Was ist ein Kernbalancestromtransformator?

Fragen Sie jeden Elektroingenieur, welches Gerät verwendet wird, um ein dreiphasiges System gegen Erdfehler und Leckströme zu schützen, und die Antwort wird wahrscheinlich der Kernbalancestromtransformator (CBCT) sein, der auch als Nullfolgenstromtransformator (ZCT) oder Nullphasen-CT bezeichnet wird. Der CBCT ist ein toroidaler Ring, der es ermöglicht, dass die dreiphasigen Leiter und der Neutralleiter, falls verwendet, jederzeit hindurchgeführt werden, während die Summe der Ströme überwacht wird und somit eine Fehlmessung durch die Verfolgung einer einzelnen Phase verhindert wird. Der CBCT überprüft, dass die dreiphasigen Ströme sich während des normalen Betriebs gegenseitig auf null ausgleichen, und die Funktionsfähigkeit des CBCT endet in dem Moment, in dem Leckströme oder Erdfehler im System auftreten. Der CBCT registriert jeden nicht-null (residualen) Strom und sendet ein Auslösesignal an das Erdleckrelais über seine sekundäre Wicklung, wodurch es innerhalb von Millisekunden reagieren kann. Somit bietet die Einführung des CBCT im Industriesektor eine präventive Maßnahme gegen unzugängliche Bereiche für die Elektrotechnik.

In diesem Artikel wird der CBCT in operationellen Begriffen definiert, seine Funktionsweise hervorgehoben, die verfügbaren Typen definiert, die Anwendungsbereiche spezifiziert, Unterschiede festgelegt, um den CBCT von herkömmlichen CT-Systemen zu unterscheiden, Hersteller diskutiert und die Kosten analysiert.

Schnelle Antwort: Ein Kernbalancestromtransformator (CBCT), manchmal auch als Nullfolgenstromtransformator (ZCT) oder Nullphasen-CT (ZPC) bezeichnet, ist tatsächlich ein toroidaler CT, der alle drei Phasen durchlässt. Unter normalen Umständen würde die Vektorsumme der Ströme in den drei Phasen zu einem null Nettostrom im Kern führen, was in diesem Fall zu einem Ausgang von null Volt führt. Wenn jedoch ein Erdfehler auftritt oder wenn es einen Leckstrom gibt, wird das Gleichgewicht gestört und ein residualer Strom fließt durch den Kern, was es dem CBCT ermöglicht, ein Signal an das Erdfehler- oder Leckrelais zu senden, um das System auszulösen, falls es einen Leckstrom von nur wenigen Milliamperes erkennt.

Was ist ein Kernbalancestromtransformator?

Kernbalancestromtransformatoren (CBCT) sind einzigartige und speziell gestaltete Stromtransformatoren in Ringform, die eine sekundäre Wicklung besitzen. Die dreiphasigen Leiter des dreiphasigen Systems (d.h. entweder drei einadrige Kabel oder ein dreikerniges Kabel) werden durch das zentrale Loch des Rings eingeführt und fungieren als primäre Wicklung für den Transformator. Die Funktion des CBCT misst nicht die einzelnen Phasen; vielmehr misst sie die vektorielle Summe von allem im Ring. In einem ausgewogenen dreiphasigen System gibt es eine Nullsumme der vektoriellen Größen, die uns einen null sekundären Ausgang für einen gesunden Stromkreis gibt. Jede Unausgewogenheit, wie z.B. ein Leckfehler, würde zu einem sekundären Ausgang führen, der in das Erdfehlerrelais (EFR) oder das Erdleckrelais (ELR) eingespeist wird, das den Leistungsschalter betätigt.

Das gleiche Gerät hat viele verschiedene Namen, nämlich Core Balance CT, Zero-Sequence CT (ZCT), Zero-Phase Current Transformer (ZPC) und Residual Current Transformer (RCT), die denselben Typ und das gleiche Funktionsprinzip bezeichnen. Die meisten Teile der Welt beziehen sich auf dieses Gerät als CBCT. Die gesamte Produktfamilie der Stromwandler, zu der es gehört, wird auf unserer Stromwandler Seite.

Wie es funktioniert: Das Null-Sequenz-Prinzip

Das Funktionsprinzip basiert auf dem Kirchhoffschen Gesetz der Ströme in der Magnetik. Im Falle eines normalen Dreiphasensystems,

IA + IB + IC = 0

Da alle drei Phasenströme gleichzeitig ihren höchsten Wert erreichen und einen Phasenverschiebungswinkel von 120° haben, ist die Summe dieser Phasenströme null. Dies impliziert, dass die von ihnen im toroidalen Form erzeugten magnetisierenden Flüsse vollständig ausgeglichen werden, was zu einem Null-Nettofluss und keinem sekundären Strom führt. Somit bleibt das Erdfehlerrelais inaktiv. So sehen wir das Konzept des Core Balance, bei dem die Nullsumme der Ströme hilft, den toroidalen Kern im Gleichgewicht zu halten.

Wenn ein Erdfehler oder eine Leckage auftritt – entweder wenn eine Phase mit dem Gehäuse des Geräts in Kontakt kommt oder wenn Feuchtigkeit in das Gerät eindringt, wird der Strom nicht über die Phasen zur Quelle zurückkehren und einen Teil des Stromkreises nehmen, was das Gleichgewicht stört.

IA + IB + IC ≠ 0

Der Residualstrom wird als Null-Sequenzströme bezeichnet, die in den Kern des Toroids fließen und einen Nettofluss erzeugen und einen sekundären Strom in der Wicklung induzieren. Das Erdfehlerrelais erkennt diesen Strom und gibt den Befehl, den Leistungsschalter nahezu sofort zu betätigen.

Typen und Konstruktion

Die Klassifizierung der CBCTs basiert hauptsächlich auf ihrer Konstruktion und Fenstergröße, nicht auf der elektrischen Topologie:

• Solider (geschlossener) Ring CBCT – das konventionelle toroidale Design, bei dem Drähte während der Installation durch das Fenster geführt werden – am wirtschaftlichsten und am weitesten verbreitet.
• Split-Core CBCT – dieser Typ von CBCT öffnet sich, um vorhandene Drähte zu umschließen, ohne sie trennen zu müssen – üblicherweise für die Nachrüstung bestehender elektrischer Schaltungen aufgrund der Einschränkungen bei der Arbeit innerhalb eines unter Spannung stehenden Stromkreises verwendet.
• Fenster-/Durchmesserklassen – der Durchmesser des zentralen Lochs muss für das Bündel von Drähten, die hindurchgeführt werden, geeignet sein; typische Lochgrößen sind 40 mm, 60 mm, 80 mm und 100 mm Nenn-Durchmesser, abhängig von der Größe der Leiter (z. B. ZCT-R40, R60, R80).
• Ausgangskonfiguration – ein wesentlicher Vorteil von CBCTs ist die Verfügbarkeit eines sekundären Verhältnisses wie 50/1, 100/1, 200/1, 500/1 oder 1000/1 sekundäre Ausgänge; Ausgangsspezifikationen, die mit dem Eingang am Relais übereinstimmen – viele Relais werden zusammen mit CBCTs hergestellt von derselben Firma, die die Kompatibilität garantiert.

In Dreiphasensystemen werden alle drei Phasen durch einen einzigen Ring gemessen; bei einphasiger Verwendung passieren die Phasen- und Neutralleiter zusammen den Ring, um das Ungleichgewicht im Stromkreis zu messen. Die Auswahl des Verhältnisses und der Genauigkeitsklasse für eine dieser Konfigurationen folgt dem allgemeinen Auswahlleitfaden für Stromwandler.

CBCT vs. konventioneller CT: Die wichtigsten Unterschiede

Merkmal	Kernbalancestromwandler (CBCT/ZCT)	Konventioneller Stromwandler (CT)
Was es misst	Vektorsumme (Rest) aller Ströme durch den Ring	Laststrom eines einzelnen Leiters
Installation	Alle Phasen (und Neutralleiter) durchlaufen einen Ring	Ein CT pro Phase am Leiter
Ausgang im Normalbetrieb	Null (ausgeglichenes System)	Vollaststrom (skaliert)
Primärzweck	Erdfehler-/Erdleckageerkennung	Messung und Überstromschutz
Empfindlichkeit gegenüber Erdfehlern	Sehr hoch — Milliamperes	Begrenzt — ausgelegt für Vollastströme
Erfasste Fehler	Erdfehler, Leckage, Nullfolge	Überlastungen, Kurzschlüsse, Phasenstrom

Das praktische Ergebnis ist, dass ein traditioneller CT Ihnen die Details darüber gibt, wie viel Strom von einer bestimmten Phase getragen wird, während der CBCT jeden fehlenden Strom anzeigt, der der Strom ist, der in den Boden geleckt ist. Die beiden sind komplementär, nicht konkurrierend: Anlagen verwenden Phasen-CTs zur Messung und zum Überstromschutz und CBCTs für die Erdfehlerebene, die Phasen-CTs nicht sehen können — die Grundlagen des Erdfehler-Schutzdesigns sind in unseren Grundlagen des Erdfehler-Schutzes Artikel zusammengefasst.

Wo CBCTs eingesetzt werden

• Schutz des Transformators — Erdfehler-Schutz an Transformator-Neutralleitern sowie an Wicklungen, einschließlich der eingeschränkten Erdfehler (REF)-Schemen.
• Motor- und Generatorzuführungen — empfindlicher Erdfehler-Schutz an Motorzuführungen und MCC-Panels (kleine Leckagen können Motorwicklungen beschädigen).
• Industrielle Verteilungsanlagen und MSBs — Installation des Erdfehlerrelais am Hauptschaltschrank und im Verteilungspanel.
• Unterirdische Kabelnetze — wo es schwierig ist, den Fehler an einem Kabel zu finden und eine frühzeitige Fehlererkennung notwendig ist.
• Hochwiderstandserdungssysteme — in dieser Situation ist eine Milliamperesensitivität erforderlich.
• Rechenzentren und mission-critical Einrichtungen — Leckageerkennung ermöglicht es, Ausfallzeiten aufgrund von Fehlern zu vermeiden.
• Erneuerbare Energiesysteme — Erdleckageschutz für ein von einem Wechselrichter gespeistes System.

Installationsregeln und häufige Fehler

Die im Feld gesammelte Erfahrung ist bei verschiedenen Installationen eines Kern-Balancestromtransformators (CBCT) konsistent — Installationen können je nach Einhaltung der folgenden Regeln erfolgreich oder fehlerhaft sein:

• Alle Phasenleiter müssen durch den CBCT-Kern geführt werden — jeder stromführende Leiter, dessen Leckage vom CBCT erkannt werden soll (d.h. der Neutralleiter, falls vorhanden in der Installation).
• Der Erd- oder Schutzleiter darf NIEMALS durch den CBCT-Kern geführt werden — in einer Installation, in der der Erdleiter durch den Kern verläuft, hebt jeder Fehlerstrom im Erdleiter das Ungleichgewicht auf, das der CBCT zu erkennen versucht, ein häufig auftretender Installationsfehler, der die Installation unwirksam macht.
• Die Leiterkabel müssen zentriert durch den CBCT-Kern geführt werden, um die Fehler zu minimieren, die durch eine versetzte Positionierung der Kabel entstehen können.
• Die richtige Polarität muss überprüft werden — die Anschlüsse auf der Sekundärseite müssen mit den Eingangsanschlüssen des CBCT-Relais übereinstimmen, damit das Gerät funktioniert.
• Angemessene Abschirmung und Erdung müssen eingesetzt werden — dies verhindert, dass unerwünschte elektromagnetische Störungen von benachbarten Leitern unerwünschte Auslösungen verursachen.

Eine Installation, die die Richtlinien verletzt, indem der Erdleiter durch den CBCT-Kern geführt oder in der falschen Polarität angeschlossen wird, führt entweder dazu, dass das System Leckagen nicht erkennt, oder zu kontinuierlichen Fehlalarmen, die beide durch Inbetriebnahmeprüfungen und Feldprüfungen erkannt werden können. Die elektrische Testbegleitung zur CBCT-Inbetriebnahme — Isolations-, Polaritäts- und Relais-Koordinationsprüfungen — ist die gleiche Disziplin wie bei jedem Transformatorenschutzschema, und die Akzeptanzkriterien sind in unserer Transformator-Testleitfaden.

Auswahl: Abstimmung des CBCT auf das System

Die Auswahl des geeigneten CBCT erfordert die Berücksichtigung von vier Parametern:

• Systemspannung. Für das Verteilungspanel wählen Sie ein Niederspannungs-CBCT (0,66 kV). Für die Schaltanlagen-Zuleitungen wählen Sie ein Mittelspannungs-CBCT (bis zu 33 kV), das die richtigen Isolationsanforderungen erfüllt.
• Fensterdurchmesser. Das Fenster sollte groß genug sein, um das Kabelbündel aufzunehmen. Messen Sie Ihre tatsächlichen Kabel und haben Sie vor der Auswahl eines Durchmessers von 40 mm, 60 mm, 80 mm oder 100 mm zusätzliche Kapazität verfügbar.
• Empfindlichkeit und Verhältnis. Stellen Sie sicher, dass der minimale Erfassungsstrom und das Ausgangsverhältnis (oder mA/mV-Ausgang) die Anforderungen des Erdfehlerrelais erfüllen. Die sicherste Methode ist, der Kompatibilitätsliste des Relaisherstellers zu folgen.
• Konstruktion. Die Konstruktion muss für neue Installationen einen soliden Ring aufweisen, aber ein geteiltes Kerndesign minimiert erheblich die für die Installation in einem aktiven System erforderliche Zeit.

Diese vier Auswahlmöglichkeiten werden den Unterschied zwischen einem Erdfehler-Schema ausmachen, das einen Fehler von 500 mA erkennt, und einem Erdfehler-Schema, das überhaupt keinen Fehler erkennt.

Hersteller und Preise

Der Markt der CBCT wird hauptsächlich von den Herstellern von Schutzrelais und den allgemeinen Elektroherstellern abgedeckt. Die führenden Unternehmen in diesem Markt sind Honeywell, ABB, Schneider Electric und Mikro (bekannt für seine CBCT, die zusammen mit ihren Fehlerstromschutzschaltern verkauft werden), sowie einige Hersteller von CTs, die seit langem auf dem Markt sind und in China solide und split-core CBCTs zu Fabrikpreisen produzieren. Da in den meisten Fällen CBCTs zusammen mit einer Marke von Relais verkauft werden, verläuft der Kaufprozess wie folgt: Der Käufer wählt zuerst das Relais aus und sucht dann nach dem passenden CBCT. In einigen Fällen kann der Benutzer das gesamte Paket aus CBCT und Relais kaufen, das vom selben Hersteller stammt.

Die Preise gestalten sich wie folgt (2025-2026):

Typ	Typischer Preis
Niederspannungs-Solid-Ring-CBCT (40-60 mm Fenster)	$20-80
Niederspannungs-Split-Core-CBCT (Nachrüstung)	$40-120
Größere Fenster / hochsensibler LV-Einheiten (80-100 mm)	$60-150
Mittelspannungs-CBCTs (bis zu 33 kV)	$100-300+
Schutzpakete Relay + CBCT	$150-600

Fabrikdirekte chinesische Anbieter werden wahrscheinlich die Preise im niedrigsten Preissegment finden, während die westlichen und japanischen zertifizierten Marken ihre Preise im höchsten Preissegment finden werden, wo die erforderlichen Dokumente und Tests für regulierte Installationen verfügbar sind.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen ZCT und CT?

Der ZCT (der Nullfolgenstromwandler, der auch als CBCT bekannt ist) umschließt die drei Phasen der Leiter (und den Neutralleiter, falls vorhanden) und nimmt die Vektorsumme der drei Leitungen auf, wobei er nur dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn ein Ungleichgewicht vorliegt — entweder aufgrund eines Fehlerstroms oder eines Erdschlussstroms. Ein CT wird an einem einzelnen Leiter pro Phase angebracht und misst den in dieser bestimmten Phase kontinuierlich benötigten Strom für die Abrechnung und den Überstromschutz. Der ZCT zeigt den Erdschlusszustand der Gesamtsumme an; der CT liefert die Phasenstrommessung jedes Leiters.

Wie teste ich das Kern-Balance eines Transformators?

“Der ”Kern-Balance“-Test eines CBCT bedeutet typischerweise, dass überprüft wird, ob die Wicklungen intakt und isoliert sind (ein Isolationswiderstandstest), dass die relative Polarität des Geräts für den vorgesehenen Gebrauch korrekt ist, und dass ein Primäreinspeisetest durchgeführt wird — wobei ein Teststrom in einer Phase durchgelassen wird und bestätigt wird, dass der Ausgang auf der Sekundärseite erscheint und dass das Relais bei dem festgelegten Schwellenwert ordnungsgemäß funktioniert. Für den Transformator selbst besteht der kernbezogene Test aus der CT-Verhältnis- und Polaritätsüberprüfung gemäß dem Inbetriebnahmeverfahren für das Schutzschema.

Was sind die Nachteile von CT-Transformatoren?

Die Einschränkungen eines CT (Stromtransformators) sind gut bekannt. CTs können bei hohen Fehlerströmen saturieren (was zu Verzerrungen des Ausgangs und Verzögerungen bei der Auslösung von Relais führt), der Sekundärkreis eines CT darf niemals geöffnet werden, während Last anliegt (hohe Spannungen können gefährlich sein), Erdfehler können erst erkannt werden, wenn der Betrag einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, und Phasen-CTs liefern keinerlei Informationen über den Reststrom — daher der Zweck von CBCTs, um dieses ergänzende Erdfehlergerät bereitzustellen. Die CTs verlieren auch ihre Genauigkeit, wenn sie außerhalb ihrer Nennlast betrieben werden.

Was sind die drei Haupttypen von Stromtransformatoren?

Die drei Haupttypen von Stromtransformatoren nach ihrer Bauweise sind die folgenden: Wickeltyp (der Primärkreis des Transformators ist ein Metallleiter, der um den Kern gewickelt ist, niedriger Strom); Stabtyp (Primärleiter ist ein gerader Metallstab, der durch den Kern verläuft); und Fenster-/Ringtyp (der Leiter verläuft durch den Kern und besteht aus selbständigen Ring-CTs und dem CBCT/ZCT-Typ, der dem Ringtyp-Transformator entspricht, aber für die Erkennung von Nullfolgenströmen ausgelegt ist).

Referenzen

• iLEC — ZCT / Core Balance Stromtransformator-Serie (Prinzip, Verhältnisse, Abmessungen)
• Elektrisches Bloggen — Core Balance Stromtransformator: Funktionsweise, Vorteile, Anwendungen
• Elektrische Infos — Nullfolgenstromtransformator: Prinzip, Anschluss, Anwendungen
• Elektrischer Ampere — Core Balance Stromtransformator erklärt
• NPC Electric — CBCT im dreiphasigen Erdfe Schutz

Fazit

Trotz seiner anfänglich weniger überlegenen Perspektive hat ein Core Balance Current Transformer (CBCT) eine wichtige Aufgabe, nämlich ein dreiphasiges System kontinuierlich zu überwachen; jede Milliampere-Leckage führt zu sofortigen Maßnahmen des CBCT, die von anderen Standardstromtransformatoren (CT) nicht bereitgestellt werden können. Dies wird durch CBCT durch ein sehr einfaches Prinzip ermöglicht, das besagt, dass, wenn die Vektorsumme der Ströme der gesunden Phasen gleich null ist, dies bedeutet, dass ein Strom im unerwünschten Bereich fließt. Aus diesem Grund wird CBCT in zahlreichen elektrischen Anwendungen eingesetzt, einschließlich Transformatoren, Generatoren, Motoren und Speisungen sowie anderen ähnlichen elektrischen Geräten. Die Installation umfasst einige Bedingungen, die nicht verletzt werden dürfen, und die Ausrüstung basiert auch auf vier Parametern. Diese Parameter umfassen Spannungsniveau, Fenstergrößen, Empfindlichkeit und Bauart usw. Dieses Gerät kostet etwa $20-$300 und bietet eine sehr gute Rendite, sodass Sie sich über seine Effizienz sicher sein können. Bitte fragen Sie uns nach CBCT, wenn Sie interessiert sind.