2. STROMWANDLERTYPEN
Es gibt mehrere Kriterien, Stromwandler zu unterscheiden. So können diese eingeteilt werden nach der Bemessung der Isolation in Nieder-, Mittel- und Hochspannungswandlern, nach ihrem Aufbau oder nach dem Anwendungsfall.
2.1 UNTERSCHEIDUNG NACH AUFBAU
Nach ihrem Aufbau wird zwischen Einleiter-Stromwandlern (engl. bar-type CT) und Wickel-Stromwandlern (engl. winding-type CT) unterschieden. Der häufigste Vertreter der Einleiter-Stromwandler ist der Aufsteck-Stromwandler (engl. slip over CT), wie in Abb. 1/S. 6 gezeigt, der auf den stromführenden Leiter gesteckt wird und damit in Verbindung mit diesem Primärleiter einen Transformator mit einer Windung als Primärwicklung bildet. Ohne hier näher auf die physikalische Ursache einzugehen, hängt das Leistungsvermögen eines Stromwandlers ab von der Übersetzung und dem Querschnitt des Eisenkerns. Ist der Primärstrom und damit die Übersetzung zu klein, um die erforderliche Leistung bereitstellen zu können, und verbietet sich aus räumlichen Gründen ein größerer Eisenkern, muss ein Einleiter-Stromwandler mit einer höheren Übersetzung zur Anwendung kommen, bei dem der Primärstrom durch Aufbringen mehrerer Primärwindungen „scheinbar“ erhöht wird. So entsteht ein Wickel-Stromwandler (Abb. 9/S. 18), auch kurz Wickelwandler genannt.
Das heißt aber letztlich, dass im Grunde genommen nicht der Primärstrom, sondern eigentlich die Durchflutung Θ als Produkt aus Strom und Windungszahl ursächlich für den Sekundärstrom ist, gemäß:
Gleichung 4
Θp= primäre Durchflutung
Np = Anzahl Primärwindungen
Ip= Primärstrom
Zu beachten bleibt, dass bei Einleiter-Stromwandlern Np=1 ist.
Im Gegensatz zu Einleiter- oder Aufsteck-Stromwandlern, bei denen der Primärleiter nicht aufgetrennt werden muss, wird dieser bei Wickelwandlern geteilt und an die vorgesehenen Primärleiterklemmen des Wandlers angeschlossen. Abb.10/S.20 zeigt einen offenen Wickelwandler mit den im Bild oben liegenden Anschlüssen für den Primärleiter und den Sekundäranschlüssen darunter. Deutlich sind die Primärwicklung und die Isolationsschicht, die die Primär- von der Sekundärwicklung trennt, zu sehen. Die Isolationsschicht verdeckt hier die Sekundärwicklung. Bei dieser Betrachtungsweise wird der Einleiter-Stromwandler als Grundtyp aller Stromwandler angesehen. Die magnetischen und elektrischen Verhältnisse eines solchen Einleiter-Stromwandlers für z.B. 100/5 A sind identisch mit den Verhältnissen eines Wickel-Stromwandlers für 10/5 A , dessen Primärwicklung 10 Windungen besitzt. Die Primärwicklung sorgt nur für die nötige Durchflutung, hat aber für die weitere Funktion keine Bedeutung mehr. Eine Erklärung zur Schreibweise der Übersetzung folgt in Kapitel 3.1/S.33. Eine Sonderform des Wickel-Stromwandlers ist der Durchfädel-Stromwandler, der in Kapitel 2.4/S.24 ausführlicher behandelt wird.
2.2 UNTERSCHEIDUNG NACH ANWENDUNGSFALL
Nach ihrem Anwendungsfall wird zwischen Strom-Messwandlern (engl. measuring CT) und Schutz-Stromwandlern (engl. protective CT) unterschieden. Streng nach der DIN EN 61869-2 muss es Stromwandler für Messzwecke und Stromwandler für Schutzzwecke heißen. Die griffigere Bezeichnungen Strom-Messwandler und Schutz-Stromwandler oder auch kurz nur Schutzwandler sind jedoch nicht nur umgangssprachlich, sondern auch im Schriftverkehr anzutreffen. Strom-Messwandler werden zur Messung von Strömen eingesetzt, die entweder gemessen bzw. an- gezeigt oder weiterverarbeitet werden (z. B. mittels Stromzähler zur Energiemessung). Durch die in Kapitel 1.2/S. 8 bereits erwähnte und unvermeidliche, physikalisch bedingte magnetische Sättigung des Kernmaterials kann der Sekundärstrom nicht beliebig ansteigen. Dieser, auf den ersten Blick als Nachteil erscheinende Effekt, wird jedoch als Schutz des Sekundärkreises vor zu hohen Strömen genutzt, wie sie z. B. im Falle eines Kurzschlusses im Primärkreis auftreten. Der Kurzschlussstrom wird dann nicht in vollem Maße entsprechend der Übersetzung in den Sekundärkreis übertragen, sondern durch die Sättigung begrenzt. (Mehr dazu folgt in Kapitel 3.8/S. 46.) Schutz-Stromwandler müssen eine über den Arbeitsbereich von Messwandlern weit hinaus verschobene Sättigung haben. Sie werden zum Anlagenschutz in Verbindung mit den entsprechenden Schaltgeräten eingesetzt. Sie sollen also auch kurzschlussartige Ströme noch hinreichend genau übertragen können, die den Bemessungsstrom um ein Vielfaches überschreiten. Ihre prinzipielle Funktion ist jedoch mit der für Strom-Messwandler identisch.
2.3 SENSOREN
In der Wandlertechnik wird unter dem Begriff Sensor (engl. sensor) die Gesamtheit alle Geräte zusammengefasst, die die Funktion eines Strom- oder Spannungswandlers wahrnehmen, jedoch vom klassischen Transformatorprinzip abweichen, oder die messwertverarbeitende elektronische Bauteile enthalten. Zu den Stromsensoren gehören:
KLEINSIGNALWANDLER (engl. low power CT)
Diese Wandler sind in der DIN EN 61869-6 beschrieben als solche, deren Ausgangsleistung ≤ 1 VA ist. Sie sind wie konventionelle Wandler aufgebaut und/oder mit einer internen elektronischen Beschaltung versehen und dürfen auch Hilfsspannung erfordern. Als Ausgangsgrößen kommen primärstromproportionale Spannungen oder Ströme, jedoch kleiner als bei konventionellen Wandlern, oder auch digitale Signale infrage.
ROGOWSKI-SPULE (engl. ROGOWSKI coil)
Diese Wandler bestehen aus einem eisenlosen, bewickelten Ring und liefern eine Spannung proportional zur Ableitung dip ⁄ dt des Primärstroms ip.
DIREKTABBILDENDER STROMSENSOR (engl. direct-imaging CT)
Diese Stromsensoren messen den Strom indirekt über das durch den Strom verursachte Magnetfeld mittels einer oder mehrerer Hallsonden. Der oder die Hallsonden sind in Luftschlitzen weichmagnetischer Ringkerne eingebracht, die den stromführenden Leiter umschließen.
NULLFLUSSWANDLER (engl. zero flux sensor) oder KOMPENSATIONSSTROMWANDLER (engl. compensation CT)
Bei diesen Wandlern dient die Sekundärwicklung (Kompensationswicklung) dazu, mittels eines elektronisch generierten Kompensationsstroms das vom Primärstrom erzeugte Magnetfeld aufzuheben. Der magnetische Fluss im Kern wird dann zu Null, wobei der Kompensationsstrom ein nahezu exaktes Abbild des Primärstroms ist. Die Messgröße zur Erzeugung des Kompensationsstroms kann z.B. durch Hallsonden, magnetoresitive Sensoren oder eine zusätzliche Wicklung gewonnen werden und gelangt über einen elektronischen Verstärker als Kompensationsstrom zur Kompensationswicklung.
STROMWANDLER MIT DIGITALAUSGANG (engl. digital CT, abgekürzt DCT)
Diese Stromwandler haben einen Digitalausgang, geregelt in der DIN EN 61869-9.
OPTOELEKTRONISCHER WANDLER (engl. optoelectronic CT)
Diese Wandler arbeiten nach dem Prinzip des Faraday-Effekts. Dieser magnetooptische Effekt beschreibt die Drehung der Polarisationsebene von polarisierten elektromagnetischen Wellen (z.B. Licht) in einem Magnetfeld. Der Winkel der Drehung ist proportional zum feldverursachenden Strom.
Die meisten Sensoren benötigen eine zusätzliche Hilfsenergiequelle. Sensoren werden in dieser Schrift nicht betrachtet.
2.4 ÜBERSICHT WEITERER STROMWANDLERTYPEN
Neben den beiden genannten Typen, dem Einleiter-Stromwandler und dem Wickel-Stromwandler, werden noch einige auf bestimmte Anwendungsfälle zugeschnittene Abwandlungen unterschieden.
SCHIENEN-STROMWANDLER UND ROHRSTAB-STROMWANDLER (engl. bar-primary CT oder bar type CT und tube type CT) sind Aufsteck-Stromwandler, die mit einem Primärschienenstück geliefert werden, wie in Abb.11/S.24 zu sehen. Rohrstab-Stromwandler sind eine Sonderform der Aufsteck-Stromwandler, bei denen sich in der Primärschienendurchführung ein rohrförmiger Kupfereinsatz (Cu-Hülse) befindet. Diese Ausführung erlaubt es, den Wandler z.B. unmittelbar zwischen der Überlappung von Stromschienen oder zwischen Strom- schienen und Trenn- oder Sicherungsleisten usw. einzusetzen, wie in Abb.12/S.25 zu sehen. Der umgangssprachliche Gebrauch dieser beiden Wandlerbegriffe ist leider nicht eindeutig. So wird die Bezeichnung Schienen-Stromwandler auch synonym für Aufsteck-Stromwandler verwendet, da diese i. d. R. auf Stromschienen geschoben werden. Als Rohrstab-Stromwandler werden auch Wandler bezeichnet mit einer runden Primärleiteröffnung.
DURCHFÄDEL-STROMWANDLER (engl. site-winding CT), oder kurz Fädelwandler, sind Wickel-Stromwandler, die jedoch in der Form von Aufsteck-Stromwandlern geliefert werden, wobei der Anwender selbst die Primärwicklung aufbringt. Bei der Übersetzung kleiner Ströme kann eine Kostenersparnis erzielt werden, wenn anstelle der hier erforderlichen Wickel-Stromwandler Aufsteck-Stromwandler für höhere Primärströme verwendet werden. Der erforderliche höhere Primärstrom wird erreicht, indem der Primärleiter mehrmals durch die Primärschienendurchführung gewickelt (gefädelt) wird. So entsteht z. B. aus einem Aufsteckwandler 150/5 A durch dreimaliges Fädeln des Primärleiters ein Stromwandler mit der Übersetzung 50/5A . Abb.13/S.26 zeigt das Beispiel eines Stromwandlers mit einem zweifach gefädelten Primärleiter. Nehmen wir an, eine Übersetzung von 25/5 A werde benötigt, was mit einem passenden Wickel-Stromwandler zu realisieren wäre. Nehmen wir aber weiter an, ein Wickelwandler könne nicht eingesetzt werden. Dafür kann es verschiedene Gründe geben; der Wickelwandler kann z. B. zu groß sein, er kann zu teuer sein oder der Primärleiter kann oder darf nicht aufgetrennt werden. In unserem Beispiel käme nun ein Durchsteckwandler mit der Übersetzung 50/5 A zum Einsatz. Der Primärleiter, der nur 25 A führt, müsste dabei zweimal durch die Primärleiteröffnung des Wandlers gefädelt werden.
SUMMEN-STROMWANDLER (engl. summation CT), auch kurz Summenwandler genannt, sind Sonderformen von Wickelwandlern, jedoch mit mehreren, untereinander getrennten Primärwicklungen. Sie dienen i. d. R. der Addition von Strömen eines gleichen Strangs. (Mehr dazu in Kapitel 7.5/S. 96). Diese Summenstrom-Messwandler sind nicht zu verwechseln mit den oft auch als Summen-Stromwandler bezeichneten Wandlern für die Fehlerstromerkennung. Um Verwechslungen zu vermeiden, wird für Letztere daher immer öfter der Begriff Differenz-Stromwandler (engl. feedthrough residual current CT) verwendet oder kurz Differenzwandler. Hierbei werden mehrere gegeneinander isolierte Leiter durch die Primärleiteröffnung eines dafür ausgelegten Stromwandlers geführt. So wird je nach Durchsteckrichtung die Summe oder die Differenz der Ströme gebildet wie z.B. bei einer FI-Schutzeinrichtung.
SÄTTIGUNGSWANDLER (engl. saturable CT) werden hauptsächlich in der Mittelspannungstechnik im Sekundärkreis von Schutzwandlern eingesetzt, wenn diese gleichzeitig für Messaufgaben verwendet werden sollen, da Schutzwandler aufgrund ihrer Bestimmung die den Sekundärkreis schützende Sättigung erst bei höheren Strömen erreichen. Die im Messkreis zwischen Schutzwandler und Messgeräten eingebauten Sättigungswandler sorgen für den rechtzeitigen Sättigungseinsatz und damit den Schutz der Messgeräte vor zu hohen Strömen. So entsteht eine Kombination aus Hauptwandler (engl. main CT) und Sättigungswandler, wie in Abb.14/S.27 gezeigt.
ZWISCHENSTROMWANDLER (engl. interposing CT) finden ihre Anwendung im Sekundärkreis eines Hauptwandlers. Mit ihnen kann der Sekundärstrom eines Hauptwandlers an die Messaufgabe angepasst werden, wenn z.B. der Sekundärstrom des Hauptwandlers 5 A beträgt, ein Strom von 1 A jedoch für die Messaufgabe benötigt wird. Daher rührt auch die manchmal anzutreffende Bezeichnung Anpasswandler (engl. matching CT). Früher wurden diese auch Anpassungs-Stromwandler genannt und dienten hauptsächlich dem Zweck, einen Hauptwandler an eine Schutztechnik anzupassen. Der vorher erwähnte Sättigungswandler ist ebenfalls eine Sonderform eines Zwischenwandlers und streng genommen ebenfalls der Summen-Stromwandler.
SEKUNDÄR UMSCHALTBARE STROMWANDLER (engl. secondary tapped CT) haben sekundär eine oder mehrere Anzapfungen, um durch Beschalten dieser verschiedene Übersetzungen realisieren zu können. Der Begriff „umschaltbar“ ist also nicht ganz korrekt und sollte besser durch den Begriff „umklemmbar“ ersetzt werden. Die nicht benutzten Anschlüsse müssen hierbei offen bleiben.
EICHRECHTSKONFORME STROMWANDLER (engl. certifiable CT for revenue metering) haben eine Bauartzulassung und sind für den Einsatz zu Verrechnungszwecken zugelassen.
UMBAU-STROMWANDLER (engl. clamp-type CT oder split core CT) haben einen teilbaren Kern und werden hauptsächlich zum nachträglichen Einbau verwendet, um das Auftrennen des Primärleiters zu vermeiden. Einen typischen Umbau-Stromwandler zeigt Abb. 15/S.28.
Beim ZANGEN-STROMWANDLER (engl. current clamps) ist wie beim Umbau-Stromwandler der Wandlerkern geteilt. Die beiden Kernhälften schließen wie die Backen einer Zange. Dadurch können Ströme gemessen werden, ohne dass die Leitung unterbrochen wird. Er ist zum schnellen und mehrfachen Öffnen konzipiert und dient der temporären Strommessung.
KABELUMBAU-STROMWANDLER (cable-type CT) für Erdschlusserfassung, gelegentlich auch Nullstromwandler genannt, sind häufig in Mittelspannungsnetzen zur Erfassung von Erdschlüssen anzutreffen. Da in diesen Netzen fast ausschließlich Kabel eingesetzt werden und dadurch die Isolationsanforderung bereits ins Kabel verlegt wurde, können hier aus Sicht der Isolation Niederspannungswandler (0,72 kV oder 1,2 kV) zum Einsatz kommen. Im ungestörten Betrieb ist die Summe der Ströme aller durch den Wandler geführten Leitungen null, was sich erst bei Erdschluss ändert. Der Wandler liefert dann sekundärseitig einen Strom, der zur Erdschlusserfassung verwendet wird.
Bei STROMWANDLERN MIT GIESSHARZVERGUSS (engl. CT compound-filled with cast resign) wird durch zusätzliches Vergießen Tropenfestigkeit (engl. tropic-proof) erzielt. Tropenfestigkeit ist kein genormter Begriff bei Stromwandlern, wird aber oft gerne benutzt, um auf extreme Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen hinzuweisen. Es gibt jedoch keine definierten Werte für diese Einflussgrößen. Durch Vergießen wird auch eine höhere Schock- und Rüttelfestigkeit (engl. vibration resistance) bei extremer mechanischer Beanspruchung erreicht (siehe auch DIN EN 60068).
Bei einem DREIPHASEN-STROMWANDLERSATZ (engl. 3-phase CT) befinden sich drei Stromwandler in einem Gehäuse mit je drei getrennten Primärleiterdurchführungen und drei getrennten Sekundär-anschlüssen. Diese können nur bei Kabeln als Primärleiter oder nur bei einem bestimmten Schienenabstand eines Dreiphasensystems eingesetzt werden. Da hier der Einsatz von drei einzelnen Stromwandlern deutlich flexibler ist, sind Dreiphasen-Stromwandlersätze nahezu aus der Mode gekommen und nur für Spezialanwendungen bei definierten Schienenabständen vorgesehen, z. B. in der Stromzuführung von Sicherungs- und Trennleisten.
Darüber hinaus werden noch im Mittelspannungsbereich
· Stützer-Stromwandler und
· Durchführungs-Stromwandler
verwendet
STÜTZER-STROMWANDLER (engl. support-type CT) übernehmen neben der eigentlichen Aufgabe als Stromwandler zusätzlich die Stützfunktion für die Stromschienen und müssen dadurch auch in der Lage sein, die mechanischen Umbruchkräfte abzufangen, die bei einem Kurzschluss im Primärkreis entstehen.
DURCHFÜHRUNGS-STROMWANDLER (engl. bushing-type CT) sind prinzipiell Aufsteck-Stromwandler mit einer für das höhere Spannungsniveau tauglichen Isolation, die gleichzeitig als Wanddurchführung dienen. Auch können Stromwandler mehrere Sekundärwicklungen auf getrennten Kernen mit gleicher oder unterschiedlicher Funktion haben. So wird z.B. gern ein Mess- mit einem Schutzwandler kombiniert. Hier wird dann von einem Messkern (engl. measuring core) und einem Schutzkern (engl. protection core) gesprochen. Somit handelt es sich im vorliegenden Fall um einem Zweikernwandler (Abb.16/S.32). Selbstverständlich sind darüber hinaus weitere Kerne für unterschiedliche Aufgaben möglich. Man spricht dann von Mehrkernwandlern (engl. multi-core CT). Im Mittelspannungsbereich wird so die aufwendige Isolation für einen zweiten Wandler eingespart. In der Niederspannung sind solche Wandler unüblich. Es ist hier kostengünstiger, zwei separate Wandler für die Mess- und die Schutzaufgabe zu verwenden.