis 50 A |
| Durchführungswandler | Ein Ringwandler um die Durchführung eines Transformators oder Leistungsschalters | Mittel- und Hochspannungsanlagen |
| Summenstromwandler | Addiert die Sekundärströme mehrerer Wandler zu einem Ausgang | Ein Zähler für mehrere Abgänge |
| Kleinsignalwandler (mV-Ausgang) | Ein Ring- oder Klappwandler mit eingebauter Bürde und Spannungsausgang, etwa 333 mV | Unterzählung und Monitore mit Spannungseingängen |
Eine Rogowski-Spule misst ebenfalls Strom um einen Leiter, hat aber keinen Eisenkern, kann nicht in Sättigung gehen und liefert eine Spannung proportional zur Änderungsrate des Stroms. IEC 61869-10 behandelt sie als passiven Kleinsignal-Stromwandler mit Luftkern, doch sie verhält sich anders als ein Wandler mit Eisenkern: Ihr Ausgangssignal muss vom Zähler oder einem eigenen Integrator integriert werden, um den Strom zu ergeben.
Messstromwandler und Schutzstromwandler
| Messstromwandler | Schutzstromwandler | |
|---|---|---|
| Zweck | Genaue Abrechnung und Überwachung bei normaler Last | Richtiges Ansprechen der Relais bei Fehlern |
| Genauigkeitsbereich | Von 1 % oder 5 % bis 120 % des Nennstroms | Bis zum Genauigkeitsgrenzfaktor, etwa dem 10- oder 20-fachen Nennstrom |
| Typische Klassen (IEC 61869-2) | 0,2S, 0,5S, 0,5, 1 | 5P10, 5P20, 10P10; PX für Anwendungen mit festgelegtem Kniepunkt |
| Verhalten bei Fehlerstrom | Geht früh in Sättigung, begrenzt durch den Überstrom-Begrenzungsfaktor (FS 5, FS 10), um den Zähler zu schützen | Bleibt linear, damit das Relais den tatsächlichen Strom sieht |
Ein Wandler der Klasse 5P10 hat bis zum 10-fachen Nennstrom bei Nennbürde einen Gesamtfehler von höchstens 5 %. Der Kniepunkt ist der Punkt auf der Magnetisierungskennlinie, an dem eine Spannungserhöhung um 10 % eine Erhöhung des Magnetisierungsstroms um 50 % erfordert: Darüber geht der Kern in Sättigung. Verwenden Sie für das Energiemonitoring Messstromwandler und überlassen Sie Schutzstromwandler den Schutzrelais.
Sicherheit und Polarität
Öffnen Sie nie den Sekundärkreis eines 1-A- oder 5-A-Wandlers, solange Primärstrom fließt. Ohne Sekundärstrom als Gegenspieler treiben die vollen Primär-Amperewindungen den Kern in die Sättigung, und die Sekundärwicklung erzeugt Spannungsspitzen, die Hunderte oder Tausende Volt erreichen können. Sehen Sie eine Kurzschlussklemme oder einen Prüfblock vor, damit der Sekundärkreis vor dem Ausbau eines Zählers kurzgeschlossen werden kann, und erden Sie jeden Sekundärkreis an genau einem Punkt, meist an S2 oder am Sternpunkt.
Für Leistung und Energie zählt die Polarität. Die Primärklemme P1 (bei älteren Wandlern K) zeigt zur Einspeisung, und die Sekundärklemme S1 (k) geht auf den Stromeingang des Zählers. Ein verkehrt herum eingebauter Wandler ergibt auf dieser Phase eine negative Leistung, und zwischen den Phasen vertauschte Wandler ergeben einen falschen Leistungsfaktor. Der Leitfaden zu negativer Leistung zeigt, wie man beides an den Messwerten erkennt.
Stromwandler bei EpiSensor
Der ZEM-Strommonitor wird mit seinen Stromsensoren geliefert, Klappwandlern bis 120 A oder Rogowski-Spulen bis 3000 A, bereits angeschlossen und kalibriert; die Übersetzung ist also ab Werk eingestellt, und Zähler und Sensoren werden als eine Messkette geprüft. Das Werkzeug Stromwandler-Auswahl findet den Sensor, der um einen Leiter passt, und der Leitfaden zu Leitergröße und Wandleröffnung setzt Kabelquerschnitt und Öffnung in Beziehung. Sind vorhandene Stromwandler bereits an einen Zähler angeschlossen, lesen Sie stattdessen den Zähler aus, über Modbus oder seinen Impulsausgang.
Häufige Fragen
Was macht ein Stromwandler?
Er setzt einen großen Wechselstrom in einem festen Verhältnis, etwa 400 A zu 5 A, auf einen kleinen Strom herab, den ein Zähler oder ein Relais sicher messen kann. Außerdem trennt er das Messgerät galvanisch von der Spannung des Primärleiters; die Zählerverdrahtung führt also wenige Ampere bei wenigen Volt statt des vollen Stroms bei Netzspannung.
Wie funktioniert ein Stromwandler?
Der Primärstrom erzeugt im Kern einen magnetischen Fluss. Der Fluss induziert in der Sekundärwicklung einen Strom, der durch den Zähler fließt und einen Gegenfluss erzeugt. Im Gleichgewicht ist Primärstrom mal Primärwindungen gleich Sekundärstrom mal Sekundärwindungen; ein Wandler mit einer Primär- und 80 Sekundärwindungen liefert also 5 A, wenn 400 A im Kabel fließen.
Was ist die Übersetzung eines Stromwandlers?
Das Verhältnis von primärem zu sekundärem Nennstrom, geschrieben etwa 400/5 oder 400:5. Es ist zugleich der Multiplikator: Ein Zähler, der am Sekundärkreis eines Wandlers 400/5 3,2 A misst, misst im Primärkreis 3,2 × 80 = 256 A. Auf der Sekundärseite gemessene Leistung und Energie werden mit demselben Faktor multipliziert.
Warum darf der Sekundärkreis eines Stromwandlers nie offen sein?
Bei offenem Sekundärkreis wirkt kein Sekundärstrom dem Primärfluss entgegen, also magnetisieren die gesamten Primär-Amperewindungen den Kern. Der Kern geht in Sättigung, und an der Sekundärwicklung entstehen Spannungsspitzen von Hunderten oder Tausenden Volt. Das ist eine Stromschlag- und Brandgefahr und kann den Wandler beschädigen. Schließen Sie den Sekundärkreis mit einer Kurzschlussklemme oder einem Prüfblock kurz, bevor Sie einen Zähler abklemmen.
Was ist der Unterschied zwischen Stromwandler und Spannungswandler?
Ein Stromwandler liegt in Reihe mit der Last und bildet den Strom nach; sein Sekundärkreis arbeitet nahezu im Kurzschluss. Ein Spannungswandler liegt parallel zur Versorgung und bildet die Spannung nach; sein Sekundärkreis arbeitet auf eine hohe Impedanz und darf nie kurzgeschlossen werden. Niederspannungszähler werden meist direkt an die Spannung angeschlossen und brauchen nur Stromwandler.
Was ist der Unterschied zwischen Messstromwandler und Schutzstromwandler?
Ein Messstromwandler (Wandler mit Messkern), etwa Klasse 0,2S bis 1, ist von wenigen Prozent bis 120 % des Nennstroms genau und geht kurz darüber in Sättigung, um den Zähler zu schützen. Ein Schutzstromwandler, etwa Klasse 5P10 oder 10P20, hält seinen Gesamtfehler bis zum 10- oder 20-fachen Nennstrom innerhalb von 5 % oder 10 %, damit ein Relais den tatsächlichen Fehlerstrom sieht. Ein Wandler kann selten beides gut.