die Leistung, die die Sekundärleitung „verbraucht“. Da diese Leistung zur Berechnung der einzusetzenden Bemessungsleistung des Stromwandlers herangezogen wird, versteht es sich von selbst, dass der hier zur Anwendung kommende Strom der sekundäre Bemessungsstrom sein muss. Die so ermittelte Leistung beträgt P_Lr=1,78 W. Dazu muss die Leistungsaufnahme des Messgeräts von 1,5 VA plus einem Sicherheitszuschlag von viermal 0,1 W für eventuelle Übergangswiderstände an den vier Anschlussklemmen (zwei Klemmen am Wandler, zwei Klemmen am Messgerät) addiert werden. So folgt die vom Wandler zu fordernde Leistung S_b = 3,68 VA . Man wählt die nächste genormte Bemessungsleistung von S_r= 5 VA . Da aber ohnehin die errechnete Leistung auf die nächstgelegene genormte Bemessungsleistung aufgerundet wird, ist übertriebene Genauigkeit hier fehl am Platze. Als Genauigkeitsklasse reicht in diesem Beispiel für eine normale Betriebsmessung die Klasse 1. Mit Rücksicht auf die Belastung des Messkreises im Fehlerfall wird der Überstrom-Begrenzungsfaktor FS 5 gewählt. Da man auch nicht über den gewählten Bemessungsstrom von 125 A hinaus messen will, fällt die Entscheidung für den üblichen Bemessungs-Dauergrenzstrom von 120%.

Nun liegen die Bestelldaten für drei Stromwandler wie folgt fest:

a) Art des Wandlers: Aufsteck-Stromwandler
b) Wandlertyp: Bezeichnung herstellerabhängig anhand der Geometrie und der Primärschienenöffnung von ≥ 26 mm Ø
c) Bemessungsübersetzung: 125/5 A
d) Bemessungsleistung: 5 VA 
e) Genauigkeitsklasse: Kl.1 FS 5 ext.120 %

Damit sind nun alle relevanten Daten für den Wandlerlieferanten bestimmt.

Gehen wir in einem weiteren Beispiel davon aus, dass der aus dem vorherigen Abschnitt geforderte Wandler mit 15 VA aus geometrischen oder physikalischen Gründen nicht herstellbar bzw. lieferbar ist, so bieten sich drei Möglichkeiten an, die Last auf zwei Wandler zu verteilen, um die Leistung zu erhöhen.

A) Messgeräte auf zwei Wandler verteilen
B) sekundäre Serienschaltung zweier Wandler
C) sekundäre Parallelschaltung zweier Wandler

zu A) Man kann die Messgeräte sinnvoll bezüglich guter Leistungsaufteilung auf zwei gleiche, jedoch voneinander unabhängige Wandler verteilen, z. B. Wattmeter (W) und Leistungsfaktormesser (cosφ) auf Wandler I, digitales Amperemeter (DAM) und Stromzähler (kWh) auf Wandler II. Nachteilig hierbei ist, dass die doppelte Anzahl Zuleitungen zu den Messgeräten benötigt wird (wie in Abb. 26/S. 92 zu sehen). Vorteilhaft ist, dass einige Messgeräte (hier Leistungsfaktormesser und Wattmeter) von der Zwangserdung des Digitalinstruments entkoppeln werden. So ist zumindest Wandler II sekundär wieder erdfrei. Diese Lösung ist vorzuziehen, wenn im Sekundärkreis zwei Messgeräte Verwendung finden, die bereits intern geerdet sind, um diese gegeneinander zu entkoppeln.

zu B) Eine Möglichkeit, die doppelten Zuleitungen zu vermeiden, ist die Serienschaltung der beiden Wandler (wie in Abb. 27/S.93). Dadurch addieren sich die Spannungen und auch folglich die Leistungen beider. Bei dieser Lösung ist zu beachten, dass sich zu der bereits vorhandenen Bebürdung eines Wandlers der Innenwiderstand des jeweils anderen Wandlers addiert. Diese Lösung sollte daher nur angewendet werden, wenn die Innenwiderstände beider Wandler hinreichend niedrig sind, also bei Aufsteckwandlern niedriger Übersetzung. Gegenüber der nächsten Lösung ist von Vorteil, dass keine Addition der Sekundärströme stattfindet, da Wandlerinstrumente nur für Ströme von 1 A oder 5 A erhältlich sind.

zu C) Letztlich besteht die Möglichkeit, beide Wandler sekundärseitig parallel zu schalten (Abb. 28/S34). Dadurch addieren sich allerdings die Ströme, sodass bei den 5 A-Ausgängen der Wandler letztlich in Summe 10 A fließen, was wiederum die Messgeräte überfordern würde. Um diese Problematik zu umgehen, kann man, statt der vorgesehenen Wandler mit der Übersetzung 125 / 5 A, Sonderwandler mit der Übersetzung 125 / 2,5 A einsetzen, auch wenn dieser Sekundärstrom nicht genormt ist. Diese Lösung ist trotz der möglichen Mehrkosten für Sonderwandler bei größeren Innenwiderständen der Wandler gegenüber Lösung B) vorzuziehen. Welcher dieser drei Lösungen letztlich der Vorrang zu geben ist, hängt also vom Einzelfall ab.

Die Problematik und die Besonderheiten beim Einsatz von Summen-Stromwandlern werden hier nur kurz behandelt. Das Buch „Strom-Messwandler, Informationen für Anwender“ widmet Summenwandlern ein ganzes Kapitel. Wie schon in Abschnitt 2.4/S. 24 erwähnt, sind sie Sonderformen von Wickelwandlern mit mehreren getrennten Primärwicklungen. Summen-Stromwandler werden i. Allg. nicht direkt an die Primärleiter angeschlossen. Ihr Betrieb erfolgt indirekt über Hauptwandler, die den zu messenden Strom in 1 A oder 5 A zur Speisung der Summenwandler umformen. Die genormten Bemessungsströme für die Ein- und Ausgänge von Summenwandlern sind 1 A und 5 A. Ein typisches Beispiel einer Beschaltung mit Summen-Stromwandlern zeigt Abb. 30/S.97. In diesem Beispiel werden die Ströme je Strang von zwei Abgängen der Sammelschiene addiert und der weiteren Messung zugeführt. Energie- und Stromrichtung sind durch rote Pfeile angezeigt. Ein Summenwandler addiert unter Berücksichtigung der Phasenlage die Primärströme von Verzweigungen desselben Strangs und ermöglicht dadurch die Messung der Summe der Ströme mit nur einem Instrument. Sekundärseitig wird durch die Konstruktion des Wandlers sichergestellt, dass die Ausgangsgröße i. d. R. wieder eine genormte Bemessungsgröße ist. Es lässt sich also von außen betrachtet sagen: Ein Summen- Stromwandler addiert die Eingangsströme und dividiert die Summe gleichzeitig durch die Anzahl der Eingänge.

Um seiner eigentlichen Aufgabe gerecht zu werden, ergibt es nur Sinn, Ströme in den Verzweigungen desselben Strangs zu addieren. Bei der Addition der drei Strangströme eines Dreiphasensystems würde die Summe der Ströme im fehlerfreien Betrieb null werden. In diesem Fall würde eine Fehlerstrommessung realisiert. Um diese Aufgabe zu erfüllen, gibt es jedoch besser geeignete Wandler (Abschnitt 2.4/S.24). Auch der Ausgang eines Summenwandlers muss immer kurzgeschlossen sein. Der Kurzschluss im bestimmungsgemäßen Betrieb erfolgt durch den niederohmigen Strompfad eines oder mehrerer Messgeräte. Gelegentlich kann es vorkommen, dass ein Eingang eines Summenwandlers nicht belegt ist. Unbenutzte Eingänge von Summen-Stromwandlern müssen dagegen immer offen bleiben. Ein kurzgeschlossener Eingang würde als zusätzliche Sekundärwicklung wirken mit der Folge, dass sich der Sekundärstrom auf beide Wicklungen aufteilt, was zu deutlichen Fehlmessungen führt. Hier ist besondere Achtsamkeit gefordert. Wird ein Eingang versehentlich kurzgeschlossen, kann das u. U. lange Zeit unbemerkt bleiben, da immer noch ein Sekundärstrom angezeigt wird.

Bei älteren Summenwandlern sind an den Sekundäranschlüssen noch die früheren Bezeichnungen k und l, manchmal schon in Kombination mit den Bezeichnungen S1 und S2 anzutreffen. Die Primäranschlüsse wurden mit Großbuchstaben in alphabetischer Reihenfolge benannt, in Verbindung mit K und L. So sieht man die Bezeichnungen AK und AL für den ersten Eingang eines Summenwandlers, BK und BL für den zweiten Eingang usw. Neuere Summen-Stromwandler haben sekundär nur noch die Bezeichnungen S1 und S2. Die Primärwicklungen werden dann mit 1P1 und 1P2 für den ersten Eingang, 2P1 und 2P2 für den zweiten Eingang usw. bezeichnet. Parallel dazu findet man primär auch die Benennung AP1 und AP2, BP1 und BP2 usw. Eine konkrete Vorschrift zur Klemmenbezeichnung von Summenwandlern ist zurzeit in keiner der Normen der Gruppe DIN EN 61869 zu finden. Das Typenschild eines Summen-Stromwandlers sieht grundsätzlich nicht anders aus als das eines üblichen Stromwandlers. Der einzige Unterschied liegt in der Benennung der Übersetzung. Diese wird auch hier wieder als ungekürzter Bruch genannt, wobei der Zähler die Eingangs-Bemessungsströme als Summanden enthält. Bei einem Stromwandler mit z.B. 3 Eingängen zu je 5 A und einem Ausgang von 5 A wird die Übersetzung also angegeben als 5+5+5/5 A. Aus Gründen der Übersicht wird manchmal bei einer größeren Anzahl von gleichen Eingängen statt der Summanden die Anzahl der Eingänge als Faktor angegeben, z. B. bei 9 Eingängen in der Form 9×5/5 A .

Natürlich entspricht die Gesamtübersetzung k_rgnach Gleichung 19/S.82 auch dem Gesamt-Wandlerfaktor bzw. dem Gesamt-Zählerfaktor c_g. Bei der Bestimmung der Übersetzung und des Wandlerfaktors ist davon auszugehen, dass eventuell vorhandene offene Eingänge auch beschaltet, jedoch momentan stromlos sind.

Anmerkung: Wirk- und Scheinleistungen sowie unterschiedliche Scheinleistungen dürfen nicht arithmetisch addiert werden. Hier sind i.Allg. nur Zeigeradditionen zulässig. Obwohl dieser Umstand bei der Näherungsgleichung 30/S.105 vernachlässigbar ist, darf hier kein Gleichheitszeichen verwendet werden.

Wir erhalten in der Summe aller Leistungen der Hauptwandler wieder dasselbe Ergebnis wie bei gleichen Hauptwandlern (bis auf eventuelle Rundungsfehler). Hier verteilt sich die Leistung jedoch unterschiedlich auf die einzelnen Hauptwandler. Es müssen also Hauptwandler mit den nächstgelegenen genormten Bemessungsübersetzungen bestellt werden, im Einzelnen:

· Wandler 1: 50/5 A, 2,5 VA
· Wandler 2: 100/5 A, 5 VA
· Wandler 3: 200/5 A, 5 VA
· Wandler 4: 400/5 A, 10 VA

Die Fehlwinkel werden addiert und näherungsweise auch die Stromfehler.

Als Beispiel soll die Addition von 3 Hauptwandlern mit den Übersetzungen von jeweils k_rH=300/5 A angenommen werden. Als Gesamtübersetzung gilt dann gemäß 26/S.101 k_rg=900/5 A. Diese Gesamtübersetzung kann Probleme verursachen, z.B. beim Anschluss eines Analoginstruments, wenn diese Skalierung nicht geliefert werden kann. Auch gibt es elektronische Stromzähler, bei denen die Eingabe dieses Zählerfaktors nicht möglich ist. Ebenfalls bei klassischen mechanischen Zählern, bei denen man noch manuell die Anzeige mit dem Zählerfaktor multiplizieren muss, ist die Multiplikation mit dem Zählerfaktor von c_g= 180, der sich in diesem Beispiel ergibt, unpraktisch. Ein Wandlerhersteller ist aber in der Lage, einen Summenwandler derart zu modifizieren, dass hier die Übersetzung k_rg = 900/4,5 A lautet. Als ungekürzter Bruch entspricht dies der Übersetzung k_rg= 1000/5 A und einem Zählerfaktor von c_g = 200. Man kann also einen Summen-Stromwandler auch gleichzeitig zum Anpassen einer wenig geeigneten Gesamtübersetzung an eine besser geeignete verwenden.

Das Kapitel über Summen-Stromwandler sei noch um die Erkenntnis ergänzt, dass man die Sekundärströme von Hauptwandlern gleicher Stränge auch ohne Summenwandler addieren kann. Voraussetzung hierbei ist jedoch, dass alle Hauptwandler gleich sind. In diesem Fall werden die Ausgänge aller Wandler parallelgeschaltet. Hier findet jedoch keine Transformation der Ausgangsgröße statt, sodass zu prüfen ist, ob die nachfolgenden Gerätschaften für den höheren Strom verwendet werden können. Letztlich kann man hier mit einem Wickel-Stromwandler in Form eines Zwischenwandlers den Sekundärstrom anpassen. Es besteht auch die Möglichkeit, Hauptwandler mit kleineren Ausgangsströmen zu verwenden. So können z.B. zwei Stromwandler mit einem Sekundärstrom von jeweils 2,5 A zu einem Gesamt-Sekundärstrom von 5 A addiert werden. Anmerkung: Die hier vorgestellte Summierung ohne Summen-Stromwandler darf nicht mit der Holmgreen-Schaltung verwechselt werden. Hierbei befinden sich die Stromwandler auf den drei Strängen L1, L2 und L3 eines Systems und liefern durch Addition der Sekundärströme im fehlerfreien Zustand die Summe Null. Wer mehr über diese Schaltung erfahren möchte, sei an das Literaturverzeichnis (z.B. [4]) verwiesen.

1. DIN EN 61869-1 (VDE 0414-9-1), Messwandler, Beuth Verlag GmbH, Berlin
2. DIN EN 61869-2 (VDE 0414-9-2), Messwandler, Beuth Verlag GmbH, Berlin
3. Alois Bröder, Strom-Messwandler, Grundlagen und Berechnungs- verfahren, 2017, Shaker-Verlag, ISBN 978-3-8440-5649-5
4. Alois Bröder, Strom-Messwandler, Informationen für Anwender, 2018, Shaker-Verlag, ISBN 978-3-8440-6233-5
5. Rolf Fischer, Elektrische Maschinen, 2011, Carl Hanser Verlag, ISBN 978-3-446-42554-5
6. Rudolf Bauer, Die Messwandler, 1953, Springer-Verlag, ISBN 978-3-662-11515-2
7. Isaac Goldstein, Die Meßwandler, 1928, Springer-Verlag, ISBN-13: 978-3-642-89761-0
8. Martin Kahmann, Elektrische Energie elektronisch gemessen, 1994, VDE-Verlag, ISBN 978-3800718597
9. Ingmar Grambow (Hrsg.), Messwandler für Mittel- und Hoch- spannungsnetze, 2000, expert-Verlag (Kontakt & Studium, Band 554), ISBN 3-8169-1587-6
10. Ungrad, Winkler, Wiszniewski, Schutztechnik in Elektroenergie- systemen, 1994, Springer-Verlag, ISBN 978-3-642-63409-3
11. Fachwörterbuch Messwandler, Autorenkollektiv der Ritz Instrument Transformer GmbH, 2010, Union Druckerei Dresden GmbH

Herausgeber: REDUR GmbH & Co. KG
Autor: Alois Bröder

© Copyright REDUR GmbH & Co. KG
1. Auflage, Dezember 2020
Für Irrtümer und Druckfehler wird keine Haftung übernommen. Verwendete Bilder und Markennamen sind Eigentum der Rechtsinhaber oder des Autors. Änderungen in Technik und Ausführung behalten wir uns vor. Nachdruck, auch nur auszugsweise, ist genehmigungspflichtig. Es gelten die allgemeinen Geschäftsbedingungen unter www.redur.de/agb/

ISBN: 978-3-00-068179-0

Gestaltungskonzeption
KÖHLER & PARTNER
www.koehler-partner.de

Widmung
Wir danken dem Autor Alois Bröder für die sehr gelungene Zusammenstellung des Einmaleins der Stromwandler. Herr Bröder gilt nicht nur als Schöpfer der kompaktesten und vielseitigsten Stromwandler, sondern auch als begnadeter Lektor und Mentor. In seinem kompletten Berufsleben und darüber hinaus als Pensionär widmete und widmet er sich der Technik der Stromwandler. Er ist für seinen unermüdlichen Einsatz, die teilweise komplexe technische Materie der Stromwandler einem breiten Publikum näher zu bringen, über die Landesgrenzen hinaus bekannt. Ich persönlich bedanke mich für alles, was Herr Bröder für die REDUR, Kunden, Mitarbeiter und Stromwandlerfans aus aller Welt im Laufe der letzten Jahrzehnte geleistet hat.

Dr. Lothar Schunk
Geschäftsführer REDUR GmbH. Co. KG