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Stromwandler dienen zwei grundlegend verschiedenen Zwecken in elektrischen Energiesystemen - der Ertragsmessung und dem Fehlerschutz. Jede Anwendung erfordert spezifische Leistungsmerkmale, weshalb es Stromwandler-Genauigkeitsklassen gibt. Ein Messstromwandler, der für die Abrechnungsgenauigkeit bei normalen Lastströmen optimiert ist, versagt unter Fehlerbedingungen. Einem Schutzstromwandler, der für 20-fache Überstromereignisse ausgelegt ist, fehlt die für Ertragsberechnungen erforderliche hohe Genauigkeit.
In diesem Leitfaden werden die Genauigkeitsklassenbezeichnungen der IEC 61869-2 aufgeschlüsselt, die technischen Unterschiede zwischen den Messklassen (0,1, 0,2, 0,5) und den Schutzklassen (5P, 10P) erläutert und praktische Auswahlhilfen für Mittelspannungsanwendungen gegeben.
Eine Stromwandler-Genauigkeitsklasse ist eine standardisierte Bezeichnung, die den maximal zulässigen Messfehler unter bestimmten Betriebsbedingungen definiert. Die Klassennummer gibt direkt den zulässigen prozentualen Fehler bei Nennstrom an, mit zusätzlichen Spezifikationen für die Phasenverschiebung und das Verhalten unter Fehlerbedingungen.
Es gibt zwei verschiedene Klassifizierungssysteme. Die Messklassen (0,1, 0,2, 0,5, 1,0) optimieren die Genauigkeit bei normalen Betriebsströmen - in der Regel 5% bis 120% des Nennstroms. Schutzklassen (5P, 10P) legen den Schwerpunkt auf die Leistung im Fehlerfall, wobei die Genauigkeit auch bei Stromstärken erhalten bleibt, die weit über den Normalbetrieb hinausgehen.
Die Unterscheidung ist wichtig, weil diese Anforderungen in einem physikalischen Widerspruch zueinander stehen. Die Messgenauigkeit erfordert Kernmaterialien mit hoher Permeabilität, die bei Fehlern schnell sättigen. Die Zuverlässigkeit des Schutzes erfordert größere Kerne, die der Sättigung widerstehen, aber die Präzision bei niedrigen Strömen beeinträchtigen. Ein Stromwandler kann nicht in beiden Bereichen hervorragend sein.
Stromwandlerfehler sind auf den Magnetisierungsstrom zurückzuführen, der zum Aufbau des Kernflusses erforderlich ist. Dieser Strom stellt Energie dar, die vom idealen Umwandlungsprozess abgezweigt wird und zwei messbare Abweichungen verursacht.
Verhältnisfehler (ε) quantifiziert den prozentualen Unterschied zwischen dem tatsächlichen und dem Nennübersetzungsverhältnis. Ein 1000/5 A Stromwandler könnte bei 1000 A Primärstrom tatsächlich 4,98 A liefern - ein Fehler von 0,4% im Verhältnis. Dieser Fehler variiert mit der Größe des Primärstroms und der angeschlossenen Last.
Phasenverschiebung (δ) misst die Winkeldifferenz zwischen den Phasen des Primär- und Sekundärstroms, ausgedrückt in Bogenminuten. Bei einer idealen Umwandlung ist die Phasenverschiebung gleich Null; reale Stromwandler weisen aufgrund der Anforderungen an den Magnetisierungsstrom kleine Verschiebungen auf.
Die Kernmaterialien beeinflussen das Stromwandlerverhalten erheblich. Kornorientierte Siliziumstahlkerne arbeiten typischerweise bei maximalen Flussdichten von 1,5-1,8 T (Tesla), während nanokristalline Kerne geringere Verluste bei Flussdichten um 1,2 T erreichen. Die Nennlast - ausgedrückt in VA (Volt-Ampere) - bestimmt die maximale Last, die der Stromwandler unter Beibehaltung der Genauigkeit liefern kann, wobei die Standardwerte von 2,5 VA bis 30 VA für Messanwendungen reichen.
Beide Fehler müssen über den gesamten Betriebsbereich innerhalb der klassenspezifischen Grenzen bleiben. Bei Messstromwandlern der Klasse 0.2 darf der Verhältnisfehler ±0,2% nicht überschreiten und die Phasenverschiebung muss bei Nennstrom unter ±10 Minuten bleiben. Schutzklassen lassen größere Fehler zu - bis zu ±1% Übersetzungsfehler unter normalen Bedingungen -, halten diese Grenzen aber bei viel höheren Strommultiplikatoren ein.
Die Genauigkeitsklassen für die Messgenauigkeit legen den Schwerpunkt auf die Präzision bei normalen Betriebsströmen, bei denen Abrechnungsberechnungen stattfinden. IEC 61869-2 definiert diese Klassen durch Verhältnisfehler- und Phasenverschiebungsgrenzen an mehreren Prüfpunkten.
| Klasse | Verhältnisfehler bei 100% In | Phasenverschiebung | Genauigkeit Bereich | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 | ±0,1% | ±5 min | 5-120% | Labor-Referenzstandards |
| 0.2 | ±0,2% | ±10 min | 5-120% | Einnahmemessung bei der Übertragung |
| 0.2S | ±0,2% | ±10 min | 1-120% | Erlösmessung bei variabler Last |
| 0.5 | ±0,5% | ±30 min | 5-120% | Zählung in Unterstationen |
| 0.5S | ±0,5% | ±30 min | 1-120% | Industrielle Einnahmeerfassung |
| 1.0 | ±1,0% | ±60 min | 5-120% | Indikator-Instrumente |
Das Suffix “S” steht für erweiterte Genauigkeit bei niedrigen Strömen. Die Standardklassen halten die angegebene Genauigkeit von 5% bis 120% des Nennstroms ein. Die Klassen 0,2S und 0,5S erweitern diesen Bereich auf bis zu 1% des Nennstroms - wichtig für Anlagen mit variablen Lasten, bei denen die Genauigkeit der Abrechnung bei geringer Last die Einnahmen beeinflusst.
Bei der Inbetriebnahme von Industrieanlagen stellen wir immer wieder fest, dass die 0,2S-Spezifikation kritisch wird, wenn die monatlichen Abrechnungen $50.000 übersteigen. Ein Fehler von 0,3% bei einer Last von 10% - akzeptabel für die Standardklasse 0,5, aber außerhalb der 0,2S-Grenzwerte - erhöht sich über die Abrechnungszyklen hinweg.
Beabsichtigte Sättigung kennzeichnet Messkerne. Diese Stromwandler gehen beim 2-5-fachen des Nennstroms in Sättigung und begrenzen den Sekundärausgang bei Fehlern. Dies schützt angeschlossene Zähler vor Schäden, macht Messstromwandler jedoch für Schutzanwendungen, bei denen es auf Fehlerstromgenauigkeit ankommt, ungeeignet.
[Experteneinblick: Auswahl von Messwandlern]
- Geben Sie die Klasse 0,2S oder 0,5S an, wenn die Lasten regelmäßig unter 20% der Stromwandlerleistung fallen.
- Überprüfen Sie, ob die tatsächlich angeschlossene Last unter 75% der Nennlast liegt, um eine optimale Genauigkeit zu erzielen.
- Moderne digitale Messgeräte weisen eine Last von <1 VA auf - CT bestätigt, dass die Genauigkeit bei geringer Last erhalten bleibt.
- Fordern Sie Werksprüfzeugnisse an, aus denen die tatsächlich gemessenen Fehler hervorgehen, nicht nur die Einhaltung der Klassen.
Die Schutzklassen folgen einem anderen Notationssystem, das ihre Hauptfunktion widerspiegelt: die genaue Fehlerstrommessung. Die Bezeichnung “5P20” kodiert drei für die Relaiskoordination wichtige Parameter.
| Klasse | Zusammengesetzter Fehler bei ALF | Gemeinsame ALF-Werte | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| 5P | ≤5% | 10, 15, 20, 30 | Primärschutzrelais, Differenzialsysteme |
| 10P | ≤10% | 10, 15, 20 | Backup-Schutz, Überstromrelais |
Das Genauigkeit Grenzfaktor bestimmt das maximale Fehlerstromvielfache, bei dem der Stromwandler einen linearen Ausgang beibehält. Ein Stromwandler 5P20 mit einer Primärstromstärke von 1000 A arbeitet bis zu einem Primärstrom von 20.000 A präzise. Jenseits dieses Schwellenwerts verzerrt die Kernsättigung die sekundäre Wellenform, was zu einer Fehlfunktion des Relais führen kann.
Die Schutzklassen folgen einem anderen Bezeichnungssystem: Die Zahl vor dem “P” gibt die zusammengesetzte Fehlergrenze in Prozent an. Ein Stromwandler der Klasse 5P20 erlaubt einen zusammengesetzten Fehler von bis zu ±5% und behält seine Genauigkeit bis zum 20-fachen des Nennstroms bei (Accuracy Limit Factor, oder ALF). Schutzwandler müssen je nach Systemanforderungen Fehlerströme von 2 kA bis 63 kA genau reproduzieren.
ALF-Berechnung für die richtige Spezifikation:
Erforderlicher ALF ≥ Maximaler Fehlerstrom ÷ Stromwandler-Nennstrom primär
Für einen Fehlerpegel von 12,5 kA mit 500/5 A Stromwandlern:
Erforderlicher ALF ≥ 12.500 ÷ 500 = 25
Eine Nennleistung von 5P20 reicht nicht aus; geben Sie 5P30 an, um einen ausreichenden Spielraum zu haben.
Bei Schutzkernen werden im Vergleich zu Messkernen größere Querschnitte und Materialien mit höherer Sättigung verwendet. Dadurch wird die magnetische Sättigung verzögert und sichergestellt, dass die Relais genaue Fehlerstromsignale erhalten. Der Nachteil: geringere Präzision bei normalen Betriebsströmen, typischerweise ±1% Verhältnisfehler gegenüber ±0,2% für Messklassen.
Die grundlegenden Entwurfsphilosophien widersprechen sich. Das Verstehen dieser Unterschiede verhindert eine falsche Anwendung.
| Parameter | Stromzähler | Schutz CT |
|---|---|---|
| Primäre Funktion | Abrechnung von Einnahmen, Energieüberwachung | Störungserkennung, Relaisbetrieb |
| Genauigkeitsbereich | 1-120% der Nennleistung (Klasse S) | Bis zu ALF × Nennstrom |
| Fehlerspezifikation | Verhältnisfehler + Phasenverschiebung | Zusammengesetzter Fehler |
| Sättigungsverhalten | Frühzeitig (2-5× bewertet) - schützend | Verspätet (bis zu ALF × Nennwert) - wesentlich |
| Kerndesign | Kleinerer, hochpermeabler Stahl | Größere, hochgesättigte Materialien |
| Typische Klassen | 0,2, 0,2S, 0,5, 0,5S, 1,0 | 5P10, 5P20, 10P10, 10P15 |
| Angeschlossene Geräte | kWh-Zähler, Leistungsanalysatoren | Schutzrelais, Störschreiber |
Bei der Fehleranalyse in einer Fertigungsanlage beobachteten wir, dass ein Messstromwandler der Klasse 0,5 bei einem Fehler von 12 kA nur 15% des tatsächlichen Fehlerstroms an das Relais lieferte. Der Messkern war fast sofort gesättigt und der Sekundärausgang kollabierte, während der Fehler anhielt. Der Relaisbetrieb wurde um 150 ms verzögert - lange genug, um einen Ausfall der vorgelagerten Koordination zu verursachen.
Dieses Szenario veranschaulicht, warum getrennte Adern in ordnungsgemäß ausgelegten Anlagen Mess- und Schutzfunktionen erfüllen.
Die angeschlossene Bürde wirkt sich direkt auf die Stromwandlergenauigkeit aus. Eine Überschreitung der Nennlast verschlechtert die Messgenauigkeit und reduziert die effektive ALF für Schutzstromwandler.
Berechnung der Bleibelastung:
Leitung VA = I²Sekundär × 2 × RLeitung
Für 5 A sekundär mit 50 m Kabelführung (2,5 mm² Kupfer, ~0,35 Ω einseitig):
VA der Leitung = 25 × 2 × 0,35 = 17,5 VA
Dies erklärt, warum 1-A-Sekundärleitungen für lange Kabelstrecken geeignet sind - die Belastung sinkt um das 25-fache im Vergleich zu 5-A-Sekundärleitungen für das gleiche Kabel.
Checkliste für die Auswahl:
[Experteneinblick: Schutz-CT-Spezifikation]
- Anwendungen mit automatischer Wiedereinschaltung erfordern 50% zusätzliche ALF-Marge aufgrund von Remanenzflusseffekten
- Differenzialschutzsysteme erfordern angepasste Stromwandlerkennlinien - legen Sie identische Kniepunktspannungen fest
- Moderne numerische Relais weisen eine Belastung von <1 VA gegenüber 15-30 VA für elektromechanische Typen auf - berechnen Sie den effektiven ALF
- Fordern Sie Erregungskurven von den Herstellern an, um zu überprüfen, ob die Kniespitzenspannung den Anforderungen des Relais entspricht.
Die meisten Mittelspannungsanlagen erfordern sowohl die Messung als auch den Schutz von jedem Abgang. Stromwandler mit zwei Kernen (oder mehreren Kernen) lösen dieses Problem, indem sie separate Magnetkerne enthalten, die auf denselben Primärleiter gewickelt sind.
Typische Dual-Core-Spezifikation:
Jeder Kern wird einer unabhängigen Prüfung nach IEC 61869-2 unterzogen. Der Messkern behält die Abrechnungsgenauigkeit bei normalen Strömen bei, während er bei Fehlern in Sättigung geht. Der Schutzkern bewahrt die Fehlerstromtreue für den Relaisbetrieb. Keiner der beiden Kerne beeinträchtigt die Funktion des anderen.
Integration mit Mittelspannungs-Vakuum-Leistungsschalter erfordert eine koordinierte Stromwandlerspezifikation. Der Grenzfaktor für die Stromwandlergenauigkeit muss das Nennausschaltvermögen des Schalters übersteigen, damit die Schutzrelais während der gesamten Fehlerbeseitigungssequenz genaue Signale erhalten. Für Schaltgerätekombinationen, Komponentenhersteller geben in der Regel Stromwandlerempfehlungen, die auf bestimmte Schalterleistungen abgestimmt sind.
Wenn Sie Stromwandler für neue Anlagen spezifizieren, teilen Sie Ihrem Lieferanten Folgendes mit:
Die praktische Erfahrung aus mehr als 75 Projekten zur Inbetriebnahme von Umspannwerken zeigt, dass immer wieder Fehler in den Spezifikationen auftreten.
Ein Stromwandler der Klasse 0,5 geht bei Fehlern in Sättigung und liefert verzerrte Signale an die Schutzrelais. Die Auslösezeiten verlängern sich; die Koordination schlägt fehl.
Lösung: Spezifizieren Sie immer dedizierte Schutzkerne mit einem ALF, der den maximalen Fehlerstrom ÷ Primärleistung des Stromwandlers übersteigt.
Lange Kabelwege zu Relaisräumen führen zu einer erheblichen VA-Belastung, insbesondere bei 5-A-Sekundärkreisen.
Lösung: Berechnen Sie die Leitungslast anhand des tatsächlichen Kabelwiderstands. Berücksichtigen Sie 1 A sekundär für Strecken von mehr als 30 m.
Ungleiche Stromwandlerkennlinien erzeugen einen falschen Differenzstrom, der zu Fehlauslösungen oder Betriebsstörungen führt.
Lösung: Geben Sie identische Stromwandlerverhältnisse, Genauigkeitsklassen und Kniepunktspannungen für alle Stromwandler in Differenzzonen an.
Nach der anfänglichen Fehlerbeseitigung verbleibt eine Restmagnetisierung im Kern. Beim Wiederauftreten eines anhaltenden Fehlers führt diese Remanenz zu einer früheren Sättigung.
Lösung: Spezifizieren Sie 50% höher ALF für Anwendungen mit automatischer Wiedereinschaltung oder verwenden Sie Anti-Remanenz-Kerndesigns.
Verstehen Nennwerte für Vakuum-Leistungsschalter hilft bei der Koordinierung der Stromwandlerspezifikationen mit den Möglichkeiten des Leistungsschalters - der Stromwandler muss über den gesamten Nennausschaltstrombereich des Leistungsschalters genau arbeiten.
Die Bezeichnung weist auf einen Stromwandler der Schutzklasse hin, der den zusammengesetzten Fehler unter 5% bis zum 20-fachen des Nennprimärstroms hält. Bei einer Nennleistung von 400/5 A bietet dieser Stromwandler eine genaue Fehlerstrommessung bis zu 8.000 A, bevor die Kernsättigung die Leistung beeinträchtigt.
Bei dieser Konfiguration besteht die Gefahr, dass der Schutz versagt. Messkerne sättigen bei 2-5fachem Nennstrom und lassen den Sekundärausgang genau dann zusammenbrechen, wenn die Relais genaue Fehlersignale benötigen. Getrennte Schutzkerne mit geeigneten ALF-Nennwerten sind für eine zuverlässige Fehlererkennung unerlässlich.
Wählen Sie 0,2S, wenn die Lasten regelmäßig unter 20% der Stromwandlerleistung liegen. Die Standardklasse 0,2 garantiert nur eine Genauigkeit von 5-120% des Nennstroms; 0,2S erweitert diesen Bereich auf 1-120%, wodurch die Abrechnungsgenauigkeit auch bei geringer Last erhalten bleibt.
Der Betrieb unter der Nennlast erhöht den effektiven ALF - ein 5P20-Wandler mit halber Last schneidet ähnlich ab wie ein 5P40. Einige Stromwandlerdesigns weisen jedoch erhöhte Fehler bei sehr geringer Bürde auf. Stellen Sie sicher, dass die tatsächliche Bürde zwischen 25% und 100% der Nennbürde liegt, um eine vorhersehbare Leistung zu erzielen.
Die Knickpunktspannung gibt die Sekundärspannung an, bei der die Magnetisierung des Kerns nicht mehr linear ist, d. h. bei der ein Spannungsanstieg von 10% zu einem Anstieg des Magnetisierungsstroms um 50% führt. Schutzrelais benötigen Stromwandler mit einer Knickpunktspannung, die über der Sekundärspannung liegt, die bei maximalen Fehlerbedingungen entsteht, um eine genaue Messung zu gewährleisten.
IEC 61869-2 verwendet dezimale Zählerklassen (0,2, 0,5) und mit P bezeichnete Schutzklassen (5P, 10P). IEEE C57.13 spezifiziert die Zählerklassen mit 0,3 und 0,6, wobei die Schutzklassen durch die sekundäre Klemmenspannungsfähigkeit (C100, C200) bestimmt werden. Bei internationalen Projekten sollten die IEC-Klassen angegeben werden, um Unklarheiten bei der Umwandlung zu vermeiden.
Der Kondensatorschutz erfordert eine genaue Messung relativ kleiner Unsymmetrieströme und nicht hoher Fehlerströme. Die Klasse 5P10 bietet in der Regel einen angemessenen ALF, während der Messkern (wenn es sich um einen Doppelkern handelt) für die Überwachung des Kondensatorstroms und die Oberschwingungsanalyse mindestens die Klasse 0,5 haben sollte.
Wenn Sie Unterstützung bei der Spezifikation von Stromwandlern für Ihre Schaltanlagen benötigen, wenden Sie sich an das Ingenieurteam von XBRELE. Wir bieten integrierte Lösungen, die Vakuum-Schaltschranktechnik mit richtig koordinierten Messwandlern für zuverlässige Mess- und Schutzleistungen.
Externe Referenz: IEC 61869-2:2012 Messwandler - Zusätzliche Anforderungen an Stromwandler
