Power Quality

Versorgungsqualität sicher im Blick

Was ist Power Quality bzw. Spannungsqualität?

Eine gute Power Quality zeichnet sich dadurch aus, dass die beim Verbraucher tatsächlich ankommende Netzspannung mit der vom Versorgungsunternehmen zugesagten Netzspannung übereinstimmt. Dabei haben unterschiedliche Faktoren Einfluss auf die Power Quality:

  • Stromerzeuger und der Aufbau des Verteilnetzes des Energieversorgers
  • Übertragung der Netzspannung
  • Einflüsse des Verbrauchers

Bei der Zuverlässigkeit der Versorgung kommt es darauf an, inwieweit ein elektrisches Verteilnetz seine Versorgungsaufgaben in einem konkreten Zeitraum erfüllt. Einen wichtigen Beitrag zur Sicherung der Spannungsqualität im Niederspannungsnetz liefert moderne Messtechnik wie unsere mobilen oder fix installierten Power Quality Analysatoren.

Ohne sie könnte weder eine Aussage über die Qualität der einzelnen Merkmale der Spannung, noch die Ursache von Störungen gefunden werden.

Die Sicherstellung der Stromqualität am Übergabepunkt ist auf der Erzeuger- und Verbraucherseite wie auch auf der Verteilnetzseite in verschiedenen Normen genau geregelt (DIN EN 50160, VDE-AR-N 4120, IEC 61400-21 etc.) und bildet die Grundlage im Netzanschlussvertrag. Um Oberschwingungspegel und den THD-Faktor (Total Harmonic Distortion Factor) bestimmen zu können, sind Power Quality Messgeräte erforderlich. Sie ermitteln aus den gemessenen Spannungs- und Stromsignalen die Kenngrößen der Elektroenergiequalität. Des weiteren können diese Geräte bei der Störungsanalyse sehr hilfreich sein. Sie sind in der Lage, Oberschwingungen zu identifizieren, die auf elektronische Bauelemente störend einwirken und deren Lebensdauer erheblich verkürzen können.

Bewertungskriterien für Power Quality

Ursachen und Folgen schlechter Spannungsqualität

Frequenzabweichungen / Frequenzschwankungen

Die Bewertung von Frequenzabweichungs-Ereignissen erfolgt auf Basis von 10s Mittelwerten der Netzfrequenz.
Bei den Grenzwerten der erlaubten Frequenzabweichung wird zwischen synchronen Netzen (± 1 % = 0,5 Hz) und Inselnetzen (± 2 % = 1 Hz) unterschieden.

Ursachen von starken Frequenzabweichungen sind plötzliche Abschaltungen von großen Lasten oder Erzeugungsanlagen.
Eine zu große Frequenzabweichung kann zum Verlust der Synchronität von Motoren und Generatoren führen und diese dadurch beschädigen.

 

 

Spannungseinbruch / Dips / Sags

In der Power Quality wird ein plötzliches Absinken des Spannungseffektivwertes einer oder mehrerer Phasen unterhalb von 90 % des Nominalwertes als Spannungseinbruch bzw. Dip bezeichnet. Die Dauer eines solchen Ereignisses liegt zwischen 10 ms und einer Minute.
Ursachen für Spannungseinbrüche können zum einen Einschaltströme von Motoren oder anderen Lasten sein, welche über die Netzimpedanz einen Spannungsfall verursachen. Desweiteren können Spannungseinbrüche durch Kurzschlüsse aus dem übergelagerten Netz (besonders häufig im Mittelspannungsnetz) entstehen. Ursachen sind hier Erdbauarbeiten, Freileitungskurzschlüsse oder Kabelalterung.

 


Erklärung der Begriffe:
Extremwert: Tiefster Wert der 10ms-Spannung während des Ereignisses [V]
Dauer: Zeitunterschied zwischen Verlassen und Wiederkehr in den Nennbereich der Spannung [ms]

Spannungsüberhöhungen / Swells

In der Power Quality wird ein plötzlicher zeitweiligerer Anstieg des Effektivwertes der Spannung über eine festgelegte Anfangsschwelle an einem bestimmten Punkt des Elektrizitätsversorgungsnetzes als Spannungsüberhöhung bewertet. Der Grenzwert in der EN 50160 liegt bei +10 % der vereinbarten Leiter / Leiter Spannung für die Mittelspannung. Für die Niederspannung wird der Grenzwert immer auf die Leiter / Neutralleiterspannung nach EN 50160 festgelegt.

 

Die Ursachen für Spannungsüberhöhung sind beispielsweise durch Abschalten von großen Lasten (z.B. ein großer Motor) zu suchen.

 

 


Erklärung der Begriffe:
Extremwert: Größter Wert der 10ms-Spannung während des Ereignisses [V]
Dauer: Zeitunterschied zwischen Verlassen und Wiederkehr in den Nennbereich der Spannung [ms]

Total Harmonic Distortion (THD) / Harmonische / Oberschwingungen

Verhältnis aller Oberschwingungseffektivwerte zum Effektivwert der Grundschwingung. Der Wert (THD – Total Harmonic Distortion) gibt die gesamte Verzerrung durch nichtlineare Verbraucher an.

 

Ursachen:
Aufgrund von nichtlinearen Lasten im Versorgungsnetz können Verzerrungen der Sinusform der Spannung im Netz auftreten. Je nach Art der Last werden bestimmte Vielfache der Netzfrequenz (Harmonische) besonders stark ausgeprägt.

Beispielsweise treten bei dreiphasigen Verbrauchern wie synchronen/asynchronen Motoren oder B6 Gleichrichtern besonders starke Verzerrungen der 5. und 7. Sowie 11. und 13. Harmonischen auf. Bei einphasigen Lasten in der Niederspannung sind oft die Vielfachen von 3 betroffen (15., 21., 27.).

Eine Verzerrung einer Harmonischen wird als PQ-Ereignis erfasst, wenn der 10min Mittelwert der Größe oberhalb der von der Norm definierten Grenze liegt. Im PQ-Ereignis werden die Ordnung der Harmonischen sowie die Überschreitung des Grenzwerts in % angegeben.

Zu hohe Pegel der Spannungsharmonischen können zu Fehlverhalten, Überhitzung und Ausfall von elektrischen Betriebsmitteln sowie zu verstärkter Störgeräuschentwicklung führen.

 

Norm
In der EN 50160 sind die Pegel aller bis zur 25. Harmonischen einzeln festgelegt und haben unterschiedliche Grenzwerte in den verschiedenen Spannungsebenen von der Nieder über die Mittel bis in die Hochspannung. Der THD ist mit einem Verträglichkeitspegel von 8 % in der EN 50160 festgelegt.

 

 

Schnelle Spannungsänderungen / Rapid Voltage Change (RVC)

Schnelle Spannungsänderungen (engl. Rapid voltage change RVC) treten im elektrischen Versorgungsnetz relativ häufig auf und entstehen hauptsächlich durch Laständerungen in Kundenanlagen und durch Schalthandlungen im Netz.

 

Das Power-Quality Ereignis der schnellen Spannungsänderung wird dadurch gekennzeichnet, dass die Netzspannung von einem stationären Zustand in einen anderen stationären Zustand übergeht.

 

Im Ereignis wird die Dauer dieses Übergangs, die maximale Spannungsabweichung während des Übergangs und die stationäre Änderung der Spannung erfasst.

 

Schnelle Spannungsänderungen haben in der Regel keine großen Auswirkungen auf elektrische Betriebsmittel. Allerdings können viele RVC Ereignisse zum Anstieg des Flickerpegels führen.

 

 

Flicker

Der Flicker ist ein Maß für die Stärke von periodischen Spannungsschwankungen im elektrischen Netz, welche zu einer visuell wahrnehmbaren Leuchtdichteänderung bei elektrischen Leuchtmitteln führen.
Mithilfe des Flicker-Messverfahrens nach DIN EN 61000-4-15 werden diese Schwankungen als dimensionslose Größe berechnet und über ein gewichtetes Mittelwertverfahren in zwei Zeitintervallen gemittelt. Der Kurzzeitflicker Pst (engl. perceptibility short-term) wird im 10 Minuten Intervall gebildet, der Langzeitflicker Plt (engl. perceptibility long-term) im 2 h Messintervall.

 

Ursachen
Ursachen für einen erhöhten Flickerwert sind meist periodische Leistungsschwankungen im Netz bei hoher Netzimpedanz (schwachem Netz). Weiterhin können hohe Oberschwingungsströme und Interferenzen zwischen Lasten zu einer Überschreitung des Flicker-Grenzwerts führen.
Bei Power Quality Ereignissen wie kurzzeitigen Über- oder Unterspannungen (Dip/Swell) wird auch sehr häufig die Flicker-Grenze der betroffenen Spannungen verletzt. In diesem Fall können die Flicker Ereignisse ignoriert werden.

 

Bedeutung für die EN 50160 Auswertung
In der EN 50160 Norm existieren keine Grenzwerte für die Anzahl von Pst oder Plt Ereignissen. Es wird lediglich die Wochenstatistik des Langzeitflickers Plt im 2 h Intervall bewertet.

 

Spannungs-Unsymmetrie

Die Spannungs-Unsymmetrie ist ein Maß für die ungleichmäßige Belastung eines Dreiphasensystems. Diese kann sich durch unterschiedliche Amplitude ΔU der einzelnen Phasen oder eine Phasenwinkeldifferenz Δϕ ungleich 120° zwischen den Außenleiterspannungen bemerkbar machen.

 

Zur Berechnung der Spannungs-Unsymmetrie werden die 10 min Mittelwerte der symmetrischen Komponenten des gemessenen Spannungs-Systems verwendet. Der Wert für die Unsymmetrie [%] berechnet sich dabei aus dem Verhältnis von Gegensystem zu Mitsystem.

 

 

Ursachen
Probleme mit der Symmetrie des Dreiphasensystems treten vor allem in Niederspannungsnetzen auf und werden von ungleichmäßig verteilten ein- und zweiphasigen Verbrauchern sowie Erzeugungsanlagen hervorgerufen.

 

In Mittel- und Hochspannungsnetzen können Unsymmetrien durch Schmelzöfen oder verdrehte Übertragungsleitungen entstehen.

 

 

Bedeutung für die EN 50160 Auswertung
In der EN 50160 Norm existieren keine Grenzwerte für die Anzahl von Spannungs-Unsymmetrie Ereignissen. Es wird lediglich die Wochenstatistik der Spannungs-Unsymmetrie Messwerte im 10 min Intervall bewertet. Der Grenzwert liegt üblicherweise bei 2 %.

 

Unterbrechung der Stromversorgung

Eine Unterbrechung der Stromversorgung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung auf allen Phasen auf weniger als 5 % des Nominalwertes einbricht.

 

Es wird zwischen planmäßigen oder unplanmäßigen Unterbrechungen der Versorgung in einem bestimmten Gebiet, kurzzeitigen Unterbrechungen (bis zu 3 Minuten) sowie langen Unterbrechungen (mehr als 3 Minuten) unterschieden.

 

Ursachen für Unterbrechungen können äußere Einflüsse wie Beschädigung von Überragungsleitung durch Naturereignisse oder geplante Schaltvorgänge oder Schutzauslösungen sein.

 

Unsere Video-Serie:

Aktuelle Sachverhalte rund um das Thema Spannungsqualität

Wandel in der Energietechnik mit Blick auf Power Quality – Teil 1

In diesem Beitrag, der gemeinsam mit dem Portal Schutztechnik.com entstanden ist, wird der aktuelle Wandel in der Energietechnik diskutiert. Zusätzlich sollen die Auswirkungen der Netzrückwirkungen betrachtet werden und welchen Einfluss diese auf Messgeräte haben, mit denen wir heute Fehler im Netz detektieren.


Wandel in der Energietechnik mit Blick auf Power Quality – Teil 2

Normen spielen für Messungen der Spannungsqualität eine große Rolle. Dementsprechend ist es essentiell, dass auch diese an die neuen Gegebenheiten im Zuge des Wandels in der Energietechnik angepasst werden. Im zweiten Beitrag unserer Reihe befassen wir uns mit den gängigen Normen im Bereich der Spannungsqualität und wie diese mit Bezug auf die hohen Schaltfrequenzen auszulegen sind.


Power Quality Messungen:
Der N-Leiter & Harmonische Oberschwingungen

In Power Quality Messungen werden häufig ungeradzahlige harmonische Oberschwingungen wie die 15., 21. & 27. verletzt. Doch was sind Harmonische überhaupt, wie kommt dieser Umstand zustande und welchen Einfluss haben Sie auf den Neutralleiter. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit diesen Fragen und soll Licht ins Dunkle führen.


Spannungsqualität messen:
Die 3. Harmonische in der Praxis

Im Bericht „Der N-Leiter & Harmonische Oberschwingungen“ wurde bereits erklärt, was die Besonderheiten der durch 3 teilbaren Harmonischen sind und wieso diese sich auf dem Neutralleiter addieren. Dieser Applikationsbericht soll dies noch einmal anhand einer typischen Messung im Netz veranschaulichen und aufzeigen, was bei Power Quality Messungen zu beachten ist. Beim geschilderten Fall geht es um Probleme bei der Spannungsqualität in einem Bürogebäude.

Unsere mobilen Power Quality Messgeräte

Die PQ-Box Familie besteht aus leistungsstarken, tragbaren Netz-, Frequenzanalysatoren, Leistungsmessern und Transientenrekordern, bei denen die Bedienerfreundlichkeit und die Praxistauglichkeit im Vordergrund stehen.


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Applikationsberichte

Anwendungsbeispiele unserer Geräte

Netzrückwirkungen stören Schutzeinrichtungen

In einem Foto- und Designstudio, angesiedelt in einem großen Industriepark, löste ein Fehlerstrom-Schutzschalter (RCD) sehr häufig aus. Aufgrund der permanenten Stromausfälle konnte diese Firma an vielen Tagen pro Monat nicht vernünftig arbeiten. Lesen Sie hier, wie wir dieses Problem beheben konnten.

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Normgerecht Probleme der Spannungsqualität messen und auswerten

Der folgende Bericht zeigt auf, wie durch das Zusammenspiel einer PQ-Box und der Software WinPQ mobil die Bewertung der Störpegel an einer Messstelle im Vergleich zu zugelassenen Netznormen möglich ist.

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Messbericht: Ausfall von Produktionsmaschinen bzw. Auslösung eines Leistungsschalters infolge von Spannungseinbrüchen

In einem Industrienetz kommt es durch das Auslösen von Leistungsschaltern gelegentlich zu Ausfällen von großen Produktionsmaschinen. Der Betreiber des Industrienetzes möchte durch eine Messung mit einem unserer Power Quality Netzanalysatoren die Ursache des Auslösens der Leistungsschalter ermitteln.

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Spannungsqualität messen: Die 3. Harmonische in der Praxis

Dieser Applikationsbericht soll anhand einer typischen Messung im Netz veranschaulichen und aufzeigen, was bei Power Quality Messungen zu beachten ist.

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Unsere fix-installierten Power Quality Messgeräte

Die fest installierten Störschreiber und Power Quality Netzanalysatoren sind die zentralen Komponenten in
einem System, mit dem alle Messaufgaben in einem Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetz gelöst werden können.


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Wichtige Normen & Standards für Power Quality

Eine Übersicht

Wir fassen die am häufigsten verwendeten internationalen Normen rund um Power Quality zusammen. Um die Netzqualität an einem bestimmten Messpunkt zu bewerten, ist es wichtig, die Normen zu berücksichtigen, die für das entsprechende Netz gelten. Wie der Tabelle entnommen werden kann, gelten einige Normen für bestimmte Spannungsebenen. In den meisten Fällen wird die Niederspannung mit < 1 kV definiert, die Mittelspannung von 1 bis 35 kV und die Hochspannung > 35 kV.

EN 50160

Beschreibung:
Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen.


Untersuchte Parameter:

  • Frequenz
  • Spannung
  • Flicker
  • Spannungsoberschwingung

Anwendbar für:
Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetze (Öffentliche europäische Netze)

IEC 61000-2-2

Beschreibung:
Umgebungsbedingungen – Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen und Signalübertragungen in öffentlichen Niederspannungsnetzen.


Untersuchte Parameter:

  • Frequenz
  • Spannung
  • Flicker
  • Spannungsharmonische Frequenzbänder von Oberschwingungen bis zu 150 kHz

Anwendbar für:
Niederspannungsnetze (International)

IEC 61000-2-12

Beschreibung:
Umgebungsbedingungen – Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen und Signalübertragungen in öffentlichen Mittelspannungsnetzen.


Untersuchte Parameter:

  • Frequenz
  • Spannung
  • Flicker
  • Spannungsoberschwingung

Anwendbar für:
Öffentliche Mittelspannungsnetze (International)

IEC 61000-2-4

Beschreibung:
Umgebungsbedingungen – Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen in Industrieanlagen.


Untersuchte Parameter:

  • Frequenz
  • Spannung
  • Flicker
  • Spannungsoberschwingung

Anwendbar für:
Niederspannungsnetze in der Industrie (International)

IEEE 519

Beschreibung:
Empfohlene Praxis und Anforderungen für die Oberschwingungsregelung in elektrischen Energiesystemen.


Untersuchte Parameter:

  • Spannungsoberschwingung
  • Stromoberschwingung

Anwendbar für:
Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetze in der Industrie (International)

IEC 61000-3-12

Beschreibung:
Grenzwerte für Oberschwingungsströme, verursacht von Geräten und Einrichtungen mit einem Eingangsstrom > 16 A und ≤ 75 A je Leiter, die zum Anschluss an öffentliche Niederspannungsnetze vorgesehen sind.


Untersuchte Parameter:

  • Stromoberschwingung

Anwendbar für:
Öffentliche Niederspannungsnetze

Power Quality Dienstleistungen

Wir bieten Ihnen Power Quality Audits mit Störungssuche gemäß EN 50160 und IEC 61000 an und unterstützen Sie mit unserem Experten-Knowhow. Als Marktführer im Bereich der mobilen Power Quality Geräte können wir für unsere Dienstleistungen auf eine Vielzahl von Netzanalysatoren mit dem passenden Zubehör zurückgreifen.


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