Ein Multifunktionszähler wird in der Regel wegen der Energieangabe angeschafft. Man möchte die Kilowattstunden pro Schicht oder pro Produktionslinie wissen, und das Messgerät wird installiert, um diesen Wert zu liefern. Die Oberschwingungsanzeige ist der Teil, den im ersten Jahr niemand öffnet. Dann wird eine Neutralleiterklemme warm, oder bei einer Kondensatorbank brennen Sicherungen durch – und dasselbe Messgerät wird zum nützlichsten Instrument im Schaltschrank.
Anmerkung zum Geltungsbereich: Dieser umfasst das Ablesen von Oberschwingungen an fest installierten Schalttafelmessgeräten in Nieder- und Mittelspannungsverteilungsnetzen bis zur 31. Oberschwingung. Er ersetzt keine Konformitätsprüfung mit einem tragbaren Netzqualitätsanalysator und deckt keine Zwischenharmonischen, Flicker- oder Einbruchsstatistiken ab. ACXION stellt die hier besprochenen Messgeräte der TS-Serie her; daher stammen diese Informationen eher aus dem Bereich der Fertigung und Anwendung als aus einem Prüflabor.
Warum der Neutralleiter mehr Strom führen kann als die Phase
In einem symmetrischen Dreiphasensystem, das lineare Lasten versorgt, fließt im Neutralleiter fast kein Strom. Deshalb werden Neutralleiter oft kleiner dimensioniert als die Phasenleiter. Schaltnetzteile ändern dies. Der von einem Gleichrichter-Frontend aufgenommene Strom ist nicht sinusförmig. Die dritte Oberschwingung, die dabei entsteht, hebt sich im Neutralleiter nicht so auf wie die Grundschwingung. Die dritte, neunte und fünfzehnte Oberschwingung addieren sich im Neutralleiter, anstatt sich aufzuheben.
Wir haben auf Verteilertafeln, die ausschließlich LED-Beleuchtung und Desktop-Geräte versorgen, einen Neutralleiterstrom gemessen, der über dem Phasenstrom lag. Die Phasenwerte schienen im grünen Bereich zu liegen – deutlich unterhalb der Nennleistung des Schutzschalters –, während sich der Neutralleiter warm anfühlte. Bei vier Verteilertafeln, die wir im letzten Jahr untersucht haben, war der Neutralleiter wärmer als jede Phase. In jedem Fall war die Verteilertafel unter der Annahme ausgelegt worden, dass die Last linear sei. Auf den Typenschildern hätte nichts darauf hingedeutet.
Ein Messgerät, das nur den Gesamtstrom anzeigt, verschleiert dies vollständig. Man benötigt die Angaben zum Oberschwingungsanteil am Neutralleiter oder zumindest zur dritten Oberschwingung an den Phasen, bevor man entscheiden kann, ob der Neutralleiter richtig dimensioniert ist.
Betrachten Sie das Gesamtbild, nicht nur einen einzelnen Prozentsatz
Die meisten Messgeräte zeigen die harmonische Gesamtverzerrung als einen einzigen Wert an, und bei diesem Wert hören die meisten Menschen auf, sich damit zu beschäftigen. Dabei ist dies der am wenigsten aussagekräftige Wert auf dem Display. Acht Prozent, die durch eine dritte Harmonische verursacht werden, stellen ein anderes Problem dar als acht Prozent, die durch eine elfte Harmonische verursacht werden, und die Abhilfemaßnahmen sind nicht dieselben.
Die Reihenfolge gibt Aufschluss über die Quelle. Eine dominante Quinte und Septime deuten auf einen Sechs-Puls-Gleichrichter hin, was in Anlagen in der Regel auf Frequenzumrichter und größere USV-Anlagen hindeutet. Eine dominante Terz deutet auf einphasige elektronische Lasten hin, und das ist das oben beschriebene Neutralleiterproblem. Die elfte und dreizehnte Harmonische deuten in der Regel auf eine Zwölf-Puls-Schaltung oder einen großen Gleichstromantrieb hin. Die Norm IEC 61000-4-7 legt fest, wie Oberschwingungs- und Zwischenharmonische-Messungen in einem Versorgungsnetz gruppiert und ausgewertet werden sollten. Sie dient uns als Referenz, wenn jemand fragt, warum ein fest installiertes Messgerät und ein tragbares Messgerät um einige Zehntel voneinander abweichen.
Die TS-Multifunktionsmessgeräte erfassen die zweite bis zur einunddreißigsten Oberschwingung. Dieser Bereich deckt alles ab, was Sie in einer industriellen oder gewerblichen Schaltanlage erwarten können. Alles, was darüber hinausgeht, gehört zu einer anderen Geräteklasse und erfordert eine andere Art der Untersuchung.
Woher die Obertöne kommen
Die Quellen sind fast immer dieselben vier, und sobald man sie kennt, kann man das Spektrum in der Regel vor der Messung vorhersagen. Frequenzumrichter sind in den meisten Anlagen der größte Einzelverursacher. Schaltnetzteile in Schaltschränken, SPS-Racks und IT-Geräten tragen zu einem breiten Hintergrundrauschen der dritten Harmonischen bei, das niemals verschwindet. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) tragen je nach ihrer Gleichrichterauslegung dazu bei. LED-Beleuchtung trägt in einer großen Anlage mehr bei, als man erwartet, da die Anzahl der Leuchten hoch ist, auch wenn jede einzelne klein ist.
Das liegt nicht an einem Defekt der Anlage. Moderne Verbraucher beziehen Strom in Impulsen, und die Stromversorgung muss damit zurechtkommen. Die Frage ist lediglich, ob die Verteilungsanlage dafür ausgelegt ist – und in der Regel ist sie es nicht.
Die Kondensatorbank-Falle
Kondensatoren zur Leistungsfaktorkorrektur sind es, die einen noch beherrschbaren Oberschwingungspegel zu einer Störung machen. Ein Kondensator weist bei Oberschwingungsfrequenzen eine niedrige Impedanz auf, sodass die Kondensatorbank den Oberschwingungsstrom aus der gesamten Anlage aufnimmt. Wenn die Induktivität der Kondensatorbank zufällig in der Nähe einer vorhandenen Oberschwingung in Resonanz tritt, kann der Strom in diesem Zweig weit über den Wert ansteigen, für den die Sicherungen und Schütze ausgelegt sind. Durchgebrannte Kondensatorsicherungen, aufgeblähte Gehäuse und verschweißte Schützkontakte sind die üblichen Symptome. Sie werden routinemäßig als Qualitätsproblem der Kondensatoren diagnostiziert.
Wir wurden zu zwei Fällen gerufen, bei denen die Kondensatorbank als sichtbare Fehlerquelle identifiziert wurde. Die eigentliche Ursache war eine Umrüstung der Antriebe, die achtzehn Monate zuvor vorgenommen worden war. Die Kondensatorbank war ursprünglich für eine Last ausgelegt worden, die überwiegend aus Motoren bestand, und die Oberschwingungsströme der neuen Antriebe trafen sofort auf den Resonanzpunkt. In beiden Fällen konnten die Messdaten den Streit klären. Der Strom der fünften Oberschwingung im Kondensatorzweig betrug ein Vielfaches der Grundschwingung.
Die Standardlösung ist ein entstimmter Reaktor, der in Reihe mit jeder Stufe geschaltet ist. Der Reaktor muss entsprechend der tatsächlich vorhandenen Oberschwingungsordnung ausgewählt werden und nicht anhand eines allgemeinen Wertes aus einem früheren Auftrag.
Zahlen, auf die Sie sich verlassen können
Eine Oberschwingungsmessung ist nur so gut wie der Stromwandler, der sie speist. Die TS-Messgeräte sind für einen Stromwandler-Sekundärstrom von 1 A oder 5 A ausgelegt. Die Spannungseingänge betragen 57,7/100 V oder 220/380 V, entweder direkt oder über einen Spannungswandler. Sie weisen sowohl am Strom- als auch am Spannungseingang eine Last von unter 0,2 VA auf. Dieser letzte Wert ist wichtiger, als es auf den ersten Blick scheint. Ist der Stromwandler klein und die Sekundärleitung lang, kann die Belastung im Kabel den Kern in die Sättigung treiben. Ein gesättigter Kern meldet Oberschwingungen, die gar nicht vorhanden sind.
Strom und Spannung werden gemäß Klasse 0,2 gemessen, Wirkleistung und Wirkenergie gemäß Klasse 0,5 und Blindenergie gemäß Klasse 1. Bei der Analyse von Oberschwingungen ist die Genauigkeit von Spannung und Strom maßgeblich, da der Oberschwingungsanteil aus derselben Eingangsseite stammt. Der Frequenzbereich liegt zwischen 45 und 65 Hz, und die Dauerüberlast am Stromeingang beträgt das 1,2-Fache des Nennwerts.
Bei der Kommunikation nutzen die Messgeräte Modbus-RTU über RS485 mit 2400, 4800, 9600 oder 19200 bps, wobei 9600 als Standard eingestellt ist. In der Praxis ist die Baudrate selten der begrenzende Faktor. Vielmehr ist es die Abfragefrequenz des SCADA-Masters. Eine einmal pro Stunde durchgeführte Spektrumsmessung zeigt nicht den Spitzenwert an, der beim Anlaufen eines bestimmten Antriebs auftritt.
Panel-Format und Auswahlmöglichkeiten
Das Messgerät muss in den verbleibenden Platz passen, und bei einer Nachrüstung entspricht dieser Platz dem, den das vorherige Gerät eingenommen hat. Die TS-Serie ist in quadratischen Formaten mit 48, 72, 80 und 96 mm sowie in einer Version mit 96 × 48 mm erhältlich. Die Ausschnittmaße betragen 45 × 45, 68 × 68, 76 × 76 und 91 × 91 mm sowie 91 × 45 mm bei der breiten Version. Ein 96-mm-Gerät verfügt über eine Bildschirmfläche, auf der ein Spektrum gut lesbar dargestellt werden kann. Dies ist wichtig, wenn erwartet wird, dass ein Bediener die Anzeige vor Ort und nicht über den Bus abliest.
Die optionale Erweiterung umfasst einen oder zwei Relaisausgänge, zwei oder vier digitale Eingänge sowie einen bis drei Analogausgänge mit 4 bis 20 mA oder 0 bis 20 mA. Welche dieser Optionen Sie benötigen, hängt davon ab, ob das Messgerät nur Messwerte anzeigt oder auch Funktionen ausführt, und nicht jede Kombination passt zu jeder Gehäusegröße. Bei den 96 × 48 mm großen Gleichstrom-Messgeräten schließen sich die RS485-Option und der einzelne Analogausgang gegenseitig aus. Diese Entscheidung muss vor der Bestellung getroffen werden.
Die Stromversorgung erfolgt mit Wechselstrom oder Gleichstrom von 80 bis 270 V bei maximal 5 VA. Der Betriebsbereich liegt zwischen minus 10 und plus 55 Grad Celsius, und die maximale Höhe beträgt 2500 Meter. Die Isolationsspannung zwischen Stromversorgung, Ein- und Ausgängen liegt über 2 kV Wechselstrom.
Die gleiche Plattform deckt auch Gleichstrommessungen ab. Der direkte Gleichspannungseingang reicht bis zu 1000 V, und der Strom wird über einen 75-mV-Shunt oder einen Hall-Sensor erfasst, in Klasse 0,5. Das ist die Version, die für Solar- und Telekommunikationsplatinen benötigt wird. Es handelt sich dabei um eine separate Modellfamilie und nicht um eine Option der Wechselstrommessgeräte.
Was wir vor der Erstellung eines Kostenvoranschlags erfragen
Da wir der Hersteller sind, ist es nur fair zu sagen, dass wir diese Geräte verkaufen, und die Anleitung spiegelt dies wider. Was wir von Ihnen benötigen, ist keine Bestellung. Es sind die Systemspannung, das bereits installierte CT-Verhältnis und die Sekundärnennleistung sowie die Angabe, ob die Spannung direkt oder über einen PT erfolgt. Außerdem benötigen wir die von Ihnen tatsächlich benötigte Genauigkeitsklasse, die erforderlichen Erweiterungsausgänge und die Art und Weise, wie die Messwerte erfasst werden sollen.
Messgeräte dieser Baureihe werden auf Bestellung aus dem Katalog gefertigt und die Preise richten sich nach der jeweiligen Konfiguration. Modellübersichten, Erweiterungscodes, Anschlussbelegungen und Ausschnittmaße finden Sie im Katalog der TS-Serie auf unserer Download-Center. Falls dieselbe Anlage ebenfalls geschützt werden muss, finden Sie in unseren Hinweisen zur Auswahl eines Schutzrelais ACX6300 Bedecken Sie diese Seite der Platte mit einer Schutzfolie.
Was in diesem Artikel nicht behandelt wird
Interharmonische Schwingungen, Spannungsflimmern, Statistiken zu Spannungsabfällen und -anstiegen sowie die Berichterstattung zur Einhaltung der Tarife des Energieversorgers gehen alle über den vorgesehenen Einsatzbereich eines Zählers hinaus. Wenn es darum geht, festzustellen, ob eine Anlage die vom Netzbetreiber festgelegten Obergrenzen für Oberschwingungen einhält, ist hierfür ein tragbares Messgerät über einen bestimmten Erfassungszeitraum erforderlich. IEEE 519 ist die übliche Referenz für die Festlegung dieser Grenzwerte. Ein fest installiertes Messgerät zeigt Ihnen, was an einem Dienstagnachmittag vor sich geht. Es sagt Ihnen jedoch nicht von sich aus, wie der Energieversorger dies bewerten wird.
Die hier angegebenen Nennleistungen stammen aus dem aktuellen Katalog. Überprüfen Sie die Modellbezeichnung und die Erweiterungskombination auf der Auftragsbestätigung und orientieren Sie sich maßgeblich am mitgelieferten Schaltplan.