Power Quality Messungen in allen EVU Spannungsebenen bis 150 kHz – Ist das möglich?

Eine verlässliche Energieversorgung ist für viele Unternehmen mittlerweile zu einem wichtigen Standortfaktor geworden.
Während in der Vergangenheit Netzausfälle und Spannungsschwankungen zu den wichtigsten Parametern der
Versorgungsqualität zählten, gewinnen Spannungstransienten oder Spannungsoberschwingungen immer mehr an Bedeutung.
Dies ist auf vor allem auf die immer größer werdende Anzahl an nicht-linearen Verbrauchern und vielen dezentral angebundenen
regenerativen Energieträger zurückzuführen. Um in Europa einheitliche Standards für die Elektroenergieversorgung zu
gewährleisten, werden die Mindestanforderungen an die Spannungsqualität in einer europäischen Norm definiert. Dies ist die EN
50160, welche die Überschrift „Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen“ trägt. Diese Norm ist als
Produktnorm für elektrische Energie zu verstehen und wird aus diesem Grund auch in Stromlieferverträgen als geltende
Produktnorm herangezogen. Im Februar 2014 hat der Bundesgerichtshof unmissverständlich klargestellt, dass auch die Elektrizität
dem Produkthaftungsgesetz unterworfen ist. Damit haftet der Verteilnetzbetreiber für Schäden an elektrischen Verbrauchern, die
auf eine mangelhafte Spannungsqualität seitens des Verteilnetzbetreibers zurückzuführen sind.1 Viele Messgerätehersteller
bieten mittlerweile aus diesem Grund Messgeräte, die automatisierte Qualitätsreports gemäß der EN 50160 aufbereiten. Auch
digitale Zähler bieten immer öfter auch Power Quality Funktionen gem. der EN 50160. Während die Messgeräte in der
Niederspannung die Spannung direkt verarbeiten können, sind wir in der Mittel- und Hochspannung auf Spannungswandler bzw.
Spannungssensoren angewiesen. Meist wird an älteren Anlagen die Spannungsqualität gemessen. Die verbauten
Spannungswandler geben auf dem Leistungsschild aber in der Regel keinen Hinweis auf das Übertragungsverhalten bei höheren
Frequenzen. Die Geräte sind lediglich für die 50 Hz Grundschwingung der Netze spezifiziert. Messungen gemäß der EN 50160
erfordern aber einen Frequenzbereich bis 2 kHz. Wir wollen der Frage nachgehen, ob die vorhandenen Geräte für Messungen bis
2 kHz geeignet sind.
Bei den verbauten Spannungswandlern handelt sich fast ausnahmslos um induktive Wandler, die nach dem transformatorischen
Prinzip arbeiten.

Abbildung 1: Modell des Aktivteils eines MS-Spannungswandlers

Im Detail besteht die Primärspule nicht nur aus induktivwirkenden Kupferwindungen, sondern es ergeben sich auch Kapazitäten
durch die einzelnen voneinander isolierten Lagen. Auch die Kapazitäten zwischen den einzelnen Windungen tragen zu der Gesamtkapazität der Primärspule bei. Somit ergibt sich ein Schwingkreis aus Induktivität, Kapazität und ohmscher Widerstand,
der auch eine entsprechende Resonanzfrequenz aufweisen muss.
Um diese Resonanzfrequenz zu finden, wird nun ein handelsüblicher 10 kV Spannungswandler im „frequency sweep Verfahren“
mit 6.400 Messpunkten bis 10 kHz vermessen. Der Messaufbau orientiert sich an den Empfehlungen des technischen Reports IEC
TR 61869-103.

Wir sind fündig geworden!

Bei ca. 6 kHz ist eine Resonanzstelle erkennbar. Während der Wandler bis ca. 5 kHz annehmbar das Primärsignal überträgt, ergibt
sich bei ca. 6 kHz ein Amplitudenfehler von ca. 100 % und ein Phasenfehler von 90 °. Eine verlässliche PQ-Analyse bis z. B. 9 kHz
kann daher mit diesem Spannungswandler nicht durchgeführt werden.
Es gibt trotz der normativ geregelten Spannungsebenen bei jedem Wandlerhersteller eine Vielzahl von verschiedenen Wandlern
mit unterschiedlichen Primärspulen, um die verschiedensten Sekundärkonfigurationen seitens des Kunden erfüllen zu können.
Diese Wandler sind bereits ausgeliefert und in Messfeldern verbaut worden. Der Hersteller kann lediglich in Verbindung mit den
archivierten Fertigungsunterlagen eine grobe Berechnung der ersten Resonanzstelle durchführen. Oftmals kann die in der Praxis
gemessene Resonanzstelle aber um einige kHz von dem Berechnungsresultat abweichen. Für die Wandlerhersteller ist es daher
sehr schwierig, belastbare Aussagen für bereits ausgelieferte Geräte zu treffen.                                                                                           

Eine gute Hilfestellung bietet den Messstellenbetreibern ein Beitrag der technisch-wissenschaftlichen Organisation CIGRE / CIRED.
Hier wurde eine Richtlinie für Power Quality Messungen veröffentlicht, die bezüglich des Frequenzübertragungsverhaltens von
Spannungswandlern eine aussagekräftige Tabelle bereitstellt.

Tabelle 1: CIGRE / CIRED Richtlinien für Power Quality Messungen WG C4.112 TECHNICAL BROCHURE 596

Es ist ersichtlich, dass generell 10 kV Spannungswandler bis zur 50. Oberschwingung (2,5 kHz) für PQ-Messungen verwendbar sind.
Diese Aussage deckt sich mit unserem Messergebnis in Abbildung 3.
Im 20 kV Bereich sind gemäß der Tabelle aber bereits Geräte gefunden worden, die ab der 21. Oberschwingung keine verlässlichen
Messwerte auf der Sekundärseite bereitstellen. Im 30 kV Bereich ist sogar eine pauschale Freigabe lediglich bis zur 7.
Oberschwingung erfolgt. Wir konstatieren, dass für verlässliche EN 50160 Messungen ausschließlich 10 kV Spannungswandler in
Bestandsanlagen verwendet werden können. In den Spannungsebenen 20 und 30 kV muss eine Auskunft seitens des
Wandlerherstellers erfolgen.
Bei den hier untersuchten Wandlern handelt es sich ausschließlich um einpolige Geräte. Zweipolige Spannungswandler, die in
älteren Bestandsanlagen noch zu finden sind, können für die Analyse von Oberschwingungen nicht verwendet werden. Dies ist
auf die Spannungsmessung zwischen den Leitern zurückzuführen.

Abbildung 4: Zweipoliger Mittelspannungswandler,                                       Abbildung 5: Darstellung der 50 Hz Grundschwingung und der      der in V-Schaltung betrieben wird                                                                  3.Harmonischen        

Trotz des 120 ° Phasenversatzes der 50 Hz Leiterspannungen sind die Amplitudenwerte der überlagerten 3. Oberschwingung
nicht versetzt und können somit auch keine Spannungsdifferenz zwischen den Leitern generieren. Dies gilt generell für alle durch 3
teilbaren Oberschwingungen. Somit ist der durch die V-Schaltung gewonnene THDu um die Werte der durch dreiteilbaren Spannungsoberschwingungen (3, 6, 9,…) verringert.

Weiterhin stellt sich die Frage, ob Messungen bis 2 kHz noch ausreichend sind. In der aktuellen DIN EN 61000-2-2
(Umgebungsbedingungen – Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen und Signalübertragung in
öffentlichen Niederspannungsnetzen) werden bereits Grenzwerte für die Spannung bis 150 kHz genannt.

Die in den Stromlieferverträgen angeführte EN 50160 ist zwar 2020 aktualisiert worden, doch Grenzwerte jenseits der 2 kHz sind
noch nicht verbindlich definiert worden. Somit ist eine Spannungsmessung bis 2 kHz für die Qualitätsbestimmung der
Elektroenergie ausreichend. Für den Netzanschluss von Einspeiseanlagen werden aber bereits PQ-Messungen bis 9 kHz gefordert.
Die MBS AG bietet daher für den Messbereich bis 9 kHz frequenzoptimierte Spannungswandler bis 24 kV. Die
Genauigkeitsanforderung für diese Wandler wird in der IEC 61869-6 definiert. Der Amplituden- bzw. Phasenfehler gestalten sich
wie folgt.

Der Wandler hält bis ca. 8 kHz die Klasse 0,5. Ab 8 kHz wird Klasse 1 noch deutlich gehalten. Diese Spannungswandler ermöglichen
somit eine verlässliche PQ-Messung bis 9 kHz und sind wie alle anderen Mittelspannungswandler von der MBS AG ebenfalls SF6-
frei.
Bereits heute gehen viele Experten davon aus, dass zukünftig auch in der Mittelspannung PQ-Messung bis 150 kHz erfolgen
werden. Auch einige der aktuellen mobilen PQ-Analysatoren messen bereits bis mindestens 150 kHz, was für eine umfangreiche
Störanalyse durchaus erforderlich sein kann.
Mit induktiven Spannungswandlern ist der Bereich bis 150 kHz technisch nicht darstellbar. Die erste Resonanzstelle kann bei 24
kV Geräten lediglich in den Bereich von 10 bis 20 kHz geschoben werden. Eine Alternative bieten Spannungssensoren, die auf dem
Prinzip des Spannungsteilers aufbauen. Zur Erinnerung sei hier noch einmal das Grundprinzip dargestellt.

Bereits heute werden Spannungssensoren hauptsächlich in bestehenden Ortsnetzstationen verbaut, die eine zusätzliche
Spannungsmessung auf der Mittelspannungsseite erfordern. Messfelder mit herkömmlichen induktiven Spannungswandlern
können aus Platzgründen nur in seltenen Fällen nachträglich verbaut werden. Eine bewährte Methode ist es, Sensoren in so
genannte T-Stecker zu montieren. Diese Lösung ist platzsparend und die Montage erfolgt durch geübtes Personal in einem
angemessenen Zeitfenster. Während der Konus des symmetrischen Steckers gem. der IEC 50181 genormt ist, weist der Konus des
Kompakt-T-Steckers je nach Hersteller leicht unterschiedliche Maße auf. Der für den Kompakt-T-Stecker vorgesehene
Spannungssensor VAPxx-S kann aber durch seinen patentierten Aufbau in den leicht unterschiedlich ausgeführten T-Steckern aller
namhaften Hersteller verwendet werden, ohne Teilentladungen befürchten zu müssen. Für den neuartigen Kompakt-T-Stecker
von Nexans (480 TB) gibt es bereits auch den passenden Sensor mit dem VCPxx-S.

Die in Abbildung 10 dargestellten Sensoren sind bis maximal 24 kV einsetzbar. Eine 36 kV Variante ist bereits geplant.
Für luftisolierte Schaltanlagen bzw. Messfelder gibt es bei der MBS AG einen Sensor, der bereits in Neuanlagen wie auch bei
Nachrüstungen Verwendung findet.

Während die Genauigkeitsklasse bei 50 Hz auf jedem Leistungsschild der Sensoren vermerkt und somit durch den Hersteller
verantwortet wird, werden für Messungen jenseits der 50 Hz oftmals keine Protokolle bzw. belastbare Aussagen seitens der
Hersteller bereitgestellt. Im Markt wird von den Endanwendern oft das Vorurteil vernommen, dass ohmsche Teiler
Oberschwingungen generell sehr gut übertragen können. Dies soll im Folgenden untersucht werden.

Ein ohmscher Teiler besteht grundsätzlich aus zwei nahezu ohmschen Widerständen, doch diese Widerstände besitzen immer
parasitäre induktive und kapazitive Anteile. Auch bildet sich um den Hochspannungswiderstand eine Kapazität, so dass in der
Fachliteratur nicht von ohmschen Teilern, sondern von ohmsch-kapazitiven Teilern gesprochen wird.

Abbildung 12: Prinzipschaltbilder eines luftisolierten Spannungssensors (VSIxx-S) und eines Spannungssensors als Abschlusseinsatz des T-Steckers (VAPxx-S)

Wie in den Prinzipschaltbildern erkenntlich, muss die Primärkapazität ebenfalls auf der Sekundärseite abgeglichen werden. Um
hochpräzise Sensoren herstellen zu können, ist ebenfalls ein Ablgleichnetzwerk im Sensor nötig, durch das nach dem Verguss ein
Feinabgleich vorgenommen werden kann. Dieses besteht aber ausschließlich aus passiven elektronischen Bauelementen.
Es stellt sich nun die Frage, ob ohmsch-kapazitive Sensoren in der Mittelspannung ohne weiteres für PQ-Messungen eingesetzt
werden können. In der folgenden Abbildung sind von einem Wettbewerber und ein MBS eigener 50 Hz-Sensor von 50 bis 150 kHz
bezüglich Amplituden- und Phasenfehler vermessen worden.

Beide Sensoren verletzen die Minimalanforderungen der Klasse 1 für PQ-Messungen gem. der IEC 61869-6. Für ein optimales
Übertragungsverhalten muss das Abgleichnetzwerk ebenfalls für höhere Frequenzen optimiert werden.
Für PQ-Messungen sind also frequenzoptimierte Sensoren unbedingt erforderlich, um die Mindestanforderung (Kl. 1 gem. IEC
61869-6) einhalten zu können. Übertragungskurven aus aktuellen Kundenprojekten sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die Spannungssensoren werden in der Regel mit entsprechenden Stromsensoren verbaut. Anders als herkömmliche
Stromwandler wird auf der Sekundärseite ein Spannungssignal ausgegeben. Es können aber auch breitbandige Rogowskispulen
eingesetzt werden.

Verschiedene Kabelsteckerhersteller bieten auch Adapter für den Aussenkonus A an. So können Spannungsmessungen
platzsparend direkt an den Transformatoren realisiert werden.

Bei der Auswahl des Messgerätes ist zu beachten, dass die hier angesprochenen Spannungssensoren auf der Sekundärseite
maximal 10/√3 Volt bereitstellen können. In Deutschland hat sich bereits der Standard 3,25/√3 V etabliert. Bei Stromsensoren
werden in der Regel 225 oder 333 mV verwendet.

Hier ergibt sich nun für das EVU oftmals ein Problem bei der Anschaffung eines mobilen Power Quality Analysegerätes. Im
Gegensatz zu den traditionell induktiven Spannungswandlern mit 100/√3 V geben die Spannungssensoren lediglich ein Kleinsignal
bis maximal 10/√3 V. In der Niederspannung werden die Spannungssignale von den spannungsführenden Leitern direkt
abgegriffen. Frequenzoptimierte Hochspannungswandler, die als RC-Teiler ausgeführt werden, stellen in der Regel wie die
herkömmlichen Spannungswandler 100/√3 V bereit. Es ergeben sich somit verschiedenste Sekundärspannungen im Umfeld eines
EVU.

Um eine ausreichende Auflösung und Genauigkeit garantieren zu können, sollte ein mobiles PQ-Messgerät auf diese
unterschiedlichen Messspannungen ausgelegt sein.
Das derzeit einzige mobile Messgerät, das diesen Anforderungen gerecht wird, ist das PQA 8000H-P der Firma NEO MESSTECHNIK.
Hier gibt es umschaltbare Spannungseingänge für 600 Vpeak und 10 bzw. 20 Vpeak. Mit dieser Option ist es dem EVU möglich, in
den verschiedenen Spannungsebenen hochwertige PQ-Messungen vornehmen zu können.

▪ FFT Analyse bis zu 500 kHz (Spannung & Strom) in 2 kHz Bändern
(gemäß des internationalen Standards IEC61000-4-30)
▪ Scope View mit 1 MS/s
▪ 4x Spannungsmessung / bis zu 8x Strommessung
▪ Anzeige und Aufnahme des digitalen PLC Datenstreams
▪ Zwei Spannungsmessbereiche (umschaltbar) von 600 Vp und 10 Vp
▪ Alle Spannungseingänge getrennt (CAT III 1000 V / CAT IV 600 V)
▪ Direkte Versorgung von Stromsensoren aus dem Gerät

Abbildung 17: Mobiles PQ-Messgerät PQA8000H-P mit umschaltbaren Spannungseingängen speziell für EVUs

Die Eingangsimpedanz der Spannungskanäle liegt bei 10 MOhm || 2 pF. Herkömmliche Spannungswandler in der Mittelspannung
werden hinsichtlich der Klassengenauigkeit mit einer Bürdenleistung in VA spezifiziert. Üblich sind Werte zwischen 5 und 20 VA.
Die auf dem Leistungsschild vermerkte Klasse gilt dabei für 25 bis 100 % dieser Leistung. Der Leistungsbedarf des mobilen PQGerätes ist bei der üblichen Sekundärausgangsspannung von 100/√3 V verschwindend gering.

Das Messgerät kann also zu den angeschlossenen Messgeräten ohne Auswirkungen auf die Genauigkeit parallel betrieben werden.
Anders sieht es bei den Sensoren in der Mittel- und Hochspannung aus. Hier sind die RC-Teiler genau auf den
Belastungswiderstand abgeglichen. In der Hochspannung wird daher oftmals ein extra Terminal für das PQ-Messgerät ausgeführt.
In der Mittelspannung muss der Sensor genau auf das Messgerät abgestimmt sein. Es lassen sich aber auch hier Messgeräte parallel betreiben. Durch die Verwendung von parallelen Zusatzwiderständen kann das PQ-Messgerät bei Nichtbenutzung simuliert werden.

Bei der Verwendung mehrerer Messgeräte in verschiedenen Messstationen ist eine komfortable Anbindung an das ENA SCADA
System möglich.

Es kann konstatiert werden, dass durch die Verwendung von ohmsch-kapazitiven Spannungssensoren in der Mittelspannung in
Verbindung mit einem umschaltbaren mobilen PQ-Analysator ebenfalls Messungen bis 150 kHz durchgeführt werden können. Mit
RC-Teilern in der Hochspannung kann aktuell ein Messbereich bis 30 kHz abgedeckt werden. Einer Übernahme der Grenzwerte
aus der aktuellen IEC 61000-2-2 in die EN 50160 für die Nieder- und Mittelspannung steht aus technischer Sicht nichts entgegen.

Autoren:
Roland Bürger (MBS AG)
Business Development/Entwicklung, MBS AG, Sulzbach-Laufen
rbuerger@mbs-ag.com
Bernhard Grasel (NEO MESSTECHNIK)
Sales Manager, NEO Messtechnik, Zöbern Österreich
bernhard.grasel@neo-messtechnik.com