Die Energieversorgungsbranche befindet sich weltweit im Wandel. Waren früher Kohle-, Gas-, Öl- oder sogar Atomkraftwerke die wichtigsten Stromlieferanten, so gewinnen heute erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne an Bedeutung. Das Jahr 2020 war das beste Jahr in der Geschichte der Windenergie. Weltweit wurden 93 GW an neuer Kapazität installiert, was einem Anstieg von 53 Prozent im Vergleich zum Vorjahr entspricht. Und dieser Trend wird sich fortsetzen, denn die Welt strebt an, bis zum Jahr 2050 eine Netto-Null-Emission zu erreichen.
Von Loic Moreau, VP Technisches Marketing, Danisense
Ein neuer Bericht, der vom Global Wind Energy Council (GWEC) veröffentlicht wurde, besagt, dass die Welt in den nächsten zehn Jahren dreimal schneller Windenergie installieren muss, um die schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels zu vermeiden.
Dies führt zu enormen Veränderungen in allen Bereichen der Elektrizitätswirtschaft, auch bei den Methoden zur Messung großer Ströme. Der große Vorteil herkömmlicher Kraftwerke, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, besteht darin, dass die Versorgung sehr stabil ist und sich leicht steuern und regeln lässt. Bei den erneuerbaren Energien ist die Quelle der elektrischen Energie unbeständig – es wird nur dann Strom erzeugt, wenn z.B. der Wind weht. Gleichströme aus Photovoltaikanlagen oder den Stromrichtern anderer erneuerbarer Energien können in das herkömmliche Wechselstromnetz eingespeist werden, weshalb herkömmliche Techniken zur Messung großer Ströme nicht geeignet sind.
Ein weiterer damit verbundener Trend betrifft große Batterien. Um elektrische Energie dann zu nutzen, wenn sie benötigt wird – und nicht nur, wenn sie erzeugt wird – werden riesige Batteriesysteme gebaut. Ein besonders treffendes Beispiel finden Sie in der Monterey Bay in Kalifornien, wo das Moss Landing Power Plant, einst das größte mit Erdgas betriebene Kraftwerk Kaliforniens, heute die größte Batterie der Welt beherbergt, die überschüssige Energie speichert, wenn Solarpaneele und Windkraftanlagen Strom produzieren, und diese in das Netz zurückspeist, wenn sie nicht in Betrieb sind.
Phase 1 der umbenannten Moss Landing Energy Stor- age Facility wurde im Dezember 2020 mit einer Kapazität von 300MW / 1.200MWh in Betrieb genommen. Phase 2 des Projekts, die im August 2021 abgeschlossen werden soll, wird weitere 100MW / 400MWh hinzufügen. Solche riesigen Anlagen erfordern auch eine sehr genaue Hochstrommessung.
Auch hier haben sich die herkömmlichen Methoden als unzureichend erwiesen.
Stattdessen werden für Anwendungen, die die Messung von Strömen über 5kA erfordern, zunehmend Null-Fluss-Techniken eingesetzt, die das durch die Zirkulation des Stroms erzeugte Magnetfeld nutzen, wie die Fluxgate-Technologie von Danisense.
Null-Fluss-Technologie
Um die Funktionsweise der Zero-Flux-Technologie zu erklären, ist es sinnvoll, zunächst einige grundlegende Prinzipien zu betrachten. In Abbildung 1 ist links oben eine um einen Magnetstab herum angeordnete Pickup-Spule zu sehen. Rechts oben ist der elektrische Ersatzschaltkreis mit einem Widerstand und einer Induktivität dargestellt. Wenn eine Spannung angelegt wird, wird der Strom in der Schaltung durch die rote Kurve dargestellt. Der Strom wächst progressiv und folgt der Steigung, die dem Wert der Induktivität entspricht, bis zu dem Punkt, an dem die Induktivität in die Sättigung geht. Bei dieser Bedingung kann das Ersatzschaltbild als rein ohmsch betrachtet werden.
Bei der Herstellung eines Null-Fluss-Stromwandlers hat das für den Aufnehmerstab verwendete Material spezifische magnetische Eigenschaften, die bewirken, dass der Strom der blauen Kurve folgt. Anfangs wächst der Strom aufgrund eines hohen Impedanzwertes langsam an. Dann erreicht die Induktivität plötzlich die Sättigung und der Strom steigt sehr schnell an, um den Endpunkt wie zuvor zu erreichen.
Wenn nun ein quadratisches Spannungssignal angelegt wird, wird das Profil des Stroms zu einer Abfolge von positiven und negativen Sättigungs- und Entsättigungszyklen. Wenn ein Leiter in der Nähe des Fluxgate-Elements platziert wird, erzeugt die Zirkulation des Stroms ein zusätzliches Magnetfeld, das das Signal durch Verschiebung der Nullposition beeinflusst (Abbildung 2a – blaue Kurve). Schließlich enthüllt die Signalverarbeitung der zweiten Harmonischen Details über den Primärstrom (Abbildung 2a – lila Kurve).
Um die Leistung des Stromsensors noch weiter zu verbessern, kombinieren die Hersteller häufig die Zero-Flux-Technologie mit dem Prinzip des geschlossenen Regelkreises, wie in Abbildung 2b dargestellt. In diesem Fall wird das Fluxgate-Element im Luftspalt platziert und während der Messung des Magnetfelds wird der Ausgangsstrom durch die Sekundärwicklung zurückgeführt, die dann ein Magnetfeld in der entgegengesetzten Richtung erzeugt. Bei dieser Methode ist das Magnetfeld, das das Fluxgate erfährt, immer gleich Null, wodurch Offset- und Linearitätsprobleme vermieden werden.
Derzeit gibt es vier wichtige Null-Fluss-Topologien (Abbildung 3). Die erste (3a) basiert auf einem Magnetkern mit einem Luftspalt und der Sekundärwicklung. Sie ähnelt einem Hall-Effekt-Stromwandler mit geschlossener Schleife, wobei das Hall-Element im Luftspalt durch das Fluxgate ersetzt wurde. Der Hauptvorteil ist eine gute Offsetdrift. Die zweite Topologie (3b) besteht aus einem einzelnen Kern, der die Rolle des Fluxgate-Elements übernimmt. Da kein Luftspalt vorhanden ist, liegt einer der Hauptvorteile in der EMV-Robustheit und der hohen Auflösung. Da die Sättigung des Kerns jedoch schnell eintritt, ist die Bandbreite auf wenige Hertz begrenzt. Die dritte Topologie löst dieses Problem, indem sie einen Wickelkern (3c) hinzufügt, der nur das AC-Signal misst, wie bei einem Stromwandler. In diesem Fall kommen Sie in den Genuss aller Vorteile. Wenn jedoch eine noch höhere Leistung erforderlich ist, verwendet die Topologie des ’symmetrischen Kerns‘ (3d) zwei identische Fluxgate-Elemente, die sich gegenüberstehen. Daher besteht unabhängig von den äußeren Umgebungsbedingungen – wie EMV oder Temperaturschwankungen – eine natürliche passive Kompensation zwischen den beiden Sensorelementen. Mit diesem Ansatz ist es möglich, eine Messgenauigkeit von 1 ppm zu erreichen, selbst in rauen Umgebungen.
Die Fluxgate-Technologie kann für eine sehr genaue, stabile und wiederholbare Strommessung bei allen Stromstärken eingesetzt werden. Danisense hat eine Familie von Strommesswandlern für 0-600A, 600-3000A und über 3kA entwickelt. Für die aufkommenden Märkte mit sehr hohen Strömen, wie im ersten Teil dieses Artikels beschrieben, musste Danisense neue Herausforderungen meistern, entwickelt aber derzeit Lösungen bis zu 30kA und sieht keine theoretische Grenze für den Fluxgate-Ansatz.
Isolierung und Sicherheit sind die wichtigsten Anforderungen bei Hochleistungsanwendungen. Die maßgebliche Norm ist IEC 61010. Im Gegensatz zu den Produkten, die das Unternehmen für Anwendungen mit geringerer Stromstärke anbietet, trennen die Strommesswandler DR50000IM (8kA) und DR10000IM (11kA) von Danisense (Abbildung 4) den Messkopf von der elektronischen Signalverarbeitungseinheit.
Der Messkopf ist ein robustes, passives Gerät, das über einen längeren Zeitraum in einer lauten elektrischen Umgebung positioniert und belassen werden kann, ohne durch Interferenzen beeinträchtigt zu werden, die angesichts der hohen Ströme unweigerlich auftreten werden. Die komplexe Signalaufbereitung und -verarbeitung kann ferngesteuert in einer sicheren, temperaturkontrollierten und unschädlichen Laborumgebung erfolgen, die bis zu 30 m vom Messkopf entfernt sein kann. Durch die Trennung der Funktionen des Stromsensors auf diese Weise kann der passive Messkopf auch robust genug sein, um mit schwierigen Umgebungsbedingungen fertig zu werden. Außerdem ist es gefährlich, in der Nähe eines starken Magnetfeldes zu arbeiten. Dieser Ansatz minimiert die Notwendigkeit, dass die Bediener den Messwandler im Magnetfeld manipulieren müssen – zum Beispiel um die Stromversorgung und den Ausgang anzuschließen – und erhöht damit die Sicherheit.
Die neuen Hochstrom-Schallwandler von Danisense zeichnen sich auch durch eine niedrige Erregungsfrequenz von 7 kHz aus. Für kleinere Produkte wird eine viel höhere Erregungsfrequenz von bis zu 32 kHz bevorzugt, da dies die dynamische Leistung verbessert. Für die Sensoren der DR-Serie würde die Sättigung eines so großen Magnetkerns mit einer hohen Frequenz jedoch einen sehr leistungsfähigen Schaltkreis erfordern, der groß und teuer sein kann. Durch die Verringerung der Frequenz konnte Danisense ein gutes Gleichgewicht zwischen dynamischer Leistung und Stromverbrauch erreichen.
Abbildung 5 zeigt den Messkopf DR10000IM von Danisense in einer Windkraftanlage von Sie- mens Gamesa.
Für die Verbindung zwischen dem Messkopf und der elektronischen Verarbeitungsstufe wird ein speziell entwickeltes Kabel mit mehreren verdrillten Adernpaaren verwendet, die eine individuelle Abschirmung aufweisen, die von einer zweiten Gesamtabschirmung umgeben ist. Wenn die Entfernung zwischen dem Messkopf und der Verarbeitungseinheit mehr als 30 Meter beträgt, verwendet Danisense drei Adern für den kompensierten Strom statt einer, um den Stromwert und damit den Impedanzeffekt zu reduzieren.
Die Strommesswandler DR50000IM und DR10000IM von Danisense haben eine hohe Bandbreite von 100kHz und sind mit einem Linearitätsfehler von nur 1ppm äußerst stabil. Das Unternehmen bietet auch äquivalente Spannungsausgangsversionen dieser Messwandler an – DR50000UX (8kA) und DR10000UX (11kA)
Fazit
Mit der Einführung des intelligenten Stromnetzes müssen Energieversorgungsunternehmen und andere Unternehmen ihre derzeitigen Messtechniken überdenken, da elektrische Energie aus einer viel größeren Bandbreite von Quellen als je zuvor erzeugt wird. Die Flux-Gate-Technologie von Danisense – die bereits in großem Umfang in Anwendungen wie MRT-Scannern, Ladestationen für Elektrofahrzeuge und großen physikalischen Einrichtungen wie dem CERN eingesetzt wird – erweist sich als ebenso fähig, hohe Ströme im Bereich von mehreren zehn Kiloampere zu verarbeiten und dabei genaue, stabile und wiederholbare Messergebnisse zu liefern. Danisense weiß, dass es in naher Zukunft notwendig sein wird, noch höhere Ströme zu messen, und wird in Kürze einen Strommesswandler auf den Markt bringen, der bis zu 30 kA messen kann (Abbildung 6). Dieser wird eine 330 mm große Öffnung haben – die größte, die Danisense je angeboten hat – was auch für Unternehmen interessant sein wird, die einen geringeren Strombedarf haben, aber über Kabel mit großem Durchmesser verfügen.