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Ratgeber

Wissenswertes zu Stromwandlern

Stromwandler kommen dann zum Einsatz, wenn hohe Ströme zu messen sind. Diese werden zu kleineren Strömen transformiert und können für Messzwecke oder zum Auslösen von Schutzeinrichtungen verwendet werden. Stromwandler finden sich in Stromzählern, Leistungsmessern sowie Fehlerstromschutzeinrichtungen in Stromverteilungen, Schaltgeräten und Bedienpulten wieder. Wie Stromwandler funktionieren und was beim Einsatz zu beachten ist, erfahren Sie hier.



Was ist ein Stromwandler?

Ein Stromwandler ist eine Art von Transformator. Er dient zur Reduzierung oder Vervielfachung eines Wechselstroms und erzeugt in seiner Sekundärseite einen zur Primärseite proportionalen Strom.

Stromwandler gehören zusammen mit Spannungs- oder Potenzialwandlern zu den Messwandlern. Diese skalieren die großen elektrischen Werte auf kleine, genormte Werte, die für Messgeräte und Schutzrelais leicht zu handhaben sind. Messwandler trennen die Mess- oder Schutzkreise von der Hochspannung des Primärsystems. Ein Stromwandler liefert somit einen gegenüber dem Primärkreis exakt proportionalen Sekundärstrom und ist dabei eine vernachlässigbare Last für den Primärkreis.



Funktion eines Stromwandlers

Klassische Transformatoren besitzen eine Primärwicklung, einen Kern beziehungsweise einen Luftspalt und eine Sekundärwicklung. Während die physikalischen Prinzipien die gleichen sind, unterscheiden sich die Details eines „Strom“-Wandlers im Vergleich zu einem „Spannungs“-Wandler aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen. Ein Stromtransformator ist so konzipiert, dass er ein genaues Verhältnis zwischen den Strömen in seinem Primär- und Sekundärkreis über einen definierten Bereich aufrechterhält.

Der Wechselstrom im Primärkreis erzeugt im Kern ein magnetisches Wechselfeld, das dann im Sekundärkreis einen Wechselstrom induziert. Der Primärkreis bleibt durch den Einbau des Wandlers weitgehend unbeeinflusst. Genaue Wandler benötigen eine enge Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite, um sicherzustellen, dass der Sekundärstrom über einen weiten Strombereich proportional dem Primärstrom folgt.

Wandler werden durch ihr Stromverhältnis von der Primär- zur Sekundärseite spezifiziert. Der sekundäre Nennstrom ist normalerweise auf 1 oder 5 Ampere genormt. Zum Beispiel liefert eine 4000:5 Sekundärwicklung einen Ausgangsstrom von 5 Ampere, wenn der Eingangsstrom an der Primärwicklung 4000 Ampere beträgt.

Gängige Messbereiche liegen bei 100 Ampere Wechselstrom auf der Primärseite, auf der Sekundärseite stehen dann etwa 20 Milliampere Gleichstrom zur Verfügung.



Welche Bauarten gibt es?

Aufsteck-Stromwandler

Diese Geräte besitzen eine Fensteröffnung, durch die der zu messende Leiter geführt wird. Da beim Einbau der Primärleiter unterbrochen werden muss, kommt diese Bauform überwiegend bei der Neuinstallation von elektrischen Anlagen zum Einsatz. Die Montage ist für Leiter sowie Stromschienen möglich.



Kabelumbau-Stromwandler

Kabelumbau-Stromwandler verfügen über teilbare Kernhälften und kommen meist dann zum Einsatz, wenn eine Unterbrechung des Strompfades nicht ohne größeren Aufwand möglich ist. Der Stromwandler wird um den Leiter herumgelegt. So ist ein unkompliziertes Nachrüsten möglich und der Wandler lässt sich auch einfach wieder entfernen.


Mehrpolige Stromwandler

Mehrpolige Stromwandler (auch mehrphasig genannt) verfügen über zusätzliche oder erweiterte Öffnungen. Dadurch können mehrere Leiter durch jeweils ein Ringkerninnenloch (Leiterdurchführung) gesteckt werden. Diese Wandler summieren den Strom der Leiter, was für Differenzstrommessungen und Sicherheitseinrichtungen vorteilhaft ist.


Wickel-Stromwandler

Wickel-Stromwandler haben auf beiden Seiten Anschlüsse und werden bei kleinen Stromstärken (kleiner als 20 A) verwendet.



Einsatzbereiche von Stromwandlern

Messwandler dienen in großem Umfang zur Strommessung und zur Überwachung des Betriebes des Stromnetzes. Zusammen mit Spannungsleitern treiben sie beispielsweise den Wattstundenzähler des Stromversorgers an.

Oft sind mehrere Geräte als „Stapel“ für verschiedene Zwecke installiert. So können beispielsweise Schutzinstallationen und die Ertragsmessung separate Messgeräte verwenden, um eine Isolierung zwischen Mess- und Schutzschaltungen zu gewährleisten. Außerdem ermöglicht die Kombination von Stromwandlern unterschiedliche Messmethoden wie zur Genauigkeit des Stromflusses oder zum Überlastverhalten.



Messgenauigkeit

Die Genauigkeit eines Stromwandlers wird von einer Reihe von Faktoren beeinflusst, darunter externe elektromagnetische Felder, Temperatur und der Widerstand von Primär- und Sekundärseite. Norm-Genauigkeitsklassen für verschiedene Messarten und bei Standardlasten im Sekundärkreis sind in der IEC 61869-1 als Klassen 0,1, 0,2s, 0,2, 0,5, 0,5s, 1 und 3 definiert.

Die Klassenbezeichnung ist ein ungefähres Maß für die Genauigkeit des Stromwandlers. Der Verhältnisfehler vom Primär- zum Sekundärstrom eines Stromwandlers der Klasse 1 beträgt 1 Prozent bei Nennstrom; der Verhältnisfehler eines Stromwandlers der Klasse 0,5 beträgt 0,5 Prozent oder weniger. Phasenfehler sind ebenfalls wichtig, insbesondere in Leistungsmesskreisen. Jede Klasse besitzt einen zulässigen maximalen Phasenfehler für eine bestimmte Lastimpedanz.

Stromwandler, die für Schutzrelais verwendet werden, verfügen auch über Genauigkeitsanforderungen bei Überlastströmen, die über der normalen Nennleistung liegen. Damit stellen sie eine genaue Leistung der Relais bei Systemfehlern sicher.



Installation und Auswahl eines Stromwandlers

Vor der Installation muss die Anlage spannungsfrei geschalten werden und gegen Wiedereinschalten gesichert sein. Da bei Einsatz von Stromwandlern sehr hohe und damit lebensgefährliche Ströme fließen, ist es erforderlich, dass nur Elektrofachkräfte die Installation vornehmen.

Stromwandler besitzen unterschiedliche Anschlussarten auf der Sekundärseite. Neben Bauarten mit einem Kabelanschluss und Schraubanschluss gibt es auch Stromwandler, die mittels Federzugklemmen, Schraubklemmen oder Steckklemmen anzuschließen sind. Welche Anschlussart am besten geeignet ist, hängt von der Anwendung ab: Müssen Messgeräte oder Messleitung oft an- oder abgeklemmt werden, so eignen sich Federzug- und Steckklemmen. Bei festem Anschluss an Sicherheitseinrichtungen bieten sich Schraubanschlüsse an.

Der Sekundärkreis des Stromwandlers sollte auf keinen Fall offen sein, wenn an der Primärseite noch Strom fließt. Bei diesem Betriebszustand entstehen an den Sekundärklemmen hohe Spannungen durch Induktion. Damit stellt der Stromwandler eine Spannungsquelle dar und ist daher ein Risiko für Personen sowie die Funktionssicherheit des Gerätes. Daher muss immer eine Last am Wandler anliegen – oder er muss kurzgeschlossen werden.

Stromwandler verfügen über eine oder mehrere Fensteröffnungen (mehrpolige Stromwandler). Diese sind kreisrund, quadratisch, oft auch kombiniert und werden auch als Leiterdurchführung bezeichnet. Übliche Größen liegen zwischen 18 mm und 50 mm. Welche Größe die Fensteröffnung haben sollte, hängt vom gegebenen Durchmesser des elektrischen Leiters beziehungsweise den Abmessungen der Stromschiene ab. Im Zweifelsfall finden sich konkrete Daten zum Anschluss im Datenblatt des Herstellers.

Für genaue Messungen ist die Genauigkeitsklasse des Stromwandlers wichtig. Die Klasse gibt den prozentualen Fehler an. So hat beispielsweise die Klasse 0,5 einen maximal zulässigen Fehler von 0,5 Prozent. Dabei beziehen sich die Werte auf 100 bis 120 Prozent des primären Bemessungsstroms. Ist der fließende Strom deutlich kleiner als der Primärstrom, so führt dies zu einer großen Messunsicherheit und ist damit zu vermeiden. Der Bemessungsstrom wird oft als Eingangsstrom primärseitig und sekundärseitig als Ausgangsstrom bezeichnet oder als Verhältnis angegeben. Der Nennstrom gibt den Wechselstrom an, der dauerhaft anliegen darf und ist meist gleich dem Bemessungsstrom angegeben.

Die meisten Stromwandler verfügen über nur eine Primärwindung, die den Leiter durch den Wandler darstellt. Dabei gilt: Umso mehr Sekundärwicklungen, desto kleiner der Sekundärstrom. Die genauen Verhältnisse lassen sich aus dem Datenblatt entnehmen, welches oft auch Wertepaare in Tabellen zur Verfügung stellt.

Die Preise für die herkömmliche Wandler liegen in der Regel bei etwa 100 Euro. Spezielle Stromwandler können mehrere Hundert Euro kosten. Dabei handelt es sich dann um Geräte, die für sehr hohe Ströme (bis zu 5000 bis 6000 A) und hohe Leistungen (70 Voltampere – VA) ausgelegt sind.



Fazit

Welche Stromwandler eingesetzt werden können, hängt im Wesentlichen vom jeweiligen Anwendungsszenario ab: Bei der Neuinstallation einer elektrischen Anlage kommen häufig Aufsteck-Stromwandler zum Einsatz. Beim Nachrüsten werden Kabelumbau-Stromwandler mit teilbaren Kernhälften verwendet.

Entscheidend für die Auslegung ist die primärseitige Stromstärke, elektrische Eigenschaften der sekundärseitig angeschlossenen Messgeräte oder Bauteile sowie Genauigkeitsklassen. Des Weiteren sollte vor dem Kauf überprüft werden, ob die Größe der Fensteröffnung ausreichende Abmaße für den Leiter oder die Schiene hat.

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