Wie funktioniert der Nullstromwandler?

Der Nullstromwandler (Kernausgleichsstromwandler) ist ein wesentlicher Sensor, der in Stromverteilungssystemen zum Erdschluss- und Erdschlussschutz eingesetzt wird. Es nutzt das Vektorüberlagerungsprinzip von Wechselströmen und elektromagnetischer Induktion zur Erkennung von Restleckströmen und fungiert als Kernelement von Leckageschutzgeräten.

Im Normalbetrieb erfüllen dreiphasige Lastströme das aktuelle Kirchhoffsche Gesetz. Wenn drei Phasendrähte (und Neutralleiter in Vierleitersystemen) durch den kreisförmigen Eisenkern des ZSCT verlaufen, ist die Vektorsumme aller eingehenden und ausgehenden Ströme gleich Null. Die von jedem Leiter erzeugten magnetischen Flüsse wirken sich im Magnetkern vollständig entgegen. Ohne Netto-Wechselmagnetfluss wird in der Sekundärwicklung keine elektromotorische Kraft induziert. Der Transformator erzeugt kein Ausgangssignal, das Schutzsystem bleibt also inaktiv.

Sobald eine Verschlechterung der Isolierung, ein Geräteschaden oder ein unbeabsichtigter Kontakt einen Erdschlussfehler verursachen, fließt ein Teil des Stroms direkt zur Erde, anstatt durch den Stromkreis zurückzufließen. Die Vektorsumme der durch den Transformatorkern fließenden Ströme ist nicht mehr Null. Dieser unsymmetrische Fehlerstrom wird als Nullstrom definiert. Es erzeugt einen kontinuierlichen magnetischen Nettofluss im Inneren des geschlossenen Kerns. Gemäß dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion induziert der schwankende magnetische Fluss einen schwachen Wechselstrom in der Sekundärwicklung.

Das sekundäre elektrische Signal wird an ein Schutzrelais gesendet. Wenn das gemessene Signal den vordefinierten Schwellenwert überschreitet, sendet das Relais sofort einen Befehl zum Auslösen des Leistungsschalters oder zur Aktivierung eines Alarms. Durch die schnelle Abschaltung werden elektrische Brände, Geräteausfälle und tödliche Stromschläge wirksam vermieden.

Mehrere Installationsregeln bestimmen die zuverlässige Leistung. Alle stromführenden Leiter müssen durch die mittlere Öffnung verlaufen, während das Schutzerdungskabel (PE) nicht durch den Kern verlaufen darf. Ein Erdrückstrom auf PE-Leitern würde die Messung beeinträchtigen und zu Fehlfunktionen führen.

Es ist wichtig, ZSCT von herkömmlichen Stromwandlern zu unterscheiden. Ein gewöhnlicher Stromwandler misst den Strom in einem einzelnen Leiter, während ZSCT nur auf Stromungleichgewichte reagiert. Eine Einschränkung besteht darin, dass systemeigene kapazitive Leckströme geringfügige Nullsignale erzeugen können. Ingenieure müssen geeignete Auslöseschwellen festlegen, um Fehlauslösungen zu verhindern.