Wie funktioniert ein Stromwandler?

Ein Stromwandler (CT) arbeitet wie ein herkömmlicher Transformator nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Seine Hauptaufgabe besteht darin, hohe Ströme aus einem elektrischen Energiesystem auf einen niedrigeren, handhabbaren Wert für Mess-, Schutz- und Steuergeräte umzuwandeln. Im Folgenden wird das Funktionsprinzip eines Stromwandlers erläutert:

1. Grundlegender Aufbau:

• Ein Stromwandler besteht typischerweise aus:
  • Primärwicklung: Der Leiter, durch den der hohe Strom fließt. Er kann eine einzelne Windung bilden oder einfach durch den Kern des Stromwandlers geführt werden.
  • Kern: Er besteht aus ferromagnetischem Material und bündelt das Magnetfeld, das durch den Strom in der Primärwicklung entsteht.
  • Sekundärwicklung: Sie ist um den Kern gewickelt und hat wesentlich mehr Windungen als die Primärwicklung. Sie wird mit Messgeräten, Relais oder anderen Mess- und Schutzeinrichtungen verbunden.

  2. Funktionsprinzip: elektromagnetische Induktion:

  Der Stromwandler arbeitet nach dem Faraday’schen Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Danach induziert ein sich änderndes Magnetfeld eine Spannung in einem benachbarten Leiter.

  • Primärstrom:
    • Wenn ein hoher Strom durch die Primärwicklung oder den Primärleiter fließt, entsteht um ihn herum ein Magnetfeld.
    • Der Kern des Stromwandlers bündelt dieses Magnetfeld und koppelt es an die Sekundärwicklung.
    • Das vom Primärstrom erzeugte, sich ändernde Magnetfeld induziert in der Sekundärwicklung eine elektromotorische Kraft (EMK), durch die ein Strom fließt.
    • Der Sekundärstrom ist proportional zum Primärstrom, wird jedoch entsprechend dem Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung reduziert.
    • Das Verhältnis zwischen der Windungszahl der Sekundärwicklung und der Windungszahl der Primärwicklung bestimmt, wie stark der Strom reduziert wird.
    • Besteht die Primärseite beispielsweise aus einer Windung, also einem durch den Kern geführten Leiter, und die Sekundärseite aus 1000 Windungen, ergibt ein Primärstrom von 1000 A einen Sekundärstrom von 1 A (Verhältnis 1000:1).

    3. Betrieb mit geschlossenem Sekundärkreis:

    • Wenn Primärstrom fließt, muss der Sekundärkreis stets geschlossen sein: Die Sekundärwicklung muss entweder mit einer Last verbunden oder kurzgeschlossen sein. So kann das vom Primärstrom erzeugte Magnetfeld einen proportionalen Sekundärstrom induzieren.
    • Die Sekundärwicklung wird üblicherweise mit niederohmigen Messgeräten wie Amperemetern sowie mit Relais oder Schutzsystemen verbunden.

    4. Zweck und Anwendungen:

    • Strommessung: Stromwandler reduzieren den hohen Strom im Primärkreis auf einen niedrigeren, genormten Wert, beispielsweise 1 A oder 5 A, der mit Messgeräten sicher erfasst werden kann.
    • Schutz: Stromwandler liefern Stromsignale an Schutzrelais, die bei Überstrom oder Fehlern Leistungsschalter auslösen.
    • Trennung: Stromwandler trennen den Hochspannungs-Primärkreis aus Sicherheitsgründen elektrisch von den Niederspannungsgeräten für Messung und Schutz.

    5. Genauigkeitsklassen:

    Stromwandler sind auf hohe Genauigkeit ausgelegt, sodass der Sekundärstrom innerhalb einer festgelegten Genauigkeitsklasse direkt proportional zum Primärstrom ist, beispielsweise bei einem Fehler von 1 % oder 0,5 %. Genauigkeit ist sowohl bei Mess- als auch bei Schutzanwendungen entscheidend.

    Zusammenfassung der Funktionsweise:

    • Der Primärstrom erzeugt ein Magnetfeld im Kern des Stromwandlers.
    • Dieses sich ändernde Magnetfeld induziert einen Strom in der Sekundärwicklung.
    • Der Sekundärstrom ist entsprechend dem Windungsverhältnis eine verkleinerte Abbildung des Primärstroms.
    • Der Sekundärstrom kann anschließend gemessen oder für Steuerungs- und Schutzzwecke genutzt werden.

    So lassen sich hohe Ströme in elektrischen Energiesystemen sicher und genau messen, während Personal und Geräte geschützt werden.