Hochfrequente Oberschwingungen messen

Foto: Zelisko GmbH

Zur Überwachung der Power-Quality im Netzanschlusspunkt auf der Mittelspannungsseite können die Strom- und Spannungssensoren von Zelisko jetzt auch für Oberschwingungen mit höheren Frequenzen bis 9 kHz eingesetzt werden.

Bernd Schüpferling (li.) und Michael Steiner haben auf der Hannover Messe im April erstmals gezeigt, wie eine Power Quality-Lösung mit Messwandlern auf Mittelspannungsebene aussieht. Foto: Zelisko GmbH

Die Versorgungsqualität im Stromnetz ist in Zentraleuropa hoch. Das Produkt „Strom“ soll ohne Unterbrechung, kostengünstig und mit „hoher Qualität“ zur Verfügung stehen. Verbraucher erwarten einen „sauberen“ Strom, sprich eine konstante Frequenz, perfekte sinusförmige Spannungen in konstanter Höhe und ohne Verzerrungen.

In der Realität gibt es jedoch Störungen und Netzrückwirkungen wie:

• langsame und schnelle Spannungsänderungen
• Spannungsunsymmetrien
• Spannungsunterbrechungen
• Flicker
• Oberschwingungen und Zwischenharmonische
• transiente Überspannungen
• Frequenzschwankungen

Die Qualität der Spannung und des Stroms wird vor allem durch Netzrückwirkungen von der Kundenseite beeinflusst. Oberschwingungen und Zwischenharmonische entstehen durch Betriebsmittel mit nichtlinearer Kennlinie, die einen nicht-sinusförmigen Strom bewirken. An den Netzimpedanzen führt dieser Strom zu Spannungsabfällen, so dass die Netzspannung verzerrt wird. Häufige Quellen sind zum Beispiel Gleichrichterschaltungen in Netzteilen oder Umrichter für Drehstromantriebe.

Durch den zunehmenden Einsatz von Leistungselektronik mit höheren Taktfrequenzen steigt die Netzbelastung durch Oberschwingungen bis 9 kHz und darüber hinaus. Unzulässig hohe Oberschwingungen/ Zwischenharmonische sind Ursache einer Reihe von Fehlern und Störungen, aus denen hohe Schäden resultieren können.

Zu nennen sind:

• Funktionsbeeinträchtigung bis zur Zerstörung elektronischer Betriebsmittel
• unzulässige Erwärmung an Motoren und Transformatoren
• thermische Überlastung an Kondensatoren durch Spannungsüberhöhungen infolge von Resonanzen im elektrischen Netz
• Störung der Erdschlusskompensation

1 MS-Schaltanlage Siemens Typ 8DJH
2 Stromsensoren auf Durchführung Zelisko Typ JW 1004
3 Spannungssensor im Kabel-T-Stecker Zelisko Typ UW 1001
4 Spannungssensor in Stützerausführung Zelisko Typ UW 1013
5 Blockstromwandler Zelisko Typ SGS 20 mit
– spezieller 1 A PQ-Messwicklung für PQ- Gerät und
– konventioneller Messwicklung (geeicht) für Zähler

Der Überwachung der Spannungsqualität (Power Quality) gerade am Übergabepunkt zwischen Einspeisern oder Großverbrauchern und dem Mittelspannungs (MS)-Netz kommt daher eine immer stärkere Bedeutung zu. Netzbetreiber wollen damit unzulässige Abweichungen erkennen und rechtzeitig geeignete Abhilfemaßnahmen einleiten.

Messung und Verifizierung erforderlich

Zur Überwachung der Spannungsqualität steht eine Vielzahl von Geräten zur Verfügung. Die Anforderungen an die Messgeräte und die Prüf- und Messverfahren sind in Normen festgelegt, wie der IEC61000-4-30 zur Messung der Spannungsqualität oder IEC61000-4-7 für die Messung von Oberschwingungen. Bei allen Vorschriften ist der Frequenzbereich, in dem zu messen ist, derzeit nach oben auf maximal circa 2,5 kHz beziehungsweise 9 kHz begrenzt.

Im NS-Bereich kann die Spannung (U) direkt gemessen werden; für den Strom (I) werden 1A-Stomwandler eingesetzt. Liegt der Netzübergabepunkt beziehungsweise der Ort der Messung auf der MS-Seite, so sind sowohl für die Spannung als auch für den Strom Messwandler notwendig.

Wie Michael Steiner, verantwortlich für Technik und Vertrieb bei Zelisko, betont, „sind konventionelle Messwandler nach der internationalen Wandlernorm IEC 61869 beziehungsweise der alten IEC60044 nur für die Grundfrequenz von 50 Hz ausgelegt und geprüft. Die zulässigen Betrags- und Winkelfehler gelten nur für ein enges Frequenzband um die Nennfrequenz. In der Fachwelt ist bekannt, dass konventionelle induktive Strom- und Spannungswandler mit Eisenkern und Kupferwicklung höhere Frequenzen nur sehr unzureichend übertragen und diese je nach Fabrikat/Bauart durch Resonanzverstärkung oder Dämpfung sehr hohe Messfehler zeigen können“.

U/I-Sensoren bis 9 kHz

Zelisko ist schon einige Schritte weiter. Die U/I-Sensoren des Unternehmens wurden gemäß IEC60044-7 und -8 entwickelt und typgeprüft. Diese Normen für Kleinsignalwandler sind derzeit in Überarbeitung und werden künftig durch IEC61869-6 und -10 (für den I-Sensor) beziehungsweise -11 (für den U-Sensor) abgelöst. Im bereits gültigen Teil 6 der Norm werden erstmalig Messtoleranzen für Oberschwingungen bis 3 kHz definiert. Wenn notwendig, können daher künftig mehrere Genauigkeitsklassen für „Messung“ und für „Schutz“ vereinbart werden.

6 Stromwandler – Option für Nachrüstung Zelisko/Siemens Typ
4MC7033
7 Blockspannungswandler Zelisko Typ EGS 20
8 Kurzschluss-/Erdschluss- Richtungsanzeiger Siemens SICAM FCM
oder Zelisko Typ GIM
9 Schutzgerät, Siemens SIPROTEC Compact 7SJ81
10 Zähler CEWE Instrument Prometer 100
11 Powerqualitygerät, Siemens SICAM Q200

Das Funktionsprinzip des Spannungssensors basiert auf einem ohmschen Teiler. Der Stromsensor ist ein fast leistungsloser induktiver Kleinsignalwandler, bei dem der Primärstrom über eine Sekundärwicklung mit genauem Messwiderstand in ein Spannungssignal gewandelt wird (siehe 50,2 Nr. 1/2015). Mit Zusatzmaßnahmen wurden die Sensoren für eine ausreichend saubere Übertragung der Oberschwingungen ertüchtigt. Prüfungen des Übertragungsverhaltens bis 9 kHz wurden erfolgreich durchgeführt. Ziel im nächsten Schritt ist, Prüfungen der ertüchtigten U/I-Sensoren mit modernen Power-Quality Geräten durchzuführen.

Zelisko ist dabei offen für alle Hersteller. „Für Siemens kommt neben den bisherigen Einsatzgebieten der U/I-Sensoren für Monitoring, Erdschlussrichtungserfassung mit dem SICAM FCM beziehungsweise Schutzfunktion mit dem SIPROTEC Compact 7SJ81, nun auch das Thema Power-Quality hinzu, was durch die TAR Mittelspannung VDEAR- N4110 noch mehr an Bedeutung gewinnt,“ erklärt Bernd Schüpferling, Produktmanager für MS-Schaltanlagen bei Siemens in Erlangen (siehe 50,2 Nr. 5/2016 und 1/2017). „Ziel ist ein korrektes Zusammenarbeiten der Sensoren mit PQ-Geräten, beispielsweise dem SICAM Q200, um Frequenzen bis 9 kHz, oder noch darüber hinaus, zu erfassen. Dazu wurden die Sensordaten entsprechend den Anforderungen des PQ-Gerätes modifiziert, was mit überschaubaren Maßnahmen möglich ist“, so Schüpferling.

Einfache Nachrüstung

Auf der Hannovermesse 2017 wurde die Lösung für eine Power-Quality-Messung an einer typischen MS-Übergabestation gezeigt und mit Kunden diskutiert. Das Foto der Anlage und das Blindschaltbild zeigen mögliche Einbauorte der Sensoren/ Wandler und Geräte an der Siemens-Schaltanlage 8DJH mit luftisoliertem Messfeld. „Ein wesentlicher Kundenvorteil dieser Lösung ist die leichte Nachrüstbarkeit bei bestehenden Kundenanlagen,“ wie Michael Steiner sagt. „Im Messfeld sind für die Strommessung lediglich die Blockstromwandler zu tauschen oder Ringkernwandler zu ergänzen. Die Spannungsmessung erfolgt über die U-Sensoren in der Stützerausführung. Die Blockspannungswandler bleiben unverändert.“

Zelisko ist dabei flexibel, was die mechanische Integration betrifft. Denn entsprechend der Technikvielfalt der Schaltanlagen und Anschlusstechnik sind unterschiedliche geometrische Ausführungen der Sensoren notwendig, zum Teil mit sehr kundenspezifischen Ausprägungen. „Letztlich führt das zu einer Varianz der Sensoren wie bei unserem konventionellen Wandlerprogramm. Dies ist für Zelisko Herausforderung und Chance zugleich!“, so Steiner.

Standards zu Power Quality bezüglich Oberschwingungen
EMV-Produkt-Vorschriften regeln, was einzelne Gerätetypen an Störungen aussenden dürfen und was sie an Störpegeln ertragen müssen. Zur Erfassung und Beschreibung einer ausreichenden Netz-Qualität existieren eine Reihe von Vorschriften. Eine Auswahl ist in der Grafik dargestellt. Neben einzuhaltenden Grenzwerten für Netzrückwirkungen sind auch Prüf- und Messverfahren beschrieben. Die Anforderungen an die Spannungsqualität werden derzeit aber nur für Oberschwingungen bis ca. 2,5 kHz bzw. 9 kHz geregelt. Ab 150 kHz greifen die EMV-Vorschriften. Über den Bereich dazwischen wird in der Fachwelt intensiv diskutiert mit der Zielstellung, auch diesen Bereich in Zukunft normativ abzudecken. Die EN 50160 definiert die Anforderungen an die Spannungsqualität im öffentlichen MS- und NS-Versorgungsnetz und ist weitgehend identisch mit IEC61000-2-2 und -12. Zugelassen im MS-Netz sind zum Beispiel Spannungsänderungen von ± 10 Prozent und ein Verzerrungsfaktor THDu (Total Harmonic Distortion) von ≤ 8 Prozent für die 2. bis zur 40. Oberschwingung, das heißt also nur bis 2 kHz. Im März 2017 wurde die „TAR Mittelspannung“ als Entwurf E VDE-AR-N 4110 „Technische Regeln für den Anschluss von Kundenanlagen an das MS-Netz und deren Betrieb“ veröffentlicht und soll in Kürze in Kraft treten. Sie ersetzt künftig die beiden Richtlinien „TAB Mittelspannung 2008“ sowie „Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz“. Sie gilt für Bezugsanlagen, Erzeugeranlagen und Speicher, die am Netzanschlusspunkt an das MS-Netz eines Netzbetreibers angeschlossen werden. Neben vielen anderen Anforderungen werden dort auch zulässige Netzrückwirkungen definiert, die am Übergabepunkt auf der MS-Seite für Bezug bzw. Einspeisung vom Kunden eingehalten werden müssen. Dabei wird auf die Richtwerte für zulässige Netzrückwirkungen gemäß dem vier Länder-D-A-CH-CZ-Kompendium: „Technische Regeln zur Beurteilung von Netzrückwirkungen“ verwiesen. Gemäß TAR Mittelspannung gibt der Netzbetreiber Obergrenzen für die Einspeisung von Oberschwingungsströmen bis 9 kHz vor, die in Abhängigkeit von der Anschlussleistung der Kundenanlage und den Gegebenheiten am Netzanschlusspunkt ermittelt werden. Unterschieden wird dabei zwischen geradzahligen und ungeradzahligen Oberschwingungen (Harmonische), Zwischenharmonischen und Frequenzanteilen im Bereich zwischen 2 kHz und 9 kHz (Supraharmonische).

 

Kontakt: Dr. techn. J. Zelisko GmbH, Beethovengasse 43-45, 2340 Mödling, Österreich, Michael Steiner, Tel. +43 2236 4092485, michael.steiner@knorr-bremse.com
Siemens AG, 91052 Erlangen, Tel.: +49 9131 7-32439, bernd.schuepferling@siemens.com, www.siemens.de/energy-management

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