Infobrief – Verrechnungsmessung mit Strom- und Spannungswandlern

8. April 2020

Verrechnungsmessungen elektrischer Energie in Deutschland

Ein komplizierter Sachverhalt

Für Verrechnungsmessung von elektrischer Energie in Deutschland werden bei höheren Strömen und Spannungen, die von dem
Energiezähler nicht mehr beherrscht werden, ausnahmslos induktive Strom- und Spannungswandler eingesetzt. Diese Geräte
unterliegen dem transformatorischen Prinzip. Während Stromwandler einen Transformator nahezu im Kurzschlussbetrieb darstellen, handelt es sich bei Spannungswandlern um einen Transformator, der im Sekundärbereich hochohmig beschaltet wird (Leerlaufbetrieb). Sollen diese Geräte für Verrechnungsmessungen in Deutschland eingesetzt werden, so benötigt der Wandlerhersteller eine Baumusterprüfbescheinigung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Nach der Produktion und Prüfung des Verrechnungswandlers kann der von der PTB zertifizierte Wandlerhersteller die zugelassenen Produkte mit einer Konformitätserklärung versehen. Trotz diesem Nachweis ergeben sich in der Praxis Probleme im Zusammenspiel mit elektronischen Messgeräten.

Stromwandler
Um die Wandler korrekt zu betreiben, ist einiges an Hintergrundwissen nötig. So ist für Stromwandler aktuell die IEC 61869-1 und -2 gültig. Hier werden die folgenden Genauigkeitsklassen für Messzwecke aufgeführt:

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Die Bezeichnung der Genauigkeitsklasse gibt den prozentualen Amplitudenfehler des Stromwandlers bei dem primären Nennstrom an.
Wandler für Verrechnungsmessungen verlangen mindestens Klasse 0,5. Da bei kleinerer Aussteuerung der Stromwandler ein größerer Amplitudenfehler toleriert wird, wird oft bei Verrechnungsstellen, in denen der Stromwandler nur selten bei Nennbetrieb gefahren wird, ein noch engeres Fehlerfenster benötigt. Die Norm bietet hier die Klassen 0,2 S und 0,5 S. Im Gegensatz zu den normalen Messklassen wird der erste Genauigkeitswert bei einem statt bei fünf Prozent des Nennstromes definiert. Auch sind die erlaubten Fehlerwerte im unteren Aussteuerbereich des Stromwandlers deutlich enger definiert.

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In der Wahl der Bemessungsleistung ist der Messstellenbetreiber an die von der PTB standardisierten Bemessungsleistungen
gebunden. (1)

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Gemäß geltender Normung, sowie in Übereinstimmung mit den PTB-Prüfregeln, müssen Verrechnungswandler die an sie gestellten
Genauigkeitsanforderungen bei einer äußeren Bebürdung zwischen 25 %…100 % ihrer Nennbürde einhalten. Als kleinste Prüfbürde von Verrechnungswandlern wurde jedoch der Wert 1 VA festgelegt. Überdies ist zu beachten, dass der Leistungsfaktor bei allen Messpunkten unter 5 VA 1,0 beträgt. Alle Leistungen ab 5 VA werden mit einem Leistungsfaktor von 0,8 gemessen. Nur diese Messpunkte müssen sich in der auf dem Leistungsschild festgelegten Klasse befinden. Wird ein 10 VA Klasse 0,5 Stromwandler jetzt mit nur 0,5 VA bebürdet, bedeutet dies, dass dieser Messpunkt nicht in der genannten Genauigkeitsklasse verortet sein muss.

 

Ein größerer und damit unzulässiger Fehlerwert für das Gesamtmesssystem wäre möglich. Dieses Scenario ist in Deutschland allgegenwärtig, da die digitalen Messgeräte kaum noch Leistung benötigen. Gängige Zähler in der Mittelspannung belasten den Stromwandler nur noch mit ca. 4 bis 100 mVA. Auch bei der kleinsten zulässigen Bemessungsbürde von 1 VA würden diese Werte nicht abgeprüft. Dieser Sachverhalt führt uns zu der Frage, wie sich der Stromwandler bei einer Unterbürdung verhält.

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In der Abbildung oben sind die Fehlerkurven des Stromwandlers EASK 31.3 aufgetragen. Der Wandler ist mit 5 VA in Klasse 0,5 S
spezifiziert. Wird der Wandler jetzt mit nicht unüblichen 0,010 VA bebürdet „rutscht“ die Fehlerkurve im positiven Amplitudenfehlerbereich leicht aus der Klasse. Der Fehler liegt zwischen 0,5 und 0,6 Prozent. Es wird dementsprechend zwischen 0,5 und 0,6 Prozent mehr Strom mitverrechnet, als in der Kupferschiene tatsächlich fließt. Wird hingegen der Wandler mit 7,5 VA überbürdet, liegt die Fehlerkurve unterhalb der 5 VA Fehlerkurve im negativen Prozentfehlerbereich. Hier werden zwischen 0,2 und 0,5 Prozent weniger Strom in der Leistungsberechnung einbezogen. Um ein Gefühl für die monetären Auswirkungen zu bekommen, werden folgende Annahmen festgelegt:

  • 600 Arms Nennstrom Kupferschiene
  • 230 Vrms zwischen Leiter-Erde
  • Betriebsdauer: 8.760 Stunden im Jahr
  • Energiepreis: 0,2 EUR pro kWh

Bei diesen Randbedingungen werden bei einer Verschiebung von 0,1 Prozentpunkten (z.B. 0,3 Prozent statt 0,2 Prozent
Amplitudenfehler) jährlich 1.214 kWh pro Phase mehr abgerechnet. Bei einem angenommenen Preis von 0,2 EUR/kWh ergeben sich
728 EUR pro Jahr im drei Phasen-System. In 20 Jahren sind es bereits 14.566 EUR. Bei einem generellen Fehler von 0,4 % ergeben
sich in 20 Jahren bereits 58.263 EUR.

Kommen wir von der Niederspannungsebene in die Mittelspannungsebene. Hier sind die Auswirkungen noch dramatischer, da die
Spannung bei den in Deutschland üblichen 20.000/√3 Volt zwischen Leiter und Erde liegt. Hier führt die Verschiebung von 0,1
Prozentpunkten beim Stromwandlersignal bei gleichen Randbedingungen zu 36.415 EUR jährlich in den drei Phasen. Nach 20 Jahren kumulieren sich die Kosten bereits auf 728.293 EUR.

 

 

Spannungswandler

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Die in der Mittelspannung erforderlichen Spannungswandler müssen wie Stromwandler ebenfalls in der IEC 61869-1 / -3 definierte
Genauigkeitsklassen erfüllen. Auch gibt es von der PTB festgelegte Bemessungsleistungen.

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Wie bei den Stromwandlern liegt der untere Messpunkt bei 25 Prozent der Nenn-Bemessungsleistung. Werte unterhalb der 25 Prozent
müssen nicht in den definierten Klassengrenzen liegen. Eine Unterbürdung ist auch hier nicht unwahrscheinlich, da die aktuellen
digitalen Energiezähler mit einer externen Energieversorgung den Spannungswandler lediglich bis maximal 100 mVA belasten.
Dementsprechend wird die regelgerechte kleinste Bürde von 1,25 VA (25 % von 5 VA Bemessungsleistung) nicht annähernd erreicht.

Obwohl es in der aktuellen Norm für induktive Spannungswandler (IEC 61869-1/-3) bereits einen neu definierten Bürdenbereich I gibt,
der die hochohmigen Eingangsimpedanzen der Energiezähler und die damit verbundenen niedrigen Bemessungsleistungen am
Sekundärausgang der Spannungswandler berücksichtigt, wird für Verrechnungswandler mit Konformitätsbewertung lediglich der
Bürdenbereich II berücksichtigt. Dieser definiert neben dem unteren 25 Prozent-Messpunkt einen Leistungsfaktor von 0,8. Der für
hochohmige Messgeräte vorgesehene Bürdenbereich I definiert zwar den praxisgerechten Leistungsfaktor bei 1,0 und den unteren
Messpunkt bei 0 VA, doch dieser neue Bürdenbereich ist für Verrechnungswandler gem. den PTB-Regeln nicht zugelassen. Als
Resultat ergibt sich auch hier wieder eine wahrscheinliche Unterbürdung der Wandler in der Praxis. Neben der Problematik der
Unterbürdung gibt es aber noch einen weiteren Sachverhalt, den es zu beachten gibt.

Neben der Fremdversorgung des digitalen Zählers, kann der Zähler über den Spannungspfad mit der nötigen Energie versorgt werden.
Hierbei ergeben sich weitere Probleme. Denn üblicherweise werden die Energiezähler vor allem in der Mittelspannung mit
verschiedenen Kommunikationsschnittstellen betrieben. Hierbei können durchaus Leistungen von bis zu 10 VA vom
Spannungswandler abgerufen werden. Dies ist wahrscheinlich auch der Grund, warum in der neuen TAR Mittelspannung generell
Spannungswandler mit 15 VA in Klasse 0,5 spezifiziert werden. Die Kommunikationseinheiten wie GPRS- oder LTE-Funkmodule
senden aber nur in bestimmten Zeitfenstern die Daten an die entsprechenden Server. Der Leistungsbedarf der Zähleinrichtung ist
daher als stark schwankend zu bezeichnen. Übliche Werte liegen zwischen 1 bis 10 VA. Wie in Abbildung 4 erkennbar, sorgt das
Modemmodul nun dafür, dass das komplette Fehlerband des Spannungswandlers von ca. 0,65 bis -0,15 % Übersetzungsfehler
durchfahren wird. Wir konstatieren, dass der Betriebszustand des Modems die Bebürdung des Spannungswandlers maßgeblich
beeinflusst. Somit wird auch die verrechnete Leistung maßgeblich beeinflusst. Dieser Sachverhalt führt zu irrwitzigen
Zusammenhängen. So führt beispielsweise ein länger andauernder Starkregen, der die Funkverbindung des LTE-Modems
beeinträchtigt, dazu, dass der Energieversorger weniger Geld für die gleiche elektrische Energie erhält. Der Grund dafür ist, dass das
LTE-Modem bei schlechter Funkverbindung eventuell keine Verbindung aufbauen kann. Wie bei einem Handy werden immer wieder
Einwahlversuche durchgeführt. Das LTE-Modem benötigt dafür Energie und belastet damit den Spannungswandler mit der definierten
Maximalbürde von vielleicht 10 VA. Wie oben beschrieben ergibt sich ein Amplitudenfehler des Spannungswandlers bei 10 VA
Bebürdung von ca. -0,15 % bei Spitzenlast. Befindet sich das LTE-Modem dagegen im Standby-Modus kann mit einem
Amplitudenfehler von ca. 0,65 % gerechnet werden.

Um die unterschiedlichen Bebürdungsszenarien besser nachvollziehen zu können, ist in Abbildung 4 ein typisches Fehlerdiagramm
eines Spannungswandlers dargestellt. Das analysierte Gerät besitzt eine Messwicklung und ist mit 15 VA in Klasse 0,5 spezifiziert.

 

Es ist bewusst eine Auslegung gewählt worden, bei der lediglich der 25 Prozentmesspunkt und der 100 Prozentmesspunkt der 15 VA
in der Klasse 0,5 liegen. Die blaue Gerade zeigt den Fehlergang von 0 bis 15 VA mit einem Leistungsfaktor von 1.                                      Der Amplitudenfehler liegt bei der Nenn-Bemessungsleistung von 15 VA bei -0,33 Prozent. Da bei Verrechnungswandlern aber der
Bürdenbereich II gilt, wird die Fehlergerade auf den Leistungsfaktor 0,8 gedreht. Weiterhin sind die Messklassen bei einem
Spannungswandler von 80 bis 120 Prozent der Nennspannung definiert. Es sind somit die beiden Fehlergeraden in Orange und Grau
relevant. Man erkennt, dass der Wandler im Leerlauf (0 % Bürde) im positiven Prozentfehlerbereich nicht in der Klasse ist. Nehmen wir
jetzt beispielsweise ein Messgerät mit einer nicht unüblichen Eingangsimpedanz von einem Megaohm, so ergibt das eine Leistung von
3,4 mVA. Dieser Punkt liegt jetzt abhängig von der Nennspannung zwischen 0,6 und 0,7 Prozent. Wir erkennen, wie beim
Stromwandler, dass eine Unterbürdung einen größeren positiven Spannungsfehler erzeugt. Es wird mehr Spannung in die
Leistungsberechnung eingebracht als tatsächlich vorhanden ist.

Nehmen wir jetzt die vorhandenen fixen Randbedingungen aus dem Stromwandlerbereich und ändern die Versorgungsspannung auf
20.000/√3 Volt, so ergeben sich in drei Phasen pro 0,1 Prozentpunkt Messabweichung beim Spannungswandler ebenfalls pro Jahr
36.415 EUR und bei 20 Jahren 728.293 EUR. Wird jetzt davon ausgegangen, dass Strom- und Spannungswandler durch eine
Unterbürdung um 0,1 Prozentpunkte in Richtung 0 VA Belastung „geschoben“ werden, dann ergibt das pro Verrechnungsstelle im Jahr
eine zusätzliche Abrechnung von 72.829 EUR in einem Jahr. Bei 20 Jahren Laufzeit ergeben sich bereits 1.456.585 EUR.

Für den Messstellenbetreiber ist es deshalb wichtig, die Verrechnungswandler korrekt zu bebürden. Beim Spannungswandler ist es
ratsam bei der Bestellung den Wandlerhersteller zu bitten, den 0 VA-Messpunkt zusätzlich in die gewünschten Klassengrenzen zu
legen. In der Praxis wird der Wandler bei einer Eingangsimpedanz des Messgerätes von einem Megaohm zwar deutlich unterbürdet,
doch der Fehler befindet sich noch in der gewünschten Genauigkeitsklasse. Daneben würde die PTB den Messstellenverantwortlichen
helfen, wenn der normativ schon gültige Bürdenbereich I in die PTB-Prüfregeln mit aufgenommen werden würde.

Bei den Stromwandlern sollte bei einer drohenden Unterbürdung ein Wandler mit 5 A Ausgang und kleiner Bürde gewählt werden. Mit
dem Zuleitungskabel kann relativ einfach eine Zusatzbürde geschaffen werden (𝑃𝑃 = 𝐼𝐼2 × 𝑅𝑅), um über die 25 Prozent der Nenn-
Bemessungsleistung zu kommen.

Um den Eigenverbrauch von Kupfer-Leitungen zu berechnen ist folgende Formel anzuwenden.

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Für eine schnelle Übersicht sind in der folgenden Tabelle die Verlustleistungen in VA bei einem Sekundärstrom von
5 A in Abhängigkeit von der Länge und dem Kupferquerschnitt der Zuleitung aufgelistet.

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Für die 1 A Stromwandler gibt die folgende Tabelle Auskunft.

6-Techn_Erlaeuterungen_2

Durch die richtige Bebürdung im Zusammenspiel mit dem Messprotokoll des Wandlerherstellers ist eine recht genaue Strommessung
zu realisieren. Auch beim Spannungswandler kann in Absprache mit dem Hersteller die Fehlergerade auf die zu erwartende
Bebürdung optimiert werden.