Prüfen mit 1.000 Ampere

Foto: Megger GmbHFoto: Megger GmbH

Schwachstellen in Niederspannungsnetzen können mit dem Netzimpedanzmessgerät NIM1000 von Megger frühzeitig ermittelt werden.

Erneuerbare Energiequellen stellen eine enorme Belastung für Niederspannungsnetze dar. Früher wurde ein zeitlich gut vorhersagbarer Strombedarf der Endverbraucher von zentral einspeisenden Kraftwerken gedeckt. Heute dagegen speisen Blockheizkraftwerke und Photovoltaik-Anlagen dezentral ein. Das führt zu einer gesteigerten Lastdynamik und sogar zur Umkehr der Leistungsflüsse. Aufgrund der starken Stromschwankungen führen bisher unauffällige Schwachstellen im Netz jetzt reihenweise zu teuren Netzausfällen. Fehlerhafte Abzweig- oder Verbindungsmuffen oder schlechte Pressverbindungen sind nur Beispiele.

Hinzu kommt: Einspeiseanlagen, die ein- oder zweiphasig in die Netze einspeisen, führen zu einer asymetrischen Phasenlast. Dadurch wird der Neutralleiter zusätzlich beansprucht. Anstelle von ohmschen Verbrauchern bringen die vielen elektronischen Lasten der neuen Technologien mehr Belastungen durch Oberschwingungen mit sich. Insbesondere die durch drei teilbaren Vielfachen der Netzfrequenz sind kritisch. Ihre Anteile aus den drei Phasen im Neutralleiter addieren sich jetzt, statt sich in der Grundschwingung aufzuheben.

Netzimpendanzmessung

Das kompakte Prüfgerät kann mittels Kelvinklemmen einphasig und mehrphasig angeschlossen werden. Fotos: Megger GmbH

Die Messung der Netzimpedanz hat einige wichtige Vorteile: Man kann Sicherungen richtig bemessen, deckt Schwachstellen rechtzeitig auf, man kann die maximale Anschluss-, oder Einspeiseleistung am Anschlusspunkt exakt ermitteln, die Spannungserhöhung im Netz bei hohen, dezentralen Einspeiseleistungen berechnen. Diese Messung bildet schließlich eine solide Basis für eine ordnungsgemäße Abnahme von neuen, erweiterten oder übernommenen Netzabschnitten. Dabei gilt: Die gemessene Netzimpedanz muss in etwa mit dem errechneten Wert übereinstimmen. Dann kann man mit dieser Messung das Letztverbraucher( LV)-Netz systematisch prüfen. Bestehende Berechnungsmodelle zur Auslegung des LV-Netzes können anhand des messtechnisch ermittelten Ist-Zustandes verifiziert werden. Um Sicherungen richtig zu dimensionieren, muss sie bei einem maximalen Fehlerstrom zuverlässig abschalten. Und der minimale Kurzschlussstrom, der durch die Netzkonfiguration bestimmt wurde, muss die Sicherung rechtzeitig auslösen. Basierend auf der Bestimmung der Netzimpedanz gemäß DIN EN 61557-3 und VDE 0413-3 berechnet man alle relevanten Kurzschlussparameter.

Die vergleichende Impedanzmessung zwischen den Phasen spürt Schwachstellen mit Messungen mit verschiedenen Lastströmen zuverlässig auf. Wird die Netzimpedanz an weiteren Phasen bestimmt, lässt sich auch die PEN-Impedanz eindeutig berechnen. Durch den Vergleich der Schleifenimpedanz von Phase und Neutralleiter mit den Messwerten der Schleife Phase-und-Phase, erhält man zuverlässig Hinweise auf Fehler im Neutralleiter. Sogenannte Flicker oder Spannungsschwankungen werden meist durch defekte Leiterverbinder verursacht. Oft treten diese intermittierend auf, bevor es zum Spannungsausfall kommt. Intermittierende Fehler kann man mit hohen Messströmen provozieren und präventiv aufdecken.

Eine Messung bestimmt zunächst die Impedanz der kompletten Schleife zwischen den Anschlusspolen am Messgerät. Aus vielen Einzelmessungen (L1-N, L2-N, L3-N, L1-L2, L1-L3, L2- L3) werden die Impedanzwerte des PEN berechnet. Ersetzt man das speisende Niederspannungsnetz am Messpunkt durch eine ideale Spannungsquelle mit dem komplexen Innenwiderstand Zi, so müssen auf der U/I-Kennlinie dieser Quelle lediglich zwei Punkte bestimmt werden, um den Innenwiderstand zu bestimmen. Der Erste dieser zwei Punkte errechnet sich durch die zum Zeitpunkt der Messung im Netz vorhandene Verbraucherlast RV, die durch den Verbraucherlaststrom IV die Quellenspannung U0 auf die Klemmenspannung UV reduziert. Von hier ausgehend wird ein weiterer Laststom IL erzeugt, um den zweiten Punkt der Kennlinie anzusteuern. Misst man nun den vom Messgerät erzeugten Laststrom IL und die resultierende Klemmenspannung UL, so berechnet sich aus der Spannungsdifferenz (UV – UL) und dem Laststrom IL die Impedanz Zi der Quelle.

In der Praxis ist der während der Impedanzmessung fließende Verbraucherlaststrom IV unbekannt. Weil das Messintervall sehr kurz ist, kann IV aber mit ausreichender Wahrscheinlichkeit als konstant angenommen werden. Es genügen zur Berechnung der Quellenimpedanz die vom Messgerät ermittelten Größen. Die Messung kann im normalen Netzbetrieb durchgeführt werden. Der imaginäre Anteil der Netzimpedanz wird von der Induktion des Trafos dominiert. Deshalb ergibt sich eine Frequenzabhängigkeit des Impedanzbetrags (Zi). Jedoch stellt man auch beim ohmschen Anteil der Netzimpedanz eine Frequenzabhängigkeit fest, die durch den sogenannten „Skin-Effekt“ verursacht wird. Bei der Konstruktion eines Netzimpedanzmessgeräts sollte man deshalb die Frequenzabhängigkeit, die Real- und die Blindkomponente der Impedanz berücksichtigen. Mit Mess- und A/D-Wandlern kann man die zeitlichen Verläufe von Strom und Spannung (mit und ohne Laststrom IL) aufzeichnen. Jedoch sollte man dabei auf die Phasentreue achten. Unterschiede in der Laufzeit zwischen den Messkanälen können sich als Fehler bei der Bestimmung der komplexen Netzimpedanz auswirken. Mit der Transformation der zeitlichen Spannungs- und Stromverläufe in den Frequenzbereich mit Hilfe einer FFT, berechnet man direkt die frequenzabhängige und komplexe Schleifenimpedanz .

Daraus lassen sich weitere Ergebnisse berechnen. Neben den Impedanzwerten aller Schleifen und der PEN-Impedanz werden auch der zu erwartende Kurzschlussstrom und die Kurzschlussleistung berechnet. Oder mit welchem Spannungseinbruch zu rechnen ist, wenn eine Leistung am Anschlusspunkt entnommen werden soll. Dies dient zur Klärung und Abnahme der Anschlusssituation vor der Installation größerer Verbraucher wie Maschinen oder medizintechnische Anlagen, die das Netz oft mit größeren Pulsströmen belasten.

Megger NIM1000

NIM1000 ist so groß wie eine Aktentasche und wiegt nur 10 Kilogramm. Trotzdem erzeugt es einen Spitzenlaststrom bis zu 1.000 A für Messungen mit einer Auflösung von 1 mΩ. Dies wird durch kurzzeitiges Zuschalten des Laststroms erreicht. Die abzuführende Verlustleistung wird so auf ein Minimum reduziert. Das ist weltweit einmalig. Zudem wird die Grundfrequenz von 50 beziehungsweise 60 Hz und die höheren Frequenzen zur Messung der Netzimpedanz über den Frequenzbereich bis zur 10. Harmonischen ausreichend angeregt. Ein großer Vorteil dieses Messverfahrens ist die Unabhängigkeit von der exakten Größe des Lastwiderstands. Die Temperaturdrift des Lastwiderstandswertes, die sich bei wiederkehrenden Messungen zwangsläufig erwärmt, reduziert nicht die Messgenauigkeit. Die intuitive Bedienung und vor allem Sicherheit nach Messkategorie CAT IV (EN 61010 1) ist für die Praxis außerordentlich wichtig. Auf dem farbigen Grafikbildschirm sind die Messwerte auch in ungünstiger Umgebung leicht ablesbar. Zur detaillierten Analyse und Protokollerstellung kann man alle Daten via USB 2.0-Schnittstelle auf einen PC übertragen. Die Gerätesoftware lässt sich ebenfalls sehr leicht über diese USB-Schnittstelle aktualisieren.

Mit schnell austauschbaren Kelvinklemmen erfolgt der einphasige und mehrphasige Anschluss. Bei mehrphasigem Anschluss ermittelt das NIM1000 den Wert der PEN-Impedanz. Das entspricht bei passenden Erdungsverhältnissen in etwa der Nullleiterimpedanz.

Auch bei bei hoher Netzvolatilität erhält man informative Messwerte. Es lassen sich bis zu 1.000 automatische Mehrfachmessungen mit Mittelwertbildung durchführen. Man kann auch über einen bestimmten Zeitraum (zum Beispiel eine Woche) den Verlauf der Netzimpedanzwerte analysieren. NIM1000 führt selbstständig Messungen in bestimmten Zeitabständen durch. Nach der Auswertung dieser automatischen Messungen sind die Einflüsse der verschiedenen Last- und Einspeiseverhältnisse im Vergleich leicht erkennbar.

NIM1000 in der Praxis

Abbildung 1. Foto: Megger GmbH

Abbildung 1 zeigt den Ergebnisbildschirm mit der grafischen Darstellung des Resistanz- und Reaktanzverlaufs über die Frequenz, sowie der tabellarischen Auflistung der numerischen Werte bei drei besonders interessanten Frequenzen. Außerdem werden im linken Bereich der ermittelte Kurzschlussstrom, die maximale Kurzschlussleistung sowie die maximale Anschlussleistung bei Einhaltung des vorgegebenen maximalen Spannungseinbruchs angezeigt.

Aus den einzelnen Werten ermittelt das NIM1000 im Mehrleitermodus auch die PEN-Impedanzwerte (Abbildung 2). Abhängig von den Erdungsverhältnissen der Messstelle lässt dies eine Beurteilung der Neutralleiterverbindung, beziehungsweise der Erdungswiderstände zu.

Die Ergebnisse bilden die Grundlage etwa zur Abnahme von neu installierten Netzabschnitten, helfen zur Klärung der am Anschlusspunkt verfügbaren Einspeise- oder Anschlussleistung oder liefern die Basisdaten zur richtigen Dimensionierung von Sicherungen oder zur Festlegung der Einstellparameter für Lasttrennschalter.

Fehlersuche mit Megger NIM1000

Abbildung 2. Foto: Megger GmbH

Zur Erkennung von Fehlern dient der Vergleich der Messergebnisse zwischen den Phasen an einer Messstelle. Mit dem Drehgeber des NIM1000 kann man die Ergebnisse durchblättern. Wenn das Ergebnis einer Phase signifikant von den anderen Phasen abweicht, indiziert dies einen Fehler. Einige Fehler in den LV-Netzen ändern ihr Verhalten in Abhängigkeit des Laststroms. Ist eine Klemmstelle korrodiert oder locker, hat sie einen höheren Übergangswiderstand. Fließt nun ein starker Strom durch diese Verbindung, wird diese womöglich kurzfristig verschweißen und der Widerstandswert nimmt ab. Schnell wird aber diese Verschweißung bei Änderung der Temperatur, bei mechanischer Belastung oder bei einer weiteren Zunahme des Laststroms erneut aufbrechen. Sprunghafte Veränderungen des Widerstands bei unterschiedlichen Lastströmen sind also ein wichtiger Hinweis auf schlechte Verbindungsstellen.

Spezielle Betriebsart zur Aufdeckung schlechter Verbindungen

Das Megger NIM1000 macht sich diese Erkenntnis zu Nutze. Mit einer speziellen Betriebsart wird der Laststrom im Fehlermodus schrittweise bis zu einem definierten Maximalwert erhöht. Die entsprechenden Strom- und Spannungsverläufe werden in einer gemeinsamen Grafik angezeigt. Die charakteristische Widerstandsänderung bei einer schlechten Verbindungsstelle ist jetzt erkennbar. Abbildung 3 zeigt die Messreihe an einer guten Verbindung. Strom- und Spannungskurven liegen alle auf der einhüllenden Sinuskurve. Eine wiederholte Messreihe an einer schlechten Phase zeigt Abbildung 4. Deutlich wird hier in der Stromkurvenschar die sprunghafte Änderung des Widerstands sichtbar.

Abbildung 3 – Unauffällige Messung. Foto: Megger GmbH

Abbildung 4 – Auffällige Messung. Foto: Megger GmbH

 

Kontakt: Megger GmbH, Dominik Nowak, 96148 Baunach, Tel. +49 (0)9544/ 68 7146, dominik.nowak@megger.com

Lesen Sie auch: