Rogowskispule

Die Rogowskispule ist eine toroidförmige Spule ohne ferromagnetischen Kern und dient als Bestandteil elektrotechnischer Messgeräte zur Messung von Wechselstrom. Da diese Spule keinen Kern aufweist, zählt sie zu der Gruppe der Luftspulen.

Die grundlegende Idee zu ihrem Aufbau, welcher die von Wechselströmen in Luftspulen induzierte Spannungen ausnutzt, hatte Arthur Prince Chattock 1887. Die Bezeichnung ist seit der Veröffentlichung^[1] von Walter Rogowski (1881–1947) als „Rogowskispule“ oder „Rogowski-Stromwandler“ bekannt.

Allgemeines

Aufbau einer Rogowskispule mit eingebrachtem stromdurchflossenen Leiter

Die Rogowskispule besteht aus einem Leiterdraht, der möglichst gleichmäßig um einen festen Körper aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff gewickelt ist. Dieser Aufbau wird als Luftspule bezeichnet. Der Leiterdraht der Spule ist um den gesamten Ring des Spulenkörpers verteilt gewickelt, sodass beide Anschlüsse beieinander liegen. Im nebenstehenden Bild wurde die Spule als offener Kreisbogen realisiert, der das Einfädeln der zu messenden Leitung erleichtert. Der zweite Anschluss der Spule wird dabei magnetisch neutral zum anderen Ende geführt.

Um einen Strom i₁ in einem Leiter zu messen, wird die Rogowskispule um den stromführenden Leiter gelegt - beispielsweise eine Kabelader oder eine Stromschiene. Der durch den Leiter fließende Wechselstrom erzeugt ein Magnetfeld, welches in der Rogowskispule eine Spannung u₂ induziert.

Die Spannung wird hochohmig gemessen, sodass der Strom in der Rogowskispule nahezu null ist. Unter dieser Bedingung gilt folgender Zusammenhang:

$u_2 = M \cdot \frac{ \mathrm {d}i_1}{\mathrm{d}t} = M \cdot i_1^\prime(t)$

Die Gegeninduktivität M der Rogowskispule lässt sich folgendermaßen berechnen:

$M = \frac{\mu_0 \cdot N \cdot A}{l_\mathrm{m}}$ ^[2]

wobei μ₀ die magnetische Feldkonstante, N die Windungszahl, A ist die Querschnittsfläche der Rogowskispule und l_m ist die mittlere Feldlinienlänge im Ring.

Da der Leiterstrom i₁ gemessen werden soll, muss das Zeitintegral der Spannung u₂ der Spule gebildet werden. So erhält man eine dem Strom i₁ proportionale Größe. Das Zeitintegral wird auf analoge Weise mit einem Integrator gebildet. Bei sinusförmigem Strom kann die Integration entfallen - die gemessene Spannung kann in Strom-Einheiten kalibriert werden, da sie lediglich um 90° Phasenwinkel voreilt.

Vor- und Nachteile

Vorteile der Rogowskispule gegenüber anderen Strommessverfahren sind zum einen die Robustheit des Aufbaus, zum anderen, dass der Strom, welcher gemessen werden soll, sehr klein sein kann, aber auch in Höhe des größtmöglichen Stromes (Kurzschlussstrom) liegen kann, ohne den Messumformer zu beschädigen. Aufgrund des fehlenden Eisenkerns entfallen nichtlineare Einflüsse des Eisenkerns. Die magnetische Beeinflussung des Leiters entfällt bei Rogowskispulen; sie ist jedoch auch bei Stromwandlern gering, da jene im sekundären Quasi-Kurzschluss betrieben werden.

Rogowskispulen können ohne Auftrennen des Stromkreises, d. h., ohne Montagearbeiten einfach angelegt und wieder entfernt werden. Sie werden in vielen verschiedenen Baugrößen hergestellt, so dass von Messungen direkt an Bauteilen auf Leiterplatten bis hin zu Messungen an Stromschienen oder Maschinenteilen (Lagerströme) ein großer Anwendungsbereich möglich ist.

Rogowskispulen werden in verschiedenen Empfindlichkeiten für Ströme ab einigen Ampere bis zu einigen 100 kA gefertigt. Sie sind, je nach Baureihe und Empfindlichkeit, für Messungen von unter 1 Hz bis in den zweistelligen MHz-Bereich geeignet. Steile Stromanstiege, wie sie z. B. in Umrichtern oder anderen leistungselektronischen Baugruppen auftreten, lassen sich damit gut erfassen. Auch für die Messung von Oberschwingungen und anderen höherfrequenten Störungen eignen sich Rogowskispulen.

Neben Baureihen mit direktem Spannungsausgang gibt es auch Ausführungen mit Umsetzer zur Messung des Effektivwertes. Damit können diese z. B. direkt an 0–5 V oder 4–20 mA - Eingänge einer speicherprogrammierbaren Steuerung angeschlossen werden.

Hohe Kurzschlussströme, wie sie beispielsweise in der elektrischen Energietechnik vorkommen, verursachen bei Rogowskispulen im Gegensatz zu Stromwandlern keine hohen Kräfte und Verluste. Hystereseeffekte und Dauer-Magnetisierung, wie sie bei Hallsonden auftreten, entfallen. Rogowskispulen bilden im Gegensatz zu Stromwandlern keine Gefahr für das Bedienpersonal und werden nicht zerstört, wenn sie unbeschaltet sind.

Sie benötigen jedoch zur Strommessung Hilfseinrichtungen wie Verstärker und die Stromversorgung des Verstärkers, wohingegen Stromwandler aufgrund des das Magnetfeld bündelnden Kernes innerhalb ihrer Nennbürde erhebliche Leistungen abgeben können, sodass Messwerke und Überstrom-Auslöseeinrichtungen direkt betrieben werden können.

Literatur

• Dieter Kind, Kurt Feser: Hochspannungs-Versuchstechnik. 5., überarb. u. erw. A. Auflage. Vieweg+Teubner, 1995, ISBN 3528438053.

Einzelnachweise

1. ↑ W. Rogowski, W. Steinhaus: Die Messung der magnetischen Spannung. In: Archiv für Elektrotechnik. 1, Nr. 4, 1912, S. 141–150, doi:10.1007/BF01656479.
2. ↑ Jens Haun: Leitfähigkeitsmessungen an stark gekoppelten Kohlenstoff- und Zinkplasmen. 2001 (Dissertation, Fakultät für Physik und Astronomie, Ruhr-Universität Bochum; Enthält eine Herleitung der Formel, PDF, abgerufen am 14. September 2010).