Tipps & Tricks I

im Umgang mit Power Quality Messgeräten und typische Anwenderfehler

In diesem Beitrag werden Tipps und Tricks zur Durchführung von Power-Quality-Messungen erläutert. Es wird erläutert, welche Anschlussfehler gemacht werden können und welche Vorüberlegungen vor dem Einsatz eines Messgeräts getroffen werden sollten. In Bezug auf die Wahl des Messgeräts wird die Entscheidung zwischen einem mobilen Messgerät und einem festinstallierten Netzanalysator erörtert.

Dieses Thema ist in zwei Beiträge aufgeteilt (Tipps und Tricks Teil 1 und Teil 2)

Festinstallierte Power Quality Geräte vs. Mobile Netzanalysatoren

Beide Gerätetypen haben sowohl Vorteile als auch Nachteile. In der Regel wird ein mobiles Messgerät dann eingesetzt, wenn ein akutes Problem im Netz aufgetreten ist und sehr schnell eine Messung durchgeführt werden soll. Zum Beispiel, wenn in einer Produktionsanlage ein Power Quality Problem vermutet wird. In diesem Fall wird ein mobiles Gerät ins Netz eingebaut, um herauszufinden, was vor Tagen passiert sein könnte. Dies funktioniert häufig, aber natürlich nicht immer. Wenn die Anlage aufgrund einer besonderen Konstellation defekt gegangen ist, die während der mobilen Messungen nicht nachvollzogen werden kann, oder die Netzbedingungen sich geändert haben, kann es schwierig sein, das Problem mit einem mobilen Gerät zu erklären. In diesen Fällen kann es hilfreich sein, das Messgerät so lange eingebaut zu lassen, bis der besagte Fehler erneut auftritt.

Ein Vorteil von festinstallierten Messgeräten ist die Möglichkeit zur Rückwärtsanalyse. Durch die permanente Erfassung aller Netzparameter über einen sehr langen Messzeitraum kann man nach einer Störung im Energienetz den Zeitpunkt der Störung genau analysieren. Mit einer Speicherkapazität von über einem Jahr kann man bei einem Netzproblem sehr lange zurückblicken um immer wiederkehrende Zeitpunkte mit ähnlichen Störungsmuster zu erkennen. Durch die Korrelation von Anlagenströmen und Spannungen kann man meistens erkennen, ob die Störung von der Anlage selbst oder dem Netz ausging.

Ein Nachteil dieser Geräte besteht jedoch darin, dass diese häufig nicht in der Tiefe der Netze, an denen die Verbraucher sitzen, installiert wurden. In der Regel sitzen festinstallierte PQ-Geräte in der Nähe der Niederspannungsverteilung und nahe dem Transformator. Also am Ort mit der größten Kurzschlussleistung im Niederspannungsnetz. Hier wirken sich die Rückwirkungen der Verbraucherströme aber geringer aus als am Leitungsende.

Mobile Messgeräte hingegen ermöglichen es, tief in das Netz hineinzugehen und an den Punkten mit der geringsten Kurzschlussleistung zu messen. Sie sind besonders nützlich bei der Suche nach Störungsquellen, indem sie bis zur letzten Steckdosenleiste vordringen und die Spannungsqualität direkt am Verbraucher erfassen. In dieser Hinsicht sind festinstallierte Geräte eingeschränkt und müssen sich auf feste Punkte im Netz beschränken.

Bei der Messung der Spannungsqualitätsnormen genügt es in der Regel, die Spannungen zu erfassen. Mit Hilfe der Norm kann überprüft werden, ob diese innerhalb des erlaubten Toleranzbereichs liegen. Um den Verursacher von Störungen identifizieren zu können wird in der Regel der Strom der Verbraucher benötigt. Kann der Strom die Störung auf der Spannung als Ursache erklären so ist der Verursacher in der der Messstelle zu suchen. Erklärt der Strom nicht die Störung auf der Spannung, weil der Verbraucher genau zu diesem Zeitpunkt keinen Strom bezogen hat, so ist der Verursacher vor dem Messgerät zu suchen.

Bei der Messung von Strömen ist es von Bedeutung, sich vorher Gedanken darüber zu machen, ob eine Störung gesucht wird oder eine möglichst genaue Messungen von Leistung und Energie an einem Verbraucher gewünscht wird. Um präzise messen zu können, ist es ungünstig, eine Rogowskispule mit einem großen Messbereich von 3000A zu verwenden, wenn lediglich 10A gemessen werden. Hier kann der Messefehler sehr groß werden. Um Leistung, Energie und Cosinus Phi möglichst genau zu bewerten, sollte man sich immer im Bereich von 50% bis 100% der Stromzange befinden. Der größte Messfehler der in der Messtechnik auftritt, entstehen durch die Stromzangen selbst, da diese häufig eine geringere Genauigkeit aufweisen als das Messgerät.

Bei der Analyse von Power Quality Störungen, wie beispielsweise Spannungseinbrüchen, ist es von großer Bedeutung, den Verbraucher zu identifizieren, der impulsförmige hohe Ströme bezieht. Es wäre ungünstig hier eine Stromzange im Messbereich zu betreiben der Nennströme der Anlage. So können Einschaltströme von Antrieben oder auch Einschaltspitzen bei Beleuchtungsanlagen einen ½ Perioden Extremwert der Ströme vom 10 fachen Nennstrom aufweisen. In solchen Fällen ist es sinnvoller, eine Stromzange mit einem Messbereich von mindestens 5 bis 10 mal größer als dem Nennstrom zu verwenden. So stellt man sicher, dass hohe Anlaufströme nicht von der Zange oder dem Messgerät begrenzt werden.

1 Verschiedene Lösungen zur Messung der Netzqualität mit einer PQ-Box: Stromzangen, Rogowskispulen oder per Shunt

Bei der Messung von Strömen stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Eine Möglichkeit ist die Verwendung einer Standard AC-Zange. Diese hat den Nachteil, dass sie keinen DC-Strom messen kann.

Für die Messung von DC-Ströme ist eine Zange mit einem Hall-Sensor geeignet. Diese kann sowohl AC als auch DC messen. Eine sehr präzise, jedoch umständliche Methode ist die Verwendung eines Strom-Shunts, der in die Leitung eingefügt wird. Dieser gibt proportional zum Strom ein Spannung aus. Diese Methode kann ebenfalls sowohl AC als auch DC messen, jedoch erfordert sie das Auftrennen der Leitungen.

Eine weitere Option zur Strommessung ist die Verwendung von Rogowski-Zangen. Jede dieser Messmethoden hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, die in einem extra Beitrag näher erläutert werden.

Vier Wege um Strom zu messen

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2 Messdaten: Anlaufstrom eines großen Elektromotors

Im Bild 2 erkennt man einen Anlaufstrom eines großen Motors und den entsprechenden Spannungsabfall. Die Erfassung des Stroms erfolgte mittels einer 3000A Rogowskizange. Das Ergebnis der Messung ergab einen Maximalwert von 4.250 Ampere. Eine zeitgleiche Erfassung der Spannung ergab einen Spannungseinbruch auf 185V.

Eine tiefergehende Analyse mittels Oszilloskopbild offenbarte, dass der Sinuswert oben abgekappt wurde und somit der tatsächliche Strom um einiges größer war.

Da die Rogowskizange bei einem Scheitelwert von 6000 Ampere an ihre Messbereichsbegrenzung stieß, konnte der tatsächliche Anlaufstrom nicht korrekt erfasst werden.

3 Hinzuahme des Oszilloskopbildes

Die Wahl des geeigneten Messortes

4 Ortsnetz-Bild zur Planung der geeigneten Messpunkte

Bevor Geräte in das Netz eingebaut werden, ist es ratsam, zu überlegen, welche Messungen durchgeführt werden sollen, wo sie durchgeführt werden sollen und wie der Verursacher am schnellsten gefunden werden kann. Im vorliegenden Fall wurde im Ortsnetz eine Vielzahl von Beschwerden von Kunden des Energieversorgers aufgenommen. Um diese Störungen zu suchen, wird zunächst der Netzplan untersucht. Am Messpunkt 2 befindet sich ein Industriekunde, der vermutlich die Ursache für die Beeinträchtigungen der anderen Kunden darstellt. Daher ist es sinnvoll, zunächst bei diesem Kunden nach der Ursache der Störungen zu suchen.

Vor Beginn der Netzeinspeisung wird sorgfältig überdacht, welche Messungen durchgeführt werden sollen und an welchen Messpunkten dies am schnellsten erfolgen kann.

Die Entscheidung, ob am Ausläufer oder in der Station gemessen werden sollte, hängt von den individuellen Anforderungen ab. Eine Messung am Ausläufer ermöglicht eine detailliertere Analyse der Netzrückwirkungen auf der Spannung, jedoch bleibt die Identifizierung des Verursachers eingeschränkt. Im Gegensatz dazu ermöglicht eine Messung in der Station eine Übersicht über alle Verbraucherströme auf dem betreffenden Kabelstrang, jedoch ist die Erkennung von Störungen auf der Spannung aufgrund der hohen Kurzschlussleistung eingeschränkt.

In diesem Fall wurde mit zwei Messgeräten parallel über eine Woche hinweg gemessen. Hierdurch konnte eine genaue Analyse durchgeführt werden und es konnte festgestellt werden, dass die Störungen im Netz nur an sechs Tage die Woche, jedoch nicht am Sonntag auftraten. Der Industriekunde hat aber am Samstag an dem auch Störungen vorhanden waren keinen Verbraucherstrom und kann somit als Verursacher der Störungen ausgeschlossen werden.

Tipps für die Durchführung von Messungen mit PQ-Boxen:

  • Messungen mindestens immer eine Woche durchführen
  • Messungen aller Tages- und aller Nachtzeiten, wie auch des Wochenendes
  • Messungen parallel an mehreren Messpunkten beschleunigen die Fehler-Detektion

Als Tipp für die Durchführung von Messungen wird empfohlen, mindestens eine Woche lang zu messen. Dabei sollten alle Tages- und Nachtzeiten sowie das Wochenende einbezogen werden, auch wenn der Industriekunde am Wochenende seine Anlagen abschaltet. Insbesondere die Zeiten, in denen keine Störungen auftreten, liefern wertvolle Hinweise darauf, welche Veränderungen sich beispielsweise montags mit dem Start des Kundenbetriebs ergeben. Im beschriebenen Fall handelte es sich um einen Betrieb am Ende der Leitung am Messpunkt 1. In der Werkstatt des Betriebs wurde eine CNC-Maschine mit einer Anschlussleistung von 12 KW betrieben. Wenn die CNC-Drehbank in Betrieb war, traten im gesamten Ortsnetz Störungen auf.

Autor
Jürgen Blum, Produktmanager Power Quality Mobil

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