Ein praktischer Vergleich von Stromwandlern für Messung und Schutz

Schutz-CT-GenauigkeitDie Genauigkeit von Stromwandlern für den Schutz dient nicht der präzisen Stromabrechnung, sondern der Vorhersagbarkeit des Verhaltens im Fehlerfall. Ihre Genauigkeit wird durch einen „Gesamtfehler“ bei einem festgelegten Vielfachen des Nennstroms definiert. Eine gängige Schutzklasse ist …5P10DieDiese Bezeichnung lässt sich wie folgt aufschlüsseln:

• 5Der Gesamtfehler wird an der Genauigkeitsgrenze 5 % nicht überschreiten.
• PMit diesem Schreiben wird es als CT der Schutzklasse eingestuft.
• 10Dies ist der Genauigkeitsgrenzfaktor (ALF). Er bedeutet, dass der Stromwandler seine spezifizierte Genauigkeit bis zum Zehnfachen seines Nennprimärstroms beibehält.

Kurz gesagt, ein 5P10-Stromwandler garantiert, dass das an das Relais gesendete Signal auch dann noch innerhalb von 5 % des Idealwerts liegt, wenn der Primärstrom das Zehnfache seines Nennwerts beträgt, wodurch sichergestellt wird, dass das Relais eine korrekte Auslöseentscheidung trifft.

Belastung und VA-Bewertung

LastDie Nennlast ist die gesamte elektrische Last, die an die Sekundärklemmen des Stromwandlers angeschlossen ist, gemessen in Voltampere (VA) oder Ohm (Ω). Jedes an den Stromwandler angeschlossene Gerät und jede Leitung trägt zu dieser Last bei. Eine Überschreitung der Nennlast des Stromwandlers beeinträchtigt dessen Genauigkeit.

Die Gesamtbelastung beträgt dieSumme der Impedanzen aller Komponentenim Sekundärkreis:

• Der Eigenwiderstand der Sekundärwicklung des Stromwandlers.
• Der Widerstand der Zuleitungen, die den Stromwandler mit dem Gerät verbinden.
• Die Innenimpedanz des angeschlossenen Geräts (Zähler oder Relais).

Berechnung der Gesamtbelastung:Ein Ingenieur kann die Gesamtbelastung mithilfe der folgenden Formel berechnen:Gesamtbürde (Ω) = CT-Wicklung R (Ω) + Draht R (Ω) + Gerät Z (Ω)Beträgt der Sekundärwicklungswiderstand eines Stromwandlers beispielsweise 0,08 Ω, der Widerstand der Anschlussleitungen 0,3 Ω und die Impedanz des Relais 0,02 Ω, so ergibt sich eine Gesamtlast von 0,4 Ω. Dieser Wert muss unterhalb der Nennlast des Stromwandlers liegen, damit dieser ordnungsgemäß funktioniert.

Messstromwandler (CTs) weisen typischerweise niedrige VA-Nennleistungen (z. B. 2,5 VA, 5 VA) auf, da sie über kurze Distanzen mit hochohmigen, energiesparenden Messgeräten verbunden werden. Schutzstromwandler benötigen deutlich höhere VA-Nennleistungen (z. B. 15 VA, 30 VA), da sie ausreichend Leistung für den Betrieb der niederohmigen, energieintensiveren Spulen eines Schutzrelais bereitstellen müssen, oft über wesentlich längere Kabelstrecken. Eine häufige Fehlerquelle in Mess- und Schutzsystemen ist die falsche Abstimmung der Stromwandler-Bürdenleistung auf die tatsächliche Last des Stromkreises.

Die Knickpunktspannung verstehen

Die Knickpunktspannung (KPV) ist ein kritischer Parameter, der ausschließlich für Schutzstromwandler (CTs) relevant ist. Sie definiert die obere Grenze des nutzbaren Betriebsbereichs eines CTs, bevor sein Kern in die Sättigung gerät. Dieser Wert ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass ein Schutzrelais bei einem Hochstromfehler ein zuverlässiges Signal empfängt.

Ingenieure ermitteln den KPV-Wert anhand der Erregerkennlinie des Stromwandlers, die die sekundäre Erregerspannung gegen den sekundären Erregerstrom aufträgt. Der „Knickpunkt“ dieser Kennlinie ist der Punkt, an dem sich die magnetischen Eigenschaften des Kerns sprunghaft ändern.

DerIEEE C57.13-StandardDieser Punkt wird präzise definiert. Bei einer CT-Untersuchung ohne Spaltbildung liegt der Knickpunkt dort, wo die Tangente an die Kurve einen Winkel von 45 Grad zur Horizontalen bildet. Bei einer CT-Untersuchung mit Spaltbildung beträgt dieser Winkel 30 Grad. Dieser Punkt markiert den Beginn der Sättigung.

Wenn ein Stromwandler unterhalb seiner Knickpunktspannung arbeitet, befindet sich sein Kern in einem linearen magnetischen Zustand. Dadurch kann er den Fehlerstrom für das angeschlossene Relais präzise wiedergeben. Sobald die Sekundärspannung jedoch die Knickpunktspannung überschreitet, geht der Kern in Sättigung. Die Sättigung, die häufig durch hohe Wechselströme und Gleichspannungsanteile während eines Fehlers hervorgerufen wird, führt dazu, dass der Stromwandler...Die Magnetisierungsimpedanz wird deutlich sinkenDer Transformator kann den Primärstrom nicht mehr getreu auf die Sekundärseite übertragen.

Der Zusammenhang zwischen KPV und Schutzzuverlässigkeit ist direkt und entscheidend:

• Unterhalb des Knies:Der Stromwandlerkern arbeitet linear. Er liefert dem Schutzrelais eine genaue Darstellung des Fehlerstroms.
• Oberhalb des Knies:Der Kern sättigt sich. Dies führt zu einem starken Anstieg des Magnetisierungsstroms und zu einem nichtlinearen Betrieb, wodurch der Stromwandler den tatsächlichen Fehlerstrom nicht mehr genau wiedergibt.
• Relaisbetrieb:Schutzrelais benötigen ein präzises Signal für den korrekten Betrieb. Wenn ein Stromwandler in die Sättigung gerät, bevor das Relais eine Entscheidung treffen kann, erkennt das Relais möglicherweise nicht die tatsächliche Stärke des Fehlers, was zu einer verzögerten Auslösung oder einem vollständigen Ausfall führen kann.
• Systemsicherheit:Daher muss die Knickpunktspannung des Stromwandlers deutlich höher sein als die maximal zu erwartende Sekundärspannung im Fehlerfall. Dies gewährleistet ein zuverlässiges Signal an das Relais zum Schutz teurer Anlagen.

Ingenieure berechnen den erforderlichen kPV-Wert, um sicherzustellen, dass der Stromwandler auch unter den ungünstigsten Fehlerbedingungen ungesättigt bleibt. Eine vereinfachte Formel für diese Berechnung lautet:

Erforderlicher KPV ≥ Wenn × (Rct + Rb)

Wo:

• If= Maximaler Sekundärfehlerstrom (Ampere)
• Rct= Widerstand der Sekundärwicklung des Stromwandlers (Ohm)
• Rb= Gesamtbelastung des Relais, der Verkabelung und der Anschlüsse (Ohm)

Letztendlich dient die Kniepunktspannung als primärer Indikator für die Fähigkeit eines Schutzstromwandlers, seine Sicherheitsfunktion unter extremer elektrischer Belastung zu erfüllen.

Entschlüsselung der Typenschildbezeichnungen von Stromwandlern

Das Typenschild eines Stromwandlers enthält einen kompakten Code, der seine Leistungsmerkmale definiert. Diese alphanumerische Bezeichnung dient Ingenieuren als Kurzformel und spezifiziert die Genauigkeit, die Anwendung und die Betriebsgrenzen des Bauteils. Das Verständnis dieser Codes ist unerlässlich für die Auswahl des richtigen Geräts.

Interpretation von CT-Messklassen (z. B. 0,2, 0,5S, 1)

Die Messklassen von Stromwandlern werden durch eine Zahl definiert, die den maximal zulässigen prozentualen Fehler bei Nennstrom angibt. Eine kleinere Zahl bedeutet eine höhere Präzision.

• Klasse 1:Geeignet für allgemeine Panel-Messtechnik, bei der hohe Präzision nicht entscheidend ist.
• Klasse 0.5:Wird für Abrechnungsanwendungen im gewerblichen und industriellen Bereich verwendet.
• Klasse 0.2:Erforderlich für eine hochpräzise Einnahmenmessung.

Einige Klassen enthalten den Buchstaben „S“. Die Bezeichnung „S“ in IEC-Messstromklassen, wie z. B. 0,2S und 0,5S, steht für hohe Genauigkeit. Diese spezielle Klassifizierung wird üblicherweise in der Tarifmessung eingesetzt, wo präzise Messungen, insbesondere im unteren Strombereich, von entscheidender Bedeutung sind.

Interpretation von Schutz-CT-Klassen (z. B. 5P10, 10P20)

Schutz-CT-Klassen verwenden einen dreiteiligen Code, der ihr Verhalten im Fehlerfall beschreibt. Ein gängiges Beispiel ist5P10.

Aufschlüsselung des 5P10-Codes:

• 5Bei der ersten Zahl handelt es sich um den maximalen Gesamtfehler in Prozent (5%) an der Genauigkeitsgrenze.
• PDer Buchstabe „P“ in einer Klassifizierung wie 5P10 steht für „Schutzklasse“. Dies bedeutet, dass der Stromwandler primär für Schutzrelais-Anwendungen und weniger für präzise Messungen ausgelegt ist.
• 10Die letzte Zahl ist der Genauigkeitsgrenzfaktor (ALF). Sie bedeutet, dass der Stromwandler seine spezifizierte Genauigkeit bis zu einem Fehlerstrom beibehält, der das Zehnfache seines Nennstroms beträgt.

Ebenso, ein10P20Die Klasse CT hat eine kombinierte Fehlergrenze von 10 % und einen Genauigkeitsgrenzfaktor von20In einer Bezeichnung wie 10P20 steht die Zahl „20“ für den Genauigkeitsgrenzwert. Dieser Wert gibt an, dass der Fehler des Transformators auch bei einem 20-fachen Nennstrom innerhalb zulässiger Grenzen bleibt. Diese Eigenschaft ist entscheidend für das korrekte Funktionieren der Schutzrelais bei schweren Kurzschlussbedingungen.

Anwendungsleitfaden: Zuordnung des CT zur Aufgabe

Die Auswahl des geeigneten Stromwandlers ist keine Frage der Präferenz, sondern eine anwendungsbedingte Anforderung. Ein Messstromwandler bietet die für Finanztransaktionen erforderliche Präzision, während ein Schutzstromwandler die für die Anlagensicherheit notwendige Zuverlässigkeit gewährleistet. Das Verständnis, wo welcher Typ eingesetzt wird, ist grundlegend für eine solide Planung und den Betrieb elektrischer Systeme.

Wann verwendet man eine Mess-CT?

Ingenieure sollten Stromwandler überall dort einsetzen, wo die präzise Erfassung des Stromverbrauchs im Vordergrund steht. Diese Geräte bilden die Grundlage für eine genaue Abrechnung und ein effizientes Energiemanagement. Ihre Konstruktion ist auf höchste Genauigkeit unter normalen Lastbedingungen ausgelegt.

Zu den wichtigsten Anwendungsgebieten von Mess-CTs gehören:

• Einnahmen- und TarifmessungEnergieversorger verwenden hochpräzise Stromwandler (z. B. Klasse 0,2S, 0,5S) zur Abrechnung von Stromkosten für Privat-, Gewerbe- und Industriekunden. Die Genauigkeit gewährleistet faire und korrekte Finanztransaktionen.
• Energiemanagementsysteme (EMS)Die Einrichtungen nutzen diese Stromwandler, um den Energieverbrauch in verschiedenen Abteilungen oder an verschiedenen Geräten zu überwachen. Diese Daten helfen, Ineffizienzen zu erkennen und den Energieverbrauch zu optimieren.
• NetzqualitätsanalyseNetzqualitätsanalysatoren benötigen präzise Eingangsdaten, um Probleme wie Oberschwingungen und Spannungseinbrüche zu diagnostizieren. Für diese Messungen, insbesondere in Mittelspannungsnetzen, ist der Frequenzgang des Messwandlers entscheidend. Moderne Analysatoren benötigen daher zuverlässige Daten.bis zu 9 kHz, was den Einsatz frequenzoptimierter Transformatoren erfordert, um ein vollständiges Oberwellenspektrum zu erfassen.

Hinweis zur Auswahl:Bei der Auswahl eines Stromwandlers für ein Leistungsmessgerät oder einen Leistungsanalysator sind mehrere Faktoren von entscheidender Bedeutung.

• AusgabekompatibilitätDer Ausgang des Stromwandlers (z. B. 333 mV, 5 A) muss den Eingangsanforderungen des Zählers entsprechen.
• LastgrößeUm die Genauigkeit zu gewährleisten, sollte der Stromstärkebereich des Stromwandlers auf die zu erwartende Last abgestimmt sein.
• Körperliche EignungDer Stromwandler muss physisch um den Leiter passen. Flexible Rogowski-Spulen sind eine praktische Lösung für große Stromschienen oder beengte Platzverhältnisse.
• GenauigkeitFür die Abrechnung ist eine Genauigkeit von 0,5 % oder besser Standard. Für die allgemeine Überwachung kann 1 % ausreichend sein.

Wann sollte man einen Schutz-CT verwenden?

Ingenieure müssen überall dort einen Schutzstromwandler (CT) einsetzen, wo der Schutz von Personal und Anlagen vor Überströmen und Fehlern im Vordergrund steht. Diese Stromwandler sind so konstruiert, dass sie auch bei extremen elektrischen Ereignissen funktionsfähig bleiben und ein zuverlässiges Signal an ein Schutzrelais liefern.

Typische Anwendungsgebiete für Schutz-Stromwandler sind:

• Überstrom- und ErdschlussschutzDiese Stromwandler speisen Signale in Relais (wie z. B. ANSI-Gerät 50/51) ein, die Phasen- oder Erdschlüsse erkennen. Das Relais löst dann einen Leistungsschalter aus, um den Fehler zu isolieren. In Mittelspannungsschaltanlagen wird ein dedizierter Stromwandler verwendet.Nullsequenz-CTFür den Schutz vor Erdschlüssen wird häufig eine Reststromverbindung empfohlen.Dreiphasen-CTsEine Restverbindung kann aufgrund ungleichmäßiger Sättigung beim Anlauf des Motors oder Phasenfehlern zu Fehlauslösungen führen.
• DifferenzialschutzDieses System schützt wichtige Anlagen wie Transformatoren und Generatoren durch den Vergleich der Ströme, die in die Schutzzone ein- und aus ihr austreten. Es erfordert aufeinander abgestimmte Stromwandler.Moderne digitale Relaiskann unterschiedliche Stromwandleranschlüsse (Stern- oder Dreieckschaltung) und Phasenverschiebungen durch Softwareeinstellungen kompensieren und bietet so eine hohe Flexibilität in diesen komplexen Schaltungen.
• DistanzschutzDieses in Übertragungsleitungen eingesetzte Verfahren nutzt Stromwandler (CTs) zur Impedanzmessung an einem Fehlerort. Eine Sättigung der Stromwandler kann diese Messung verfälschen und dazu führen, dass das Relais den Fehlerort falsch bestimmt. Daher muss der Stromwandler so ausgelegt sein, dass eine Sättigung während der Messung vermieden wird.

Gemäß ANSI C57.13 muss ein Standard-Schutzstromwandler bis zu folgenden Belastungen standhalten:20 MalSein Nennstrom während eines Fehlers. Dadurch wird sichergestellt, dass es dem Relais im entscheidenden Moment ein nutzbares Signal liefern kann.

Die hohen Kosten einer falschen Auswahl

Die Verwendung des falschen CT-Typs ist ein schwerwiegender Fehler mit gravierenden Folgen. Mess- und Schutz-CTs unterscheiden sich funktionell nicht; eine Fehlpaarung kann gefährliche und kostspielige Folgen haben.

• Verwendung eines Mess-CT zum SchutzDies ist der gefährlichste Fehler. Ein Messstromwandler ist so konstruiert, dass er bei geringen Überströmen in die Sättigung geht, um den Zähler zu schützen. Bei einem größeren Fehlerstrom geht er jedoch nahezu augenblicklich in die Sättigung. Der gesättigte Stromwandler kann den hohen Fehlerstrom nicht mehr reproduzieren, und das Schutzrelais erkennt das tatsächliche Ausmaß des Ereignisses nicht. Dies kann zu einer verzögerten Auslösung oder einem vollständigen Ausfall führen, was katastrophale Anlagenschäden, Brände und Gefährdungen für das Personal zur Folge haben kann. Beispielsweise kann die Sättigung des Stromwandlers dazu führen, dass ein Differenzialschutzrelais eines Transformators auslöst.maloperatewas bei einem externen Fehler zu einer ungewollten Auslösung führen kann.
• Verwendung eines Schutz-Stromwandlers zur MessungDiese Wahl führt zu finanziellen Ungenauigkeiten. Ein Schutzstromwandler ist nicht für Präzision bei normalen Betriebsströmen ausgelegt. Seine Genauigkeitsklasse (z. B. 5P10) garantiert die Leistung bei einem Vielfachen seiner Nennstromstärke, nicht im unteren Bereich, in dem die meisten Systeme arbeiten. Ihn für die Abrechnung zu verwenden, wäre, als würde man ein Sandkorn mit einem Zollstock messen. Die resultierenden Energierechnungen wären ungenau, was zu Einnahmeverlusten für den Energieversorger oder zu überhöhten Preisen für den Verbraucher führen würde.

Ein kritisches Ausfallszenario:Bei Distanzschutzsystemen führt die Sättigung des Stromwandlers dazu, dass das Relais einen bestimmten Wert misst.höhere Impedanzals der tatsächliche Wert. Dadurch wird der Schutzbereich des Relais effektiv verkürzt. Ein Fehler, der sofort behoben werden sollte, kann fälschlicherweise als weiter entfernter Fehler interpretiert werden, was zu einer verzögerten Auslösung führt. Diese Verzögerung verlängert die Belastung des elektrischen Systems und erhöht das Risiko großflächiger Schäden.

Letztendlich gehen die Kosten einer falschen Stromwandlerauswahl weit über den Preis des Bauteils selbst hinaus. Sie äußern sich in Geräteausfällen, Betriebsunterbrechungen, fehlerhaften Finanzunterlagen und beeinträchtigter Sicherheit.

Kann ein einziger CT-Sensor sowohl Messung als auch Schutz bieten?

Obwohl Mess- und Schutzstromwandler unterschiedliche Bauformen aufweisen, benötigen Ingenieure mitunter ein einzelnes Gerät, das beide Funktionen erfüllt. Dieser Bedarf führte zur Entwicklung spezialisierter Mehrzwecktransformatoren, die jedoch mit bestimmten Kompromissen einhergehen.

Der Mehrzweck-CT (Klasse X)

Eine spezielle Kategorie, bekannt als dieStromwandler der Klasse X oder PSDiese Geräte können sowohl Mess- als auch Schutzfunktionen übernehmen. Sie werden nicht durch standardisierte Genauigkeitsklassen wie 5P10 definiert. Stattdessen wird ihre Leistungsfähigkeit durch eine Reihe von Schlüsselparametern spezifiziert, anhand derer ein Ingenieur ihre Eignung für ein bestimmtes Schutzsystem überprüft.

Gemäß IEC-NormenDie Leistung eines CT der Klasse X wird wie folgt definiert:

• Bemessungsstrom
• Übersetzungsverhältnis
• Kniepunktspannung (KPV)
• Magnetisierungsstrom bei der angegebenen Spannung
• Sekundärwicklungswiderstand bei 75°C

Diese Eigenschaften ermöglichen dem Gerät eine hohe Messgenauigkeit unter normalen Bedingungen und gewährleisten gleichzeitig eine vorhersagbare Knickpunktspannung für einen zuverlässigen Relaisbetrieb im Fehlerfall. Sie werden häufig in hochohmigen Differenzialschutzsystemen eingesetzt, bei denen die Leistung präzise bekannt sein muss.

Praktische Einschränkungen und Abwägungen

Trotz der Existenz von Stromwandlern der Klasse X wird die Verwendung eines einzelnen Geräts für Messung und Schutz häufig vermieden. Die beiden Funktionen stellen grundlegend widersprüchliche Anforderungen.

Ein Mess-Stromwandler ist so konstruiert, dass er frühzeitig in die Sättigung geht, um empfindliche Messgeräte zu schützen.Der Schutz-CT ist ausgelegtUm einer Sättigung entgegenzuwirken und sicherzustellen, dass ein Relais einen Fehler erkennen kann, muss ein Stromwandler mit Doppelfunktion einen Kompromiss zwischen diesen beiden gegensätzlichen Zielen finden.

Dieser Kompromiss bedeutet, dass ein Mehrzweck-Stromwandler möglicherweise nicht beide Aufgaben so gut erfüllt wie ein dediziertes Gerät. Die Konstruktion wird komplexer und teurer. Für die meisten Anwendungen ist die Installation zweier separater, spezialisierter Stromwandler – einer für die Messung und einer für den Schutz – die zuverlässigere und kostengünstigere Lösung. Dieser Ansatz gewährleistet, dass beide Funktionen optimal funktionieren.Abrechnungssystemund das Sicherheitssystem funktioniert ohne Kompromisse.

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Die Wahl zwischenMess- und SchutzstromwandlerDie Entscheidung basiert auf einer eindeutigen betrieblichen Priorität. Das eine System gewährleistet präzise Abrechnung, das andere Zuverlässigkeit im Fehlerfall. Die Wahl des richtigen Typs ist für die Systemsicherheit, die finanzielle Genauigkeit und die Langlebigkeit der Geräte unerlässlich. Ingenieure müssen die Spezifikationen des Stromwandlers stets mit den Anforderungen des angeschlossenen Geräts abgleichen.

ACheckliste zur abschließenden Überprüfungbeinhaltet:

1. Primärstrom bestimmenPassen Sie das CT-Übersetzungsverhältnis an die maximale Last an.
2. Last berechnenDie Lasten aller verbundenen Komponenten werden summiert.
3. Genauigkeitsklasse überprüfenWählen Sie die richtige Klasse für Messung oder Schutz aus.

Häufig gestellte Fragen

Was passiert, wenn der Sekundärkreis eines Stromwandlers offen bleibt?

Ein offener Sekundärkreis erzeugt eine gefährliche Hochspannung. Der Primärstrom wird zum Magnetisierungsstrom und sättigt den Kern. Dieser Zustand kann den Stromwandler zerstören und birgt ein hohes Stromschlagrisiko.

Sicherheit geht vor:Vor dem Trennen eines Geräts vom Stromkreis müssen die Sekundäranschlüsse immer kurzgeschlossen werden.

Wie wählen Ingenieure das richtige CT-Verhältnis aus?

Ingenieure wählen ein Übersetzungsverhältnis, bei dem der normale Maximalstrom des Systems nahe an der Nennleistung des Stromwandlers liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Stromwandler in seinem präzisesten Bereich arbeitet. Beispielsweise eignet sich ein 100:5-Stromwandler gut für eine 90-A-Last.

Warum ist eine CT-Messung zum Schutz unsicher?

Ein Messstromwandler sättigt sich bei einem Fehler schnell. Er kann den tatsächlichen Fehlerstrom nicht an das Schutzrelais melden. Das Relais löst den Leistungsschalter dann nicht aus, was zu Gerätezerstörung und erheblichen Sicherheitsrisiken führt.

Kann ein Stromwandler sowohl für die Messung als auch für den Schutz dienen?

Spezielle Stromwandler der Klasse X können beide Funktionen erfüllen, ihre Konstruktion stellt jedoch einen Kompromiss dar. Für optimale Sicherheit und Genauigkeit installieren Ingenieure üblicherweise zwei separate, dedizierte Stromwandler – einen für die Messung und einen für den Schutz.