Stromwandler gehören zu den am präzisesten konstruierten Komponenten in Leistungsmess- und Schutzsystemen. Dennoch wird ihre innere Struktur selten im Detail untersucht. Wenn Ingenieure, Techniker und Beschaffungsfachleute verstehen, was sich in einem Stromtransformator befindet, wie jedes Teil ausgewählt wird und warum es verschiedene Bauarten gibt, können sie bessere Entscheidungen über Genauigkeit, Installation und langfristige Zuverlässigkeit treffen.
Dieser Artikel geht durch die Anatomie eines Stromtransformators vom Kernmaterial bis zum Außengehäuse, erklärt die Rolle jeder Komponente und klassifiziert die wichtigsten Konstruktionstypen, die in Niederspannungs-, Mittelspannungs- und Hochspannungsanwendungen verwendet werden.
Der Magnetkern ist die leistungsbestimmendste Komponente innerhalb eines Stromwandlers. Es dient als Medium, über das durch elektromagnetische Induktion Energie vom Primärleiter auf die Sekundärwicklung übertragen wird. Form, Material und Querschnittsfläche des Kerns bestimmen nahezu alle Leistungsmerkmale des fertigen Geräts.
Die meisten Stromwandlerkerne werden in Ringform hergestellt. Diese geschlossene Geometrie stellt sicher, dass der magnetische Flusspfad kontinuierlich ist, was Flussverluste minimiert und zu einer hohen Genauigkeit beiträgt. Ringkerne sind Standard in Instrumenten der Revenue- und Protection-Klasse, da sie bei Nennstrom sehr geringe Phasenwinkelfehler liefern.
Bei gewickelten Stromtransformatoren, die in Hochspannungs- oder Spezialanwendungen eingesetzt werden, können die Kerne in rechteckigen oder C-förmigen Konfigurationen laminiert werden, die aus kornorientierten Elektrostahlbändern zusammengesetzt sind. Diese laminierten Kerne ermöglichen es dem Hersteller, die Querschnittsfläche genau auf eine angestrebte Belastungs- und Genauigkeitsklasse abzustimmen.
Die Wahl des Magnetkernmaterials beeinflusst direkt die Genauigkeitsklasse, das Sättigungsverhalten und den Frequenzgang des Transformators. Die folgende Tabelle fasst die gängigsten Optionen zusammen:
| Material | Relative Permeabilität (ca.) | Typischer Anwendungsfall | Entscheidender Vorteil |
|---|---|---|---|
| Kaltgewalzter kornorientierter Siliziumstahl (CRGO) | 5.000 – 30.000 | Mess- und Schutzstromwandler, 50/60 Hz | Geringer Kernverlust, kostengünstig |
| Nickel-Eisen-Legierung (z. B. 78 % Ni) | 50.000 – 200.000 | Hochpräzise Umsatzmessung, Klasse 0,1 und 0,2 | Extrem niedriger Magnetisierungsstrom |
| Nanokristalline Legierung | Bis zu 150.000 | Breitfrequente, harmonische Umgebungen | Hervorragende Hochfrequenzwiedergabe |
| Amorphes Metall (Metglas) | 100.000 | Energiemessung in Smart-Grid-Anwendungen | Sehr geringe Hystereseverluste |
| Ferrit | 1.000 – 15.000 | Hochfrequenz-Strommessung (kHz-Bereich) | Vernachlässigbarer Wirbelstromverlust bei hoher Frequenz |
Für die Standard-Netzfrequenzmessung bei 50 Hz oder 60 Hz bleibt CRGO-Siliziumstahl aufgrund seines günstigen Gleichgewichts zwischen Kosten, Verfügbarkeit und magnetischer Leistung die dominierende Wahl. Nickel-Eisen-Legierungen sind für Präzisionsstromwandler mit Umsatzmessung reserviert, bei denen Fehler über einen weiten Bürdenbereich innerhalb von 0,1 % oder 0,2 % gehalten werden müssen.
Um Wirbelstromverluste zu reduzieren, werden Silizium-Stahlkerne in dünne Streifen, typischerweise 0,23 mm bis 0,35 mm dick, laminiert. Jede Lamelle ist mit einer dünnen Isolierschicht – normalerweise einer Phosphatbehandlung oder einem organischen Lack – überzogen, die verhindert, dass Strom zwischen den Schichten fließt. Eine engere Laminierung und dünnere Streifen reduzieren Verluste und Wärmestau bei anhaltender Überlastung.
Die Sekundärwicklung ist direkt auf den Kern gewickelt und ist für die Erzeugung des Ausgangsstroms verantwortlich, den Instrumente, Relais und Messgeräte messen. Der physikalische Aufbau dieser Wicklung beeinflusst sowohl die Genauigkeit als auch die thermische Leistung.
Nahezu alle Sekundärwicklungen sind aus Kupferlackdraht gewickelt. Die Kombination aus hoher elektrischer Leitfähigkeit, Duktilität und gut verstandenen Temperatureigenschaften macht Kupfer zur Standardwahl. In speziellen Leichtbaukonstruktionen wird gelegentlich Aluminiumdraht verwendet, der jedoch größere Querschnitte erfordert, um das gleiche Widerstandsziel zu erreichen, und einen sorgfältigen Anschluss erfordert, um Korrosion zu verhindern.
Der Drahtquerschnitt wird so gewählt, dass er der Spezifikation des Sekundärwicklungswiderstands entspricht (oft als Rct bezeichnet – der Widerstand der Sekundärwicklung). Ein niedrigerer Rct ermöglicht, dass ein größerer Teil der verfügbaren sekundären EMF an die externe Last abgegeben wird, anstatt intern als Wärme abgeführt zu werden. Dies wirkt sich direkt auf die Genauigkeit bei niedrigen Belastungsniveaus aus.
Die Windungszahl der Sekundärwicklung bestimmt in Kombination mit den Primärwindungen das Übersetzungsverhältnis. Bei einem standardmäßigen Stab- oder Fensterstromtransformator, bei dem die Primärseite ein einzelner Durchgangsleiter ist, beträgt die Anzahl der Primärwindungen 1. Die Sekundärwindungen werden dann so eingestellt, dass das gewünschte Verhältnis erreicht wird – zum Beispiel 200 Windungen für ein Verhältnis von 200:1 in einem 200-A-/1-A-Transformator.
Die Wicklungen sind gleichmäßig um den Ringkern verteilt, um eine ausgeglichene magnetomotorische Kraft zu gewährleisten und den Streufluss zu minimieren. Gleichmäßigkeit ist besonders wichtig bei hochpräzisen Designs, bei denen selbst kleine Asymmetrien in der Wicklungsverteilung zu messbaren Phasenwinkelfehlern führen können.
Mehrschichtige Wicklungen erfordern eine Isolierung zwischen den Schichten, um einen Spannungsdurchschlag zwischen Windungen auf unterschiedlichen Potenzialen zu verhindern. Zu den üblichen Zwischenschicht-Isoliermaterialien gehören:
Die Primärseite eines Stromwandlers kann auf mehrere deutlich unterschiedliche Arten angeordnet sein, die jeweils zu einem anderen mechanischen Aufbautyp führen. Dies ist die primäre Grundlage für die Klassifizierung von CTs nach ihrem physikalischen Design.
Eine massive oder hohle Sammelschiene verläuft durch das Fenster der Kern-Wicklungs-Baugruppe. Auf das Gerät ist keine Primärwicklung aufgewickelt. Die Stange selbst stellt eine Primärdrehung dar.
Ähnlich dem Stabtyp, aber der Primärleiter ist ein externes Kabel oder eine Sammelschiene, die durch ein offenes Fenster im CT-Gehäuse geführt wird. Der Transformator hat keinen eingebauten Primärleiter.
Neben der Sekundärwicklung werden eine oder mehrere Primärwindungen auf den Kern gewickelt. Ermöglicht hohe Übersetzungsverhältnisse bei kleinen Primärströmen.
Der Kern ist in zwei trennbare Hälften geteilt, die geöffnet und um einen vorhandenen Leiter geklemmt werden können, ohne den Stromkreis zu trennen.
Ein Stabstromtransformator verwendet einen festen, werkseitig installierten Primärleiter – typischerweise einen Kupfer- oder Aluminiumstab – der durch die Mitte der ringförmigen oder rechteckigen Kern-Wicklungs-Baugruppe verläuft. Um diesen Stab sind Kern und Sekundärwicklung gekapselt. Diese Konstruktion bietet maximale mechanische Steifigkeit und wird bevorzugt für Schaltanlagen- und Sammelschieneninstallationen verwendet, bei denen die Primärströme zwischen 400 A und mehreren tausend Ampere liegen.
Da der Balken werkseitig eingestellt ist, können Balkenstromwandler nicht vor Ort angepasst werden. Der Nennprimärstrom wird bei der Herstellung bestimmt. Sie sind jedoch über Jahrzehnte hinweg äußerst stabil, da es im Primärpfad keine mechanischen Verbindungen gibt, die sich lösen oder korrodieren können.
Fenster-Stromwandler, manchmal auch Ring- oder Donut-Stromwandler genannt, bestehen aus einem Ringkern, um den die Sekundärspule gewickelt ist und der in einem Gehäuse mit einer zentralen Öffnung eingeschlossen ist. Der Primärleiter – welches Kabel oder welche Sammelschiene auch immer den gemessenen Strom führt – wird bei der Installation einfach durch diese Öffnung geführt. Zwischen dem CT-Gehäuse und dem Primärleiter besteht keine elektrische Verbindung; Der Transformator arbeitet rein durch Induktion.
Dieses Design ist vielseitig, da ein einzelnes CT-Modell an Leitern mit unterschiedlichen Querschnitten installiert werden kann, solange der Leiter physisch durch das Fenster passt. Fenster-CTs werden häufig in Schalttafeln, zur Kabelüberwachung und zur Nachrüstung bestehender Installationen eingesetzt.
Bei einem gewickelten Stromtransformator besteht die Primärwicklung aus einer oder mehreren Windungen eines isolierten Kupferleiters, der direkt auf den Kern neben der Sekundärwicklung gewickelt ist. Diese Anordnung wird verwendet, wenn der Primärstrom relativ niedrig ist – typischerweise unter 100 A – und ein Leiter mit einem Durchgang keinen ausreichenden Fluss für eine genaue Messung erzeugen würde.
Durch das Hinzufügen von zwei, drei oder mehr Primärwindungen wird das effektive Übersetzungsverhältnis vervielfacht, ohne dass ein physisch größerer Kern erforderlich ist. Ein gewickelter Stromwandler mit 5 Primärwindungen und 1.000 Sekundärwindungen hat ein effektives Verhältnis von 1.000:5 oder 200:1, wobei ein Primärstromwandler mit 5 Windungen einen größeren Fluss bei gleichem Leitungsstrom antreibt als ein Einzelstab-Primärstromwandler.
Gewickelte Stromwandler sind in der Regel teurer als Stab- oder Fenster-Stromwandler bei gleicher Nennstromstärke, da der zusätzliche Wickelprozess zusätzliche Arbeit erfordert und die Primärleiterisolierung für die volle Außenleiterspannung des Systems ausgelegt sein muss.
Die Split-Core-Stromwandler löst ein spezifisches praktisches Problem: wie man einen Stromwandler an einem Leiter installiert, der nicht stromlos geschaltet oder getrennt werden kann. Der Magnetkern ist entlang einer präzisionsgefertigten Verbindung in zwei Hälften geteilt. Ein Scharnier- oder Verriegelungsmechanismus hält die Hälften während des Betriebs geschlossen und ermöglicht das Trennen für die Installation.
Wenn die Kernhälften geöffnet sind, kann der Stromwandler um ein stromführendes Kabel herum positioniert werden. Sobald es geschlossen und verriegelt ist, ist der Magnetkreis vollständig und das Gerät funktioniert genauso wie ein massiver Ringkern-Stromwandler mit den gleichen Abmessungen.
Die key engineering challenge in split-core design is minimizing the air gap at the joint. Even a microscopic gap in the magnetic circuit dramatically increases the magnetizing current required and introduces errors, particularly at low primary current levels near 5% to 20% of the rated value. Manufacturers address this through:
Split-Core-Stromwandler werden häufig bei Energieaudits, Gebäudeenergiemanagementsystemen, nachgerüsteten Energieüberwachungstafeln und allen Anwendungen eingesetzt, bei denen die Installation ohne Abschalten des überwachten Stromkreises durchgeführt werden muss. Je nach Kernmaterial und Verbindungsqualität sind sie in Genauigkeitsklassen von Klasse 1 bis Klasse 0,5 erhältlich.
Die toroidal current transformer is by far the most common construction used in modern panel-mount and inline current measurement. Its defining feature is the doughnut-shaped core, which creates a closed magnetic path with no deliberate air gap (in solid-core versions) and no exposed pole faces.
Da der magnetische Fluss bei einer toroidalen Bauweise vollständig im Kernmaterial zirkuliert, entweicht im Wesentlichen kein Fluss in die Umgebungsluft. Dies hat zwei praktische Konsequenzen. Erstens ist der zum Aufbau des Arbeitsflusses erforderliche Magnetisierungsstrom sehr gering, was den Verhältnisfehler und die Phasenverschiebung direkt reduziert. Zweitens reagiert der Ringkern-Stromwandler im Vergleich zu Designs mit rechteckigem Kern viel weniger empfindlich auf die Position des Primärleiters innerhalb des Fensters – eine Eigenschaft, die als Positionsfehlerimmunität bezeichnet wird.
Bei einem gut konzipierten Ringkern-Stromwandler führt die Verschiebung des Primärleiters von der Mitte des Fensters in eine außermittige Position zu einem zusätzlichen Verhältnisfehler von weniger als 0,05 %. Bei einem CT mit rechteckigem Kern kann die gleiche Verschiebung zu Fehlern von mehr als 0,3 % führen.
Ringkerne für Stromwandler werden je nach Zielmaterial nach einem von drei Verfahren hergestellt:
Die CT-Isolierung muss zwei Funktionen gleichzeitig erfüllen: die Isolierung des Hochspannungs-Primärleiters vom Niederspannungs-Sekundärkreis und den Schutz der Wicklungs- und Kernbaugruppe vor Umwelteinflüssen. Das gewählte Isolationssystem hängt von der Nennspannung, der Umgebung und den mechanischen Anforderungen der Anwendung ab.
Die majority of low-voltage and medium-voltage current transformers used in metering panels and switchgear are manufactured by casting or vacuum-injecting epoxy resin around the wound core assembly. This process, often called molded-case construction, creates a solid, void-free insulating body that:
Vakuumdruckimprägnierung (VPI) wird für größere Baugruppen verwendet, bei denen ein Gießen nicht praktikabel ist. Die Wicklung wird unter Vakuum in Harz getaucht, um eingeschlossene Luft zu entfernen, und dann unter Druck gesetzt, um das Harz vor dem Aushärten in alle Hohlräume zu drücken.
Hochspannungs-Stromtransformatoren mit Nennspannungen über 36 kV verwenden typischerweise Mineralöl als primäres Isolier- und Kühlmedium. Der gewickelte Kern und die Sekundärbaugruppe werden in einem versiegelten Metalltank platziert, der mit Mineralöl in Transformatorqualität gefüllt ist. Die Isolierung aus Zellulosepapier wird in mehreren Schichten um den Primärleiter gewickelt, wodurch die erforderliche Kriechstrecke aufgebaut wird, um der Netzspannung standzuhalten.
Ölgefüllte Stromwandler sind der Standard für 110-kV-, 220-kV- und 500-kV-Installationen in Umspannwerken. Regelmäßige Ölprobenahmen und Analysen gelöster Gase ermöglichen es Wartungsteams, eine beginnende Verschlechterung der Isolierung zu erkennen, bevor es zu Ausfällen kommt.
In gasisolierten Schaltanlagen (GIS) sind Stromwandler in das GIS-Gehäuse integriert und verwenden Schwefelhexafluorid (SF6)-Gas als Isoliermedium. Diese CTs profitieren von der gleichen kompakten Grundfläche wie die umgebenden Schaltanlagen und erfordern keine Flüssigkeitswartung, obwohl das versiegelte Gassystem auf Druck und Reinheit überwacht werden muss.
Für Inneninstallationen in kontrollierten Umgebungen mit Spannungen bis ca. 36 kV bieten Trocken-Stromwandler mit festen Isoliermaterialien (harzgebundenes Glasfaser, Gießharz oder Nomex) eine Alternative zu ölgefüllten Ausführungen. Sie sind leichter, eliminieren das Risiko von Ölverschmutzungen und vereinfachen die Wartung, reagieren allerdings empfindlicher auf Kondensation und Verschmutzung, wenn sie in rauen Außenumgebungen eingesetzt werden.
Die following table consolidates the major construction types, their typical current ranges, accuracy capabilities, and primary application sectors:
| Bauart | Primäre Wendungen | Typischer Strombereich | Beste Genauigkeitsklasse | Schlüsselanwendungen |
|---|---|---|---|---|
| Balkentyp | 1 (feste Stange) | 400 A – 5.000 A | 0,2S | Schaltanlagen, Sammelschienenmessung |
| Fenster-/Ringtyp | 1 (Durchgang) | 50 A – 3.000 A | 0.5 | Schalttafeln, Kabelüberwachung |
| Wundtyp | 2 – 20 | 1 A – 100 A | 0.1 | Präzisionsmessung bei geringem Strom |
| Geteilter Kern Type | 1 (Durchgang) | 50 A – 3.000 A | 0,5 – 1 | Nachrüstung, Energieaudit, BMS |
| Ringförmig (massiv) | 1 (Durchgang) | 5 A – 5.000 A | 0.1 | Umsatzmessung, Schutz |
| Ölgefüllter Tanktyp | 1 – 4 | 10 A – 4.000 A (HV) | 0.2 | Umspannwerke |
| GIS-integriert | 1 | 200 A – 5.000 A | 0.2 | Hochspannungs-GIS-Installationen |
Bei der Auswahl des richtigen Stromwandlers kommt es nicht nur auf die Abstimmung des Stromverhältnisses an. Der interne Aufbau bestimmt, wie sich ein Stromwandler über seinen gesamten Betriebsbereich, bei Lastschwankungen, bei erhöhten Temperaturen und bei Vorhandensein von Oberschwingungen verhält.
Ein Verhältnisfehler entsteht, weil der Magnetisierungsstrom – der Strom, der zum Aufbau des Flusses im Kern erforderlich ist – nicht im Sekundärausgang erscheint. Der gesamte Magnetisierungsstrom wird der Primärwicklung entnommen, aber nichts davon erreicht die Last. Je größer der Magnetisierungsstrom im Verhältnis zum Primärstrom ist, desto größer ist der Verhältnisfehler. Nickel-Eisen- und nanokristalline Kerne benötigen aufgrund ihrer sehr hohen Permeabilität deutlich weniger Magnetisierungsstrom als Silizium-Stahl-Kerne und erreichen daher geringere Übersetzungsfehler bei gleichem Kernquerschnitt.
Die Phasenverschiebung ist die in Bogenminuten gemessene Winkeldifferenz zwischen dem primären Stromzeiger und dem sekundären Stromzeiger (in umgekehrter Richtung). Die Phasenverschiebung ist besonders wichtig bei der Leistungsfaktor- und Energiemessung, da selbst ein kleiner Winkelfehler einen kosinusabhängigen Fehler bei der Berechnung der Wattstunden verursacht. Eine Phasenverschiebung von 10 Minuten bei einer Last mit einem Leistungsfaktor von 0,5 kann zu einem Energiemessfehler von etwa 0,5 % führen.
Die secondary burden — the total impedance of connected instruments, wiring resistance, and relay coils — directly affects the accuracy class performance. Most accuracy class specifications (IEC 61869, IEEE C57.13) define performance at a rated burden and at 25% of rated burden. A CT specified as Class 0.5 at a 5 VA burden will perform within 0.5% ratio error only when the connected burden does not exceed 5 VA. Exceeding the rated burden increases secondary terminal voltage, drives the core toward saturation, and degrades accuracy.
In drehzahlgeregelten Antriebsanlagen, Lichtbogenöfen und Stromversorgungssystemen für Rechenzentren enthält der Primärstrom erhebliche Oberwellenanteile – häufig bei der 5., 7., 11. und 13. Oberwelle. Standardmäßige Siliziumstahlkerne weisen bei harmonischen Frequenzen zunehmende Verluste und Phasenwinkelverzerrungen auf. Nanokristalline und amorphe Kerne mit ihrer flachen Permeabilitätskurve bis zu mehreren Kilohertz bieten eine wesentlich bessere Genauigkeit bei verzerrten Wellenformen und sind die bevorzugte Wahl für Netzqualitätsanalysatoren der Klasse A.
Die enclosure of a current transformer protects the active components from environmental exposure and provides the mechanical interface for installation. Housing design varies significantly between application categories.
Niederspannungs-Stromwandler für Messtafeln werden fast überall in Gehäusen aus glasfaserverstärktem Polyester (GFK) oder Polycarbonat hergestellt, die durch Spritzgießen um die Kernbaugruppe aus Gießharz geformt werden. Das Gehäuse verfügt über Befestigungslaschen oder DIN-Schienenklemmen, Sekundärklemmenblöcke, die für den erwarteten Ausgangsstrom ausgelegt sind, und Polaritätsmarkierungen (P1/P2 für Primär, S1/S2 für Sekundär) gemäß IEC-Standards.
Buchsen-Stromwandler sind ringförmige Baugruppen, die über die Porzellan- oder Polymerbuchse eines Leistungstransformators oder Leistungsschalters gleiten. Sie haben keine eigene Wohnung; Stattdessen werden sie zwischen dem Flansch der Durchführung und dem Deckel des Transformatorkessels eingeklemmt. Durchführungs-Stromwandler gehören zu den kompaktesten Bauformen, da die Durchführung selbst für den Primärleiter und die Spannungsisolierung sorgt.
Mittel- und Hochspannungs-Außenstromtransformatoren sind in abgedichteten Baugruppen mit Isolatorgehäusen aus Porzellan oder Silikonkautschuk-Verbundwerkstoff untergebracht. Das Schirmprofil ist darauf ausgelegt, unter Verschmutzungsbedingungen eine ausreichende Kriechstrecke aufrechtzuerhalten – die IEC-Norm verlangt eine Mindestkriechstrecke von 16 mm/kV für leicht verschmutzte Umgebungen und bis zu 31 mm/kV für stark verschmutzte Standorte. Silikonkautschuk-Verbundgehäuse haben Porzellan in Neuinstallationen aufgrund ihres geringeren Gewichts, der besseren Verschmutzungsleistung in kontaminierten Umgebungen und der Beständigkeit gegen Sprödbruch weitgehend ersetzt.
Ein vollständiges Strommesssystem umfasst den Stromwandler, die Verbindungsverkabelung und das Empfangsinstrument. Die Split-Core-Stromwandler ist aus diesem Grund häufig die bevorzugte Wahl bei Retrofit-Messprojekten – es kann ohne Betriebsunterbrechung installiert werden. Sobald die CT-Sekundärseite installiert ist, wird sie über spezielle CT-Schaltkreise mit Energiezählern, Leistungsanalysatoren oder Schutzrelais verbunden. Diese müssen während des Betriebs jederzeit geschlossen bleiben, um gefährliche sekundäre Überspannungszustände zu vermeiden.
Die Genauigkeitsklassen von Stromwandlern werden durch internationale und regionale Standards definiert. Am häufigsten wird auf IEC 61869-2 (früher IEC 60044-1) und IEEE C57.13 verwiesen. Das Verständnis der Klassenbezeichnungen hilft bei der Spezifizierung des richtigen CT für die Anwendung.
IEC 61869-2 definiert Messgenauigkeitsklassen als 0,1, 0,2, 0,2 S, 0,5, 0,5 S, 1 und 3. Das Suffix „S“ (speziell) weist auf eine erweiterte Genauigkeit bei niedrigem Strom hin – insbesondere muss der Stromwandler seine Verhältnisfehlerspezifikation bis zu 1 % des Nennstroms erfüllen, statt der standardmäßigen 5 %. Die Klassen 0,5S und 0,2S sind in vielen Regulierungsrahmen für Energiezähler der Energieklasse erforderlich, da Lasten häufig deutlich unter 100 % des primären Nennstroms des Stromwandlers betrieben werden.
CTs der Schutzklasse werden durch ihren Genauigkeitsgrenzfaktor (ALF) und ihr Kniepunktverhalten gekennzeichnet. Klasse 5P und 10P sind die Standardbezeichnungen, wobei die Zahl den maximalen zusammengesetzten Fehler beim Nenngenauigkeitsgrenzfaktor angibt. Ein 5P20-Stromwandler behält einen Gesamtfehler von höchstens 5 % bei, wenn der Primärstrom das 20-fache des Nennstroms beträgt – die Voraussetzung für den zuverlässigen Betrieb von Überstromrelais bei Fehlerbedingungen.
Die IEEE C57.13 standard uses a letter-number combination: the letter (C, K, T, or X) indicates the performance basis, and the number indicates the secondary terminal voltage at rated burden and 20 times rated current. A C200 CT can deliver its rated secondary current into a burden that develops 200 V at 20 times rated primary current without exceeding 10% ratio error. This classification system is prevalent in North American utility and industrial protection practice.
Ein Stromtransformator enthält einen Magnetkern (normalerweise ringförmiger Siliziumstahl, eine Nickel-Eisen-Legierung oder nanokristallines Material), eine Sekundärwicklung aus emailliertem Kupferdraht, die auf den Kern gewickelt ist, eine Zwischenschichtisolierung, ein äußeres Isoliergehäuse (normalerweise Epoxidharz für Niederspannungstypen) und sekundäre Anschlussanschlüsse. Hochspannungstypen enthalten außerdem eine Öl- oder Gasisolierung, die die Kern-Wicklungs-Baugruppe umgibt.
Ein gewickelter Stromtransformator hat eine oder mehrere Windungen aus isoliertem Kupferdraht als Primärwicklung, die auf den Kern gewickelt sind. Dadurch eignet es sich für niedrige Primärströme (typischerweise unter 100 A), bei denen ein Leiter mit einem Durchgang keinen ausreichenden Fluss erzeugen würde. Bei einem Stabstromtransformator verläuft ein massiver, werkseitig installierter Primärleiter durch das Kernfenster und bildet genau eine Primärwindung. Es wird für hohe Primärströme eingesetzt und bietet höchste mechanische Stabilität.
Die core material determines the magnetizing current the transformer requires to function. High-permeability materials (nickel-iron, nanocrystalline) need very little magnetizing current, which directly reduces both ratio error and phase displacement. Silicon steel is adequate for Class 0.5 and Class 1 applications. For Class 0.1 and 0.2 revenue metering, nickel-iron alloy cores are typically required. For harmonic-rich environments, nanocrystalline materials offer the best combination of accuracy and wide-frequency performance.
Ein Ringkernstromtransformator verwendet einen ringförmigen Magnetkern, der einen vollständig geschlossenen Magnetflusspfad ohne Luftspalte und freiliegende Polflächen erzeugt. Diese Konstruktion minimiert den magnetischen Streufluss, reduziert den erforderlichen Magnetisierungsstrom und macht den Transformator relativ unempfindlich gegenüber der Position des Primärleiters innerhalb des Fensters. Diese Eigenschaften machen Ringkern-Stromwandler zur bevorzugten Wahl für hochpräzise Messungen und für Installationen, bei denen der Primärleiter nicht präzise zentriert werden kann.
Die Genauigkeit eines Split-Core-CT hängt von der Minimierung des effektiven Luftspalts an der Verbindung zwischen den beiden Kernhälften ab. Hersteller verwenden präzisionsgefertigte Passflächen, federbelastete Klemmmechanismen, um einen gleichmäßigen Druck auszuüben, und Kernmaterialien mit hoher Permeabilität (häufig nanokristalline Legierungen), die von Natur aus toleranter gegenüber kleinen Restspalten sind. Unter idealen Bedingungen und einer gut geklemmten Verbindung kann ein hochwertiger Split-Core-CT eine Genauigkeit der Klasse 0,5 erreichen, was für die meisten Unterzähler- und Energiemanagementanwendungen ausreichend ist.
Die accuracy class number represents the maximum allowable ratio error (in percent) at rated burden and at 100% of rated primary current for standard classes, or down to 1% of rated current for "S" class designations. For example, a Class 0.5 CT must not exceed a 0.5% ratio error, while a Class 0.5S CT must also hold within 0.5% ratio error at primary currents as low as 1% of the rated value. Protection-class CTs use different designations (such as 5P20) that express composite error and accuracy limit factor rather than ratio error alone.
Ein Stromwandler vom Fenstertyp kann jeden Leiter aufnehmen, der physisch in seine Fensteröffnung passt und dessen Nennstrom innerhalb der primären Nennstromstärke des Stromwandlers liegt. Der Stromwandler selbst stellt keinen elektrischen Kontakt mit dem Leiter her – er funktioniert ausschließlich durch elektromagnetische Induktion. Zu den praktischen Einschränkungen gehören der Fensterinnendurchmesser (der groß genug für den Leiter einschließlich seiner Isolierung sein muss) und die Nennprimärstromspezifikation, die mit dem normalen Betriebsstrom des Leiters übereinstimmen muss, um sicherzustellen, dass der Stromwandler innerhalb seines Genauigkeitsbereichs arbeitet.
Wenn der Sekundärkreis eines Betriebsstromwandlers geöffnet wird, während Primärstrom fließt, magnetisiert der Primärstrom den Kern weiterhin, ohne dass ihm ein Sekundärstrom entgegenwirkt. Dies treibt den Kern in jeder Halbwelle tief in die Sättigung und erzeugt extrem hohe Spitzenspannungen an den Sekundäranschlüssen – möglicherweise Tausende von Volt. Diese Spannungen sind gefährlich für Personen und können die Isolierung des Stromwandlers zerstören. Stromwandler müssen immer kurzgeschlossen oder an eine Nennlast angeschlossen werden, bevor Instrumente von den Sekundärklemmen getrennt werden.
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