Ein neuer Blick auf die Grundlagen der Netzqualität

Von Jack Smith

Wenn die Qualität der von Ihrem Betrieb verbrauchten Elektrizität nicht den Vorgaben entspricht, entstehen Ihrem Unternehmen dadurch höhere Kosten als nötig. Eine schlechte Netzqualität verkürzt die Lebensdauer Ihrer Geräte und erzeugt externe Wärme, die abgeführt werden muss. Ironischerweise liegt die Ursache für viele dieser Probleme im Betrieb.

Die vielen Facetten von Problemen mit der Netzqualität

Zu den Netzqualitätsproblemen, die in Industriebetrieben am häufigsten auftreten, gehören Spannungseinbrüche und Spannungsüberhöhungen, Oberschwingungen, Transienten sowie Spannungs- und Stromunsymmetrien. Zu den richtigen Werkzeugen zur Behebung dieser Probleme gehören Kenntnisse und elektrische Prüfinstrumente, die ideal auf die jeweilige Aufgabe zugeschnitten sind.

Außerdem benötigen Sie ein genaues einzeiliges Diagramm der Anlage. In diesem Diagramm sind die Wechselspannungsquellen, die versorgten Lasten und ihre Spezifikation aufgeführt. Das Diagramm ist Ihre elektrische Straßenkarte für die Anlage. Ohne sie ist eine Untersuchung von Netzqualitätsproblemen nahezu unmöglich.

Prüfungen, Messungen, Fehlersuchen, Reparaturen oder andere Arbeiten an einer elektrischen Anlage sollten nur von qualifiziertem Fachpersonal durchgeführt werden, die entsprechend geschult wurden, um diese Aufgaben sicher und mithilfe der richtigen Verfahren und mithilfe von Messgeräten auszuführen, die für die betreffenden elektrischen Anlagen ausgelegt sind.

Spannungseinbrüche

Ein Spannungseinbruch ist gemäß dem Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) eine Reduzierung des Spannungswerts um 10 bis 90 % des normalen Effektivwerts für mehr als 8 Millisekunden (ein halber Zyklus bei 60 Hz) und weniger als 1 Minute. Industrielle Vorrichtungen wie speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Roboter und Antriebe mit variabler Frequenz reagieren empfindlich auf Spannungseinbrüche.

Die Ursachen für mehr als 50 % der Spannungseinbrüche liegen innerhalb desselben Gebäudes und sind auf Erhöhungen des Strombedarfs, z. B. durch das Starten großer induktiver Lasten (üblicherweise Motoren), zurückzuführen, die vorübergehende Einschaltstromzustände erzeugen. Jedoch entstehen Spannungseinbrüche auch durch externe Ereignisse. Die meisten externen Ereignisse, die zu Spannungseinbrüchen führen, sind naturbedingt. Manche sind jedoch auch auf fahrlässiges menschliches Verhalten zurückzuführen.

Die Erkennung von Spannungseinbrüchen kann ziemlich herausfordernd sein, weil der Zeitpunkt ihres Auftretens schwer vorhersagbar ist. Sie können die MIN/MAX-Funktion eines hochwertigen Digitalmultimeters dazu verwenden, einzelne extreme Einbrüche von 100 Millisekunden oder mehr beim Einschalten der Last zu erkennen. Verwenden Sie für Spannungseinbrüche, deren Wiederauftreten zu befürchten ist, die Trenddarstellung für Spannungsüberhöhungen und -einbrüche an einem hochwertigen Netz- und Stromversorgungsanalysator.

Wenn Sie Netzqualitätsereignisse über einen längeren Zeitraum „dokumentieren“ müssen, können Sie Ereignis-Recorder nutzen, die Spannungseinbrüche, Spannungsüberhöhungen, Ausfälle, Transienten und Frequenzabweichungen über mehrere Wochen aufzeichnen.

Die Korrektur von Problemen, die Spannungseinbrüche verursachen, läuft üblicherweise auf bewährte elektrotechnische Verfahren hinaus. Eine Verkabelung sollte zum Beispiel für die versorgten Lasten angemessen sein. Minimieren Sie die Quellenimpedanz, indem Sie die Länge der Speiseleitungen zu den Unterschalttafeln begrenzen. Verbinden Sie Unterschalttafeln nicht mit anderen Unterschalttafeln. Reduzieren Sie die Last auf dem Schaltfeld, wenn dies erforderlich und möglich ist. Transformatoren sollten nicht überlastet werden, weil dadurch auch die Oberschwingungen verstärkt werden können.

Beheben Sie zunächst Verkabelungs- und/oder Lastprobleme. Wenn Ihr Betrieb in Ordnung ist, können Sie andere Lösungen zur Verringerung von Spannungseinbrüchen, wie z. B. Spannungsregler und Konstantspannungstransformatoren, in Erwägung ziehen.

Oberschwingungen

Oberschwingungen sind Vielfache einer Grundfrequenz. Sie verursachen Probleme, wenn sie mit dem elektrischen Signal der Grundschwingung kombiniert werden. Wenn sich Oberschwingungen mit der Grundschwingung vermischen, verzerren sie die Sinuswelle.

Geräte, die Strom nicht über die gesamte Spannungsperiode leiten, sind nichtlineare Lasten und erzeugen folglich Oberschwingungen. Dies beinhaltet alle Geräte mit einem Gleichrichter und impulserzeugende Geräte wie Antriebe mit variabler Frequenz, elektronische Vorschaltgeräte, elektronische Testgeräte und Schaltnetzteile.

Da ein durch die Systemimpedanzen fließender Oberschwingungsstrom eine Oberschwingungsspannungsverzerrung erzeugt, führt er auch zu Spannungsabfällen. In schweren Fällen kann diese Spannungsverzerrung eine thermische Abschaltung von Relais und Schutzvorrichtungen verursachen und logische Fehler in SPS und Antrieben mit variabler Frequenz hervorrufen. Bei zunehmender Spannungsverzerrung beginnen lineare Lasten mit der Aufnahme von Oberschwingungsstrom. In Motoren erzeugen einige dieser Oberschwingungsströme – vor allem die fünfte und elfte Oberschwingung – ein Gegendrehmoment im Motor, bewegen ihn zu einer höheren Stromaufnahme, der den Motorwirkungsgrad verringert, die Erwärmung erhöht und die Motorlebensdauer verkürzt.

Messen Sie die Oberschwingungen am Netzanschlusspunkt mit einem Netz- und Stromversorgungsanalysator oder einem Oberschwingungsanalysator. Bei einfachen Momentaufnahmen können Sie ein hochwertiges Digitalmultimeter für die Oberschwingungsspannung oder eine hochwertige Strommesszange für den Oberschwingungsstrom verwenden. Jedoch müssen das Digitalmultimeter und die Strommesszange Echteffektivwerte liefern, weil für genaue Messungen von verzerrten Signalen Echteffektiv-Messgeräte benötigt werden.

Viele 6-impulsige Antriebe mit variabler Frequenz erzeugen die fünfte und die siebte Oberschwingung. Jedoch tragen Antriebe mit 12 und 18 Impulsen zur Reduzierung von Oberschwingungen bei, weil mit zunehmender Impulszahl auch die Amplituden abnehmen. Andere Lösungen zur Verringerung von Oberschwingungen, die von Antrieben erzeugt werden, sind passive Frontend-Chokes/-Filter, Oberschwingungssaugkreisfilter und aktive Filter.

Transienten

Transienten sind vorübergehende Abweichungen der Spannung von der normalen Sinuswelle. Die Spannungswerte können das 5- bis 10-fache der Systemnennspannung und mehr erreichen. Transienten unterscheiden sich von Überspannungen. Eine Überspannung ist ein Hochenergietransient, der üblicherweise mit Blitzschlägen verbunden wird.

Die meisten Ereignisse, die Transienten verursachen, treten innerhalb des Betriebs auf. Dazu gehören das Ein- und Ausschalten von Kondensatoren, Stromunterbrechungen, der Betrieb von Leistungselektronik, Lichtbogenschweißen, das Schließen von Kontakten und Relais und das Starten und Trennen von Lasten.

Wenn Transientenspannungen die Nennwerte der elektrischen Isolierung übersteigen, kann die Belastung zu einem allmählichen Isolierungsdielektrikumdurchschlag oder möglicherweise einem plötzlichen Ausfall führen. Transienten führen auch zu einer Beschädigung von Halbleiterkomponenten. Ein einziger Hochenergietransient kann eine Halbleiterverbindung beschädigen. Wiederholte Niedrigenergietransienten können gelegentlich denselben Effekt haben.

Sie können Transienten mit niedriger Geschwindigkeit mit denselben Werkzeugen und Techniken erkennen, die Sie zur Erkennung von Spannungseinbrüchen verwenden würden. Nahezu alle elektronischen Geräte, die innerhalb der letzten drei Jahrzehnte hergestellt wurden, enthalten einen gewissen Transientenschutz – üblicherweise einen Metall-Oxid-Varistor. Ein Transientenüberspannungsableiter (TVSS) bietet einen zusätzlichen Transientenschutz. Je nach Art der Schutzvorrichtung können Sie einen TVSS-Schutz an mehreren Punkten der Anlage anbringen. Bringen Sie Geräte der Kategorie C an der Zuführung der Versorgungskabel an. Bringen Sie Geräte der Kategorie B an den Unterverteilungen und Geräte der Kategorie A an den einzelnen Schaltkreisen an.

Spannungs- und Stromunsymmetrie

Die Spannungsunsymmetrie ist das Maß der Spannungsunterschiede zwischen den Phasen eines Dreiphasensystems. Sie verschlechtert die Leistung und verkürzt die Lebensdauer von Dreiphasen-Motoren. Die Spannungsunsymmetrie an den Anschlüssen des Motorstators verursacht eine starke Stromunsymmetrie, die das 6- bis 10-fache der Spannungsunsymmetrie betragen kann. Unsymmetrische Ströme führen zu Drehmomentpulsation, erhöhter Vibration und mechanischer Belastung, stärkeren Verlusten und Motorüberhitzung.

Spannungs- und Stromunsymmetrien können auch auf Wartungsprobleme wie lose Anschlüsse und abgenutzte Kontakte hinweisen.

Sie können einige grundlegende Phase-Phasenleiter-Spannungsunsymmetriemessungen mit einem hochwertigen Digitalmultimeter und Phase-Phasenleiter-Stromunsymmetriemessungen mit einer hochwertigen Strommesszange vornehmen. Für genaue Unsymmetriemessungen in Echtzeit wird ein dreiphasiger Netz- und Stromversorgungsanalysator benötigt, um die Lösung von Unsymmetrieproblemen zu ermöglichen. Offene Schaltkreise und Einphasen-Erdleiter-Fehler sind leichter zu korrigieren als Lastunsymmetrien, die üblicherweise korrektive Konstruktionsänderungen auf Systemebene erfordern.

Fazit

Probleme mit der Netzqualität hängen häufig miteinander zusammen. Netzqualitätsprobleme aus Sicht des einen Gesamtbetriebs betrachten, ohne die Auswirkungen auf einzelne Lasten zu vernachlässigen. Manchmal kann sich durch die Lösung eines Netzqualitätsproblems ein anderes Problem verschlimmern. Die Betrachtung des Gesamtbilds mithilfe eines dreiphasigen Netz- und Stromversorgungsanalysators ermöglicht es Ihnen, die Ursachen von Netzqualitätsproblemen zu beheben und nicht die Symptome zu bekämpfen.