Was ist ein einphasiger Innen--Stromwandler? Wie funktioniert es?

Stromwandler sind unverzichtbare Kerninstrumente bei der Messung, dem Schutz und der Überwachung von Energiesystemen. Ob in Fabrikverteilerräumen, Umspannwerken oder Gebäudeverteilerschränken, sie sind fast überall dort zu finden, wo Strommessungen erforderlich sind. Einphasige Stromwandler für den Innenbereich sind der am weitesten verbreitete Typ und spielen eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung großer Ströme in Hochspannungsleitungen in kleinere Ströme, die für die sichere Verwendung durch Instrumente und Relais geeignet sind. In diesem Artikel werden die Definition, Struktur und das Funktionsprinzip von einphasigen Stromtransformatoren für den Innenbereich systematisch vorgestellt, um Elektrofachleuten und Anfängern ein klares Verständnis zu vermitteln.

Ein Stromwandler (CT) ist ein spezielles Mess- und Transformationsgerät. Seine Kernfunktion besteht darin, große Ströme in einem Stromnetz proportional in kleinere Standardströme umzuwandeln. Typischerweise wandelt es einen großen Primärstrom in einen standardmäßigen 5-A- oder 1-A-Ausgang auf der Sekundärseite um und gewährleistet so die sichere Verwendung von Sekundärgeräten wie Leistungsmessgeräten, Amperemetern, Wattmetern und Relaisschutzgeräten.
Warum ist diese Umstellung notwendig? Dafür gibt es zwei Gründe: Erstens erreicht der Netzstrom in Stromversorgungssystemen oft Hunderte oder sogar Tausende Ampere, was einen direkten Anschluss an gewöhnliche Instrumente unmöglich macht. Zweitens können Hochspannungsleitungen nicht direkt an Messgeräte angeschlossen werden. Andernfalls besteht für den Bediener die Gefahr eines Stromschlags. Stromwandler erreichen eine elektrische Isolierung durch das Prinzip der elektromagnetischen Induktion, indem sie sowohl den Strom proportional reduzieren als auch die Hochspannungsseite vollständig vom Niederspannungssekundärkreis isolieren und so grundsätzlich die Sicherheit des Messpersonals und der Messausrüstung gewährleisten.

Innen: Dies bezieht sich auf ein Transformatormodell, das speziell für Installationsumgebungen in Innenräumen entwickelt wurde. Seine Isolationsstruktur, der Schutzgrad des Gehäuses und die Kriechstrecke sind für Innenbedingungen ausgelegt und eignen sich nicht für den direkten Einsatz in feuchten, schmutzigen oder regen{1}exponierten Außenumgebungen.
Einphasig-: Dies bedeutet, dass jeder Transformator den Strom nur einer Phasenleitung misst, wobei pro Phase eine Einheit konfiguriert ist. Wenn in einem dreiphasigen System eine dreiphasige Strommessung erforderlich ist, sind normalerweise zwei oder drei einphasige Transformatoren erforderlich (abhängig von der Verkabelungsmethode). Im Vergleich zu drei-integrierten Stromwandlern sind einphasige Stromwandler kleiner und flexibler in der Installation, was ihre Platzierung in verschiedenen Verteilerschränken, Schaltanlagen und Messkästen erleichtert.

Einphasige Stromwandler für den Innenbereich bestehen von außen nach innen hauptsächlich aus folgenden Teilen:
1. Kern
Der Kern ist der Magnetkreiskern des Transformators, der typischerweise aus gestapelten hochpermeablen Siliziumstahlblechen besteht und eine geschlossene Magnetflussschleife bildet. Das Material und die Querschnittsfläche des Kerns wirken sich direkt auf die Genauigkeitsklasse und die Fehlereigenschaften des Transformators aus. Messtransformatoren erfordern eine hohe Kernpermeabilität und einen geringen Hystereseverlust; Schutztransformatoren priorisieren die Fähigkeit des Kerns, eine vorzeitige Sättigung bei Hochstromfehlern zu verhindern.
2. Primärwicklung (Primärspule)
Die Primärwicklung hat sehr wenige Windungen, normalerweise nur eine bis wenige Windungen, manchmal direkt gebildet durch eine Stromschiene oder einen Kupferstab, der durch den Kern verläuft. Die Primärwicklung ist in Reihe mit der Messleitung verbunden und der große Primärstrom fließt durch diese Wicklung, um ein Magnetfeld zu erzeugen.
3. Sekundärwicklung (Sekundärspule) Die Sekundärwicklung hat mehr Windungen und ist um den Eisenkern gewickelt. Durch das Magnetfeld des Eisenkerns wird eine elektromagnetische Kopplung mit der Primärwicklung erreicht, wodurch ein Sekundärstrom induziert wird. Die beiden Anschlüsse der Sekundärwicklung sind normalerweise mit S1 und S2 (oder K1 und K2) für den Anschluss externer Instrumente und Relais gekennzeichnet.
4. Isolator Der Isolator umhüllt den Eisenkern und die Wicklung und isoliert den Hochspannungs-Primärkreis vollständig vom Niederspannungs-Sekundärkreis. Zu den gängigen Isolationsmethoden für Stromtransformatoren in Innenräumen gehören Epoxidharzguss (monolithischer Guss, gute Isolierung, kompakte Struktur) und das Einwickeln von Isolierpapier mit Lack (traditionelles Verfahren, geeignet für Produkte mit großer Kapazität).
5. Gehäuse und Montagehalterung Das Gehäuse ist normalerweise ein monolithischer Epoxidharzguss oder ein Metallgehäuse. Zu den Installationsmethoden gehören Wand-, Pfosten- und Durchführungstypen, wobei je nach Installationsort und Schaltkreisstruktur unterschiedliche Formen ausgewählt werden.

Das Funktionsprinzip von einphasigen Stromtransformatoren für den Innenbereich basiert auf dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Sein Wesen ist das gleiche wie das eines Transformators, die Betriebsbedingungen unterscheiden sich jedoch deutlich. Der grundlegende Arbeitsprozess ist wie folgt:
Wenn der Primärstrom I₁ durch die Primärwicklung (N₁ Windungen) im zu prüfenden Stromkreis fließt, erzeugt der Strom gemäß dem Ampere-Gesetz einen magnetischen Wechselfluss Φ im Eisenkern. Dieser magnetische Wechselfluss durchläuft die Sekundärwicklung mit N₂ Windungen, und gemäß dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion wird in der Sekundärwicklung eine sekundäre elektromotorische Kraft induziert, wodurch ein Sekundärstrom I₂ im Sekundärkreis erzeugt wird, der mit der Last (Innenwiderstand des Instruments) verbunden ist.
Der Hauptunterschied zwischen einem Stromtransformator und einem Transformator besteht darin, dass ein Transformator nahezu -leer-lastig oder unter Lastbedingungen arbeitet und die Sekundärspannung variiert mit der Last; Während ein Stromwandler normalerweise mit seiner Sekundärseite in einem nahezu -Kurzschluss--Schaltungszustand arbeitet (mit minimalem Innenwiderstand des Instruments), hat der Sekundärstrom unabhängig von der Lastgröße eine feste proportionale Beziehung zum Primärstrom. Aufgrund dieser Eigenschaft darf die Sekundärseite eines Stromwandlers niemals im Leerlauf betrieben werden. Sobald der Stromkreis geöffnet ist, erhöht sich der magnetische Fluss durch den Kern aufgrund des Verlusts an entmagnetisierenden Amperewindungen auf der Sekundärseite dramatisch, was zu einer Übersättigung des Kerns und der Induktion einer gefährlich hohen Spannung (bis zu mehreren Kilovolt) auf der Sekundärseite führt, was die Sicherheit von Geräten und Personen ernsthaft gefährdet.

Nach dem Verständnis des Funktionsprinzips ist es außerdem notwendig, mit den folgenden Schlüsselparametern vertraut zu sein:
Nennstromverhältnis (Übersetzungsverhältnis): wie 100/5, 200/5, 400/5 usw., das das Verhältnis des Nennstroms auf der Primärseite zum Nennstrom auf der Sekundärseite darstellt, ist der primäre Parameter für die Auswahl.
Genauigkeitsklasse (Präzisionsgrad): Üblich sind 0,1, 0,2, 0,5 (für die Messung) und 5P, 10P (für den Schutz). Je kleiner die Zahl, desto höher die Genauigkeit. Für unterschiedliche Anwendungen sollten unterschiedliche Qualitäten ausgewählt werden.
Nennsekundärlast (VA): Dies bezieht sich auf die Scheinleistung, die der maximal zulässigen Impedanz entspricht, die an die Sekundärseite des Stromtransformators angeschlossen ist. Übliche Werte sind 5VA, 10VA, 15VA, 30VA usw. Die Gesamtimpedanz der angeschlossenen Instrumente sollte diesen Wert nicht überschreiten; Andernfalls erhöht sich der Fehler.
Bemessungsisolationsspannung (Um): Dies gibt die Isolationsspannungsklasse der Primärseite des Stromwandlers zur Erde und zur Sekundärseite an, z. B. 0,72 kV, 3,6 kV, 7,2 kV usw.

Szenarien Einphasige Stromtransformatoren für den Innenbereich werden häufig in den folgenden Anwendungen eingesetzt: Mess- und Schutzschaltungen in Fabrikstromverteilungssystemen; Stromerkennung in 10-kV-Schaltanlagen und Niederspannungsverteilerschränken; aktuell

Probenahme in Relaisschutzgeräten für Umspannwerke; Energiemesskästen in Gebäudeverteilungsräumen; und Stromüberwachungsschaltungen in industriellen Automatisierungssystemen.

F1: Warum kann die Sekundärseite eines Stromwandlers nicht offen-geschaltet sein?
A: Wenn die Sekundärseite im Leerlauf ist, verliert der magnetische Fluss im Eisenkern die entmagnetisierende Wirkung des Sekundärstroms, was zu einem starken Anstieg des magnetischen Flusses führt. Dadurch wird auf der Sekundärseite eine Hochspannung von mehreren tausend Volt induziert, die leicht zu Isolationsdurchschlägen des Stromwandlers und Stromschlagunfällen führen kann. Vor der Demontage des Instruments muss die Sekundärseite kurz-geschlossen werden.

F2: Ist es sicherer, ein größeres Übersetzungsverhältnis für den Stromwandler zu wählen?
A: Nicht unbedingt. Ein zu großes Übersetzungsverhältnis führt bei normaler Last zu einem unzureichenden Sekundärstrom, was zu erhöhten Messfehlern und ungenauen Instrumentenmesswerten führt. Basierend auf dem tatsächlichen maximalen Laststrom sollte ein geeignetes Übersetzungsverhältnis ausgewählt werden; Im Allgemeinen ist ein normaler Betriebsstrom von 60 % bis 80 % des primären Nennstroms vorzuziehen.

F3: Können Innenstromwandler im Freien installiert werden?
A: Nein. Die Isolationsstruktur und die Kriechstrecke von Stromwandlern für Innenräume sind für saubere Innenräume ausgelegt. Feuchte, schmutzige und ultraviolette Umgebungen im Freien beschleunigen die Alterung der Isolierung und führen zu Kriechüberschlägen oder einem Ausfall der Isolierung. Es müssen spezielle Stromwandler für den Außenbereich verwendet werden.