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Tipps für die Entwicklung: Smart Meter: Stromkreisschutz, Sensorik, Leistungssteuerung

Smart-Meter-Entwicklern stellen sich Herausforderungen wie die Herstellung der Kompatibilität mit der Advanced Metering Infrastructure (AMI), Zuverlässigkeit, Messgenauigkeit und Integration ins IoT, ferner die Integration der Komponenten für Stromkreisschutz, Sensorik und Leistungssteuerung.

Subsysteme für intelligente Stromzähler Bildquelle: © Littelfuse

Strom-, Wasser- und Gaszähler werden oft in Kellern und hinter Büschen versteckt. Doch die neue Generation intelligenter Verbrauchsmessgeräte bietet sowohl Unternehmen als auch Privatkunden die benötigten Informationen, um diese Ressourcen effizienter einzusetzen.

Subsysteme Bildquelle: © Littelfuse

Abbildung 1: Subsysteme für intelligente Stromzähler

Damit lassen sich Klima und Umwelt schonen sowie Energie sparen. Zudem können Versorger aus der Ferne die Nutzung überwachen und messen, Netzspitzen ausgleichen sowie Manipulationen, Leckagen und Übertemperaturen erkennen.

Komponenten für den Stromkreisschutz 

Die ausgeklügelte Elektronik in heutigen Smart Metern erfordert jedoch einen noch stärkeren Schutz vor elektrischen Transienten (ESD), Überspannungen (zum Beispiel Überströme wie Blitzschlag) und anderen Ereignissen als bei traditionellen elektromechanischen Zählern.

Abbildung 1 zeigt ein Blockdiagramm der Subsysteme innerhalb eines typischen Haushaltsstromzählers. Abbildung 2 veranschaulicht die vielfältigen Funktionsblöcke, die Gas- und Wasserzähler gemeinsam haben.

Stromzähler beziehen ihre Energie aus dem Stromnetz, das hohen Energietransienten durch Blitzschlag, induktive Lastschaltung oder Kondensatorbankumschaltung ausgesetzt sein kann.

Subsysteme Bildquelle: © Littelfuse

Abbildung 2: Subsysteme für intelligente Gas- und Wasserzähler.

Um die Eingangsstromkreise zu schützen, nutzen Entwickler typischerweise Metalloxidvaristoren (MOVs) mit hohen Spannungswerten, die der Wechselstrom-Netzspannung standhalten.  Wenn ein kurzzeitiger Überspannungstransient diese Werte überschreitet, klemmt der MOV ihn schnell auf einen geeigneten Spannungspegel ab.

Sollte der MOV jedoch einer anhaltenden Überspannung bei begrenztem Strombedarf ausgesetzt sein, kann er in den thermischen Auslauf übergehen. Dies führt zu Überhitzung, Rauch und möglicherweise Brand. Falls dies wahrscheinlich ist, etwa bei Stromzählern, setzen Entwickler oft einen thermisch geschützten Varistor (TMOV) (Abbildung 3) ein. Dieser enthält ein thermisch reagierendes Element, das den Stromkreis des Varistors im Falle einer Überhitzung öffnet.

Schutz vor Blitzschlag und Netzstörungen

Elektrische Leistungsmesser sind anfällig für Eingangstransienten und Überspannungen, die entweder durch Blitzeinschläge oder Netzqualitätsstörungen entstehen.

Varistoren Bildquelle: © Littelfuse

Abbildung 3: Thermisch geschützte Varistoren wie diese TMOV- und iTMOV-Vorrichtungen können die Eingangsstromkreise eines intelligenten Zählers vor dauerhaften Überspannungen schützen

Diese Transienten, die eine Größe von 20 kV erreichen können, hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab, darunter die geografische Lage oder die Art der in der Nähe angeschlossenen Lasten.

MOVs sind primäre Geräte zum Schutz vor diesen Überspannungen. Das erforderliche Maß an Störfestigkeit gegen Überspannungen bestimmt Nennwert und Größe des MOV. Für den Basis-Überspannungsschutz zwischen 2 kV und 4 kV kann ein 14mm MOV ausreichen. Für Schutzstufen von 20 kV ist jedoch ein größerer MOV oder TMOV empfehlenswert. 

Da es sich um passive Bauelemente mit begrenzter Lebensdauer handelt, besitzen MOVs mehrere inhärente Probleme in Bezug auf ihre End-of-Life-Phase. Wenn sie ihr Lebensende erreicht haben, können sie durch eigene Schäden eine Bedrohung für die elektronische Schaltung darstellen. Der MOV kann nur einer gewissen Anzahl an Stoßschlägen standhalten, bevor er ausfällt. Diese Zahl hängt von der Größe der MOV-Scheibe und der Größe der Stoßwellen ab, für die der MOV ausgelegt ist.