Stromwandler (Current Transformer, CT): Definition, Anwendungen und Funktionsprinzip

Stromwandler (Current Transformer)

Ein Stromwandler ist ein Messwandler. Er ähnelt dem Spannungswandler, transformiert aber nicht Spannung, sondern Strom.

Definition:

„Hauptzweck: Strom von Hochspannungs-Leitungen hoch- oder heruntertransformieren. Der Strom im Sekundärwicklungs ist proportional zum Primärstrom, aber betragsmäßig reduziert.“

Hauptanwendung: Wechselstrommessung.

Warum Stromwandler einsetzen?

Die Frage stellt sich, da es Spannungswandler für Hoch-/Runtertransformation gibt…

1. Ein Standard-Amperemeter (Messgerät) kann hohe Ströme nicht direkt messen und nicht an Hochspannungsleitungen (Übertragungsleitungen) angeschlossen werden. Um den tatsächlichen Strom in der Leitung mit einem Standard-Amperemeter zu messen, nutzt man einen Stromwandler: Der Sekundärstrom ist proportional zum Primärstrom, aber betragsmäßig reduziert.
2. Galvanische Trennung des Messgeräts von Hochspannungsleitungen.
3. Stromeingang für Schutzrelais (z. B. von Hochspannungsleitungen) – Relaisbetrieb über CT, der proportionalen, aber reduzierten Sekundärstrom liefert.

Funktionsprinzip:

Grundlage ähnlich Spannungswandler, aber Primärwicklung in Reihe mit Hochstromleitungen geschaltet. Da Primärstrom sehr groß, wäre dünner Primärdraht beschädigt – daher massiver Primärleiter. Da Sekundärstrom proportional, aber reduziert: Wie ist das Windungsverhältnis? Grundgleichung Transformator: Strom und Windungszahl.

N_SI_S = N_PI_P

N_S/N_P = I_P/I_S

Daraus: Sekundärwindungszahl größer, Primärwindungszahl kleiner – zur Stromreduzierung (Step-down).

Da Primärwicklung in Reihe mit der Leitung geschaltet: auch „Reihentransformator“ genannt.

Sekundärwicklung auf laminiertem Kern mit niedrigverlustigem Magnetmaterial großem Querschnitt.

Im Stromwandler ist die an die Sekundärwicklung angeschlossene Last (Burden) sehr klein, um Überspannungsdurchschlag zu vermeiden. Wichtig für CT-Betrieb.

Es ist ein Step-down-Transformator, da N_S > N_P.

N_S/N_P = I_P/I_S

Beispiel: Windungsverhältnis 10:1 (N_S/N_P = 10/1 = I_P/I_S) → Primärstrom 10× Sekundärstrom, Primärspannung 10× kleiner als Sekundärspannung.

N_S/N_P = V_S/V_P = 10/1

„Die an die Sekundärwicklung angeschlossene Impedanz (Burden) ist sehr klein.“

Zum Verständnis: Angenommen Last R_L an Sekundärwicklung.

• R_L = 1 Ω → Spannungsabfall V_O = I·R = (1 A)(1 Ω) = 1 V
• R_L = 10 Ω → V_O = (1 A)(10 Ω) = 10 V
• R_L = 100 Ω → V_O = (1 A)(100 Ω) = 100 V
• R_L = 1 kΩ → V_O = (1 A)(1 kΩ) = 1 kV

Steigt R_L, steigt V_O. Es gibt ein maximales R_L für die Sekundärwicklung. Wird es überschritten → Überschlag (Flashover), CT brennt durch. Sekundärwicklung nicht lastfrei betreiben (R = ∞ → Flashover). Überschreitet R_L Mindestwert → CT zerstört.

Sekundärwicklung nie vom Nenn-Burden trennen.

„Burden = Last an der Sekundärwicklung.“

CT wird daher immer im Kurzschlussbetrieb geführt. Burden = Produkt aus Strom & Spannung (VA) der Sekundärseite. CT für Niedrigleistung ausgelegt.

Stromwandler-Übertragungsverhältnis:

„ Das Verhältnis von Primärstrom zu Sekundärstrom heißt Stromwandler-Übertragungsverhältnis.“

Primärstrom aus Leitung: 10–3000 A oder mehr; Sekundärstrom: ca. 0,1–5 A.