3. WICHTIGE BEMESSUNGSGRÖSSEN

Bei den Bemessungsgrößen (früher Nenngrößen) findet man heute die Indizes „r“ für „rated“, engl. für bemessen. Nachfolgende Bemessungsgrößen charakterisieren einen Stromwandler.

Eine korrekte Angabe sollte eigentlich z. B. 200 A/5 A lauten. Es hat sich aber die Schreibweise 200/5 A eingebürgert. Bei einem idealen, fehlerfreien Stromwandler drückt die Bemessungsübersetzung das Verhältnis eines jeden beliebigen Primärstroms I_pzum Sekundärstrom I_sinnerhalb eines definierten Strombereichs (dem Arbeitsbereich) aus. Gleichung 2/S.12 gilt daher nur für den idealen, fehlerfreien Stromwandler. Ein idealer Stromwandler mit der Bemessungsübersetzung von z.B. k_r= 200⁄5 A liefert folgerichtig nach dieser Gleichung bei einem Primärstrom von I_p = 100 A einen Sekundärstrom von I_s = 2,5 A.

Ein Stromwandler muss im Stromnetz auftretende, kurzzeitige Überströme, wie sie z. B. bei Kurzschlüssen entstehen, schadlos überbestehen können. Der Effektivwert des Primärstroms, den der Wandler bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung eine Sekunde lang aushalten muss, ohne Schaden zu nehmen, heißt thermischer Bemessungs-Kurzzeitstrom (engl. rated short-time thermal current). Als thermischer Bemessungs-Kurzzeitstrom wird häufig der 60-fache Bemessungsstrom gefordert. Bei Mittelspannungswandlern ist oft sogar der Faktor 100 oder ein höherer anzutreffen. I_th muss nicht zwingend als Faktor des Bemessungsstroms angegeben werden. Die Angabe in kA ist ebenfalls zulässig und bei Mittelspannungswandlern üblich. Beim thermischen Bemessungs-Kurzzeitstrom steht die Wärmeentwicklung im Vordergrund, während es bei dem nachfolgenden Bemessungs-Stoßstrom in erster Linie auf die Kraftentwicklung ankommt, die das durch die Ströme verursachte Magnetfeld ausübt.

Beim Bemessungs-Stoßstrom (engl. rated dynamic current) handelt es sich um den Scheitelwert der ersten Amplitude des Primärstroms, dessen magnetischer Kraftwirkung der Stromwandler bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung ohne Beschädigung standhält. Das gilt bei einem Aufsteck-Stromwandler nicht für die Umbruchkräfte, die das Schienensystem entwickelt. Es ist darauf zu achten, dass die auftretenden Kurzschlusskräfte der Schienen durch zusätzliche Stützer abgefangen werden müssen. Typisch für den Bemessungs-Stoßstrom ist der Wert des 2,5-fachen thermischen Bemessungs-Kurzzeitstroms. Nur bei Abweichung von diesem Wert muss der Bemessungs-Stoßstrom auf dem Leistungsschild angegeben werden. Trotzdem wird er häufig auch dann angegeben in der Form I_dyn= 2,5 · I_th.

Der thermische Bemessungs-Dauerstrom (engl. rated continuous thermal current) ist der Primärstrom, mit dem der Wandler bei Bemessungsbürde (Kapitel 3.10/S.51) dauerhaft betrieben werden kann, ohne die Anforderungen der Genauigkeitsklasse (Kapitel 4/S. 21) zu verletzen und ohne die Spezifikation der Isolierstoffklasse (Kapitel 5.4/S. 73) zu überschreiten. Genormte thermische Bemessungs-Dauerstromstärken sind 100 %, 120 %, 150 % und 200 % des Bemessungsstroms. Obwohl sich die Angabe des thermischen Bemessungs-Dauerstroms gemäß der Norm auf den Primärstrom bezieht, ist es im Grunde genommen aber belanglos, ob die Basis der primäre oder sekundäre Bemessungsstrom ist, da dieser i. Allg. in Prozent des Bemessungsstroms angegeben wird. So kann man z. B. bei einem Wandler mit der Übersetzung 100/5 A von einem primären thermischen Bemessungs-Dauerstrom von 120 A reden oder einem sekundären thermischen Bemessungs-Dauerstrom von 6 A . Beträgt der thermische Bemessungs-Dauerstrom 100 % des Bemessungsstroms, kann diese Angabe auf dem Typenschild entfallen. Für alle anderen thermischen Bemessungs-Dauerströme wurden ergänzend zur Genauigkeitsklasse die Bezeichnungen „ext.120 %“; „ext.150 %“; „ext.200 %“ eingeführt. In den allermeisten Fällen ist 120 % üblich. Der thermische Bemessungs-Dauerstrom von 100 % ist erst vor wenigen Jahren zusätzlich in die Norm aufgenommen worden.

Die Betrachtung der Übersetzungsmessabweichung ε lässt sich also auf die linke Seite des ESBs (Abb. 5/S. 11) reduzieren. Die arithmetische Differenz von tatsächlichem Sekundärstrom I_s und idealem Sekundärstrom I‘_p, bezogen auf den idealen Sekundärstrom liefert ebenfalls die Übersetzungsmessabweichung. Um hier Missverständnissen vorzubeugen, sei noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei der arithmetischen Differenz von tatsächlichem Sekundärstrom und idealem Sekundärstrom nicht um den Fehlerstrom I_ε handelt! Letztere ergibt sich aus der geometrischen Differenz, also der Subtraktion der Stromzeiger von I‘_p und I_s.

Wie ein Transformator enthält auch ein Stromwandler interne parasitäre Elemente wie Eisenverlustwiderstand, Streuinduktivität und Wicklungswiderstand (siehe auch ESB Abb.5/S.11). Diese Komponenten verursachen neben dem Stromfehler auch eine Phasenverschiebung zwischen Primär- und Sekundärstrom, den Fehlwinkel (engl. phase displacement), auch Winkelfehler genannt. Spielt der Fehlwinkel bei der reinen Strommessung auch keine Rolle, so macht er sich bei der Leistungs- und Energiemessung als zusätzlicher Fehler bemerkbar. Auch beim Betrieb von phasenempfindlichen Schutzeinrichtungen wie z.B. bei Richtungsschutzgeräten, verdient der Fehlwinkel besondere Beachtung. Der Fehlwinkel wird in Winkelminuten angegeben. Bekanntlich kann man die Zeitachse einer Periode des Wechselstroms auch mit 360° beschreiben. Ein Grad hat dabei 60 Minuten als kleinere Einheit. Alternativ kann der Winkelfehler auch in Centiradiant beschrieben werden (1 crad = 34,4 min). Der Winkelfehler ist positiv definiert, wenn die sekundäre Größe voreilt.

Achtung! Gleichung 13/S.45 gilt nur für das hier betrachtete Beispiel mit dem Sonderfall der Bemessungsübersetzung von 1:1. Abgeleitet aus dem ESB (Abb.5/S.11) gilt allgemeingültig Gleichung 9/S.42. Beim Vergleich der Gleichungen 6/S.38 und 11/S.43 wird der Unterschied zwischen Übersetzungsmessabweichung ε und Gesamtmessabweichung ε_c nochmals deutlich. Während bei der Übersetzungsmessabweichung im Zähler der Gleichung die arithmetische Differenz der Effektivwerte von mit der Bemessungsübersetzung multipliziertem Sekundärstrom und Primärstrom zu sehen ist, werden bei der Gesamtmessabweichung vor der Betragsbildung diese Größen erst zeigerrichtig, also vektoriell, subtrahiert.
 

Weder der Bemessungs-Begrenzungsstrom IPL (engl. excitation current) bei Strom-Messwandlern noch der Bemessungs-Genauigkeitsgrenzstrom (engl. rated accuracy limit primary current) bei Schutz-Stromwandlern müssen auf dem Typenschild angegeben werden. Der Bemessungs-Begrenzungsstrom ist der Primärstrom eines Messwandlers, bei dem die Gesamtmessabweichung des Sekundärstroms 10% beträgt. Damit lässt sich der Überstrom-Begrenzungsfaktor (engl. instrument security factor) definieren als das Verhältnis des Bemessungs-Begrenzungsstroms zum primären Bemessungsstrom. Der Überstrom-Begrenzungsfaktor (engl.: instrument security factor) oder kurz Überstromfaktor gibt an, ab dem Wievielfachen des Bemessungsstroms ein Messwandler in Sättigung geht. Hierzu gilt die Bezeichnung FS 5 oder FS 10. Zur Abgrenzung gegen Schutzwandler hieß die Bezeichnung früher M 5 oder M 10 (M für Messwandler). FS 5 sagt, dass der Wandler spätestens beim fünffachen Bemessungsstrom in Sättigung gehen muss, bei FS 10 entsprechend beim zehnfachen, vorausgesetzt, der Wandler ist mit der Bemessungsbürde belastet. Exakt definiert ist dieser Punkt durch die Beschreibung, dass beim fünffachen Bemessungsstrom (bzw. zehnfachen) die Abweichung vom idealen, fehlerfreien Stromverlauf, bezogen auf die Gesamtmessabweichung ε_c, mindestens 10 % betragen muss (nach DIN EN 61869-2). Der Bemessungs-Genauigkeitsgrenzstrom bei Schutzwandlern ist das Pendant zum Bemessungs-Begrenzungsstrom eines Messwandlers, also der Wert des Primärstroms eines Schutz-Stromwandlers, bis zu dem dieser die Genauigkeitsanforderung erfüllt. Demzufolge entspricht dem Genauigkeitsgrenzfaktor eines Schutzwandlers der Überstrom-Begrenzungsfaktor eines Messwandlers. Während also Messwandler oberhalb des Bemessungsstroms möglichst rasch in Sättigung gehen sollen, um ein Anwachsen des Sekundärstroms im Fehlerfall zu vermeiden, wird bei Schutzwandlern eine möglichst weit außerhalb des Bemessungsstroms liegende Sättigung verlangt. Wann die Sättigung erreicht ist, ist bei Schutzwandlern durch den Genauigkeitsgrenzfaktor ALF (engl. accuracy limiting factor) ausgedrückt in Verbindung mit dem vorausgehenden Buchstaben „P“ (engl.: protection) und der Genauigkeits-Klassenangabe. So bedeutet z.B. 5P10, dass beim zehnfachen Bemessungsstrom der Fehler, bezogen auf die Gesamtmessabweichung ε_c, höchstens 5 % betragen darf, auch wieder vorausgesetzt, der Wandler ist mit der Bemessungsbürde belastet. Nach der DIN EN 61869-2 genormte Genauigkeit-Grenzfaktoren sind 5; 10; 15; 20 und 30.

Hier soll ein Zahlenbeispiel für zusätzliche Klarheit sorgen anhand eines hypothetischen Stromwandlers mit nachfolgenden Werten, auf deren physikalische Zusammenhänge nicht weiter eingegangen wird, um nicht den Blick für das Wesentliche zu verlieren.

Damit ist der Primärstrom von 350 A also der Bemessungs-Begrenzungsstrom I_PL und der Faktor 3,5 der Überstrom-Begrenzungsfaktor FS. Es wird jedoch nicht FS 3,5 angegeben, sondern normgerecht FS 5. Man sieht, dass die Gesamtmessabweichung ε_c größer ist als der Betrag des Stromfehlers ε. Den Betrag von 10% erreicht die Gesamtmessabweichung also vor dem Stromfehler.

Die Bemessungsleistung (früher Nennleistung, engl. rated output) ist nun entsprechend Gleichung 14/S.50 diejenige Scheinleistung, für die der Stromwandler ausgelegt, also bemessen ist, und auf die sich Genauigkeit und Überstromfaktor FS beziehen. Sie wird in VA angegeben, wobei genormte Werte 1; 1,5; 2; 2,5; 5; 10; 15; 30 VA sind. Normgerecht dürfen aber auch Werte über 30 VA entsprechend dem Anwendungsfall gewählt werden. Die Bemessungsleistung beschreibt also das Leistungsvermögen eines Stromwandlers, den Sekundärstrom innerhalb der erlaubten Fehlergrenzen durch den Sekundärwiderstand „treiben“ zu können.

fest, dass sich sogar im Milliohmbereich bewegt wird. Bei einem sekundären Bemessungsstrom von 1 A folgt analog dazu 5 Ω. Hier zeichnet sich schon ab, dass wegen des Leitungswiderstands bei großen Entfernungen Stromwandler mit 1 A-Ausgang vorzuziehen sind.

Zur Fortführung des vorherigen Beispiels aus Kapitel 3.8.1/S.48 sind folgende Ergänzungen nötig, wobei derselbe Stromwandler jetzt mit 5 VA abgeschlossen werden soll: