{"id":15712,"date":"2021-07-20T11:47:00","date_gmt":"2021-07-20T11:47:00","guid":{"rendered":"https:\/\/danisense.com\/unkategorisiert\/anwendungen-mit-hoher-leistung-ueber-5ka-erfordern-einen-neuen-ansatz-fuer-die-strommessung\/"},"modified":"2024-08-07T12:20:43","modified_gmt":"2024-08-07T12:20:43","slug":"anwendungen-mit-hoher-leistung-ueber-5ka-erfordern-einen-neuen-ansatz-fuer-die-strommessung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/danisense.com\/de\/nachrichten\/anwendungen-mit-hoher-leistung-ueber-5ka-erfordern-einen-neuen-ansatz-fuer-die-strommessung\/","title":{"rendered":"Anwendungen mit hoher Leistung \u00fcber 5kA erfordern einen neuen Ansatz f\u00fcr die Strommessung"},"content":{"rendered":"\t\t
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Die Energieversorgungsbranche befindet sich weltweit im Wandel.\nWaren fr\u00fcher Kohle-, Gas-, \u00d6l- oder sogar Atomkraftwerke die wichtigsten Stromlieferanten, so gewinnen heute erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne an Bedeutung.\nDas Jahr 2020 war das beste Jahr in der Geschichte der Windenergie. Weltweit wurden 93 GW an neuer Kapazit\u00e4t installiert, was einem Anstieg von 53 Prozent im Vergleich zum Vorjahr entspricht.\nUnd dieser Trend wird sich fortsetzen, denn die Welt strebt an, bis zum Jahr 2050 eine Netto-Null-Emission zu erreichen. <\/p>\n

Von Loic Moreau, VP Technisches Marketing, Danisense<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Ein neuer Bericht, der vom Global Wind Energy Council (GWEC) ver\u00f6ffentlicht wurde, besagt, dass die Welt in den n\u00e4chsten zehn Jahren dreimal schneller Windenergie installieren muss, um die schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels zu vermeiden.<\/p>\n

Dies f\u00fchrt zu enormen Ver\u00e4nderungen in allen Bereichen der Elektrizit\u00e4tswirtschaft, auch bei den Methoden zur Messung gro\u00dfer Str\u00f6me.\nDer gro\u00dfe Vorteil herk\u00f6mmlicher Kraftwerke, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, besteht darin, dass die Versorgung sehr stabil ist und sich leicht steuern und regeln l\u00e4sst.\nBei den erneuerbaren Energien ist die Quelle der elektrischen Energie unbest\u00e4ndig – es wird nur dann Strom erzeugt, wenn z.B. der Wind weht.\nGleichstr\u00f6me aus Photovoltaikanlagen oder den Stromrichtern anderer erneuerbarer Energien k\u00f6nnen in das herk\u00f6mmliche Wechselstromnetz eingespeist werden, weshalb herk\u00f6mmliche Techniken zur Messung gro\u00dfer Str\u00f6me nicht geeignet sind. <\/p>\n

Ein weiterer damit verbundener Trend betrifft gro\u00dfe Batterien.\nUm elektrische Energie dann zu nutzen, wenn sie ben\u00f6tigt wird – und nicht nur, wenn sie erzeugt wird – werden riesige Batteriesysteme gebaut.\nEin besonders treffendes Beispiel finden Sie in der Monterey Bay in Kalifornien, wo das Moss Landing Power Plant, einst das gr\u00f6\u00dfte mit Erdgas betriebene Kraftwerk Kaliforniens, heute die gr\u00f6\u00dfte Batterie der Welt beherbergt, die \u00fcbersch\u00fcssige Energie speichert, wenn Solarpaneele und Windkraftanlagen Strom produzieren, und diese in das Netz zur\u00fcckspeist, wenn sie nicht in Betrieb sind. <\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Phase 1 der umbenannten Moss Landing Energy Stor- age Facility wurde im Dezember 2020 mit einer Kapazit\u00e4t von 300MW \/ 1.200MWh in Betrieb genommen.\nPhase 2 des Projekts, die im August 2021 abgeschlossen werden soll, wird weitere 100MW \/ 400MWh hinzuf\u00fcgen.\nSolche riesigen Anlagen erfordern auch eine sehr genaue Hochstrommessung. <\/p>\n

Auch hier haben sich die herk\u00f6mmlichen Methoden als unzureichend erwiesen.<\/p>\n

Stattdessen werden f\u00fcr Anwendungen, die die Messung von Str\u00f6men \u00fcber 5kA erfordern, zunehmend Null-Fluss-Techniken eingesetzt, die das durch die Zirkulation des Stroms erzeugte Magnetfeld nutzen, wie die Fluxgate-Technologie von Danisense.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Null-Fluss-Technologie<\/h2>\n

Um die Funktionsweise der Zero-Flux-Technologie zu erkl\u00e4ren, ist es sinnvoll, zun\u00e4chst einige grundlegende Prinzipien zu betrachten.\nIn 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 Induktivit\u00e4t dargestellt.\nWenn eine Spannung angelegt wird, wird der Strom in der Schaltung durch die rote Kurve dargestellt.\nDer Strom w\u00e4chst progressiv und folgt der Steigung, die dem Wert der Induktivit\u00e4t entspricht, bis zu dem Punkt, an dem die Induktivit\u00e4t in die S\u00e4ttigung geht.\nBei dieser Bedingung kann das Ersatzschaltbild als rein ohmsch betrachtet werden. <\/p>\n

Bei der Herstellung eines Null-Fluss-Stromwandlers hat das f\u00fcr den Aufnehmerstab verwendete Material spezifische magnetische Eigenschaften, die bewirken, dass der Strom der blauen Kurve folgt.\nAnfangs w\u00e4chst der Strom aufgrund eines hohen Impedanzwertes langsam an.\nDann erreicht die Induktivit\u00e4t pl\u00f6tzlich die S\u00e4ttigung und der Strom steigt sehr schnell an, um den Endpunkt wie zuvor zu erreichen. <\/p>\n

Wenn nun ein quadratisches Spannungssignal angelegt wird, wird das Profil des Stroms zu einer Abfolge von positiven und negativen S\u00e4ttigungs- und Ents\u00e4ttigungszyklen.\nWenn ein Leiter in der N\u00e4he des Fluxgate-Elements platziert wird, erzeugt die Zirkulation des Stroms ein zus\u00e4tzliches Magnetfeld, das das Signal durch Verschiebung der Nullposition beeinflusst (Abbildung 2a – blaue Kurve).\nSchlie\u00dflich enth\u00fcllt die Signalverarbeitung der zweiten Harmonischen Details \u00fcber den Prim\u00e4rstrom (Abbildung 2a – lila Kurve). <\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Um die Leistung des Stromsensors noch weiter zu verbessern, kombinieren die Hersteller h\u00e4ufig die Zero-Flux-Technologie mit dem Prinzip des geschlossenen Regelkreises, wie in Abbildung 2b dargestellt.\nIn diesem Fall wird das Fluxgate-Element im Luftspalt platziert und w\u00e4hrend der Messung des Magnetfelds wird der Ausgangsstrom durch die Sekund\u00e4rwicklung zur\u00fcckgef\u00fchrt, die dann ein Magnetfeld in der entgegengesetzten Richtung erzeugt.\nBei dieser Methode ist das Magnetfeld, das das Fluxgate erf\u00e4hrt, immer gleich Null, wodurch Offset- und Linearit\u00e4tsprobleme vermieden werden. <\/p>\n

Derzeit gibt es vier wichtige Null-Fluss-Topologien (Abbildung 3).\nDie erste (3a) basiert auf einem Magnetkern mit einem Luftspalt und der Sekund\u00e4rwicklung.\nSie \u00e4hnelt einem Hall-Effekt-Stromwandler mit geschlossener Schleife, wobei das Hall-Element im Luftspalt durch das Fluxgate ersetzt wurde.\nDer Hauptvorteil ist eine gute Offsetdrift.\nDie zweite Topologie (3b) besteht aus einem einzelnen Kern, der die Rolle des Fluxgate-Elements \u00fcbernimmt.\nDa kein Luftspalt vorhanden ist, liegt einer der Hauptvorteile in der EMV-Robustheit und der hohen Aufl\u00f6sung.\nDa die S\u00e4ttigung des Kerns jedoch schnell eintritt, ist die Bandbreite auf wenige Hertz begrenzt.\nDie dritte Topologie l\u00f6st dieses Problem, indem sie einen Wickelkern (3c) hinzuf\u00fcgt, der nur das AC-Signal misst, wie bei einem Stromwandler.\nIn diesem Fall kommen Sie in den Genuss aller Vorteile.\nWenn jedoch eine noch h\u00f6here Leistung erforderlich ist, verwendet die Topologie des ‘symmetrischen Kerns’ (3d) zwei identische Fluxgate-Elemente, die sich gegen\u00fcberstehen.\nDaher besteht unabh\u00e4ngig von den \u00e4u\u00dferen Umgebungsbedingungen – wie EMV oder Temperaturschwankungen – eine nat\u00fcrliche passive Kompensation zwischen den beiden Sensorelementen.\nMit diesem Ansatz ist es m\u00f6glich, eine Messgenauigkeit von 1 ppm zu erreichen, selbst in rauen Umgebungen. <\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Die Fluxgate-Technologie kann f\u00fcr eine sehr genaue, stabile und wiederholbare Strommessung bei allen Stromst\u00e4rken eingesetzt werden. Danisense hat eine Familie von Strommesswandlern f\u00fcr 0-600A, 600-3000A und \u00fcber 3kA entwickelt.\nF\u00fcr die aufkommenden M\u00e4rkte mit sehr hohen Str\u00f6men, wie im ersten Teil dieses Artikels beschrieben, musste Danisense neue Herausforderungen meistern, entwickelt aber derzeit L\u00f6sungen bis zu 30kA und sieht keine theoretische Grenze f\u00fcr den Fluxgate-Ansatz. <\/p>\n

Isolierung und Sicherheit sind die wichtigsten Anforderungen bei Hochleistungsanwendungen.\nDie ma\u00dfgebliche Norm ist IEC 61010.\nIm Gegensatz zu den Produkten, die das Unternehmen f\u00fcr Anwendungen mit geringerer Stromst\u00e4rke anbietet, trennen die Strommesswandler DR50000IM (8kA) und DR10000IM (11kA) von Danisense (Abbildung 4) den Messkopf von der elektronischen Signalverarbeitungseinheit. <\/p>\n

Der Messkopf ist ein robustes, passives Ger\u00e4t, das \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum in einer lauten elektrischen Umgebung positioniert und belassen werden kann, ohne durch Interferenzen beeintr\u00e4chtigt zu werden, die angesichts der hohen Str\u00f6me unweigerlich auftreten werden.\nDie komplexe Signalaufbereitung und -verarbeitung kann ferngesteuert in einer sicheren, temperaturkontrollierten und unsch\u00e4dlichen Laborumgebung erfolgen, die bis zu 30 m vom Messkopf entfernt sein kann.\nDurch die Trennung der Funktionen des Stromsensors auf diese Weise kann der passive Messkopf auch robust genug sein, um mit schwierigen Umgebungsbedingungen fertig zu werden.\nAu\u00dferdem ist es gef\u00e4hrlich, in der N\u00e4he eines starken Magnetfeldes zu arbeiten. Dieser Ansatz minimiert die Notwendigkeit, dass die Bediener den Messwandler im Magnetfeld manipulieren m\u00fcssen – zum Beispiel um die Stromversorgung und den Ausgang anzuschlie\u00dfen – und erh\u00f6ht damit die Sicherheit. <\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Die neuen Hochstrom-Schallwandler von Danisense zeichnen sich auch durch eine niedrige Erregungsfrequenz von 7 kHz aus.\nF\u00fcr kleinere Produkte wird eine viel h\u00f6here Erregungsfrequenz von bis zu 32 kHz bevorzugt, da dies die dynamische Leistung verbessert.\nF\u00fcr die Sensoren der DR-Serie w\u00fcrde die S\u00e4ttigung eines so gro\u00dfen Magnetkerns mit einer hohen Frequenz jedoch einen sehr leistungsf\u00e4higen Schaltkreis erfordern, der gro\u00df und teuer sein kann.\nDurch die Verringerung der Frequenz konnte Danisense ein gutes Gleichgewicht zwischen dynamischer Leistung und Stromverbrauch erreichen. <\/p>\n

Abbildung 5 zeigt den Messkopf DR10000IM von Danisense in einer Windkraftanlage von Sie- mens Gamesa.<\/p>\n

F\u00fcr 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.\nWenn die Entfernung zwischen dem Messkopf und der Verarbeitungseinheit mehr als 30 Meter betr\u00e4gt, verwendet Danisense drei Adern f\u00fcr den kompensierten Strom statt einer, um den Stromwert und damit den Impedanzeffekt zu reduzieren. <\/p>\n

Die Strommesswandler DR50000IM und DR10000IM von Danisense haben eine hohe Bandbreite von 100kHz und sind mit einem Linearit\u00e4tsfehler von nur 1ppm \u00e4u\u00dferst stabil.\nDas Unternehmen bietet auch \u00e4quivalente Spannungsausgangsversionen dieser Messwandler an – DR50000UX (8kA) und DR10000UX (11kA) <\/p>\n

Fazit<\/p>\n

Mit der Einf\u00fchrung des intelligenten Stromnetzes m\u00fcssen Energieversorgungsunternehmen und andere Unternehmen ihre derzeitigen Messtechniken \u00fcberdenken, da elektrische Energie aus einer viel gr\u00f6\u00dferen Bandbreite von Quellen als je zuvor erzeugt wird.\nDie Flux-Gate-Technologie von Danisense – die bereits in gro\u00dfem Umfang in Anwendungen wie MRT-Scannern, Ladestationen f\u00fcr Elektrofahrzeuge und gro\u00dfen physikalischen Einrichtungen wie dem CERN eingesetzt wird – erweist sich als ebenso f\u00e4hig, hohe Str\u00f6me im Bereich von mehreren zehn Kiloampere zu verarbeiten und dabei genaue, stabile und wiederholbare Messergebnisse zu liefern.\nDanisense wei\u00df, dass es in naher Zukunft notwendig sein wird, noch h\u00f6here Str\u00f6me zu messen, und wird in K\u00fcrze einen Strommesswandler auf den Markt bringen, der bis zu 30 kA messen kann (Abbildung 6).\nDieser wird eine 330 mm gro\u00dfe \u00d6ffnung haben – die gr\u00f6\u00dfte, die Danisense je angeboten hat – was auch f\u00fcr Unternehmen interessant sein wird, die einen geringeren Strombedarf haben, aber \u00fcber Kabel mit gro\u00dfem Durchmesser verf\u00fcgen. <\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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