Rogowski-Spulen und Zubehör

Technische Grundlagen

Neben herkömmlichen Stromwandlern können für die Strommessung auch Rogowski-Spulen eingsetzt werden. Aufgrund des fehlenden Eisenkernes entfallen richtlineare Einflüsse des Eisenkerns. Rogowski-Spulen können ohne Auftrennen des Stromkreises, d.h. ohne größere Montagearbeiten einfach angelegt und entfernt werden. Hohe Kurzschlusströme in der Energieverteilung verursachen bei Rogowski-Spulen im Gegensatz zu Stromwandlern keine hohen Kräfte und Verluste. Es können auch keine für die Messung nachteilige Sättigungs- oder Remanenzeffekte auftreten, die bei normalen Stromwandlern eine aufwendige Entmagnetisierung erfordern. Ebenfalls können keine gefährlichen Spannungen im Offenbetrieb erzeugt werden, wodurch es diesbezüglich keine Gefahr für Elektrofachkräfte gibt.

Abbildung 1: Rogowski-Spule mit Primärleiter

Wie in der Abbildung ersichtlich handelt es sich bei dem Ausgangssignal der passiven Rogowski-Spule um ein Spannungssignal, das sich proportional zur Änderung des Primärstroms verhält. Handelt es sich bei dem Primärstrom um ein 50 Hz Sinussignal, wie es in der Elektroenergieverteilung in Europa üblich ist, so ergibt sich folgender Ausdruck.

Um jetzt die Steigung der Tangenten im Punkt t zu ermitteln, wird die Ableitung der Funktion i1 nach t gebildet. Es ergibt sich die Gleichung:

Die Ausgangsspannung der Rogowski-Spule ist dementsprechend proportional zu der Ableitung von i1 nach der Zeit. Da die Cosinus-Funktion gegenüber der Sinus-Funktion um -90° versetzt ist, so ist auch das Spannungssignal ui gegenüber dem Primärstrom i1 um -90° verschoben.

Primaerstrom mit Ausgangssignal Rogowskispule ohne Integrator

Abbildung 2: Primärstrom und Ausgangssignal einer passiven Rogowski-Spule im Vergleich

Ist die Rogowski-Spule jetzt auf das zu messende Stromsignal bei 50 Hz abgestimmt, so kann über die Berücksichtigung des Übersetzungsfaktors und des Phasenversatzes von -90° auf den Stromwert i1 zurück gerechnet werden. Ändert sich jetzt die Bemessungsfrequenz des Signals, so wird auch der Amplitudenwert von u1 beeinflusst.

In einer elektronischen Integratorschaltung können diese Effekte aufgehoben werden. Mathematisch betrachtet wird hierbei die Ableitung nach t integriert. Die Cosinus-Funktion wird wieder zur Sinus-Funktion, der Phasenversatz von 90 Grad ist aufgehoben. Mit einem Integrator, der als Ausgang ein Stromsignal bereitstellt ergibt sich folgendes Ersatschaltbild. 00

Abbildung 3: Elektrisches Ersatzschaltbild Rogowski-Spule + 1A Integrator

Wichtige Eigenschaften

Um eine größtmögliche Genauigkeit bei der Messung der Rogowski-Spulen zu erhalten, sind folgende Punkte unbedingt zu beachten:

Die Rogowski-Spule sollte inkl. der Zuleitung komplett geschirmt sein, um parasitäre Einflüsse zu vermeiden.
Die Ausgangsspannung von Rogowski-Spulen wird blicherweise in mV / kA angegeben. Da Spannungssignale generell als störanfälliger gelten, sollte die Spule am Ausgang ein möglichst großes Spannungssignal generieren, denn wenn kleinere Primärströme fließen kann das Ausgangssignal durch Rauschen oder Störsignal beeinflusst werden, so dass die angegebenen Klassengenauigkeiten nicht mehr erreicht werden.
Oftmals hat die Position des Primärleiters Einfluss auf die Genauigkeit. Bei der Montage sollte darauf geachtet werden, die Spule so anzubringen, das die beste Genauigkeit erreicht wird.

Die Rogowski-Spule FASK

Die MBS Rogowski-Modelle FASK werden mit 4 verschiedenen Durchmessern angeboten (100,150,200 und 300mm). Am Verschluss ist ein Einschub für einen Kabelbinder vorgesehen, mit dem die Spule am Primärleiter arretiert wird.

Abbildung 4: Die Rogowski-Spule FASK 150

Vorteile der Rogowski-Spule FASK

Die Rogowski-Spulen FASK 100,150, 200 und 300 sind komplett geschirmt und somit vor Störeinflüssen weitgehenst geschützt.
Alle Rogowski-Spulen generieren ein relativ großes Ausgangssignal von 100 mV/ kA. So können durch die gute Linearität der Spule auch kleinere Primärströme weit unter 1 kA akkurat gemessen werden.
Die Rogowski-Spulen FASK besitzen einen Phasenfehler zwischen -0,4 und -0,5 Grad, so dass auch ein fest vorgegebener Korrekturfaktor im Messgerät verwendet werden kann.
Die Materialien erlauben einen Einsatz in sehr rauen Umgebungstemperaturen. Die Spulen generieren keine Abwärme.
Einkürzen der Zuleitung ohne Genauigkeitsverlust.

Die Positionierung des Primärleiters hat wie bei jeder Rogowski-Spule Einfluss auf die Genauigkeit. Die FASK-Serie ist so abgestimmt, das direkt am Verschluss und damit im Bereich der Fixiermöglichkeit der geringste Fehler auftritt. Die folgende Abbildung verdeutlicht diesen Sachverhalt und definiert die genauen Fehlerwerte.

FASK 100,150, 200 und 300

Abbildung 5: Primärleiterposition mit den typischen Fehlerwerten

Installation

Die Installation dieser Sensoren gstaltet sich denkbar einfach. Mit wenigen Handgriffen wird die Spule um den Primärleiter gelegt und am Verschluss verschlossen. Der Primärleiter muss nicht aufgetrennt werden.

FASK 100,150,200 und 300

Abbildung 6: Montage der FASK

Technische Kennwerte

Verwendete Materialien

Sicherheit

Abmessungen

FASK 100,150,200 und 300

Abbildung 7: Weitere Abmessungen der FASK 100,150,200 und 300

ROI-3 Integrator

um die Phasenlage der passiven Rogowski-Spule um 90° zu korrigieren, ist eine Integratorschaltung notwendig. Gleichzeitig ist es wünschenswert, ein Standardsignal zu erhalten, um die Kompatibilität zu den üblichen Messgeräten sicherzustellen.

Für einen Ausgang von 1 A ist der 3-Phasen-Integrator ROI-3 bestens geeignet. Es können 3 Rogowski-Spulen gleichzeitig angeschlossen werden. Als Spannungsversorgung wird eine 24 VDC Quelle benötigt. Die Montage ist auf der DIN-Schiene (TH35) vorgesehen.

Abbildung 8: 3-Phasen-Integrator ROI-3

Wirkungsweise des ROI-3

Ein Integrator ist unerlässlich, um das Ausgangssignal der Rogowski-Spulen abzugleichen und um 90° zu verschieben. Es besteht aus einer aktiven elektronischen Schaltung mit vernachlässigbarem Offset und einer guten Linearität.
Das Ausgangsspannungssignal der Rogowski-Spule wird auf das Standardsignal 1 A gewandelt.
Das Ausgangsspannungssignal der passiven Rogowski-Spule ist proportional zur Frequenz des gemessenen Stromes. Der verbaute Equalizer garantiert ein zum Primärstrom lineares Signal über einen weiten Frequenzbereich.
Bei der Bestellung in Verbindung mit der Rogowski-Spule FASK muss der primäre Bemessungsstrom festgelegt werden. Es ergibt sich ein festes Übersetzungsverhältnis wie bei einem herkömmlichen Stromwandler (z.B. 1.000 / 1 A). Der primäre Messbereich 0-1.000 A wird auf den sekundären Messbereich 0-1 A abgebildet.

Vorteile des ROI-3

Kompaktes Gehäuse für den Anschluss von 3 Rogowski-Spulen FASK.
Der ROI-3 misst keine Gleichströme im verbund mit dem FASK, kann jedoch im Gegensatz zu einem Stromwandler genaue Messungen der Wechselstromkomponente durhcführen, selbst wenn eine große überlagerte Gleichstromkomponente vorhanden ist, da kein Eisenkern eine Sättigung verursacht. Diese Funktion ist besonders nützlich für die Messung von Rippelströmen, beispielsweise in Batterieladesystemen.
Der Integrator ROI-3 besitzt ein relativ gutes Frequenzverhalten.