Messung von Strom

4 unterschiedliche Wege

Im folgenden Fachbericht werden verschiedene Methoden zur Messung von Strom untersucht. Es wird darauf eingegangen, wie Ströme mithilfe von Netzanalysatoren und Stromzangen erfasst werden. Es werden die jeweiligen Vorteile und Nachteile verschiedener Technologien wie Shunts, normale Stromzangen, Hall-Effect-Sensoren und Rogowskispulen betrachtet. Außerdem werden die möglichen Messfehler angesprochen.

1. Strom-Shunt

1 Beispiel-Abbildung: Strom-Shunt

Der Einsatz eines Shunts ist besonders geeignet, wenn hohe Präzision bei der Messung erforderlich ist, wie es beispielsweise in Motorprüfständen der Fall ist. Dabei wird ein sehr genauer Widerstand, zum Beispiel mit einem Widerstandswert von 0,1 Ohm, verwendet. Durch den Stromfluss von 100 Ampere über den Shunt ergibt sich ein Spannungsabfall von 10 Volt, welcher linear proportional zum durchfließenden Strom ist. Das Messprinzip ist sehr genau und ermöglicht es, sowohl hohe Frequenzen als auch AC- und DC-Signale aufzuzeichnen. Der Nachteil besteht darin, dass der Shunt in das Netz eingebaut werden muss, was für kurzzeitige Messungen mit einem mobilen Netzanalysator meist zu aufwendig ist. Es ist zu beachten, dass der Strom-Shunt sowohl in die Phase mit hohem Potential gegen Erde, als auch in den N-Leiter eingebaut werden kann. Es ist wichtig, bei der Verwendung von Shunts das Potenzial zu berücksichtigen, auf dem diese sich befinden. So könnte ein Netzanalysator zwar den Spannungsausgang von 10 Volt messen jedoch könnte ein Potential des Shunts gegen Erde das Messgerät überlasten. Es ist daher wichtig, sorgfältig zu überlegen, ob die Verwendung eines Shunts in einem bestimmten Anwendungsfall günstig ist und ob das Messgerät auch für das hohe Potential ausgelegt ist.

2. Stromzange mit Metallkern

2 Stromzange mit Metallkern von A. Eberle
3 Physikalisches Wirkprinzip Stromzange mit Metallkern

Die herkömmliche Technik bei der Messung von Stromstärken ist die Verwendung von festen Stromzangen. Diese arbeiten nach dem Prinzip eines Transformators. Das Schema einer solchen Zange ist in der Abbildung dargestellt.

Das Stromkabel wird als Wicklung 1 betrachtet. Über ein wechselndes Magnetfeld im Eisenkern wird in die zweite Wicklung ein Strom induziert, welcher indirekt proportional zum Strom im Leiter ist.

Wenn beispielsweise ein Strom von 1000 Amper im Leiter fließt und der Wandler 1000 Wicklungen aufweist, ergibt sich am Ausgang der Stromzange ein Strom von 1 Amper. Das Verhältnis zwischen den beiden Stromstärken beträgt demnach 1:1000.

Aktuelle Stromzangen verfügen häufig über einen Abschlusswiderstand, welcher am Ausgang keinen Strom, sondern eine Spannung in Millivolt proportional zum Strom liefert. Das Messprinzip bleibt jedoch gleich. Dies ermöglicht es, den Stromwandler ohne Gefahr im Netz angeschlossen zu lassen und vom Messgerät zu trennen. Dieser Stromwandler muss nicht zwingend kurzgeschlossen werden, im Gegensatz zu Strom-zu-Strom-Wandlern, die nicht im offenen Zustand betrieben werden dürfen. Besondere Vorsicht ist bei der Verwendung von Stromzangen mit Metallkern geboten, da bereits ein kleiner Luftspalt zu großen Messfehlern führen kann. Um dies zu vermeiden, wurde bei den Ministromzangen der PQ-Box eine Verriegelung eingebaut. Bei höheren Strömen, wie im Bereich von 1000-3000 Ampere, werden die Zangen jedoch sehr schwer, groß und unhandlich, was das Manövrieren um große Leiter erschwert. In diesem Fall bietet sich die Verwendung von Rogowskistromzangen als praktischere Alternative an.

3. Hall-Effect-Sensoren

Wenn sowohl AC- als auch DC-Signale gemessen werden sollen, ist der Aufwand für die Messtechnik etwas größer. Eine passive Zange kann in diesem Fall nicht verwendet werden. Stattdessen kann man sich in der Messtechnik des Hall-Effekts bedienen. Hierbei handelt es sich um ein Halbleiterbauteil, an dem ein Stromfluss angeschlossen wird. Wenn dieses Halbleiterelement in einem Magnetfeld liegt, kommt es zu einer Ladungsträgerseparation im Hall-Leiter-Bauteil. Dies bedeutet, dass die Ladungsträger auf eine Seite im Magnetfeld verschoben werden. Diese Spannung des Hall-Sensorelementes ist proportional zum Magnetfeld. Mit diesem Effekt können sowohl AC- als auch DC-Ströme gemessen werden.

4 Hall-Sensor-Stromzangen von A. Eberle für AC und DC Ströme
5 Prinzip zum Aufbaue einer Hall-Effect-Zange

Die Verwendung von AC- und DC-Stromzangen hat sowohl Vorteile als auch Nachteile. Obwohl diese Zangen sehr häufig eingesetzt werden, werden sie nicht standardmäßig in allen Messgeräten verwendet. Ein Nachteil dieser Zangen ist, dass sie teilweise sehr temperaturempfindlich sind.

In der Regel muss man eine DC Stromzange über eine Taste oder einen Drehknopf auf den Wert 0 kalibrieren vor jeder Messung. Dies kann jedoch bei langen Messzeiträumen, wie bei der Überwachung einer Solaranlage über 7 Tage, zu relativ großen Fehlern in der Messtechnik führen, aufgrund von Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht.

Eine weitere Einschränkung ist die Notwendigkeit einer Energieversorgung. Die meisten Stromzangen sind auf Batteriebetrieb ausgelegt, was für längere Messzeiträume ungünstig ist. Es gibt jedoch auch Zangen, die mit einem externen Netzteil betrieben werden können und so auch längere Messzeiträume ermöglichen. Beim Einsatz von Stromzangen sollte immer beachtet werden, dass es verschiedene Messfehlerquellen gibt, wie z.B. den Temperaturdrift.

4. Rogowskispulen

6 Rogowskispule von A. Eberle

Rogowskizangen sind sehr anwenderfreundlich, da sie in allen Längen und Größen erhältlich und sehr flexibel im Aufbau sind. Ein Kundenwunsch ist eine möglichst dünne und kleine Zange, um auch bei sehr beengten Platzverhältnissen diese Schlaufen unter zu bekommen.

Allerdings hat der Vorteil von einer sehr dünnen Stromschlaufe auch einen Nachteil in der Messtechnik. Das Ausgangssignal ist abhängig vom Durchmesser des Kopfes. Ein größerer Durchmesser führt zu einem größeren Ausgangssignal. Daher kann eine dünne Zange zwar in engeren Räumen eingesetzt werden, jedoch ist das Ausgangssignal geringer und somit können kleinere Ströme nur mit einem größeren Messfehler erfasst werden. Dies ist eine Begrenzung der Physik, die nicht umgangen werden kann.

Eine Rogowskispule besteht aus einem Gummikern, der magnetisch wie Luft verhält und deshalb auch als Luftspule bezeichnet wird.

7 Wirkprinzip Rogowskispule (auch Luftspule genannt)

Um den Messfehler bei der Messung von kleinen Strömen zu verbessern ist es möglich, die Spule doppelt um einen Leiter zu wickeln. Da man nun den doppelten Messwert erfassen würde, kann dies sehr einfach durch eine Anpassung des Wandlerverhältnis in den Einstellungen der PQ-Box auf den Faktor x0,5 korrigiert werden.

Es ist zu beachten, dass Rogowskistromwandler nur Wechselströme messen können und keinen Gleichstrom. Jede Rogowskispule benötigt am Ausgang einen Integrator, um das Ausgangssignal auf das originale Stromsignal zurück zu führen. Die meisten Rogowskispulen besitzen eine Elektronik im Kabel eingebaut, welche in der Regel auch eine Energieversorgung benötigt. Alle PQ-Boxen von A. Eberle besitzen zwei getrennte Stromeingänge. Ein Eingang für Stromzangen und einen Eingang für Rogowskispulen. Durch eine Codierung im Stecker der Stromzange erkennt das Messgerät automatisch den richtigen Zangentyp. Eine Energieversorgung für diese Stromzangen ist somit nicht erforderlich und auch die Genauigkeit ist verbessert, da man das Messsignal nicht zwei Mal umsetzt.

In Bezug auf Messfehler sollten die Angaben des Datenblatts des Lieferanten der Stromzangen berücksichtigt werden.

8 Technische Daten einer Rogowskispule

Kalibration und Fertigung der Zangen ermöglichen einen relativ geringen Messfehler von 0,5 Prozent vom Messwert bei Verwendung von Rogowskstromzangen. Der größte Fehlerfaktor stellt häufig die Lageempfindlichkeit der Zange dar. Die optimale Genauigkeit wird dann erreicht, wenn der Leiter exakt zentriert in der Mitte der Zange positioniert ist. In der Praxis beeinflusst die Positionierung des Leiters jedoch das Messergebnis um bis zu 2 %. Weitere Faktoren, die die Genauigkeit beeinflussen, sind Linearität, Temperatureinflüsse und benachbarte Felder. So beeinflussen auch Ströme in benachbarten Leitern das Messergebnis. Dieser Fehler beträgt bis zu 1 % der Nachbarströme. Problematisch wird es bei Messungen von kleinen Strömen in der Nähe von Leitungen mit großen Strömen. Da kann der Fehler auch bis zu 100 Prozent des gemessenen Werts betragen. Es ist daher erforderlich, die Umgebungsbedingungen sorgfältig zu berücksichtigen, insbesondere bei Messungen an geringen Strömen.

Die Verwendung von Ministromzangen ist in der Regel für die Messung von sehr kleinen Strömen geeigneter.

Winkelfehler

Messfehler, insbesondere Winkelfehler, können durch die Abtastung von Spannungen und Strömen verursacht werden. In der Regel werden Spannungen fest abgegriffen, während Ströme mithilfe von Stromzangen gemessen werden. Jede Stromzange hat jedoch einen leichten Phasenfehler, was dazu führen kann, dass der gemessene Strom vor- oder nacheilend angezeigt wird. Das Messgerät berechnet aus den Abtastwerden der Spannungen und der Ströme alle Leistungen.

Als Beispiel soll gezeigt werden, wie sich Winkelfehler in den Leistungsmessgrößen bemerkbar machen.

9 Rechenbeispiel Winkelfehler 1

Ein Beispiel 1 ist ein Netz, in dem der cosphi recht gut ist, mit einem Phasenwinkel von 10 Grad zwischen Grundschwingungsspannung und Grundschwingungsstrom. Ein Phasenfehler einer Stromzange von einem Grad kann bei einem Istwert von 0,984 für den cosphi folgende Messergebnisse in der Anzeige des Messgerätes ergeben: Max: 0,981 oder Min: 0,967.

Dies entspricht einem Fehler von 0,3 % für den cosphi sowie für die Wirkleistung.

Im Beispiel 2 verwenden wir eine Messung an einem extrem großen Phasenwinkel. Diese Anwendung soll die Wirkleistungsverluste an einer Netzdrossel von 2,3 MVA Blindleistung in einem Mittelspannungsnetz ermitteln. Der Cosinus Phi dieser Induktivität sollte möglichst 90 Grad betragen. In unserem Fall beträgt der Phasenfehler 89 Grad.

Ein zusätzlicher Winkelfehler von einem Grad der Stromzange oder auch von einem Sekundärmesswandler kann nun zu einem Messfehler von bis zu 200 Prozent führen.

In diesem Fall können nun die Wirkleistungsverluste dieser Spule zwischen 0 und 200% vom echten Messwert liegen. Für die Blindleistung ist in diesem Fall die Messung jedoch sehr präzise.

10 Rechenbeispiel Winkelfehler 2
11 Eingabe Winkelkorrekturfaktor Software PQ mobil von A. Eberle

Bei Bewertungen im Netz, bei denen es sehr genau auf korrekte Winkelmessungen ankommt, wie beispielsweise bei der Messung in einem Mittelspannungsnetz oder über Stromwandler in einem Niederspannungsnetz, kann die Korrektur der Winkelfehler der verschiedenen Wandler sehr wichtig werden.

In allen PQ-Boxen kann ein Winkelkorrekturfaktor für die Berechnungen der Leistungsmessgrößen und Phasenwinkel hinterlegt werden. So können sehr einfach Winkelfehler korrigiert werden für Messungen bei denen es auf den Winkelfehler ankommt.

Autor
Jürgen Blum, Produktmanager Power Quality Mobil

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