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01 Der Klasse-A-Spannungsqualitätsanalysator UMG 512

Qualitätssiegel für Spannungsqualitätsanalysatoren

02 Prinzip eines Power-Quality-Managements mit der Funktion Watchdog

03 Darstellung der Online- und historischen Daten über die integrierte UMG-Messgeräte- Homepage

04 Meldung vor Abschaltung – ein Ziel der Differenzstromüberwachung

Die Qualität der Stromversorgung war lange Zeit gleichbedeutend mit Versorgungssicherheit, das heißt, dem Ausbleiben von fühlbaren Unterbrechungen. Elektronische Verbraucher, wie EDV-Anlagen oder industrielle Steuerungen benötigen weit mehr: Zum Beispiel können Oberschwingungen und Transienten erhebliche Schäden verursachen. In der Konsequenz hat der Bundesgerichtshof Netzverteilbetreiber der Produkthaftung unterworfen. Umso wichtiger ist eine umfassende Analyse und Dokumentation der Spannungsqualität mit zertifizierten Verfahren.

Die Spannungsqualität zu bestimmen, betrifft einen wachsenden Kreis von Anbietern und Verbrauchern: Netzbetreiber sehen sich einer – eigentlich erfreulichen – Anzahl von Erzeugern erneuerbarer Energie gegenüber. Die Verbraucher, speziell im gewerblichen und industriellen Sektor, blicken mit Sorge auf ihre vielen Embedded-Systeme und Steuerungen in allen Bereichen des Anlagenfelds. Dabei müssen sie manchmal auch erkennen, dass sie selbst Verursacher von Störungen sind. Frequenzumrichter, Energiesparer par excellence, sind nur ein Beispiel für nichtlineare Verbraucher, die Störungen verursachen können. Aber auch eine ganz triviale Schieflast im Dreiphasennetz kann Ärger bereiten. Zusätzliche Aktualität hat das Thema durch ein Urteil des Bundesgerichtshofs vom Februar 2014 gewonnen (Az.: VI ZR 144/13). Elektrizität ist nach Auffassung des BGH ein Produkt im Sinne von §2 ProdHaftG. In der Konsequenz haftet damit der Verteilnetzbetreiber, wenn Elektrogeräte durch schlechte Spannungsqualität Schaden nehmen. Ein Haftungsausschluss durch die Niederspannungsanschlussverordnung (NAV) wurde vom Gericht ausdrücklich verneint. Der Lieferant haftet unabhängig vom Verschulden. Der Netzbetreiber muss Spannung und Frequenz möglichst gleichbleibend halten, sodass allgemein übliche Verbrauchsgeräte und Stromerzeugungsanlagen einwandfrei betrieben werden können.

Die Suche nach den Verursachern
Zur Analyse sowie zum Nachweis und der Dokumentation der Spannungsqualität ist ein durchgehendes Monitoring in ausreichender Granularität erforderlich. Unabhängig davon, ob man den „Schuldigen“ für einen entstandenen Schaden zur Rechenschaft ziehen will oder Störquellen vorsorglich erkennen und entschärfen möchte: Man benötigt zuverlässige und dokumentierte Messwerte, die im Zweifelsfall sogar vor Gericht Bestand haben. Dann helfen die Aufzeichnungen von Spannungsqualitätsanalysatoren, wie die Janitza Electronics GmbH sie seit Jahren entwickelt und vertreibt (Bild 1). Durch umfangreiche Analysetools und Dokumentationen bieten sie einen umfassenden und detailreichen Einblick in eine Anlage. Neben grundlegenden Werten, wie Spannungshöhe, Frequenz und Kurvenform, erfassen sie vor allem Störungen aller Art. Dies können Flicker-Effekte sein oder auch kurzzeitige Spannungseinbrüche, wie sie etwa für die automatische Wiedereinschaltung nach Lichtbogen-Kurzschlüssen charakteristisch sind. Ein anderer Klassiker sind Oberschwingungen. Diese werden durch nichtlineare Verbraucher verursacht und können die Funktion von anderen Geräten erheblich beeinträchtigen. Außerdem heben sich im Gegensatz zu der Grundschwingung im Dreiphasensystem alle durch drei teilbare Oberschwingungen im Neutralleiter nicht auf, sondern addieren sich. Dies kann zu einer unzulässig hohen Strombelastung des Neutralleiters führen. Typische Oberschwingungserzeuger sind die erwähnten Frequenzumrichter. Weitverbreitet sind auch Überspannungen bei Schaltvorgängen.

Standardisierte Messverfahren für die Spannungsqualität
Diese Effekte sind nur mit einem hohen Aufwand erfassbar. Daher spielen die zeitliche Auflösung und die Messtoleranz des Spannungsqualitätsanalysators eine entscheidende Rolle bei der Dokumentation. Vor allem in Bereichen, in denen Spannungsqualität oder eine Begrenzung von Störungen Vertragsbestandteile sind, kann die Messmethode eine entscheidende Rolle spielen. Die Vertragspartner müssten sich dann neben den Spannungseigenschaften auch auf die Messmethode und die Qualität der Messgeräte einigen, mit der diese bestimmt werden (Bild 2). Die Versuchung wäre sonst groß, durch weniger leistungsfähige Geräte mögliche Störungen großzügig zu übersehen. Selbst wenn man keine Absicht unterstellt, war es lange Zeit schwierig, Instrumente verschiedener Hersteller zu vergleichen. In Ermangelung verbindlicher Normen haben sie jeweils eigene Verfahren zum Auswerten einer Messung entwickelt. Der Anwender musste sich somit nicht nur mit der eigentlichen Messung, sondern womöglich auch mit den Messalgorithmen und Verfahren der Hersteller befassen. Um in so einer Situation Rechtssicherheit zu schaffen, müssten Lieferanten und Kunden seitenlange Vereinbarungen über zu verwendende Messgeräte in den Vertrag aufnehmen. Glücklicherweise gibt es seit einigen Jahren die DIN EN 61000-4-30 (VDE 0847-4-30) Klasse A. Sie liefert detaillierte Vorgaben, die ein Spannungsqualitätsanalysator erfüllen muss, damit die Resultate auch in Streitfällen hinzugezogen werden können. Die Norm definiert die notwendigen Parameter, geeignete Messmethoden, Genauigkeit und Bandbreiten. So lassen sich Ergebnisse problemlos reproduzieren und vergleichen.

Zertifizierte Geräte
Es gibt viele Spannungsqualitätsanalysatoren auf dem Markt; jedoch sind bei Weitem nicht alle zertifiziert. Janitza hat diesen Schritt schon vor einigen Jahren vollzogen. Dem Spannungsqualitätsanalysator UMG 511 wurde bereits im Januar 2011 die Klasse A Konformität gemäß DIN EN 61000-4-30 (VDE 0847-4-30) bestätigt. Damit ist auch in Streitfällen, zur Dokumentation der Spannungsqualität für Endkunden, für die Dokumentation beim EVU, für Aufsichtsbehörden oder zur konkreten Fehleranalyse bei Spannungsqualitätsproblemen in der Energieversorgung eine zuverlässige Referenz gegeben. Im Sommer 2014 kam das Nachfolgemodell auf den Markt, der Spannungsqualitätsanalysator UMG 512. Es beherrscht alle Disziplinen seines Fachs, wie die kontinuierliche Überwachung der Spannungsqualität, die Oberschwingungsanalyse bei Netzproblemen sowie die Überprüfung des internen Versorgungsnetzes gemäß DIN EN 61000-4-7 (VDE 0847-4-7), DIN EN 61000-4-15 (VDE 0847-4-15) und DIN EN 61000-4-30 (VDE 0847-4-30). Das UMG 512 ist auf die Erfassung großer Datenmengen ausgelegt, wie sie bei seiner hohen Abtastrate von 25,6 kHz oder einer kontinuierlichen Echteffektivwertmessung (True-RMS) anfallen. Damit diese Menge an Messwerten auch bei einem Ausfall des Datennetzes erhalten bleiben, verfügt es über einen großen Onboard-Messdatenspeicher mit 256 MByte. Dank diesem sind auch mittels einer Jasic- Oberfläche SPS-Funktionen implementierbar. Zusammen mit dem in der Gridvis-Software enthaltenen Alarmmanagement lassen sich Störungen häufig schon im Vorfeld erkennen und beheben (Bild 3). Den Zugriff auf die vielen Funktionen und Messpunkte vereinfacht das große, intuitiv zu bedienende Farbgrafikdisplay. Messwerte und Ereignisse lassen sich damit nicht nur in numerischer Form, sondern auch als Balkengrafik oder Liniengraph anzeigen. Für Strom und Spannung ist eine Wellenformdarstellung möglich. Außerdem ist die Software Gridvis- Basic im Lieferumfang enthalten, die die Auswertung und Dokumentation zusätzlich erleichtert.

Kommunikationsarchitektur für große Datenmengen
Auch die Kommunikationsarchitektur ist an die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten und die großen Datenmengen angepasst. Dank diverser Ethernet-Protokolle lässt sich zum Beispiel die Fernüberwachung kritischer Prozesse wirtschaftlich realisieren. Als Modbus-Gateway kann das UMG 512 untergeordnete Messgeräte ohne Ethernet-Schnittstelle kostengünstig einbinden. Für den Einsatz in der Gebäudekommunikation beherrscht es das Bacnet-Protokoll. True-RMS-Halbwelleneffektivwerte für Spannung, Strom, Wirkleistung, Blindleistung und Frequenz sind für Phase/Phase und Phase/Erde simultan verfügbar. Die Ereignis- und Transienten-Aufzeichnungsdauer wurde verlängert. Ereignisse können auch in Wellenform angezeigt werden. Das UMG 512 hat zwei RCM-Eingänge für die Differenzstrommessung (Residual Current Monitoring), welche zusammen mit dem Alarmmanagement aus der Gridvis- Software für zusätzliche Sicherheit sorgen (Bild 4). Bei der kontinuierlichen Überwachung der Differenzströme einer elektrischen Anlage wird beispielsweise ein Digitalausgang bei Überschreitung eines Ansprechwerts gesetzt oder eine E-Mail abgesetzt. Der Anlagenbetreiber kann zeitnah reagieren, bevor eine Schutzeinrichtung anspricht. Dies ist besonders wichtig in Anlagen, die eine hohe Verfügbarkeit gewährleisten müssen.

Ausblick
Das UMG 512 ist ein ausgereiftes Gerät, das mit der Zertifizierung nach IEC 61000-4-30 zusätzliche Sicherheit in die Handelsbeziehung zwischen Kunden und Versorger bringt. Der Hersteller entwickelt das Gesamtpaket natürlich weiter. So bietet die neue Geräte-Homepage eine Ampelfunktion, die auffällig signalisiert, ob die DIN EN 50160 eingehalten wird. Apps erweitern zudem den Bedienkomfort: Über die App Messwertmonitor lassen sich online und historisch Daten direkt vom Gerät, ohne zusätzliche Software abrufen. Die App EN-50160-Analyse nutzt die lokale Intelligenz des Geräts, um Daten zu analysieren und aufzubereiten. Das reduziert die zu übertragende Datenmenge, sodass sich auch über weniger leistungsfähige Kommunikationswege, etwa auf dem mobilen Sektor, aussagefähige Informationen über den Anlagenzustand gewinnen lassen. Damit profitiert der Anwender über den gesamten Einsatzzeitraum der Hardware von Erweiterungen und Verbesserungen. (mh)

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Autor:
Dipl.-Phys. Martin Witzsch ist als freier Journalist im Auftrag der Janitza Electronics GmbH in Lahnau tätig. info@witzsch.com