CT-Composite-Fehler erklärt

Einführung

Wenn ein Stromwandler den primären Fehlerstrom in seinem Sekundärkreis nicht genau wiedergibt, erhalten die Schutzrelais verzerrte Signale - und die Folgen reichen von verzögerter Auslösung bis hin zum vollständigen Ausfall des Schutzes. Im Mittelpunkt der Spezifikation der Stromwandlergenauigkeit steht ein einziger Parameter, auf den Ingenieure oft verweisen, den sie aber selten vollständig verstehen: zusammengesetzter Fehler. Der zusammengesetzte Fehler ist der von der IEC definierte mathematische Ausdruck für die Gesamtungenauigkeit der Stromwandlermessung, der sowohl den Stromgrößenfehler als auch die Phasenverschiebung in einem einzigen prozentualen Effektivwert zusammenfasst - und er ist das maßgebliche Kriterium, das bestimmt, ob ein Schutzwandler seine Genauigkeitsklasse bei der Genauigkeitsbegrenzender Faktor¹. Für Elektroingenieure, die Schutzwandler für Mittelspannungsschaltanlagen, Umspannwerke und industrielle Energieverteilungssysteme spezifizieren, ist ein klares Verständnis des zusammengesetzten Fehlers unerlässlich, um die Zuverlässigkeit des Schutzes unter realen Fehlerbedingungen zu gewährleisten. Dieser Leitfaden entpackt die IEC 61869-2² die Definition, die mathematische Formulierung und die praktischen technischen Auswirkungen des zusammengesetzten Fehlers in MS-Schutzschaltungen.

Inhaltsübersicht

• Was ist ein Stromwandler-Kompositfehler und wie ist er in den IEC-Normen definiert?
• Wie wird der zusammengesetzte Fehler in Schutzwandlern mathematisch berechnet?
• Welchen Einfluss hat der Kompositfehler auf die Auswahl des Stromwandlers für MS-Schutzanwendungen?
• Was sind die häufigsten Missverständnisse und Prüfungsfehler im Zusammenhang mit CT-Composite-Fehlern?

Was ist ein Stromwandler-Kompositfehler und wie ist er in den IEC-Normen definiert?

Der zusammengesetzte Fehler ist der Gesamtgenauigkeitsabweichung des Sekundärausgangs eines Stromwandlers von seinem theoretischen Idealwert, ausgedrückt als Prozentsatz des Effektivwerts des Primärstroms. Er ist definiert unter IEC 61869-2 (ersetzt die IEC 60044-1) als maßgebliches Genauigkeitskriterium für Stromwandler der Schutzklasse bei ihrem Nenn-Genauigkeits-Begrenzungsfaktor (ALF).

Im Gegensatz zu Verhältnisfehler und Phasenverschiebung - die unter normalen sinusförmigen Bedingungen separat gemessen werden - erfasst der zusammengesetzte Fehler die kombinierte Auswirkung von Amplituden- und Phasenfehlern gleichzeitig, einschließlich der durch die Nichtlinearität des Kerns verursachten Verzerrungen und magnetische Sättigung³ bei hohen Fehlerstrommultiplikatoren. Dies macht ihn zum umfassendsten und anspruchsvollsten Genauigkeitsmaßstab für die Leistung von Schutzwandlern.

Die Definition der IEC 61869-2

Nach IEC 61869-2 ist der zusammengesetzte Fehler ($\varepsilon_c$) ist definiert als:

“Der Effektivwert der Differenz zwischen den Momentanwerten des Primärstroms und des Sekundärstroms, multipliziert mit dem Nennübersetzungsverhältnis, ausgedrückt in Prozent des Effektivwerts des Primärstroms.”

Diese Definition hat drei entscheidende Auswirkungen für Schutzingenieure:

• Sie wird gemessen bei ALF × Primärnennstrom - nicht bei normalem Laststrom
• Sie fängt ein Wellenformverzerrung durch Kernsättigung verursacht, nicht nur durch Fehler im stationären Zustand
• Es ist ein RMS-Prozentsatz - d.h. harmonische Verzerrungskomponenten aus dem Verhalten des gesättigten Kerns sind vollständig enthalten

Genauigkeitsklassen und zusammengesetzte Fehlergrenzen

Genauigkeitsklasse	Zusammengesetzte Fehlergrenze bei ALF	Phasenverschiebungsgrenze	Typische Anwendung
5P	≤ 5%	± 60 Minuten	Differential-, Distanz- und Überstromschutz
10P	≤ 10%	Keine Angaben	Überstrom- und Erdschlussschutz
5PR	≤ 5%	± 60 Minuten	Remanenzgesteuerte Schutzsysteme
10PR	≤ 10%	Keine Angaben	Allgemeiner Schutz, remanenzbegrenzt
PX / PXR	Definiert durch Kniepunktspannung	Nicht durch zusammengesetzte Fehler	Einheitenschutz, hochohmige Schemata

Die wichtigsten technischen Parameter, die den Composite-Fehler bestimmen

• Kernmaterial: Kaltgewalzter kornorientierter Siliziumstahl (CRGO) - die Kornorientierung bestimmt den Sättigungsknickpunkt und damit das Fehlerverhalten des Verbunds bei hohen Fehlerhäufigkeiten
• Kern-Querschnitt: Ein größerer Kernbereich verzögert das Einsetzen der Sättigung und reduziert den Verbundfehler bei hoher ALF
• Sekundäre Windungen: Bestimmt die Genauigkeit des Übersetzungsverhältnisses und den Beitrag des Streuflusses zum Phasenfehler
• Isoliersystem: Epoxidharz-Guss, Nennspannung 12kV / 24kV / 36kV - die Isolationsklasse hat keinen direkten Einfluss auf den Verbundfehler, bestimmt aber die Installationsumgebung
• Nennbelastungen: Höhere Bürde erhöht den Bedarf an Magnetisierungsstrom und damit den zusammengesetzten Fehler, der direkt mit der ALF-Leistung verbunden ist.

Wie wird der zusammengesetzte Fehler in Schutzwandlern mathematisch berechnet?

Die mathematische Formulierung des zusammengesetzten Fehlers integriert die momentane Differenz zwischen dem idealen und dem tatsächlichen sekundären Ausgang über einen kompletten Zyklus, wobei sowohl Grundfrequenzfehler als auch harmonische Verzerrungen durch Kernsättigung erfasst werden.

Die IEC-Komposit-Fehlerformel

$\varepsilon_c = \frac{100}{I_1} \sqrt{\frac{1}{T} \int_0^T (K_n \cdot i_2 - i_1)^2 , dt} ,$

Wo:

• $\varepsilon_c$ = zusammengesetzter Fehler (%)
• $I_1$ = Effektivwert des Primärstroms (A)
• $K_n$ = Nennübersetzungsverhältnis (N₂/N₁ oder I₁ₙ/I₂ₙ)
• $i_1$ = momentaner Primärstrom (A)
• $i_2$ = momentaner Sekundärstrom (A)
• $T$ = Dauer eines vollständigen Zyklus (Sekunden)

Verhältnis zum Magnetisierungsstrom

In der praktischen CT-Prüfung wird der zusammengesetzte Fehler meist aus dem Magnetisierungsstromverfahren, was einfacher zu implementieren ist als ein direkter Vergleich der momentanen Wellenform:

$\varepsilon_c \approx \frac{I_0}{I_1} \mal 100 ,$

Wo $I_0$ ist der Effektivwert des Magnetisierungsstroms am Prüfpunkt (ALF × $I_{1n}$). Diese Näherung gilt, wenn der Magnetisierungsstrom in erster Linie reaktiv ist - dies gilt für gut ausgelegte Schutzwandlerkerne, die unterhalb der tiefen Sättigung arbeiten.

Kompositfehler vs. Verhältnisfehler vs. Phasenverschiebung

Es ist wichtig zu verstehen, wie der zusammengesetzte Fehler mit den beiden einzelnen Fehlerkomponenten zusammenhängt, sich aber auch von ihnen unterscheidet:

Verhältnisfehler (Stromfehler):
$\varepsilon_i = \frac{K_n \cdot I_2 - I_1}{I_1} \mal 100 ,$

Damit wird nur der Betragsunterschied zwischen dem tatsächlichen und dem idealen Sekundärstrom unter sinusförmigen Bedingungen erfasst.

Phasenverschiebung ($\delta$):
Die Winkeldifferenz in Minuten zwischen den primären und sekundären Stromphasen - relevant für die Genauigkeit der Leistungsmessung, aber weniger kritisch für den Betrieb des Schutzrelais.

Zusammengesetzter Fehler:
Kombiniert beides, plus harmonische Verzerrung durch Kernsättigung:

$\varepsilon_c^2 \approx \varepsilon_i^2 + \left(\frac{\delta}{3438}\right)^2 + \varepsilon_{harmonic}^2$

Der Begriff der harmonischen Verzerrung $\varepsilon_{harmonic}$ wird dominant, wenn sich der Stromwandlerkern der Sättigung nähert - was genau der Zustand bei ALF × Nennstrom ist. Aus diesem Grund ist der zusammengesetzte Fehler bei hohen Fehlerstrommultiplikatoren immer größer als der Verhältnisfehler allein.

Numerisches Beispiel

CT-Spezifikation: 400/5A, Klasse 5P20, 15VA, Rct = 0,4Ω

Am ALF-Prüfpunkt (20 × 400A = 8000A primär):

• Gemessener Magnetisierungsstrom I₀ = 0,18A (RMS)
• Sekundärer Nennstrom I₂ₙ = 5A
• Primärstrom bei der Prüfung = 8000A, bezogen auf den Sekundärstrom = 100A

$\varepsilon_c = \frac{0.18}{100} \mal 100 = 0.18$

Warten Sie - das ist der Magnetisierungsstrom als ein Bruchteil von sekundär aktuell bei ALF:

$\varepsilon_c = \frac{I_0}{K_n \cdot I_{2,ALF}} \mal 100 = \frac{0,18}{100} \mal 100 = 0,18$

Ergebnis: 0,18% zusammengesetzter Fehler - gut innerhalb der 5P-Klassengrenze von 5%. Dieser CT besteht seine Genauigkeitsklasse bei ALF = 20.

Kundenfall - Qualitätsorientierter Ingenieur der Versorgungswirtschaft, 24-kV-Netzumspannwerk:
Ein Schutzingenieur eines Versorgungsunternehmens in Osteuropa erhielt eine Charge von Stromwandlern der Klasse 5P20 von einem neuen Lieferanten. Die Werksprüfzertifikate zeigten einen Verhältnisfehler von 0,8% und eine Phasenverschiebung von 25 Minuten - beides innerhalb der Grenzwerte der Klasse 5P bei Nennstrom. Der Ingenieur forderte jedoch Testdaten für den Verbundfehler bei ALF = 20 an. Der Lieferant konnte sie nicht liefern. Bepto wurde wegen einer Ersatzlieferung kontaktiert und lieferte vollständige Baumusterprüfberichte gemäß IEC 61869-2 einschließlich zusammengesetzter Fehleranregungskurven bei ALF, Magnetisierungsstromdaten und Überprüfung der Kniepunktspannung. Der zusammengesetzte Fehler bei ALF = 20 betrug 3,2% - innerhalb der 5%-Grenze mit Spielraum. Der Ingenieur genehmigte die Spezifikation mit Zuversicht. Der zusammengesetzte Fehler bei ALF ist das endgültige Akzeptanzkriterium für Schutzstromwandler - der Verhältnisfehler beim Nennstrom allein ist nicht ausreichend.

Welchen Einfluss hat der Kompositfehler auf die Auswahl des Stromwandlers für MS-Schutzanwendungen?

Die zusammengesetzten Fehlergrenzen bestimmen direkt, welche Genauigkeitsklasse für jede Schutzfunktion geeignet ist. Die Wahl der falschen Klasse - selbst wenn der Stromwandler physisch in das Feld passt - kann das gesamte Schutzkoordinationsschema gefährden.

Schritt 1: Identifizierung der Anforderungen an die Schutzfunktion

Verschiedene Schutzrelaistypen haben unterschiedliche Toleranzen für Stromwandlerverbundfehler:

• Differentialschutz⁴ (Transformator, Sammelschiene, Motor): Erfordert Klasse 5P - zusammengesetzter Fehler ≤ 5% zur Vermeidung von Fehlauslösungen bei Durchgangsfehler-Magnetisierungseinschaltungen
• Distanzschutz (Leitung, Zuleitung): Erfordert Klasse 5P - Phasenwinkelgenauigkeit entscheidend für Impedanzmessung
• Überstrom-/Erdschlussschutz: Klasse 10P akzeptabel - zusammengesetzter Fehler ≤ 10% ausreichend für den Betrieb von Überstromzeitrelais
• Hochimpedanz-Differenzial (Sammelschienenschutz): Klasse PX - zusammengesetzter Fehler nicht das entscheidende Kriterium; Kniepunktspannung und Magnetisierungsstrom bei Vk bestimmen die Leistung

Schritt 2: Erforderliche ALF auf der Grundlage des Störungsgrads bestimmen

$ALF_{Bedarf} = \frac{I_{sc,max}}{I_{1n}}$

Überprüfen Sie dann, ob der zusammengesetzte Fehler des spezifizierten Stromwandlers bei dieser ALF innerhalb der Klassengrenzen bleibt - nicht nur bei der ALF des Typenschilds unter Nennlast, sondern bei der aktuelle ALF unter echter Betriebsbelastung.

Schritt 3: Anwendungsspezifische Composite-Fehlerbetrachtungen

• Industrielle MV-Verteilung (6-12kV): Klasse 5P20, 15VA - der Motor- und Abzweigdifferentialschutz erfordert eine enge zusammengesetzte Fehlerkontrolle bei hohen Fehlermultiplikatoren
• Umspannwerk für das Stromnetz (33-36 kV): Klasse 5P30, 30VA - Distanzrelais erfordern einen zusammengesetzten Fehler ≤ 5% über den gesamten Fehlerstrombereich
• Solarpark MV Sammlung (33kV): Klasse 10P10, 10VA - niedrigere Fehlerpegel und einfacherer Überstromschutz tolerieren höhere Verbundfehler
• Stadtring-Haupteinheit (12kV): Klasse 5P20, kompaktes Epoxid-Gussgehäuse - Platzmangel, aber Schutzgenauigkeit nicht verhandelbar
• Schifffahrt/Offshore (MV-Schalttafel): Klasse 5P20, IP67-Epoxid-Verkapselung - Verbundfehlerleistung muss bei erhöhter Temperatur (50°C Umgebungstemperatur) überprüft werden

Zusammengesetzter Fehler und Remanenz: Die PR-Klassen

Standard 5P- und 10P-Wandler können nach einem DC-Offset-Fehlerstrom einen Restfluss (Remanenz) von bis zu 80% des Sättigungsflusses behalten. Diese Remanenz reduziert den effektiven ALF beim nächsten Fehlerereignis und kann den zusammengesetzten Fehler über die Klassengrenzen hinaus steigern. Für Anwendungen mit:

• Automatischer Wiedereinschaltschutz
• Wiederholte Fehlerbehebungssequenzen
• DC-vorgespannte Fehlerströme (Motoranlauf, Transformatoreinschaltung)

Geben Sie an. Klasse 5PR oder 10PR - Dazu gehört ein kleiner Luftspalt im Kern, der die Remanenz auf ≤ 10% des Sättigungsflusses begrenzt und sicherstellt, dass der zusammengesetzte Fehler bei aufeinanderfolgenden Fehlerereignissen innerhalb der Grenzen bleibt.

Was sind die häufigsten Missverständnisse und Prüfungsfehler im Zusammenhang mit CT-Composite-Fehlern?

Checkliste für die Überprüfung von zusammengesetzten Fehlern

1. Testdaten für zusammengesetzte Fehler bei ALF anfordern - nicht nur Verhältnisfehler und Phasenverschiebung bei Nennstrom; dies sind unterschiedliche Messungen
2. Prüfen Sie, ob der Test bei Nennlast durchgeführt wurde. - Der zusammengesetzte Fehler erhöht sich erheblich, wenn bei einer geringeren Last als der Nennlast geprüft wird.
3. Rct-Messung bei 75°C prüfen - nicht die Umgebungstemperatur; der Wicklungswiderstand wirkt sich auf den Magnetisierungsstrombedarf und damit auf den Verbundfehler aus
4. Bestätigung der Kernanregungskurve wird bereitgestellt⁵ - Kniespitzenspannung und Magnetisierungsstrom bei Vk sind die physikalische Grundlage für die Verbundfehlerleistung
5. Bei Stromwandlern der PR-Klasse ist der Remanenzfaktor zu überprüfen. - Kr ≤ 10% gemäß IEC 61869-2 für remanenzgesteuerte Kerne bestätigen
6. ALF auf dem Typenschild mit dem Prüfzeugnis abgleichen - einige Hersteller geben optimistische ALF-Werte an, die nicht durch tatsächliche Testdaten für zusammengesetzte Fehler bestätigt werden

Häufige Missverständnisse bei Spezifikation und Prüfung

• Verwechslung von Verhältnisfehler und zusammengesetztem Fehler - Der Verhältnisfehler wird bei Nennstrom unter sinusförmigen Bedingungen gemessen; der zusammengesetzte Fehler wird bei ALF × Nennstrom einschließlich harmonischer Verzerrung gemessen. Ein Stromwandler kann die Grenzen des Verhältnisfehlers überschreiten und gleichzeitig die Grenzen des zusammengesetzten Fehlers verfehlen
• Unter der Annahme, dass der zusammengesetzte Fehler über alle Lastwerte hinweg konstant ist - Der zusammengesetzte Fehler nimmt mit zunehmender Last in Richtung Nennlast zu; immer bei Nennlast angeben und prüfen
• Vernachlässigung der DC-Komponente im Fehlerstrom - reale Fehlerströme enthalten einen DC-Offset, der den Stromwandlerkern in eine tiefere Sättigung treibt, als die reinen AC-Verbundfehlertests vorhersagen; IEC 61869-2 Anhang 2C behandelt das Einschwingverhalten separat
• Annahme von Messwandlerprüfdaten für die Spezifikation von Schutzwandlern - Messstromwandler (Klasse 0,5, 1,0) werden nur auf Verhältnisfehler und Phasenverschiebung geprüft; zusammengesetzter Fehler bei hohen Fehlervielfachen ist keine Anforderung an Messstromwandler und wird nie geprüft
• Fehlinterpretation der Annäherung an den Magnetisierungsstrom - die vereinfachte Formel $\Varepsilon_c \ca. I_0/I_1 \mal 100$ gilt nur, wenn der Magnetisierungsstrom überwiegend reaktiv ist; bei stark gesättigten Kernen muss die vollständige Formel für das Momentanintegral angewendet werden

Kundenfall - EPC-Auftragnehmer, Erweiterung eines 11kV-Industrieumspannwerks:
Ein EPC-Auftragnehmer erhielt Stromwandlertestzertifikate von einem lokalen Lieferanten, die einen Verhältnisfehler von 1,2% bei Nennstrom zeigten - innerhalb der Grenzwerte der Klasse 5P. Der Schutzingenieur akzeptierte die Zertifikate, ohne bei ALF Daten zum Verbundfehler anzufordern. Während der Werksabnahmeprüfung führte der Anwendungstechniker von Bepto eine Sekundäreinspeisungsprüfung durch und maß einen zusammengesetzten Fehler von 7,8% bei ALF = 20 - eine Überschreitung des Grenzwertes der Klasse 5P von 5%. Die CTs wurden zurückgewiesen. Ersatzgeräte aus der Produktion von Bepto, die nach dem vollständigen IEC 61869-2-Typentestprotokoll getestet wurden, ergaben einen zusammengesetzten Fehler von 3,6% bei ALF = 20. Durch das Projekt wurde die Installation von nicht konformen Schutzstromwandlern in einem unter Spannung stehenden 11-kV-Umspannwerk vermieden - ein Fehler, der den Motorschutz von kritischen Prozessanlagen hätte beeinträchtigen können.

Schlussfolgerung

Der Kompositfehler ist der wichtigste Genauigkeitsparameter für Stromwandler der Schutzklasse in Mittelspannungsnetzen. Durch die Kombination von Amplitudenfehler, Phasenverschiebung und harmonischer Verzerrung zu einem prozentualen Effektivwert, der am Genauigkeitsbegrenzungsfaktor gemessen wird, liefert er die endgültige Beurteilung, ob ein Stromwandler unter tatsächlichen Fehlerbedingungen zuverlässige Signale an die Schutzrelais liefert. Für Ingenieure, die Stromwandler für MS-Umspannwerke, Industrieeinspeisungen oder Schutzsysteme für das Stromnetz spezifizieren, ist die Forderung nach vollständigen zusammengesetzten Fehlerprüfdaten gemäß IEC 61869-2 - und nicht nur nach Verhältnisfehlern bei Nennstrom - der nicht verhandelbare Standard für die Zuverlässigkeit des Schutzes.

Häufig gestellte Fragen zum CT-Composite-Fehler

1. Verstehen, wie der Genauigkeitsbegrenzungsfaktor die Leistung des Schutzstromwandlers unter hohen Fehlerbedingungen bestimmt. ↩

2. Überprüfen Sie die internationale Norm, die die Genauigkeits- und Leistungsanforderungen für Messwandler regelt. ↩

3. Untersuchen Sie, wie sich die magnetische Sättigung im Transformatorkern auf die Genauigkeit der Sekundärsignale auswirkt. ↩

4. Lernen Sie die Funktionsweise und die Anforderungen von Differentialschutzsystemen für Stromnetzkomponenten kennen. ↩

5. Erfahren Sie, wie Sie Erregungskurven interpretieren können, um die Leistung von Stromwandlern und die Knickpunktspannung zu überprüfen. ↩