Fehlerstrom-Messung mit Rogowski-Spule

Haushalts-Stromnetze sind abgesichert durch sog. FI-Schalter (Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen). Sie nehmen eine Abwägung vor zwischen den Strömen der stromführenden Leiter in einem Stromkreis und lösen bei Ungleichheiten aus, also wenn die Summe aller Ströme (der zwei oder drei Phasen, je nach Anschlussart) nicht Null ist. Letzteres ist dann der Fall, wenn ein Strom aus dem Stromkreis heraus in die Erde fließt, z.B. wenn der Fön in die Badewanne fällt und der Strom durch Wanne und Abwasserrohr geerdet wird.

Der Fön in der Badewanne ist ein nachvollziehbarer Grund für das Auslösen eines FI-Schalters. Was aber, wenn der FI-Schalter auslöst ohne einen erkennbaren Grund? Vorausgesetzt, der FI-Schalter ist nicht defekt, bedeutet dies, dass in einem der Stromkreise in der Wohnung ein Fehlerstrom fließt. Das ist grundsätzlich bedenklich, da Gefahr für Laib und Leben bestehen könnte.

Wie kann man feststellen, in welchem Stromkreis der Fehlerstrom fließt? Die einfachste Methode ist, den Fehlerstrom mit einem Strom-Messgerät nachzumessen. Normalerweise muss zur Strommessung der stromführende Leiter unterbrochen werden. Im Haushalt ist diese Methode wegen der Gefahr eines Stromschlags nicht zu empfehlen.

Da man nur den Differenzstrom zwischen Hin- und Rückleiter eines Stromnetzes (L- und N-Adern; i.d.R. schwarze und blaue Drahtummantelung) messen möchte, genügt es, diese beiden Leiter mit einem magnetisch-leitfähigen Material, z.B. Ferrit, zu ummanteln. Im Idealfall ist der Strom durch Hin- und Rückleiter gleich groß und es entsteht kein Magnetfeld. Sind die Ströme jedoch ungleich groß, so entsteht gemäß der Lenzschen Regel im Ferrit ein magnetisches Feld, das in erster Näherung proportional zum Differenzstrom = Fehlerstrom ist. Da der Fehlerstrom u.U. durch den PE-Leiter fließt, muss diese Ader bei der Fehlerstrom-Messung außerhalb des Ferrits liegen. Der Vorteil dieser Herangehensweise ist, dass die stromführenden Leiter nicht unterbrochen werden müssen.

Das magnetische Feld in einem Ferrit kann auf verschiedene Arten gemessen werden. Eine ist das Umwickeln des Ferrits mit Kupferlackdraht entsprechend dem Prinzip der Rogowski-Spule. Dies wurde mit einer improvisierten Spule aus einem Common Mode-Filter-Klappferrit mit 42 Windungen Kupferlackdraht getestet:

Klappferrite hat man herumzuliegen, wenn man schon in den 80er- und 90er-Jahren PCs verwendet hat. Diese wurden seinerzeit zu Entstörzwecken um Kabel geklappt.

Mit einem Funktionsgenerator wurden verschiedene Frequenzen mit einer Amplitude von 5V erzeugt und auf einen 270R-Widerstand gelegt, sodass etwa 20mA durch den Widerstand fließen. Die Rogowski-Spule wurde über eines der beiden Kabel zwischen Funktionsgenerator und Widerstand geklappt und am Oszilloskop der Spannungsverlauf über der Spule gemessen.

Bei 50kHz und 5kHz ist eine Spannung messbar, deren Verlauf der Anregung folgt. Bei 500Hz und darunter ist das Signal unterhalb der Messgrenzen des Oszilloskops (<10mV).

Das Signal wurde daraufhin mit dem Operationsverstärker LM358 verstärkt (Widerstände: 12kR und 120kR). Mit diesem lässt sich das Signal soweit verstärken, dass es auch bei 500Hz messbar ist.

Leider hat das Stromnetz hierzulande eine noch kleinere Frequenz von 50Hz, sodass der Aufbau noch weiter verbessert werden muss, um angewandt werden zu können. Denkbar sind z.B. eine Spule mit mehr Windungen zu wickeln oder einen Hall-Sensor zur Messung des Magnetfelds im Ferrit heranzuziehen.

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