Allstromsensitive Sensoren Genauigkeitsbetrachtungen bei Differenzstromsensoren

Autor / Redakteur: Susanne Ganz * / Gerd Kucera

Differenzströme, die im elektrischen Fehlerfall auftreten, sind nur wenige mA groß, weshalb eine sehr hohe Messgenauigkeit von Stromsensoren gefordert ist. Der Beitrag zeigt, was zu beachten ist.

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Bild 1: Der neue Typ 4646-X976 ist mit integrierten Primärleitern für Dreiphasen-Systeme und einer Prüfstromleitung ausgestattet. Er ergänzt die DI-Familie der DI-Sensoren mit Primärleitern für Einphasensysteme und mit Durchstecköffnung.
Bild 1: Der neue Typ 4646-X976 ist mit integrierten Primärleitern für Dreiphasen-Systeme und einer Prüfstromleitung ausgestattet. Er ergänzt die DI-Familie der DI-Sensoren mit Primärleitern für Einphasensysteme und mit Durchstecköffnung.
(Bild: VAC)

Differenzstromsensoren, auch als DI-Sensoren bezeichnet, dienen zur gleichzeitigen Überwachung der Ströme auf Phasen und Nullleiter, um im gefährlichen elektrischen Fehlerfall den Verbraucher automatisch abzuschalten. Differenzstromsensoren sind immer dann notwendig, wenn Gleichspannungskreise mit Wechselspannungskreisen direkt verbunden werden. Allstromsensitive Sensoren können sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom messen.

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Im Gegensatz zu Betriebsstromsensoren messen die DI-Sensoren nicht den Verbraucherstrom, sondern ausschließlich den Differenzstrom zwischen den einzelnen stromführenden Leitern (im 3-Phasensystem: L1, L2, L3 und N). Aufgrund des magnetischen Systems kann die Differenz zwischen mehreren Strömen gleichzeitig direkt in einer Messung mit nur einem Sensor überwacht werden.

Bei dem von VACUUMSCHMELZE (VAC) verwendeten Sensorprinzip mit magnetischer Sonde wird der Sollzustand (Fehlen eines Magnetfeldes im Luftspalt des Kerns eines Kompensationssensors) mit einer hochfrequent getakteten Fluxgate-Sonde sichergestellt. Dieses Funktionsprinzip bietet viele Vorteile. Eigenschaftsstreuungen der Sonde gehen nicht mit in die Genauigkeit der Messung ein.

Temperaturunabhängigkeit und Langzeitstabilität erreichen somit Bestwerte. Die Taktfrequenz (ca. 400 kHz) liegt weit über dem genutzten Frequenzbereich und stört deshalb in der Regel nicht. Schnelle Änderungen des Eingangsstromes werden ohne Beteiligung der Sonde transformatorisch übertragen.

Die Anforderungen an den Differenzstromsensor sind vielfältig und anspruchsvoll. Er muss einen Differenzstrom von 30 mA bei Betriebsströmen von bis zu 50 Arms auflösen. Dabei muss er unempfindlich gegen äußere Störeinflüsse sein und eine hohe Temperaturstabilität aufweisen.

Fremdfelder, wie beispielsweise das Erdmagnetfeld oder im Anwendungsgerät erzeugte Felder, werden durch eine hochwertige metallische Abschirmung (Bild 1), die ebenfalls von VAC hergestellt wird, ferngehalten.

Höchste Präzision mit 1,5% Messgenauigkeit

Da die zu messenden Differenzströme nur im elektrischen Fehlerfall auftreten und sehr klein sind (mA), ist eine sehr hohe Messgenauigkeit von größter Bedeutung. Alle Differenzstromsensoren der VACUUMSCHMELZE sind für den Differenzstrombereich von typisch 30 bis 300 mA ausgelegt.

Der Messbereich liegt bei +/-850 mA, die Messgenauigkeit beträgt 1,5% von 300 mA. Eine automatische Entmagnetisierung des Sensorkerns nach dem Einschalten oder auf Anforderung sorgt für eine Minimierung des Offsets. Die Bandbreite reicht von 0 bis ca. 10 kHz, und die Betriebsströme dürfen 50 Arms erreichen. Die Sensoren sind für Netzspannungen bis 600 V und Arbeitsspannungen bis 1000 V nach EN50178 ausgelegt.

DI-Sensoren von VAC arbeiten an einer unipolaren +5-V-Spannungsversorgung und besitzen einen Spannungsausgang zum direkten Anschluss an einen A/D- Wandler. Interne Selbstüberwachungs- und Prüffunktionen melden Fehlfunktionen der Magnetsonde, der Kompensationswicklung oder eine zu niedrige Versorgungsspannung.

Eine vorhandene zusätzliche Prüfwindung kommt zum Einsatz, um die Funktion des Sensors mit dem extern erzeugten Prüfstrom zu überwachen – analog zur Prüftaste des klassischen Fehlerstromschutzschalters. Es sind sowohl aktive Sensoren mit integrierter Elektronik als auch passive Sensormodule verfügbar, die für den Anschluss einer einfach aufgebauten externen Elektronik ausgelegt sind.

Der Anwender hat hier zusätzlich die Möglichkeit der freien Messbereichswahl; eine Überschreitung des Messbereichs wird signalisiert. Die Extrafunktionen Entmagnetisierung und Fehlersignalisierung sind als Standard-Logikpegel über separate Ein- und Ausgänge des IC verfügbar.

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