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2026-03-17T16:23:35Z

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Ein '''Stromwandler''' ({{EnS|''current transformer'' (CT)}}) ist ein [[Messwandler]],<ref name="D1">DIN EN 61869-1:2010-04, zugleich VDE 0414-9-1: ''Messwandler – Teil 1: Allgemeine Anforderungen''.</ref> der als Maß für einen schwer messbar großen elektrischen Strom ein leicht verarbeitbares [[elektrisches Signal]] erzeugt. Herkömmlich wird darunter ein auf [[Messtechnik|messtechnische]] Erfordernisse ausgelegter [[Transformator]] verstanden, der zum [[potentialfrei]]en Messen großer [[Wechselstrom|Wechselströme]] unter oft hoher elektrischer Spannung dient. Neuere Stromwandlerarten benötigen keinen Transformator und können auch [[Gleichstrom]] messen.

Ein herkömmlicher Stromwandler gibt als Ausgangssignal einen [[Sekundärstrom]] in der Größenordnung von Milliampere bis wenige Ampere ab, der so gut wie möglich ''proportional'' ist zum zu messenden [[Primärstrom]]. Dieser kann bei entsprechend hohem Windungszahl-Verhältnis nahezu beliebig hoch sein. Ferner soll der Sekundärstrom so gut wie möglich keine [[Phasenverschiebung]] gegenüber dem Primärstrom aufweisen.<ref name="D2">DIN EN 61869-2:2013-07, zugleich VDE 0414-9-2: ''Messwandler – Teil 2: Zusätzliche Anforderungen für Stromwandler.''<br />Für die Vorgängernorm DIN EN 60044-2 bestand eine Übergangsfrist bis Okt. 2015.</ref> Die wichtigsten Ursachen für [[Messabweichung]]en, also die Abweichungen vom so skizzierten idealen Verhalten, sind der mit der Wandlung verbundene Magnetisierungsstrom und die Kernsättigung.
[[Datei:Leistungsschalter-110KV.jpg|mini|hochkant=0.6|Kombinierter Strom- und Spannungswandler in einer 110-kV-Anlage]]

Zum Einsatz im [[Stromnetz]] gibt es Ausführungen von Stromwandlern für alle Spannungsebenen. Stromwandler besitzen je nach Anwendung unterschiedliche Kennlinien:
* für Messzwecke, zur Erzeugung eines innerhalb des Messbereiches möglichst proportional herabgesetzten Stromes für [[Strommessgerät]]e, [[Energiezähler]]. Solche Wandler schützen sich und die angeschlossenen Messgeräte bei Überstrom, indem sie in die Sättigung gehen.
* für Schutzzwecke, zur Übertragung eines herabgesetzten Stromes an [[Schutzrelais]], Steuer- und Regelgeräte. Solche Wandler liefern auch bei hohen Überströmen noch ein primärstromabhängiges Ausgangssignal.

== Aufbau und Anwendung ==
=== Induktive Stromwandler ===
Induktive Stromwandler haben nur eine oder wenige Primärwindungen, die vom zu messenden Strom durchflossen werden, sowie eine größere Anzahl von Sekundärwindungen. Oft besteht die Primärwicklung aus einer durch den Ringkern des Wandlers geführten Stromschiene, was einer einzigen Primärwindung entspricht. Der Sekundärstrom ist gegenüber dem zu messenden Primärstrom verringert – und zwar [[umgekehrt proportional]] zum Verhältnis der Primär- und Sekundärwindungszahl.

Die Sekundärwicklung ''muss'' z. B. an ein [[Strommessgerät]] angeschlossen oder kurzgeschlossen sein, da ansonsten hohe Kernverluste oder sogar gefährliche Spannungen auf der Sekundärseite auftreten können. Der maximal zulässige sekundärseitige [[Scheinwiderstand]] darf zu einem bestimmungsgemäßen Betrieb nicht überschritten werden. Im sekundären Stromkreis können Strommessgeräte (auch Strompfade von [[Wirkleistung#Messgeräte|Leistungsmessgeräten]] oder [[Energiezähler]]n) liegen oder auf Strom empfindliche [[Schutzrelais]] (Bimetallauslöser oder Magnetauslöser), die Überstromzustände detektieren und bewerten können.
{{Doppeltes Bild|links|Stromwandler Zeichnung.svg|250|Stromwandler wickel Zeichnung.svg|250|Prinzip des Durchsteckwandlers|Prinzipaufbau eines Stromwandlers}}
<div style="clear:both;"></div>

Die Primäranschlüsse werden oft mit P1 und P2 gekennzeichnet (früher Großbuchstaben K und L), die Sekundäranschlüsse mit S1 und S2 (früher Kleinbuchstaben k und l). Die Beschriftung kennzeichnet auch die Polarität: P1 und S1 haben zum selben Zeitpunkt dieselbe Polarität, das heißt, der Strom fließt in P1 hinein und aus S1 fließt der herabgesetzte Strom heraus. Es handelt sich jeweils um die Wicklungsanfänge.

Stromwandler können für Frequenzen von 16 Hz bis in den MHz-Bereich gebaut werden. Die untere Grenzfrequenz wird durch die Sekundärinduktivität und die Summe aus deren Wicklungswiderstand und äußerer Bürde (Belastung) bestimmt. Die [[Zeitkonstante]] <math>\tau</math> des bei einem primärseitigen Rechtecksignal sekundärseitig exponentiell abnehmenden Stromes beträgt

:<math>\tau = L/(R_i+R_b)</math>

mit
{|
|<math>L</math> ||– Sekundärinduktivität
|-
|<math>R_i</math> ||– ohmscher Widerstand der Sekundärwicklung
|-
|<math>R_b</math> ||– Bürde
|}
====Anwendung im Stromnetz====
Besonders im Stromnetz (50 oder 60 Hz) oder niedriger Frequenz wird Kernmaterial mit möglichst hoher [[Permeabilitätszahl]] verwendet. Das sind Bleche oder Ringbandkerne aus Silicium-Eisenlegierungen oder Ringbandkerne aus nanokristallinen Legierungen<ref>http://www.vacuumschmelze.de/index.php?id=139</ref>. Sie werden realisiert bis zu einem primären Bemessungsstrom von etwa 50 kA.<ref>Aus Werksunterlagen [http://www.pfiffner-group.com/fileadmin/files/documents/20_products/HS-Kabel_DE.pdf]; abgerufen am 26. April 2017.</ref>

Zur Sicherheit wird die Sekundärwicklung bei Stromwandlern im Mittel- und Hochspannungsnetz einseitig geerdet.<ref>Nach VDE 0141, Absatz 5.3.4, sollen Strom- und [[Spannungswandler (Energietechnik)|Spannungswandler]] ab einer Messspannung von ≥ 3,6 kV geerdet werden. Bei Niederspannungen (bis zu einer Messspannung von ≤ 1,2 kV) kann die Erdung entfallen, sofern die Wandlergehäuse nicht großflächig berührbare Metallflächen besitzen.</ref><ref name="MZ">Aus Werksunterlagen [http://mueller-ziegler.de/katalog/index.html] im Abschnitt über Stromwandler; abgerufen am 25. Januar 2015.</ref><ref name="GMW">Aus Werksunterlagen [http://www.g-mw.de/fileadmin/PDFs/Nieder-Mittelspannungs-Stromwandler/Mittelspannungswandler_DE.pdf] Seite 4, 5; abgerufen am 2. November 2016.</ref>
<gallery>
Távadóval.jpg|Stromwandler für Montage auf Stromschiene (500 A)
Current transformer.JPG|Zwei Stromwandler (links und rechts) für 1 kA im [[Mittelspannung]]snetz
Przekladnik pradowy lab 01.jpg|Stromwandler für Laboranwendung mit mehreren [[Messbereich]]en
Primeres.jpg|Stromwandler für Schrankmontage
Schema-CT.png|Anschlusskennzeichnung mit weiteren charakteristischen Daten
</gallery>
Stromwandler im [[Stromnetz]] werden oft als Stützisolator oder als Durchführung ausgeführt. Stromwandler im Stromnetz müssen hohen transienten Überströmen und -spannungen standhalten. Sie werden daher neben der Messgenauigkeit auch mit der thermischen Überstromfestigkeit I<sub>th</sub> (z. B. das 600fache des Nennstromes oder 60 kA) und der Stoßstromfestigkeit, maßgeblich bestimmt durch die mechanische Widerstandsfähigkeit gegenüber magnetischen Kräften (etwa das 2,5fache von I<sub>th</sub>), spezifiziert<ref>Aus Werksunterlagen [http://ritz-international.com/wp-content/uploads/2015/11/De_GSW.pdf]; abgerufen am 26. April 2017.</ref>. Die Belastungen entstehen durch Kurzschlüsse und Blitzeinschläge.

====Anwendungen in der Elektronik====
In der Elektronik und [[Leistungselektronik]] werden Stromwandler verschiedenster Bauformen eingesetzt. Sie müssen weniger hohen Überlastanforderungen standhalten, jedoch höhere Frequenzen verarbeiten. Hochpermeable [[Ferrite]] sind bei niedrigen Frequenzen, aber auch bei anteilig höheren Frequenzen, gebräuchlich weil bzw. wenn die Amplitude der Magnetflussdichte gering ist. Die Bauformen reichen von handbewickelten Ferrit-Ringkernen, die auf Bauteilanschlussbeine geschoben werden, bis zu einlötbaren Bauteilen mit Loch oder auch mit einem bis mehreren, wahlweise parallel oder in Serie schaltbaren Strompfaden. Es können einmalige und periodische Pulsströme sowie Wechselströme beliebiger Kurvenform gemessen werden, soweit sichergestellt ist, dass der mittlere Gleichstrom Null ist. Das ist gegeben, wenn das positive und negative Spannungs-Zeitintegral gleich sind.

=== Andere Stromwandler ===
Kernlose Strommesswandler siehe [[Rogowskispule]].

Neben den induktiven Stromwandlern zur Messung von Wechselstrom gibt es auch Geräte zur Messung von [[Gleichstrom|Gleich-]] und [[Mischstrom]] auf der Basis von [[Feldplatte]]n oder [[Hallsensor]]en, siehe [[Messwandler#Gleichstromwandler|Gleichstromwandler]].

Bei [[Hochspannung]]swechsel- wie auch Gleichspannungsanwendungen kommen zur Strommessung auch [[Magnetooptik|magnetooptische]] Stromwandler, basierend auf dem [[Faraday-Effekt]], zur Anwendung. Dabei wird ein [[Lichtwellenleiter]] spulenförmig um den elektrischen Leiter gewickelt, der Strom im Leiter führt zu einer Drehung der [[Polarisation]]sebene des Lichtstrahls im Lichtwellenleiter. Diese Drehung kann optoelektronisch gemessen werden. Sie ist proportional zur Stromstärke.<ref name="menk1">{{Literatur |Autor=P. Menke |Titel=Optischer Präzisions-Stromsensor nach dem Faraday-Effekt |Verlag=Dissertation, Universität Kiel |Datum=1996}}</ref> In der elektrochemischen Industrie wird Gleichstrom bis 500 kA gemessen. Diese Art von Stromwandler wird auch als faseroptischer [[Stromsensor]] ''FOCS'' bezeichnet.<ref>[http://www.abb.de/cawp/seitp202/c8448d801f0635dbc1257169002d8156.aspx ''Herkömmlichen Messwandlern weit überlegen.''] ABB Deutschland, 15. Mai 2006, abgerufen am 23. Juli 2019</ref>

== Kennzeichen für den Betrieb ==
=== Regulärer Betrieb ===
Bis zum primären ''Bemessungsstrom'' <math>I_\mathrm{pr}</math><ref name="D2" /> und in einem vorgegebenen Bereich der Belastung verhält sich ein Stromwandler im Rahmen seiner zulässigen [[Messabweichung]] wie eine [[Stromquelle|ideale Stromquelle]] oder [[Konstantstromquelle]]; deren Ausgangsstrom (Sekundärstrom) hängt einzig vom Eingangsstrom (Primärstrom) und nicht von der Belastung ab und zwar bis zum sekundären Bemessungsstrom <math>I_\mathrm{sr}</math> (vorzugsweise 5 A) gemäß der ''Bemessungsübersetzung'' <math>k_\mathrm r =I_\mathrm{pr}/I_\mathrm{sr}</math>.<ref name="D1" /> Diese wird als ungekürzter Bruch angegeben, z. B. 200 A / 5 A, oft abgekürzt zu 200/5 A.

Die ''Übersetzungsmessabweichung'' (früher ''Strommessabweichung'') wird als relative Größe definiert durch
:<math>\varepsilon= \frac{k_\mathrm r\,I_\mathrm s-I_\mathrm p}{I_\mathrm p}\cdot 100\;\%</math>
mit <math>I_\mathrm p</math> = tatsächlicher primärer Strom und <math>I_\mathrm s</math> = tatsächlicher sekundärer Strom, wenn <math>I_\mathrm p</math> unter Messbedingungen fließt.

Die [[Phasendifferenz]] bei sinusförmigem Verlauf zwischen dem sekundären und dem primären Stromzeiger ist beim idealen Stromwandler gleich null. Die tatsächliche Differenz wird als ''Fehlwinkel'' bezeichnet.

Der bei der Bemessungsfrequenz höchste zulässige Betrag der Übersetzungsmessabweichung und der höchste zulässige Betrag des Fehlwinkels werden durch eine Genauigkeitsklasse festgelegt – unterschiedlich für Stromwandler für Messzwecke und Stromwandler für Schutzzwecke.

Der den Sekundärstrom ermöglichende [[Scheinleitwert]] des Sekundärkreises wird als ''[[Bürde]]'' bezeichnet.<ref name="D1" /> Üblicherweise wird sie durch die [[Scheinleistung]] ausgedrückt, die bei sekundärem Bemessungsstrom und festgelegtem [[Leistungsfaktor]] der Bürde (oft 0,8 induktiv) aufgenommen wird. Für die Genauigkeitsangaben wird ein spezieller Wert der Bürde, die [[Bemessungsbürde]], zugrunde gelegt. Normwerte der Bemessungsleistung sind 2,5 … 30 VA.

{| class="wikitable float-right"
| rowspan="2"|Für Klasse 0,2:<br /> Maximaler Betrag …
| colspan="4" style="text-align:center"| bei <math>I_\mathrm p=\ \ldots\ \times I_\mathrm{pr}</math>
|- style="text-align:center"
|5 %||20 %||100 %||120 %
|- style="text-align:center"
|   … der Übersetzungs-<br />messabweichung||0,75 %||0,35 %||0,2 %||0,2 %
|- style="text-align:center"
|… des Fehlwinkels ||30’||15’||10’||10’
|}

=== Begrenzung eingangsseitig ===
Stromwandler für Messzwecke sind bis 120 % des Bemessungsstromes spezifiziert in den Genauigkeitsklassen 0,1 – 0,2 – 0,5 – 1 (auch 0,2S – 0,5S – 3 – 5; hier nicht behandelt). Die Zahl steht für die höchste zulässige Übersetzungsmessabweichung in Prozent bei primärem Bemessungsstrom und bei Bemessungsleistung. Die Aussagen des Klassenzeichens zu verschiedenen Primärströmen am Beispiel der Klasse 0,2 zeigt die erste Tabelle.<ref name="D2" />

{| class="wikitable float-right"
| rowspan="2"|Für Klasse 5P20:<br /> Maximaler Betrag …
| colspan="2"|  bei <math>I_\mathrm p=\ \ldots\ \times I_\mathrm{pr}</math>  
|- style="text-align:center"
|1||20
|- style="text-align:center"
|   … der Übersetzungs-<br />messabweichung||1 %||5 %
|- style="text-align:center"
|… des Fehlwinkels ||60’||--
|}

Stromwandler für Schutzzwecke sind bis zu einem Bemessungs-Genauigkeitsgrenzstrom spezifiziert, der um den Genauigkeitsgrenzfaktor über dem primären Bemessungsstrom liegt. Normwerte für diesen Faktor sind 5 … 30. Für diese Wandler werden in der Genauigkeitsklasse an die Zahl noch der Buchstabe P (für protection – Schutz) und der Genauigkeitsgrenzfaktor angefügt; Normwerte sind die Klassen 5P und 10P. Die Aussagen am Beispiel der Klasse 5P20 zeigt die zweite Tabelle.

Durch Beifügung weiterer Buchstaben an das P kann der Stromwandler weiter beschrieben werden.

=== Begrenzung ausgangsseitig ===
Die Angaben zur Messabweichung gelten bei Stromwandlern für Messzwecke bei jeder Bürde im Bereich 25 … 100 % der Bemessungsleistung, die Angaben bei Stromwandlern für Schutzzwecke nur bei Bemessungsbürde. Dabei muss die Bürde den festgelegten Leistungsfaktor besitzen.

Ein nicht geschlossener Sekundärkreis wirkt auf den Wandler wie eine Bürde mit nahezu unendlich hohem Widerstand. Dabei ist die Kurvenform des Sekundärsignals sehr stark verzerrt, weil dann die auf den Kern und die Spule wirkende Spannungszeitfläche zu groß ist; siehe auch Wirkprinzip des [[Transformator]]s. Die Höhe der auftretenden Spannung ist abhängig von Stromstärke, Kernquerschnitt und sekundärer Windungszahl. So bleibt bei Stromwandlern bis ca. 500/5 A und kleinen Bemessungsleistungen der Scheitelwert der »offenen« Spannung meist unterhalb 200 V. Bei größeren Wandlern können jedoch höhere Spannungsspitzen auftreten, die eine Gefahr bei Berührung der offenen Klemmen für den Menschen darstellen, im Wandler zu Durchschlägen und zwischen den Klemmen zu Überschlägen führen können. Die Sekundärkreise von Stromwandlern '''dürfen daher niemals offen betrieben werden''', da speziell bei großen Strömen und leistungsstarken Kernen lebensgefährliche Spannungen an den Sekundärklemmen auftreten können.<ref name="MZ" /><ref name="GMW" /><ref>Aus Werksunterlagen [http://ritz-international.com/wp-content/uploads/2015/12/RITZ-Mittelspannungswandler_Standard_GER_2014_01.pdf] (PDF) in Kap. 1.4.7; abgerufen am 19. Februar 2016.</ref> Stromwandler, die ohne angeschlossene Messgeräte oder andere Bürden im Sekundärkreis betrieben werden, ''müssen an ihren Klemmen demzufolge immer kurzgeschlossen sein, um Personen- und Sachschäden zu verhindern.''

== Summenstromwandler ==
{{Mehrere Bilder
| Richtung = vertical
| Breite = 220
| Bild1 = Summen Stromwandler Zeichnung.svg
| Untertitel1 = Prinzip des Summenstromwandlers

| Bild2 = Siemens I=40A ΔI=30mA RCD.JPG
| Untertitel2 = Summenstromwandler in einem Fehlerstromschutzschalter
}}
Eine Sonderform des Stromwandlers ist der Summenstromwandler, wie er etwa in [[Fehlerstromschutzschalter]]n verwendet wird. Dabei werden alle [[Leiterstrom|Leiterströme]] ([[Außenleiter|Außen-]] und [[Neutralleiter]] als Hin- und Rückleiter in einem [[Einphasenwechselstrom]]-Netz – oder alle drei Außenleiter und der Neutralleiter bei [[Dreiphasenwechselstrom]]) durch einen Stromwandler geführt. Gewandelt wird dann nur der [[Differenzstrom]] aus den Leitern. So können etwa [[Fehlerstrom|Fehlerströme]] erkannt werden.

== Siehe auch ==
{{Commonscat|Current transformers}}
* [[Rogowskispule]]
* [[Zangenstrommesser]]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4183761-7}}

[[Kategorie:Elektrotechnisches Messgerät]]
[[Kategorie:Elektrische Energietechnik]]
[[Kategorie:Elektrischer Strom]]

Stromwandler - Versionsgeschichte

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