Stromwandler

Die in einem Kraftwerk erzeugte elektrische Energie wird über Stromleitungen und Verteilersysteme übertragen, um in den Haushalten verbraucht zu werden. Die Stromstärken sollten während der Erzeugung und Verteilung gemessen werden, um sicherzustellen, dass die optimalen Werte an verschiedenen Stellen des Stromverteilungssystems übertragen werden. Dieser Strom ist oft sehr hoch und kann mit einem herkömmlichen Strommessgerät nicht gemessen werden. Spezialtransformatoren, so genannte Messwandler, messen sehr hohe Spannungen und Ströme im Stromnetz. Der Messwandler, der zur Messung hoher Stromwerte verwendet wird, heißt Stromwandler, derjenige, der zur Messung hoher Spannungen verwendet wird, heißt Spannungswandler. Dieser Artikel befasst sich mit dem Aufbau und der Funktionsweise, den Typen und den Anwendungen von Stromwandlern.

Inhaltsübersicht

• Was ist ein Stromwandler?
• Aufbau und Funktionsweise von Stromwandlern
• Arten von Stromwandlern
• Funktionsweise von Stromwandlern
• Warum ein Stromwandler nicht offen gehalten werden sollte
• Unterschied zwischen Stromwandler und Spannungswandler
• Vorteile und Nachteile von Stromwandlern
• Stromwandleranwendungen
• FAQs

Was ist ein Stromwandler?

Ein Stromwandler ist ein Messwandler, der hohe Wechselströme in der Primärwicklung auf einen niedrigen Wert in der Sekundärwicklung reduziert. Dies wird vor allem dann verwendet, wenn ein Strom zu hoch ist, um ihn direkt zu messen. Sie bieten daher eine bequeme Möglichkeit zur sicheren Überwachung des tatsächlich durch eine Übertragungsleitung fließenden hochwertigen Wechselstroms.

Stromwandler haben zwei grundlegende Funktionen:

1. Anpassung des Mittelspannungsstromwerts an der Primärwicklung an einen niedrigen Stromwert an der Sekundärwicklung, der für gewerbliche Messgeräte und andere Anwendungen im Haushalt geeignet ist.
2. Isolierung der leistungselektronischen Schaltkreise von den Mess- oder Schutzkreisen. Ein Stromwandler fungiert als Zwischenglied zwischen den verschiedenen elektronischen Schaltkreisen und den Messgeräten. Die Stromwandler sorgen für die Isolierung von den hohen Spannungen und Strömen des Stromkreises. Diese Transformatoren liefern einen Sekundärstrom im Bereich von 0-5A, der an die Messgeräte angeschlossen wird.

Aufbau und Funktionsweise von Stromwandlern

Der Aufbau eines Stromwandlers ist ähnlich wie der eines herkömmlichen Transformators. Der Transformator ist im Grunde ein Abwärtstransformator (in Bezug auf den Strom), der aus Primär- und Sekundärwicklungen ohne elektrische Verbindung zwischen ihnen besteht. Die Anzahl der Windungen und die Ströme in den Primär- und Sekundärwicklungen eines Transformators sind wie folgt verknüpft:

N1 / N2 = I2 / I1

• N1: Anzahl der Windungen in der Primärwicklung
• N2: Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung
• I2: Strom, der durch die Sekundärwicklung fließt
• I1: Strom, der durch die Primärwicklung fließt

Um den Strom auf einen sehr niedrigen Wert zu reduzieren, sollte die Anzahl der Windungen im Sekundärkreis größer sein als die Anzahl der Windungen im Primärkreis (N2>N1). Daher wird der Primärteil eines Stromwandlers mit einigen Windungen eines Leiters mit dickem Querschnitt in der Wicklung gewickelt. Der Sekundärteil ist mit einer größeren Anzahl von Windungen eines Leiters mit kleinem Querschnitt gewickelt.

Die Primärwicklung (Abbildung 4, Bezeichnung A) und die Sekundärwicklung (Abbildung 4, Bezeichnung C) sind auf einen Magnetkern aus Siliziumstahlblechen (Abbildung 4, Bezeichnung B) gewickelt. Nach dem Faraday'schen Induktionsgesetz induziert der Strom, der durch die Primärwicklung fließt, ein Magnetfeld in der Wicklung. Ein Teil dieses Magnetfelds verbindet sich mit der Sekundärwicklung, wodurch ein Stromfluss in der Sekundärspule ausgelöst wird. Der Magnetkern bietet einen Pfad mit geringer Reluktanz für den Fluss des erzeugten Magnetfelds.

Ein Stromwandler, der in einem kleinen Netzspannungssystem eingesetzt wird, verwendet in der Regel Band oder Lack als Isoliermaterial. Im Gegensatz dazu werden ölgefüllte Stromwandler in einem Hochspannungsnetz eingesetzt.

Die stromstarke Leitung (Abbildung 5, Bezeichnung C) liefert Strom an die Last (Abbildung 5, Bezeichnung B). Die Primärseite des Stromwandlers (Abbildung 5 mit der Bezeichnung CT) ist in Reihe mit der Hochstromleitung geschaltet. Die Sekundärseite des Transformators ist an ein Amperemeter mit niedrigem Messbereich (Bereich 0-5A) angeschlossen, das den durch die Sekundärwicklungen fließenden Strom anzeigt.

Arten von Stromwandlern

Je nach Bauart gibt es zwei Arten von Stromwandlern: gewickelte Stromwandler und Stabstromwandler.

Stromwandler mit Wicklung

Bei einem gewickelten Stromwandler sind sowohl die Primär- als auch die Sekundärspule auf einen Kern gewickelt. Der Kern kann die Form eines Rechtecks oder eines Rings haben, der aus Stahl oder einer Nickellegierung besteht. Ein rechteckiger Kern ist in Abbildung 4 dargestellt. Bei Ringkerntransformatoren ist die Spule des Sekundärteils (Abbildung 6 mit der Bezeichnung C) auf einen ferromagnetischen Kern (Abbildung 6 mit der Bezeichnung A) gewickelt. Die Spule des Primärteils (Abbildung 6, Kennzeichnung B) ist auf den äußeren Kern gewickelt, wobei beide Wicklungen entsprechend isoliert sind. Gewickelte Stromwandler sind billiger als Stabwandler, aber nicht so genau.

Stabstromwandler

Ein Stabstromwandler hat keine Primärwicklung. Die Primärseite besteht aus einem stangenförmigen Leiter (Abbildung 7 mit der Bezeichnung C). Der Sekundärteil besteht aus Wicklungen, die auf einen kreisförmigen Kern gewickelt sind, der den Primärstableiter umgibt (Abbildung 7, Bezeichnung B). Zwischen dem Primär- und dem Sekundärteil befindet sich ein Papierisolator auf dem Stab. Die Primär- und Sekundärsegmente sind dicht gepackt, und der Abstand zwischen ihnen ist gering, um den Streufluss zu reduzieren, was hochgenaue Messungen ermöglicht. Ein Stabstromwandler kann starken Überstrombelastungen standhalten. Diese Art von Transformator findet man üblicherweise in Anlagen mit einer Spannung von 25 kV oder weniger. Stabtransformatoren sind im Vergleich zu den gewickelten Pendants kostspielig, liefern aber aufgrund des geringeren Streuflusses äußerst genaue Ergebnisse.

Funktionsweise von Stromwandlern

Die Funktionsweise eines Stromwandlers ähnelt der eines herkömmlichen Zweiwicklungstransformators. Zur Messung hoher Ströme wird ein Stromwandler verwendet. Wenn der hohe Strom durch die Primärwicklung des Stromwandlers fließt, induziert er einen kleinen Strom durch die Sekundärwicklung, abhängig von der Anzahl der Windungen in beiden Wicklungen. Mit einem Amperemeter mit niedrigem Messbereich, das an die Sekundärwicklung angeschlossen wird, kann der durch die Sekundärwicklung fließende Strom gemessen werden.

In einem Transformator:

N1 / N2 = V1 / V2 = I2 / I1

• N1: Anzahl der Windungen in der Primärwicklung
• N2: Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung
• V1: Spannung durch die Primärwicklung
• V2: Spannung durch die Sekundärwicklung
• I2: Strom, der durch die Sekundärwicklung fließt
• I1: Strom, der durch die Primärwicklung fließt

Wenn man also die Anzahl der Windungen in den Primär- und Sekundärwicklungen kennt, kann man zusammen mit dem mit einem Amperemeter gemessenen Wert des Sekundärstroms den durch die Primärwicklung fließenden hochwertigen Strom bestimmen.

Beispiel

Betrachten Sie einen Stromwandler mit einem Windungsverhältnis (N2/N1) von 300:1. Wenn das Amperemeter auf der Sekundärseite des Transformators 1A anzeigt:

• N1 = 1
• N2 = 300
• I2 = 1A
• Daher gilt: I1= (1/ 300) ✕ 1 = 300A

Da die Spannung in der Primär- oder Sekundärwicklung direkt proportional zur Anzahl der Windungen ist, beträgt die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung das 300-fache der Spannung auf der Primärseite. Ein Stromwandler wirkt also wie ein Aufwärtstransformator in Bezug auf die Spannung.

Warum ein Stromwandler nicht offen gehalten werden sollte

In einem magnetischen Kreis ist die magnetomotorische Kraft (MMF) die Kraft, die für die Erzeugung und Bewegung des magnetischen Flusses verantwortlich ist. Wenn Strom durch die Primärwicklungen fließt, beträgt die auf der Primärseite erzeugte MMF N1 ✕ I1 (Amperewindungen).

Der auf der Primärseite erzeugte MMF führt zur Erzeugung eines magnetischen Flusses, der durch den Kern fließt und MMF und magnetischen Fluss auf der Sekundärseite erzeugt. Das sekundärseitige MMF wird normalerweise durch das MMF auf der Primärseite ausgeglichen. Wenn eine Last an die Sekundärwicklung angeschlossen wird, beginnt der Strom in der Wicklung zu fließen und erzeugt seinen eigenen magnetischen Fluss, der sich mit der Primärwicklung verbindet. So erhöht sich beispielsweise der durch die Sekundärwicklung fließende Strom, wenn die an der Sekundärseite angeschlossene Last verringert wird. Dadurch erhöht sich der Fluss auf der Sekundärseite, wodurch sich der Nettostrom auf der Primärseite durch gegenseitige Induktion erhöht. Daher bleibt der magnetische Fluss auf der Primär- und der Sekundärseite gleich.

Wenn die Sekundärseite eines Stromwandlers offen gelassen wird, wird der Strom durch die Sekundärwicklungen null; daher wird die in der Sekundärwicklung erzeugte MMF, die im Allgemeinen die in der Primärwicklung erzeugte MMF ausgleicht, null. Da es keine Gegen-MMF gibt, erzeugt die ungehinderte primäre MMF einen sehr hohen Fluss innerhalb des Kerns, der zu einem solchen führt:

• Übermäßiger Kernverlust. Der Kernverlust ist der Energieverlust innerhalb des Kerns, der durch einen wechselnden magnetischen Fluss verursacht wird. Ein instabiles Magnetfeld zerstört schließlich die Funktionsfähigkeit des Kernmaterials.
• Erwärmung der Spule über ihren Grenzwert hinaus
• Beschädigung der Isolierung der Wicklung

Außerdem kann die hohe Sekundärspannung ein Sicherheitsrisiko für die Bediener darstellen. Daher ist es gängige Praxis, die Sekundärseite zu erden, um die Gefahr eines Stromschlags für den Bediener zu vermeiden.

Unterschied zwischen Stromwandler und Spannungswandler

Stromwandler und Spannungswandler sind sichere Werkzeuge zur Messung hochwertiger Ströme und Spannungen mit hoher Genauigkeit. Der Unterschied zwischen Stromwandlern und Spannungswandlern ist in Tabelle 1 dargestellt.

Grundlage für den Vergleich	Stromwandler	Spannungswandler
Definition	Wandelt einen hohen Eingangsstrom in einen niedrigen Ausgangsstrom um	Wandelt eine hohe Eingangsspannung in eine niedrige Ausgangsspannung um
Anschluss	In Reihe mit dem Gerät geschaltet	Parallel zum Gerät geschaltet
Primäre und sekundäre Windungen	Geringe Anzahl von Primärwindungen im Vergleich zu denen der Sekundärwicklung	Große Anzahl von Primärwindungen im Vergleich zu denen der Sekundärwicklung
Kernkonstruktion	Siliziumstahl-Laminierung	Hochwertiger Stahl für den Betrieb bei niedrigen Flussdichten
Voller Netzstrom/-spannung	Die Primärwicklung enthält den Vollleitungsstrom	Die Primärwicklung enthält die Vollleitungsspannung
Typen	Gewickelter Typ und Stabtyp	Elektromagnetische und kapazitive Potentialtypen
Offener Stromkreis auf der Sekundärseite	Die Sekundärwicklung eines Stromwandlers kann nicht offen gelassen werden.	Die Sekundärwicklung eines Spannungswandlers kann offen gelassen werden.
Anwendungen	Strommessung und Betriebsschutzrelais in der Unterstation	Spannungsmessung und Betriebsschutzrelais in der Unterstation

Tabelle 1: Unterschied zwischen Stromwandler und Spannungswandler

Vorteile und Nachteile von Stromwandlern

Vorteile

• Große Ströme können sicher gemessen werden.
• Isoliert die Hochstromleitung von den Messgeräten (wie Volt- und Amperemeter).
• Dient als Steuergerät zur Betätigung von Schutzeinrichtungen wie Kontrollleuchten und Relais.
• Ein einziger Stromwandler kann an zahlreiche Geräte angeschlossen werden.

Benachteiligungen

• Misst nur Wechselstrom.

Stromwandleranwendungen

1. Strommessung in kommerziellen Anwendungen zur Ertragsmessung.
2. Schutzeinrichtung in Hochspannungsleitungen und elektrischen Umspannwerken.
3. Stromrichteranwendungen in Umspannwerken und AC-DC-Filter.
4. Wird als integriertes Schutzmodul in kapazitiven Bänken verwendet.
5. Wird in Handgeräten wie AC-Zangenmessgeräten für Strommessungen verwendet.

FAQs

Wozu dient ein Stromwandler?

Ein Stromwandler dient zur Messung des hohen Stroms, der durch eine Leitung fließt, und als Isoliervorrichtung zwischen Stromkreisen und Messgeräten.

Was ist der Unterschied zwischen einem Spannungswandler und einem Stromwandler?

Ein Spannungswandler misst eine hohe Spannung und wird parallel zur Leitung geschaltet. Ein Stromwandler misst einen hohen Strom und wird in Reihe mit der zu messenden Leitung geschaltet.

Warum wird der Stromwandler als Aufwärtstransformator bezeichnet?

Ein Stromwandler wandelt einen hohen Strom auf der Primärseite in einen niedrigen Strom in der Sekundärwicklung um. Der Transformator erhöht die Spannung auf der Sekundärseite, indem er den Strom durch die Sekundärwicklungen reduziert.