Leitfaden zur Berechnung des Grenzfaktors für die CT-Genauigkeit

Einführung

In Mittelspannungs-Stromverteilungssystemen misst ein Stromwandler (CT) nicht nur den Strom, sondern muss auch die Integrität der Messung aufrechterhalten, selbst wenn Fehlerströme auf das 10-, 20- oder sogar 30-fache des Nennwerts ansteigen. Das ist der Grund, warum der Genauigkeitsbegrenzungsfaktor (ALF) wird geschäftskritisch. Der ALF definiert das maximale Vielfache des primären Nennstroms, bis zu dem ein Stromwandler seine Nenngenauigkeitsklasse beibehält, und bestimmt direkt, ob Ihr Schutzrelais während eines Fehlerereignisses ein vertrauenswürdiges Signal erhält. Für Elektroingenieure, die Schutzsysteme entwerfen, und für Beschaffungsmanager, die Stromwandler für Umspannwerke oder industrielle MV-Schalttafeln spezifizieren, führt ein falsches Verständnis oder eine falsche Berechnung der ALF zu Fehlfunktionen der Relais, Schäden an den Geräten und kostspieligen Ausfallzeiten. In diesem Leitfaden werden die ALF-Berechnungsmethode und die wichtigsten Parameter erläutert und es wird erklärt, wie Sie den richtigen Stromwandler für Ihre Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Schutzes auswählen.

Inhaltsübersicht

• Was ist der Grenzfaktor für die CT-Genauigkeit und warum ist er wichtig?
• Wie wird der ALF berechnet? Kernformel und Parameter erklärt
• Wie wählt man das richtige ALF für seine Anwendung aus?
• Was sind die häufigsten Fehler bei der Spezifikation und Installation von ALF?

Was ist der Grenzfaktor für die CT-Genauigkeit und warum ist er wichtig?

Die Genauigkeitsbegrenzungsfaktor (ALF) ist ein dimensionsloser Parameter, der wie folgt definiert ist IEC 61869-2¹ die das höchste Vielfache des Primärnennstroms angibt, bei dem der Stromwandler zusammengesetzter Fehler² den vorgeschriebenen Grenzwert für seine Genauigkeitsklasse nicht überschreitet. Einfacher ausgedrückt: Sie sagt Ihnen, wie weit Sie Ihrem Stromwandler in einem Fehlerzustand noch vertrauen können.

Bei Stromwandlern der Schutzklasse (Klasse 5P und 10P gemäß IEC-Norm) darf der zusammengesetzte Fehler bei ALF folgende Werte nicht überschreiten 5% oder 10% beziehungsweise. Bei Überschreitung des ALF-Schwellenwerts gerät der Stromwandlerkern in Sättigung, der Sekundärstrom wird verzerrt, und die Schutzrelais lösen möglicherweise nicht aus - oder schlimmer noch, sie lösen falsch aus.

Technische Schlüsselparameter definiert

• Primärer Nennstrom (I₁ₙ): Nennbetriebsstrom, z. B. 400A, 600A, 1200A
• Nennbelastung (Sₙ): Die VA-Nennlast, für die der Stromwandler ausgelegt ist, z. B. 15VA, 30VA
• Genauigkeitsklasse: 5P oder 10P für Schutzstromwandler; definiert den zulässigen zusammengesetzten Fehler
• ALF (Accuracy Limiting Factor): In der Regel 5, 10, 20 oder 30 - auf dem Typenschild angegeben
• Instrument Sicherheitsfaktor (FS): Relevant für die Messung von CTs; entgegengesetztes Konzept zu ALF
• Kernmaterial: Kaltgewalzter kornorientierter Siliziumstahl³ (CRGO) - bestimmt das Sättigungsverhalten
• Isoliersystem: Epoxidharzverguss, ausgelegt für 12kV / 24kV / 36kV nach IEC 60044 / IEC 61869
• Thermische Bewertung: Klasse E (120°C) oder Klasse F (155°C) je nach Installationsumgebung

Ein Stromwandler mit ALF = 20 und einem Nennstrom von 400 A erreicht eine Genauigkeit von bis zu 8.000A primärer Fehlerstrom - eine Spezifikation, die mit dem voraussichtlichen Kurzschlussstrom Ihres Systems übereinstimmen muss.

Wie wird der ALF berechnet? Kernformel und Parameter erklärt?

Der ALF ist keine feste physikalische Konstante - er ändert sich in Abhängigkeit von der tatsächlich angeschlossenen Last gegenüber der Nennlast. Dies ist der am meisten missverstandene Aspekt der Stromwandlerspezifikation in MS-Schutzsystemen.

Die ALF-Kernformel (IEC 61869-2)

Die Tatsächliche ALF unter der realen Betriebsbelastung wird wie folgt berechnet:

$ALF_{Ist} = ALF_{bewertet} \mal \frac{R_{ct} + R_{Abraum_bewertet}}{R_{ct} + R_{Abraum_aktuell}}$

Wo:

• $ALF_{rated}$ = ALF-Wert auf dem Typenschild
• $R_{ct}$ = Widerstand der Sekundärwicklung (Ω) - gemessen bei 75°C
• $R_{Abraum_bewertet}$ = Widerstandsäquivalent der Nennbürde bei sekundärem Nennstrom
• $R_{Abraum_Ist}$ = tatsächlich angeschlossener Bürdenwiderstand (Relais + Leitungswiderstand)

Lastwiderstand Konvertierung

Für einen CT mit Nennlast Sₙ = 15VA unter I₂ₙ = 5A:

$R_{Abraum_bewertet} = \frac{S_n}{I_{2n}^2} = \frac{15}{25} = 0,6 , \Omega$

Wenn die tatsächlich angeschlossene Last (Relaisspule + Kabel) = 0.3Ω, dann:

$ALF_{Ist} = 20 \mal \frac{0.4 + 0.6}{0.4 + 0.3} = 20 \mal \frac{1.0}{0.7} \ca. 28,6$

Dies bedeutet eine eine geringere tatsächliche Belastung erhöht die effektive ALF - eine wichtige Erkenntnis für Ingenieure, die ihre CTs zu wenig belasten.

Vergleich: Schutz-CT-Klassen

Parameter	Klasse 5P	Klasse 10P
Zusammengesetzter Fehler bei ALF	≤ 5%	≤ 10%
Phasenverschiebungsgrenze	±60 min	Keine Angaben
Typischer ALF-Bereich	10-30	5-20
Anmeldung	Differential-/Distanzschutz	Überstrom / Erdschluss
Kerngröße	Größer (geringere Sättigung)	Kompakt
Kosten	Höher	Unter

Kundenfall - EPC-Auftragnehmer, Umspannwerksprojekt in Südostasien:
Ein Bauunternehmer spezifizierte Stromwandler der Klasse 10P20 für ein 24-kV-Abzweigschutzsystem mit numerischen Distanzrelais. Während der Inbetriebnahme entdeckten die Relaisingenieure, dass die tatsächliche Last (einschließlich der 40 Meter langen Kabelstrecken) nur 35% der Nennlast betrug - was den effektiven ALF auf fast 34 drückte. Der Stromwandler war technisch gesehen überlastet, aber die ursprüngliche Relaiskoordination⁴ Die auf ALF=20 basierenden Berechnungen mussten überarbeitet werden. Das technische Team von Bepto lieferte neu berechnete ALF-Kurven und aktualisierte Daten zur Relaiskoordinierung, wodurch eine vollständige Wiederholung der Schutzstudie vermieden werden konnte. Lektion: Berechnen Sie immer die tatsächliche ALF, nicht nur die ALF auf dem Typenschild.

Wie wählt man das richtige ALF für seine Anwendung aus?

Die Auswahl der ALF ist eine Entscheidung auf Systemebene, nicht nur die Wahl eines Stromwandlers auf dem Typenschild. Im Folgenden finden Sie einen strukturierten Ansatz, der in realen Projekten der MS-Schutztechnik verwendet wird.

Schritt 1: Definieren der Systemfehlerebene

• Holen Sie sich die maximaler voraussichtlicher Kurzschlussstrom (Isc) an der CT-Einbaustelle
• Berechnen Sie die erforderliche ALF: $ALF_{Bedarf} = \frac{I_{sc}}{I_{1n}}$
• Beispiel: Isc = 16kA, I₁ₙ = 800A → ALF erforderlich = 20

Schritt 2: Ermittlung der tatsächlichen Belastung

• Messen der Relaislast (VA oder Ω aus dem Datenblatt des Relais)
• Berechnen Sie den Kabelwiderstand: $R_{Kabel} = \frac{2 \times L \times \rho}{A}$ (Kupfer, 0,0175 Ω-mm²/m)
• Summe aller Serienimpedanzen in der Sekundärschleife

Schritt 3: Berechnung des tatsächlichen ALF und Überprüfung der Marge

• Wenden Sie die obige ALF-Formel an
• Sicherstellen ALF_Ist ≥ ALF_Bedarf × 1,1 (10% Sicherheitsspanne empfohlen)
• Bei unzureichendem Spielraum: Nennlastklasse des Stromwandlers erhöhen oder höhere ALF auf dem Typenschild wählen

Schritt 4: Übereinstimmung von Normen und Umweltbewertungen

• IEC 61869-2 für Schutz CT-Leistung
• Mindestens IP65 für Innenräume von MV-Schaltanlagen
• IP67 oder IP68 für Installationen im Freien oder an der Küste (Salznebel gemäß IEC 60068-2-52)
• Isolationsspannung: Bestätigung, dass die 12kV / 24kV / 36kV Klasse dem System entspricht Um

Anwendungsspezifische ALF-Empfehlungen

• Industrielle MV-Verteilung (6-12kV): Klasse 5P20, 15VA - für Motorschutz und Überstrom im Abgang
• Umspannwerk für das Stromnetz (33-36 kV): Klasse 5P30, 30VA - für Distanz- und Differentialschutz
• Solarpark MV Sammlung: Klasse 10P10, 10VA - niedrigere Fehlergrenzen, kostenoptimiert
• Marine / Offshore-Plattform: Klasse 5P20 mit Epoxid-Verkapselung, IP67, vibrationsgeschützte Montage
• Städtisches unterirdisches Umspannwerk: Kompakter epoxidvergossener CT, Klasse 5P20, platzoptimiertes Kerndesign

Was sind die häufigsten Fehler bei der Spezifikation und Installation von ALF?

Checkliste für Installation und Inbetriebnahme

1. Überprüfen Sie die Angaben auf dem Typenschild - ALF, Genauigkeitsklasse, Nennlast und Rct vor der Installation bestätigen
2. Messung der tatsächlichen sekundären Belastung - ein Lastmessgerät verwenden oder anhand von Relais- und Kabeldaten berechnen
3. Neuberechnung der tatsächlichen ALF - Gehen Sie niemals davon aus, dass der ALF auf dem Typenschild dem ALF im Betrieb entspricht.
4. Polaritätsprüfung durchführen - falsche Stromwandlerpolarität verursacht Fehlfunktion des Differenzialrelais
5. Durchführen Sekundäreinspritzungstest⁵ - Überprüfung der Relaisansteuerung bei berechneten Fehlermultiplikatoren
6. Leerlaufschutz prüfen - niemals den sekundären Stromwandler unter Primärstrombedingungen öffnen

Häufig zu vermeidende Fehler bei der Spezifikation

• Unterdimensionierung von ALF für Abgänge mit hohem Fehlerpegel - Stromwandler sättigt während des Fehlers, Relais löst nicht innerhalb der erforderlichen Zeit aus
• Vernachlässigung des Kabelwiderstands bei der Lastberechnung - besonders kritisch für Stromwandler, die weit von den Relaistafeln entfernt sind (>20m)
• Vermischung von 5A- und 1A-Sekundärstromwandlern in demselben Schutzschema - verursacht eine schwere Fehlanpassung der Belastung
• Angabe der Messklasse CT (Klasse 0,5 oder 1,0) für Schutzschaltungen - diese haben einen hohen FS (Instrumentensicherheitsfaktor), der eine frühzeitige Sättigung bewirkt, was das Gegenteil von dem ist, was der Schutz benötigt
• Vernachlässigung der Temperaturkorrektur für Rct - Der Wicklungswiderstand steigt ~20% von 20°C auf 75°C, was sich auf den tatsächlichen ALF auswirkt.

Kundenfall - Beschaffungsmanager, Erweiterung einer Industrieanlage:
Ein Beschaffungsmanager bezog Stromwandler von einem Billiganbieter, ohne die Rct-Werte zu überprüfen. Der vom Lieferanten angegebene Rct-Wert betrug 0,3Ω; der tatsächlich gemessene Wert lag bei 0,72Ω. Dadurch verschob sich der tatsächliche ALF-Wert von den berechneten 22 auf 14 - und damit unter das erforderliche Fehlerniveau-Multiple. Der Schutzingenieur bemerkte dies während der FAT (Factory Acceptance Testing), aber es führte zu einer 3-wöchigen Lieferverzögerung bei den Ersatzgeräten. Bepto bietet vollständige Prüfberichte einschließlich Rct-Messung, Erregungskurven und Überprüfung des zusammengesetzten Fehlers mit jeder KV-Sendung.

Schlussfolgerung

Die richtige Berechnung der ALF ist der Unterschied zwischen einem Schutzsystem, das im Fehlerfall korrekt funktioniert, und einem, das im ungünstigsten Moment ausfällt. Bei der Mittelspannungsverteilung hängt die Zuverlässigkeit des Schutzes von einer genauen ALF-Berechnung ab, bei der reale Lastwerte verwendet werden - und nicht nur Daten vom Typenschild. Ganz gleich, ob Sie ein Schutzsystem für ein Umspannwerk entwerfen, Stromwandler für ein industrielles Mittelspannungsfeld spezifizieren oder ein Kollektorsystem für einen Solarpark überprüfen, die Anwendung der ALF-Methodik nach IEC 61869-2 stellt sicher, dass Ihre Stromwandler funktionieren, wenn es darauf ankommt.

Häufig gestellte Fragen zum Grenzfaktor für die CT-Genauigkeit

1. Detaillierte technische Anforderungen für Messwandler im Rahmen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission. ↩

2. Verstehen der mathematischen Definition des Gesamtstromwandlerfehlers nach IEC-Normen. ↩

3. Erforschung der magnetischen Sättigungseigenschaften und der Kornorientierung von Elektrostahlkernen. ↩

4. Lernen, wie man Schutzvorrichtungen koordiniert, um die Ausfallzeit des Systems bei Fehlerereignissen zu minimieren. ↩

5. Schritt-für-Schritt-Verfahren zur Überprüfung der Schutzrelaisfunktionalität und der Stromwandlerintegrität vor Ort. ↩