Mess- und Trenntransformatoren

Der gewöhnliche Transformator in einem Netzteil oder am Verteilnetz hat einen klaren Job: Energie übertragen und dabei die Spannung anpassen. Auf der Sekundärseite hängt ein Verbraucher, der Strom zieht, und der Transformator ist so ausgelegt, dass er diese Leistung mit gutem Wirkungsgrad liefert.

Mess- und Trenntransformatoren funktionieren physikalisch nach demselben Prinzip — Primärwicklung, Eisenkern, Sekundärwicklung, feste Übersetzung —, verfolgen aber ein anderes Ziel. Bei ihnen ist die Übersetzung ein Werkzeug, nicht der Zweck der Energielieferung.

Drei Bauformen schauen wir uns an:

• Der Spannungswandler bildet eine hohe Netzspannung verkleinert und genormt ab, damit man sie gefahrlos messen kann.
• Der Stromwandler macht dasselbe mit großen Strömen.
• Der Trenntransformator verändert die Spannung gar nicht, sondern trennt einen Stromkreis galvanisch vom speisenden Netz.

Spannungs- und Stromwandler fasst man unter dem Begriff Messwandler zusammen — beide bilden eine große elektrische Größe maßstäblich für die Messung ab.

Was alle drei Bauformen verbindet, ist die galvanische Trennung: Primär- und Sekundärseite sind elektrisch nicht miteinander verbunden, die Energie geht ausschließlich über das Magnetfeld im Kern hinüber. Beim Messwandler ist das ein angenehmer Nebeneffekt, der das Messgerät vom Hochspannungspotential fernhält. Beim Trenntransformator ist genau diese Trennung der eigentliche Sinn der Sache.

Ein Voltmeter direkt an eine Mittelspannungsleitung mit beispielsweise 20 kV zu hängen, wäre weder sinnvoll noch sicher. Messgeräte und das Personal sollen mit harmlosen Werten arbeiten. Der Spannungswandler löst das: Er teilt die hohe Netzspannung auf einen genormten, kleinen Messwert herunter — üblich sind sekundär 100 V (bzw. 100 V geteilt durch Wurzel 3 bei Strangmessung).

Im Aufbau ist der Spannungswandler ein Transformator mit vielen Primärwindungen und wenigen Sekundärwindungen. Er wird parallel zur zu messenden Spannung geschaltet, genau wie ein Voltmeter. Auf der Sekundärseite hängt das hochohmige Messgerät, das praktisch keinen Strom zieht. Der Spannungswandler arbeitet deshalb nahezu im Leerlauf — das ist sein normaler Betriebszustand.

Die Übersetzung folgt dem bekannten Windungsverhältnis:

Aus dem abgelesenen Messwert und dem bekannten Übersetzungsverhältnis rechnet man auf die echte Netzspannung zurück:

Ein Spannungswandler trägt sein Verhältnis als Aufschrift, etwa 20000 V / 100 V. Liest man sekundär 95 V ab, liegen primär 19 kV an.

Ein Punkt, der im Labor und in der Praxis gern unterschätzt wird, ist die Bürde. Damit ist die Last gemeint, die sekundär am Wandler hängt — physikalisch der sekundäre Scheinwiderstand Z_B in Ohm, in der Praxis meist als zulässige Scheinleistung S_B in VA angegeben.

Beim Spannungswandler bedeutet eine zu kleine Bürde — also ein zu niederohmiger sekundärer Lastwiderstand — eine zu hohe Belastung; der Wandler verlässt dann seinen genauen Arbeitsbereich und die Messung wird verfälscht. Solange nur ein hochohmiges Messinstrument hängt, bleibt die Bürde klein genug und man ist weit auf der sicheren Seite.

Eine Regel zur Sicherheit: Die Sekundärseite eines Spannungswandlers nicht kurzschließen. Ein Kurzschluss treibt einen sehr hohen Strom durch die dünn ausgelegte Sekundärwicklung und zerstört sie.

Beim Strom ist die Lage spiegelbildlich. Ein Amperemeter, das mehrere hundert oder tausend Ampere direkt verarbeiten müsste, gäbe es so nicht — die Zuleitungen allein wären unhandlich. Der Stromwandler bildet einen großen Primärstrom auf einen genormten kleinen Sekundärstrom ab, üblich sind 5 A oder 1 A.

Im Aufbau hat der Stromwandler wenige Primärwindungen — oft ist es nur der durchgeführte Hauptleiter, also eine einzige Windung — und viele Sekundärwindungen. Er wird in Reihe in den Stromkreis geschaltet, genau wie ein Amperemeter. Auf der Sekundärseite hängt das niederohmige Messgerät. Der Stromwandler arbeitet damit nahezu im Kurzschluss — und das ist hier der gewollte, normale Betriebszustand.

Für die Ströme dreht sich das Windungsverhältnis gegenüber den Spannungen um:

In der Praxis rechnet man mit dem aufgedruckten Stromverhältnis, etwa 600 A / 5 A. Aus dem sekundär gemessenen Strom ergibt sich der echte Leitungsstrom:

Auch beim Stromwandler spielt die Bürde eine Rolle — und zwar genau umgekehrt als beim Spannungswandler. Hier ist eine zu große Bürde gefährlich. Steigt der sekundäre Lastwiderstand (etwa durch zu lange Messleitungen oder zu viele in Reihe geschaltete Geräte) zu stark an, wird der Wandler in Richtung Sättigung getrieben und misst falsch. Der Extremfall einer unendlich großen Bürde ist der offene Sekundärkreis — und der ist der gefährlichste Betriebszustand überhaupt.

Das führt zum entscheidenden Point — und dem Grund, warum Stromwandler eine eigene Sicherheitsregel haben: Die Sekundärseite eines Stromwandlers darf im Betrieb niemals geöffnet werden.

Warum? Im Normalbetrieb hält der Sekundärstrom mit seinem eigenen Magnetfeld das Feld des Primärstroms weitgehend in Schach — die beiden Durchflutungen wirken gegeneinander, der Kern bleibt magnetisch im moderaten Bereich. Unterbricht man die Sekundärseite, fällt dieses entmagnetisierende Gegenfeld weg. Der volle Primärstrom magnetisiert den Kern dann allein und treibt ihn tief in die Sättigung. Bei jedem Nulldurchgang des Wechselstroms ändert sich der Fluss extrem steil, und nach dem Induktionsgesetz erzeugt diese steile Flussänderung an der vielwindigen Sekundärwicklung gefährlich hohe Spannungsspitzen — mehrere Kilovolt sind möglich. Das bedroht die Isolation und jeden, der die offenen Klemmen berührt.

Die Konsequenz für die Praxis ist eindeutig: Soll ein Messgerät im laufenden Betrieb aus dem Sekundärkreis genommen werden, wird die Sekundärseite vorher kurzgeschlossen. Der Kurzschluss ist für den Stromwandler ungefährlich — er ist sein Normalzustand.

Der Trenntransformator fällt aus der Reihe, weil er an der Spannung gar nichts ändern will. Sein Übersetzungsverhältnis ist 1:1 — primär und sekundär liegen dieselbe Spannung an. Was er liefert, ist allein die galvanische Trennung zwischen speisendem Netz und dem angeschlossenen Stromkreis.

Worin liegt der Schutz? Im normalen Netz ist ein Pol über die Erdung mit dem Erdpotential verbunden. Berührt eine Person ein unter Spannung stehendes Teil und steht dabei auf dem Boden, schließt sich ein Stromkreis: vom Außenleiter durch den Körper, über die Erde zurück zum geerdeten Netzpunkt. Dieser Stromfluss ist die eigentliche Gefahr.

Hinter einem Trenntransformator ist der abgehende Stromkreis nicht geerdet und vom Netz galvanisch abgekoppelt. Berührt man jetzt einen einzelnen Leiter, fehlt der Rückweg — es gibt keinen geschlossener Kreis über die Erde. Den Gedanken kann man knapp formelmäßig fassen. Der mögliche Fehlerstrom über den Körper fließt durch eine Reihenschaltung aus dem Körperwiderstand und dem Isolationswiderstand des Kreises gegen Erde:

Im normalen geerdeten Netz ist R_iso klein, der Körperwiderstand von rund 1000 Ohm allein reicht dann nicht aus, um den Strom ungefährlich zu halten. Hinter dem Trenntransformator dagegen ist der abgehende Kreis gegen Erde sehr hochohmig (idealisiert unendlich). Dadurch wird R_iso so groß, dass der Nenner gegen einen sehr großen Wert strebt — und der Fehlerstrom gegen Null. Genau das ist die Schutzwirkung: Ein einmaliger Körperschluss führt nicht zum gefährlichen Stromfluss.

Wichtig ist das Wort einmalig. Der Schutz besteht nur, solange der getrennte Kreis sauber ungeerdet bleibt. Käme an einer zweiten Stelle ein Erdschluss hinzu, entstünde wieder ein geschlossener Pfad. Daraus folgt die zentrale Anwendungsregel der Schutztrennung: An einen Trenntransformator wird im Regelfall nur ein einziges Betriebsmittel angeschlossen.

Mit nur einem Verbraucher kann ein zweiter, gleichzeitiger Fehler an einem anderen Gerät gar nicht auftreten — der Schutz bleibt erhalten. Diese Schutzmaßnahme ist in Österreich in der Errichtungsnorm OVE E 8101 (Schutzmaßnahme Schutztrennung) geregelt; die Trenntransformatoren selbst müssen den Sicherheitsanforderungen der ÖVE/ÖNORM EN 61558 genügen. Werden ausnahmsweise mehrere Verbraucher betrieben, gelten dafür besondere zusätzliche Auflagen.

Die Schutztrennung als allgemeines Schutzkonzept gegen indirektes Berühren wird an anderer Stelle vertieft. Hier reicht der Kern: Der Trenntransformator ist das Bauteil, das diese Trennung herstellt.