A A A
| Sitemap | Kontakt | Impressum | Datenschutz
ETZ Logo VDE Verlag Logo

Spannungseinbrüche können in der Produktion sehr kostspielig sein. Die Überwachung des Stromnetzes muss nicht so aufwendig sein, wie viele denken

3-in-1-Monitoring für Spannungsqualität und Energieeffizienz (Teil 3)

01 Netzrückwirkungen durch Frequenzumrichter

02 Kritischer Spannungseinbruch mit Fertigungsstillstand

03 Das 3-in-1-Messgerät UMG 512

04 Betriebsströme auf Erdungssystemen

Die Auswirkungen von kurzen Spannungseinbrüchen können gravierend sein. Optimal wäre es, Defekte im Entstehen zu erkennen und zu beheben. Dass man nicht mit einer Vielzahl von Instrumenten arbeiten muss, um seine gesamte Infrastruktur zu überwachen, zeigt die dreiteilige Artikelserie. Der letzte Teil der Serie beschreibt den praktischen Einsatz und behandelt die Überwachung von Spannungsqualität und EMV-Probleme.

Das zuverlässige Betreiben moderner Anlagen und Systeme setzt immer eine hohe Versorgungszuverlässigkeit und gute Spannungsqualität (Power Quality) voraus. Allerdings kommen in der modernen Energieversorgung vom Industrienetz bis hin zum Bürogebäude eine Vielzahl ein- und dreiphasiger, nichtlinearer Verbraucher zum Einsatz. Dazu gehören Beleuchtungstechnik, wie Lichtregler für Scheinwerfer oder Energiesparlampen, zahlreiche Frequenzumrichter für Heizungs-, Klima- und Lüftungsanlagen, Frequenzumrichter für Automatisierungstechnik oder Aufzüge sowie die gesamte IT-Infrastruktur mit den typischerweise verwendeten, geregelten Schaltnetzteilen. Vielerorts findet man heute auch Wechselrichter für Photovoltaikanlagen (PV) und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV).

Nichtlineare Verbraucher belasten das Netz
Alle diese nichtlinearen, elektrischen Lasten verursachen mehr oder weniger große Netzrückwirkungen mit einer Verzerrung der ursprünglich „sauberen“ Sinusform. Außerdem wird dadurch die Form der Strom- und Spannungswellen entsprechend verzerrt (Bild 1 und Bild 2). Die Belastung der Netzinfrastruktur durch die beschriebenen elektrischen und elektronischen Verbraucher mit Netzrückwirkungen hat in den letzten Jahren signifikant zugenommen. Je nach Art der Erzeugungsanlage sowie der Betriebsmittel (Netzeinspeisung mit Umrichter, Generator), Netzsteifigkeit am Anschlusspunkt und der relativen Größe der nichtlinearen Verbraucher entstehen dabei unterschiedliche Netzrückwirkungen und Beeinflussungen. Für gesicherte Stromversorgungen in Rechenzentren muss die Netzqualität der Klasse 1 nach DIN EN 61000-2-4 (VDE 0839-2-4) entsprechen. Janitza bietet mit einer breiten Palette an UMG-Messgeräten die Möglichkeit, die verschiedenen Parameter der Spannungsqualität zu erfassen und zu analysieren. So ermöglichen die neuen Baureihen UMG 512 (Bild 3), UMG 96RM-E und UMG 20CM die Überwachung auf drei Ebenen. Zusammen mit der Software Gridvis und dem integrierten Alarmmanagement vereinen sie Lösungen für drei Bereiche in einer gemeinsamen Systemumgebung und nur einem Messgerät je Messstelle:
•Energiemanagement nach DIN EN ISO 50001 (Erfassen von V, A, Hz, kWh, kW, kVArh, kvar, …),
•Spannungsqualitäts-Überwachung (Oberschwingungen, Flicker, Spannungseinbrüche, Transienten, …) und
•Differenzstrommessung (Residual Current Monitoring, kurz RCM).
Standardisierte Spannungsqualitätsberichte in der Software Gridvis, zum Beispiel für DIN EN 50160, DIN EN 61000-2-4 (VDE 0839-2-4) und ITIC (Cbema-Kurve) erlauben die Berichterstellung für gängige Normen quasi auf Knopfdruck.

Monitoring-Lösungen in der Praxis
Solch eine 3-in-1-Monitoring-Lösung mit integrierter Messung von Energie, Spannungsqualität und RCM erfordert die Messung aller Leiter (L1, L2, L3, N), zentralem Erdungspunkt (ZEP) sowie RCM mit einem einzigen Messgerät. Ein leistungsfähiges Messgerät mit sechs Messstromeingängen für die 3-in-1-Messung ist das UMG 96RM-E für Zwischenverteiler oder das UMG 512 für Hauptknotenpunkte und ZEP von Janitza. Die IP-basierten Messgeräte lassen sich über Ethernet einfach in bestehende Kommunikationsnetze integrieren. Zahlreiche IP-Protokolle, Onboard-Homepage und SNMP-Protokoll erleichtern den Administratoren die Arbeit. In komplexen Elektroinstallationen mit einer Vielzahl an zu überwachenden Punkten bieten sich die 20-kanaligen UMG 20CM an. Diese Messgeräte können über die dazugehörigen Messstromwandler (zum Beispiel CT-6-20) Fehler-, Differenz- und Betriebsströme beliebig kombinierbar erfassen, kontinuierlich aufzeichnen und analysieren. Spezielle Differenzstromwandler mit praktischen Sonderbauformen erlauben auch die kostengünstige Nachrüstung bei Bestandsanlagen ohne elektrische Verbraucher abschalten zu müssen.

Alarm an der richtigen Stelle
Alarme dürfen nicht ungehört verhallen. Ein akustisches Signal aus dem Schaltschrank in der NH-Verteilung nützt in der Leitwarte wenig. Die Integration der RCM-Messgeräte in die Gridvis-Software mit seinen umfangreichen Meldemöglichkeiten des Alarmmanagements stellt sicher, dass die Meldung schnell den richtigen Empfänger erreicht. Mit beliebigen Eskalationsstufen und Logbuchfunktion stehen dem Überwachungsleitstand alle Tools für eine effiziente Überwachung zur Verfügung. So kann die verantwortliche Elektrofachkraft etwaige Fehlerstromanhebungen schnellstmöglich erkennen, bewerten und bei Bedarf Instandhaltungsmaßnahmen in die Wege leiten.

Vagabundierende Ströme stören die EMV
Verbindungen zwischen N- und PE-Leiter führen dazu, dass sich „vagabundierende“ Betriebsströme über das PE-System, über Datenleitungen und alle metallenen Gebäudeteile verteilen. Weil diese Ströme nicht ausgeglichen sind, generieren sie elektromagnetische Felder. Vielfältige Störungen in den elektrischen Anlagen, EDV-Netzen und Rohrsystemen der Gebäudeinstallation sind die Folgen. Bild 4 veranschaulicht, wie sich der Betriebsstrom an der PEN-Brücke aufteilt und über mehrere Wege zurückfließen kann, wodurch die Summe über Hin- und Rückleiter-Strom nicht länger Null ergibt. Das kann folgende Störungen nach sich ziehen:
•Veränderungen des Betriebsverhaltens von frequenzabhängigen Bauteilen (zum Beispiel nehmen Kondensatoren mehr Strom auf),
•Störungen von Datenübertragungen durch magnetische und induktive Einflüsse,
•Übertragung von Blitzeinflüssen in die elektrische Anlage und
•Korrosionen an metallischen Leitungen sowie Beeinflussung von Personen.
Hin- und Rückleiter, auch in Verteilungen, sind nahe beieinander anzuordnen, um magnetische Felder zu minimieren. An jedem Knotenpunkt eines Stromkreises muss die Summe der Ströme gleich Null sein, um Fehlerströme zu vermeiden. Zusätzlich sollte die Unterverteilung oder der Stromkreis mit einem RCM überwacht werden. Für die Überwachung von Unterverteilungen oder größeren Verbrauchern wurde das UMG 96RM-E konzipiert. Einzelstromkreise, in denen betriebsbedingt keine Fehlerstromschutzschalter eingesetzt werden können, lassen sich mit dem UMG 20CM überwachen. Ein meldendes RCM in Kombination mit dem Fachpersonal vor Ort schaffen maximale, alternative Sicherheit.

Neutralleiter und ZEP
Der Neutralleiter (Betriebsstrom Rückleiter) ist heute der wichtigste Leiter geworden. Er ist wie ein Außenleiter zu behandeln. Damit das Erdungssystem “sauber“ bleibt, ist der strombelastete N-Leiter fern vom PE-Leiter anzuordnen. Es dürfen keine galvanischen Betriebsströme über das Erdungssystem fließen, da diese induktive Einkopplungen verursachen würden. Diese Maßnahmen müssen bis zur speisenden Quelle erfolgen. Im TN-S-System ist der N-Leiter nur einmal, am sogenannten ZEP (zentraler Erdungspunkt von N zu PE), an geeigneter Stelle mit dem Erdungssystem zu verbinden und zu überwachen. Unerwünschte Isolationsfehler oder galvanische Verbindungen zwischen N und PE werden mit einer Überwachung des ZEP sofort erkannt. Abweichungen werden rechtzeitig gemeldet und zeitliche Abhängigkeiten analysiert. Ob das TN-S-System fehlerfrei funktioniert, lässt sich zum Beispiel mit dem UMG 512 kontrollieren. Das Gerät erlaubt eine gesamtheitliche Betrachtung von Netzqualität und EMV. So kann man sogar die auslösende Phase eines Erdschlussfehlers aufzeichnen und analysieren. Der Phasenstrom steigt dann parallel zum ZEP-Strom an. Der Strom auf dem ZEP ist immer in Abhängigkeit zur Gesamtleistung des TN-S-Systems zu betrachten. Das bedeutet, dass einerseits betriebsbedingte Ableitströme toleriert, aber abnormale Abweichungen auf dem ZEP vom RCM gemeldet werden.

Zusammenfassung und Ausblick
An künftige Stromversorgungen werden immer höhere Anforderungen gestellt, da Stromausfälle hohe Kosten und immensen Ärger verursachen. Die kontinuierliche RCM-Überwachung für hoch verfügbare Stromversorgungen mit hohen EMV-Ansprüchen aber auch für den vorbeugenden Brandschutz setzt sich verstärkt durch. Um diesem Trend entgegen zu kommen, hat Janitza bereits 2013 die 20-kanalige Baureihe UMG 20CM auf den Markt gebracht. Die Familie wurde inzwischen um die Geräte UMG 509 und UMG 512 erweitert. Sie ermöglichen die RCM-Überwachung der Stromversorgung auf allen vier Ebenen: Einspeisung (PCC), Hauptverteilung (Trafoabgänge), Unterverteilungen sowie einzelne Lasten (zum Beispiel Serverschränke). (no)

Der Beitrag als pdf

Autoren:
Dipl.-Ing. (FH) Gerald Fritzen ist Key Account Manager bei der Janitza Electronics GmbH in Lahnau. gerald.fritzen@janitza.de

Dipl.-Phys. Martin Witzsch ist freier Journalist im Auftrag der Janitza Electronics GmbH. info@witzsch.com