Wie wählt man Transformatoren mit hoher Genauigkeit für Messzwecke aus?

Verständnis der Genauigkeitsklassen und Normen für Stromwandler

Entschlüsselung der Genauigkeitsklassen für Stromwandler: 0,1, 0,2 und 0,5 gemäß IEC 61869-2

Stromwandler werden mit standardisierten Genauigkeitsklassen gemäß den Richtlinien der IEC 61869-2 geliefert. Diese Klassen sind im Wesentlichen numerisch gekennzeichnet, z. B. als 0,1, 0,2 oder 0,5, und geben an, wie groß der zulässige Messfehler bei verschiedenen Lastbedingungen ist. Beispielsweise bleibt ein als Klasse 0,1 gekennzeichneter Stromwandler innerhalb einer Abweichung von etwa ±0,1 %, während die Variante der Klasse 0,5 bis zu einer Abweichung von ±0,5 % in beide Richtungen abweichen darf. Je niedriger die Zahl, desto höher ist in der Regel die Genauigkeit. Stromwandler der Klasse 0,1 werden typischerweise dort eingesetzt, wo finanzielle Aspekte im Vordergrund stehen, da bereits geringe Messfehler die Abrechnungsberechnungen unmittelbar beeinflussen. Die Klasse 0,2 bietet eine ausreichende Präzision für wichtige Schutzsysteme, ohne dabei hohe Kosten zu verursachen, während die Klasse 0,5 für alltägliche Überwachungsaufgaben völlig ausreichend ist. Gemäß den Normen müssen Hersteller diese Geräte über einen Bereich von 5 % bis hin zu 120 % ihrer Nennleistung testen, um sicherzustellen, dass sie unter realen Betriebsbedingungen ordnungsgemäß funktionieren. Dabei ist nicht nur die Messgenauigkeit zu prüfen, sondern auch weitere Faktoren wie beispielsweise die Phasenwinkelgenauigkeit sowie das Verhalten bei Laständerungen.

Wie die Genauigkeitsklasse den maximal zulässigen Fehler unter Nennbedingungen definiert

Die Genauigkeitsklasse gibt im Wesentlichen den maximal möglichen Fehler an (sowohl Verhältnis- als auch Phasenfehler zusammen), wenn alle Bedingungen im Labor ideal sind. Gemeint sind Messungen bei der Nennfrequenz, bei einer Standardtemperatur von etwa 20 Grad Celsius und bei einer sekundären Belastung, die exakt mit der vorgeschriebenen Belastung übereinstimmt. Als Beispiel nehmen wir einen Stromwandler der Klasse 0,2: Dieses Gerät bleibt nur dann innerhalb der zulässigen Fehlergrenze von 0,2 Prozent, wenn er mit dem vollen Nennstrom betrieben wird und die sekundäre Belastung innerhalb von ±25 Prozent des spezifizierten Belastungswerts liegt. Sobald jedoch reale Einflussfaktoren ins Spiel kommen, weichen die Messergebnisse allerdings sehr rasch von der angegebenen Klasse ab. Änderungen der Last, der Belastungseinstellungen oder der Umgebungstemperatur führen bereits bei geringfügigen Abweichungen von den idealen Bedingungen dazu, dass das Gerät außerhalb seiner deklarierten Klassenspezifikationen arbeitet. Überschreitet die Belastung die zulässigen Toleranzen, verliert die gesamte Klassifizierung ihre Gültigkeit, und es können im praktischen Einsatz Messfehler von mehr als 0,5 Prozent auftreten.

Wesentliche elektrische Parameter, die die Genauigkeit von Transformatoren im praktischen Einsatz bestimmen

Lastanpassung und sekundärer Innenwiderstand: Vermeidung einer Genauigkeitsminderung

Die richtige Belastung ist bei Transformatoren von großer Bedeutung. Die Last an der Sekundärwicklung verursacht in der Praxis meist jene störenden Genauigkeitsprobleme, die wir beobachten. Überschreitet die tatsächliche Last die in VA angegebene Nennlast, treten schnell Fehler auf. Der Kern wird gesättigt, was sowohl die Übersetzungsverhältnis- als auch die Phasenwinkelmessung beeinträchtigt. Nehmen Sie beispielsweise einen Stromwandler der Klasse 0,5: Wird er um mehr als 40 % überlastet, verhält er sich plötzlich wie ein Gerät der Klasse 0,8. Und vergessen Sie nicht die sekundäre Impedanz. Eine höhere Impedanz führt zu größeren Spannungsabfällen entlang der Verbindungsleitungen und durch Relaiswicklungen, wodurch die Signalqualität verfälscht wird. Es gab Fälle, bei denen bereits eine 20-prozentige Impedanzabweichung allein bei Abrechnungszählern einen zusätzlichen Messfehler von rund 0,4 % verursachte – eine solche Abweichung führt zur vollständigen Nichteinhaltung der Klasse 0,2. Für alle, die höchste Präzision benötigen, ist eine exakte Anpassung der Belastung daher nicht mehr nur eine empfehlenswerte Vorgehensweise, sondern zwingend erforderlich, um sicherzustellen, dass ihre Geräte während des normalen Betriebs die Spezifikationen nach IEC 61869-2 einhalten.

Nennstrombereich vs. tatsächlicher Strombereich: Linearität und Fehler bei niedriger Last in Messwandlern

Transformatoren neigen dazu, nichtlinear zu werden, wenn sie außerhalb ihres optimalen Strombereichs betrieben werden. Bei Strömen unter etwa 5 % des Nennstroms findet einfach nicht genügend Kernanregung statt, was zu erheblichen Messfehlern führt. Selbst hochpräzise Transformatoren der Klasse 0,5 können bei geringer Last gelegentlich Fehler von über 1 % aufweisen. Am oberen Ende verschlechtert sich die Situation ebenfalls. Sobald wir die Nennleistung um mehr als 120 % überschreiten, tritt magnetische Sättigung ein und beeinträchtigt die Linearität vollständig – die Abweichungen steigen in der Regel auf über 2 %. Nehmen wir als Beispiel einen typischen Stromwandler (CT) mit einer Nennstromstärke von 100 A: Er arbeitet hervorragend im Bereich von etwa 10 A bis hin zu 120 A; sinkt der Strom jedoch beispielsweise auf 5 A ab, steigt der Fehler plötzlich auf über 2 %. Um eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten, müssen Ingenieure Transformatoren so auswählen, dass der im realen Betrieb auftretende Strom komfortabel im mittleren Bereich des Nennstrombereichs liegt – und nicht einfach irgendwo zwischen dem Minimal- und Maximalwert. Dieser Ansatz hilft, störende Ungenauigkeiten bei geringer Last zu vermeiden und Sättigungsprobleme daran zu hindern, die Signalintegrität zu beeinträchtigen.

Umwelt- und Systemebenenfaktoren, die die Leistung von Transformatoren beeinflussen

Temperatur, Frequenz und Oberschwingungen: Quantifizierung von Abweichungen von der idealen Genauigkeit

Transformatoren verlieren häufig an Genauigkeit, wenn sie Umgebungs- und Systembelastungen ausgesetzt sind, die weit über die in Laborprüfungen spezifizierten Werte hinausgehen. Temperaturänderungen beeinflussen sowohl die Kernpermeabilität als auch den Wicklungswiderstand. Wenn beispielsweise die Temperatur nur um 8 °C über den normalen Betriebsbereich ansteigt, beschleunigt dies die Alterung der Isolierung und führt gemäß IEC 60076-7 (2023) zu deutlich messbaren Veränderungen der Messverhältnisse. Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Netzfrequenzinstabilität, die in schwachen Netzen oder isolierten Systemen recht verbreitet ist. Dies führt zu Kernsättigungsfehlern, insbesondere dann, wenn die Frequenz unter den Normalwert fällt. Oberwellenverzerrungen stellen ein weiteres komplexes Problem dar: Dritte und fünfte Oberschwingungen mit einer Gesamtoberwellenverzerrung von über 10 % verzerren die Wellenform derart, dass herkömmliche Genauigkeitsangaben diese Effekte einfach nicht berücksichtigen. Gleichstrom-Offsetströme verschärfen die Situation zusätzlich, indem sie Restmagnetismus im Kern erzeugen, was die Zuverlässigkeit der Nullpunkterkennung der Wellenform beeinträchtigt. Praxisnahe Tests zeigen zudem etwas Interessantes: Transformatoren, die im kontrollierten Laborumfeld die Klasse 0,5 erfüllen, erreichen unter der kombinierten Einwirkung aller genannten Belastungen – also Hitze, Oberwellen und Frequenzschwankungen – typischerweise lediglich eine Genauigkeit der Klasse 1,0. Um diesen Problemen entgegenzuwirken, müssen Ingenieure vorausschauend planen: In wärmeren Installationen sollte die Lastkapazität um etwa 15 bis 20 Prozent reduziert werden, und immer dann, wenn die Gesamtoberwellenverzerrung 8 Prozent übersteigt, sind Oberschwingungsfilter einzubauen.

Validierung und Spezifikation hochgenauer Transformatoren für kritische Anwendungen

Fallstudie: Warum ein Stromwandler der Klasse 0,2 bei der Energiemessung in Umspannwerken eine Genauigkeit der Klasse 0,5 erreichte

Ein Energiemessprojekt in einer Umspannanlage stieß auf gravierende Genauigkeitsprobleme, als ein Stromwandler der Klasse 0,2 lediglich eine Genauigkeit der Klasse 0,5 erreichte. Nach eingehender Untersuchung stellten wir fest, dass sich im Feld tatsächlich drei verschiedene, bei der Werkskalibrierung nicht berücksichtigte Probleme ergaben. Erstens lagen die Werte für die Oberschwingungsverzerrung aufgrund der zahlreichen nichtlinearen Lasten deutlich über 15 % THD, was Phasenwinkelfehler verursachte, die bei herkömmlichen Verhältnisfehler-Prüfungen vollständig unentdeckt blieben. Zweitens trat ein Temperaturproblem auf: Die Geräte mussten Temperaturschwankungen von −10 °C bis hin zu 50 °C bewältigen, wodurch sich die Kernpermeabilität veränderte und zusätzlich 0,1 % Verhältnisfehler über den ohnehin spezifizierten Wert hinaus entstanden. Und schließlich belief sich die sekundäre Belastung auf 4,5 VA – also 40 % höher als die vom Stromwandler angegebene Nennbelastung von 3,2 VA. Diese Diskrepanz führte zu einer Erhöhung der Phasenverschiebung um 0,3 Grad und beeinträchtigte die Gesamtgenauigkeit erheblich. Alle diese Faktoren zusammen führten dazu, dass der Gesamtfehler die zulässige Grenze von 0,2 % überschritt. Daraus ergibt sich eine wichtige Erkenntnis: Dass ein Gerät Labortests erfolgreich absolviert, bedeutet noch lange nicht, dass es unter realen Betriebsbedingungen fehlerfrei funktioniert. Bei kritischen Leistungsmessungen müssen die Spezifikationen daher die tatsächlichen Oberschwingungsprofile, realistischen Temperaturbereiche sowie die gemessenen realen Belastungswerte berücksichtigen – und nicht allein auf die Angaben vertrauen, die auf dem Typenschild des Geräts vermerkt sind.

FAQ

Was sind die Genauigkeitsklassen von Stromwandlern?
Die Genauigkeitsklassen von Stromwandlern, wie beispielsweise 0,1, 0,2 und 0,5, geben den maximal zulässigen Fehler von Stromwandlern gemäß der Norm IEC 61869-2 an. Je niedriger die Zahl, desto präziser ist die Messung.

Warum ist die Lastanpassung bei Transformatoren wichtig?
Die Lastanpassung stellt sicher, dass die Belastung der Sekundärwicklung des Transformators mit seiner Nennleistung übereinstimmt, wodurch eine Sättigung des Kerns verhindert und die Genauigkeit gewahrt wird.

Wie beeinflussen Umgebungsbedingungen die Genauigkeit von Transformatoren?
Faktoren wie Temperaturschwankungen, Frequenzinstabilität und Oberschwingungsverzerrungen können die Genauigkeit von Transformatoren verringern, indem sie die Permeabilität des Kerns und den Widerstand der Wicklungen verändern.