{"id":28443,"date":"2021-06-21T10:48:00","date_gmt":"2021-06-21T08:48:00","guid":{"rendered":"https:\/\/webentwicklung-hess.com\/mbs2023\/?p=28443"},"modified":"2024-11-05T18:15:24","modified_gmt":"2024-11-05T17:15:24","slug":"power-quality-messungen-bis-150-khz-ist-das-moeglich","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/mbs-ag.com\/power-quality-messungen-bis-150-khz-ist-das-moeglich\/","title":{"rendered":"Power Quality Messungen \u2013 bis 150 kHz \u2013 Ist das m\u00f6glich?"},"content":{"rendered":"

Power Quality Messungen in allen EVU Spannungsebenen bis 150 kHz \u2013 Ist das m\u00f6glich?<\/h1>

Eine verl\u00e4ssliche Energieversorgung ist f\u00fcr viele Unternehmen mittlerweile zu einem wichtigen Standortfaktor geworden.
W\u00e4hrend in der Vergangenheit Netzausf\u00e4lle und Spannungsschwankungen zu den wichtigsten Parametern der
Versorgungsqualit\u00e4t z\u00e4hlten, gewinnen Spannungstransienten oder Spannungsoberschwingungen immer mehr an Bedeutung.
Dies ist auf vor allem auf die immer gr\u00f6\u00dfer werdende Anzahl an nicht-linearen Verbrauchern und vielen dezentral angebundenen
regenerativen Energietr\u00e4ger zur\u00fcckzuf\u00fchren. Um in Europa einheitliche Standards f\u00fcr die Elektroenergieversorgung zu
gew\u00e4hrleisten, werden die Mindestanforderungen an die Spannungsqualit\u00e4t in einer europ\u00e4ischen Norm definiert. Dies ist die EN
50160, welche die \u00dcberschrift \u201eMerkmale der Spannung in \u00f6ffentlichen Elektrizit\u00e4tsversorgungsnetzen\u201c tr\u00e4gt. Diese Norm ist als
Produktnorm f\u00fcr elektrische Energie zu verstehen und wird aus diesem Grund auch in Stromliefervertr\u00e4gen als geltende
Produktnorm herangezogen. Im Februar 2014 hat der Bundesgerichtshof unmissverst\u00e4ndlich klargestellt, dass auch die Elektrizit\u00e4t
dem Produkthaftungsgesetz unterworfen ist. Damit haftet der Verteilnetzbetreiber f\u00fcr Sch\u00e4den an elektrischen Verbrauchern, die
auf eine mangelhafte Spannungsqualit\u00e4t seitens des Verteilnetzbetreibers zur\u00fcckzuf\u00fchren sind.1 Viele Messger\u00e4tehersteller
bieten mittlerweile aus diesem Grund Messger\u00e4te, die automatisierte Qualit\u00e4tsreports gem\u00e4\u00df der EN 50160 aufbereiten. Auch
digitale Z\u00e4hler bieten immer \u00f6fter auch Power Quality Funktionen gem. der EN 50160. W\u00e4hrend die Messger\u00e4te in der
Niederspannung die Spannung direkt verarbeiten k\u00f6nnen, sind wir in der Mittel- und Hochspannung auf Spannungswandler bzw.
Spannungssensoren angewiesen. Meist wird an \u00e4lteren Anlagen die Spannungsqualit\u00e4t gemessen. Die verbauten
Spannungswandler geben auf dem Leistungsschild aber in der Regel keinen Hinweis auf das \u00dcbertragungsverhalten bei h\u00f6heren
Frequenzen. Die Ger\u00e4te sind lediglich f\u00fcr die 50 Hz Grundschwingung der Netze spezifiziert. Messungen gem\u00e4\u00df der EN 50160
erfordern aber einen Frequenzbereich bis 2 kHz. Wir wollen der Frage nachgehen, ob die vorhandenen Ger\u00e4te f\u00fcr Messungen bis
2 kHz geeignet sind.
Bei den verbauten Spannungswandlern handelt sich fast ausnahmslos um induktive Wandler, die nach dem transformatorischen
Prinzip arbeiten.<\/p>

\"Modell<\/figure>

Abbildung 1: Modell des Aktivteils eines MS-Spannungswandlers<\/em><\/p>

Im Detail besteht die Prim\u00e4rspule nicht nur aus induktivwirkenden Kupferwindungen, sondern es ergeben sich auch Kapazit\u00e4ten
durch die einzelnen voneinander isolierten Lagen. Auch die Kapazit\u00e4ten zwischen den einzelnen Windungen tragen zu der Gesamtkapazit\u00e4t der Prim\u00e4rspule bei. Somit ergibt sich ein Schwingkreis aus Induktivit\u00e4t, Kapazit\u00e4t und ohmscher Widerstand,
der auch eine entsprechende Resonanzfrequenz aufweisen muss.
Um diese Resonanzfrequenz zu finden, wird nun ein handels\u00fcblicher 10 kV Spannungswandler im \u201efrequency sweep Verfahren\u201c
mit 6.400 Messpunkten bis 10 kHz vermessen. Der Messaufbau orientiert sich an den Empfehlungen des technischen Reports IEC
TR 61869-103.
\"Abbildung:<\/p>

Wir sind f\u00fcndig geworden!<\/strong><\/h5>
\"Kurvenbild<\/figure>

Bei ca. 6 kHz ist eine Resonanzstelle erkennbar. W\u00e4hrend der Wandler bis ca. 5 kHz annehmbar das Prim\u00e4rsignal \u00fcbertr\u00e4gt, ergibt
sich bei ca. 6 kHz ein Amplitudenfehler von ca. 100 % und ein Phasenfehler von 90 \u00b0. Eine verl\u00e4ssliche PQ-Analyse bis z. B. 9 kHz
kann daher mit diesem Spannungswandler nicht durchgef\u00fchrt werden.
Es gibt trotz der normativ geregelten Spannungsebenen bei jedem Wandlerhersteller eine Vielzahl von verschiedenen Wandlern
mit unterschiedlichen Prim\u00e4rspulen, um die verschiedensten Sekund\u00e4rkonfigurationen seitens des Kunden erf\u00fcllen zu k\u00f6nnen.
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 durchf\u00fchren. Oftmals kann die in der Praxis
gemessene Resonanzstelle aber um einige kHz von dem Berechnungsresultat abweichen. F\u00fcr die Wandlerhersteller ist es daher
sehr schwierig, belastbare Aussagen f\u00fcr bereits ausgelieferte Ger\u00e4te zu treffen.                                                                                           <\/p>

Eine gute Hilfestellung bietet den Messstellenbetreibern ein Beitrag der technisch-wissenschaftlichen Organisation CIGRE \/ CIRED.
Hier wurde eine Richtlinie f\u00fcr Power Quality Messungen ver\u00f6ffentlicht, die bez\u00fcglich des Frequenz\u00fcbertragungsverhaltens von
Spannungswandlern eine aussagekr\u00e4ftige Tabelle bereitstellt.<\/p>

\"Tabelle<\/figure>

Tabelle 1: CIGRE \/ CIRED Richtlinien f\u00fcr Power Quality Messungen WG C4.112 TECHNICAL BROCHURE 596<\/em><\/p>

Es ist ersichtlich, dass generell 10 kV Spannungswandler bis zur 50. Oberschwingung (2,5 kHz) f\u00fcr PQ-Messungen verwendbar sind.
Diese Aussage deckt sich mit unserem Messergebnis in Abbildung 3.
Im 20 kV Bereich sind gem\u00e4\u00df der Tabelle aber bereits Ger\u00e4te gefunden worden, die ab der 21. Oberschwingung keine verl\u00e4sslichen
Messwerte auf der Sekund\u00e4rseite bereitstellen. Im 30 kV Bereich ist sogar eine pauschale Freigabe lediglich bis zur 7.
Oberschwingung erfolgt. Wir konstatieren, dass f\u00fcr verl\u00e4ssliche EN 50160 Messungen ausschlie\u00dflich 10 kV Spannungswandler in
Bestandsanlagen verwendet werden k\u00f6nnen. In den Spannungsebenen 20 und 30 kV muss eine Auskunft seitens des
Wandlerherstellers erfolgen.
Bei den hier untersuchten Wandlern handelt es sich ausschlie\u00dflich um einpolige Ger\u00e4te. Zweipolige Spannungswandler, die in
\u00e4lteren Bestandsanlagen noch zu finden sind, k\u00f6nnen f\u00fcr die Analyse von Oberschwingungen nicht verwendet werden. Dies ist
auf die Spannungsmessung zwischen den Leitern zur\u00fcckzuf\u00fchren.<\/p>

\"AbbildungAbbildung 4: Zweipoliger Mittelspannungswandler,\u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0Abbildung 5: Darstellung der 50 Hz Grundschwingung und der\u00a0 \u00a0 \u00a0\u00a0der in V-Schaltung betrieben wird\u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 3.Harmonischen \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0<\/em><\/p>

Trotz des 120 \u00b0 Phasenversatzes der 50 Hz Leiterspannungen sind die Amplitudenwerte der \u00fcberlagerten 3. Oberschwingung
nicht versetzt und k\u00f6nnen somit auch keine Spannungsdifferenz zwischen den Leitern generieren. Dies gilt generell f\u00fcr alle durch 3
teilbaren Oberschwingungen. Somit ist der durch die V-Schaltung gewonnene THDu um die Werte der durch dreiteilbaren Spannungsoberschwingungen (3, 6, 9,\u2026) verringert.<\/p>

Weiterhin stellt sich die Frage, ob Messungen bis 2 kHz noch ausreichend sind. In der aktuellen DIN EN 61000-2-2
(Umgebungsbedingungen \u2013 Vertr\u00e4glichkeitspegel f\u00fcr niederfrequente leitungsgef\u00fchrte St\u00f6rgr\u00f6\u00dfen und Signal\u00fcbertragung in
\u00f6ffentlichen Niederspannungsnetzen) werden bereits Grenzwerte f\u00fcr die Spannung bis 150 kHz genannt.<\/p>

\"Diagramm<\/figure>
\"Diagramm<\/figure>

Die in den Stromliefervertr\u00e4gen angef\u00fchrte 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 f\u00fcr die Qualit\u00e4tsbestimmung der
Elektroenergie ausreichend. F\u00fcr den Netzanschluss von Einspeiseanlagen werden aber bereits PQ-Messungen bis 9 kHz gefordert.
Die MBS AG bietet daher f\u00fcr den Messbereich bis 9 kHz frequenzoptimierte Spannungswandler bis 24 kV. Die
Genauigkeitsanforderung f\u00fcr diese Wandler wird in der IEC 61869-6 definiert. Der Amplituden- bzw. Phasenfehler gestalten sich
wie folgt.<\/p>

\"Kurvenbild<\/figure>

Der Wandler h\u00e4lt bis ca. 8 kHz die Klasse 0,5. Ab 8 kHz wird Klasse 1 noch deutlich gehalten. Diese Spannungswandler erm\u00f6glichen
somit eine verl\u00e4ssliche 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 zuk\u00fcnftig 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 f\u00fcr eine umfangreiche
St\u00f6ranalyse durchaus erforderlich sein kann.
Mit induktiven Spannungswandlern ist der Bereich bis 150 kHz technisch nicht darstellbar. Die erste Resonanzstelle kann bei 24
kV Ger\u00e4ten 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.<\/p>

\"Abbildung:<\/figure>

Bereits heute werden Spannungssensoren haupts\u00e4chlich in bestehenden Ortsnetzstationen verbaut, die eine zus\u00e4tzliche
Spannungsmessung auf der Mittelspannungsseite erfordern. Messfelder mit herk\u00f6mmlichen induktiven Spannungswandlern
k\u00f6nnen aus Platzgr\u00fcnden nur in seltenen F\u00e4llen nachtr\u00e4glich verbaut werden. Eine bew\u00e4hrte Methode ist es, Sensoren in so
genannte T-Stecker zu montieren. Diese L\u00f6sung ist platzsparend und die Montage erfolgt durch ge\u00fcbtes Personal in einem
angemessenen Zeitfenster. W\u00e4hrend der Konus des symmetrischen Steckers gem. der IEC 50181 genormt ist, weist der Konus des
Kompakt-T-Steckers je nach Hersteller leicht unterschiedliche Ma\u00dfe auf. Der f\u00fcr den Kompakt-T-Stecker vorgesehene
Spannungssensor VAPxx-S kann aber durch seinen patentierten Aufbau in den leicht unterschiedlich ausgef\u00fchrten T-Steckern aller
namhaften Hersteller verwendet werden, ohne Teilentladungen bef\u00fcrchten zu m\u00fcssen. F\u00fcr den neuartigen Kompakt-T-Stecker
von Nexans (480 TB) gibt es bereits auch den passenden Sensor mit dem VCPxx-S.<\/p>

\"Zeichnung<\/figure>

Die in Abbildung 10 dargestellten Sensoren sind bis maximal 24 kV einsetzbar. Eine 36 kV Variante ist bereits geplant.
F\u00fcr luftisolierte Schaltanlagen bzw. Messfelder gibt es bei der MBS AG einen Sensor, der bereits in Neuanlagen wie auch bei
Nachr\u00fcstungen Verwendung findet.<\/p>

\"Abbildung<\/figure>

W\u00e4hrend die Genauigkeitsklasse bei 50 Hz auf jedem Leistungsschild der Sensoren vermerkt und somit durch den Hersteller
verantwortet wird, werden f\u00fcr 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 \u00fcbertragen k\u00f6nnen. Dies soll im Folgenden untersucht werden.<\/p>

Ein ohmscher Teiler besteht grunds\u00e4tzlich aus zwei nahezu ohmschen Widerst\u00e4nden, doch diese Widerst\u00e4nde besitzen immer
parasit\u00e4re induktive und kapazitive Anteile. Auch bildet sich um den Hochspannungswiderstand eine Kapazit\u00e4t, so dass in der
Fachliteratur nicht von ohmschen Teilern, sondern von ohmsch-kapazitiven Teilern gesprochen wird.<\/p>

\"Abbildung<\/figure>

Abbildung 12: Prinzipschaltbilder eines luftisolierten Spannungssensors (VSIxx-S) und eines Spannungssensors als Abschlusseinsatz des T-Steckers (VAPxx-S)<\/em><\/p>

Wie in den Prinzipschaltbildern erkenntlich, muss die Prim\u00e4rkapazit\u00e4t ebenfalls auf der Sekund\u00e4rseite abgeglichen werden. Um
hochpr\u00e4zise Sensoren herstellen zu k\u00f6nnen, ist ebenfalls ein Ablgleichnetzwerk im Sensor n\u00f6tig, durch das nach dem Verguss ein
Feinabgleich vorgenommen werden kann. Dieses besteht aber ausschlie\u00dflich aus passiven elektronischen Bauelementen.
Es stellt sich nun die Frage, ob ohmsch-kapazitive Sensoren in der Mittelspannung ohne weiteres f\u00fcr PQ-Messungen eingesetzt
werden k\u00f6nnen. In der folgenden Abbildung sind von einem Wettbewerber und ein MBS eigener 50 Hz-Sensor von 50 bis 150 kHz
bez\u00fcglich Amplituden- und Phasenfehler vermessen worden.<\/p>

\"Kurvenbild<\/figure>

Beide Sensoren verletzen die Minimalanforderungen der Klasse 1 f\u00fcr PQ-Messungen gem. der IEC 61869-6. F\u00fcr ein optimales
\u00dcbertragungsverhalten muss das Abgleichnetzwerk ebenfalls f\u00fcr h\u00f6here Frequenzen optimiert werden.
F\u00fcr PQ-Messungen sind also frequenzoptimierte Sensoren unbedingt erforderlich, um die Mindestanforderung (Kl. 1 gem. IEC
61869-6) einhalten zu k\u00f6nnen. \u00dcbertragungskurven aus aktuellen Kundenprojekten sind in der folgenden Abbildung dargestellt.<\/p>

\"Abbildung<\/figure>

Die Spannungssensoren werden in der Regel mit entsprechenden Stromsensoren verbaut. Anders als herk\u00f6mmliche
Stromwandler wird auf der Sekund\u00e4rseite ein Spannungssignal ausgegeben. Es k\u00f6nnen aber auch breitbandige Rogowskispulen
eingesetzt werden.<\/p>

\"Abbildung<\/figure>

Verschiedene Kabelsteckerhersteller bieten auch Adapter f\u00fcr den Aussenkonus A an. So k\u00f6nnen Spannungsmessungen
platzsparend direkt an den Transformatoren realisiert werden.<\/p>

\"Abbildung:<\/figure>

Bei der Auswahl des Messger\u00e4tes ist zu beachten, dass die hier angesprochenen Spannungssensoren auf der Sekund\u00e4rseite
maximal 10\/\u221a3 Volt bereitstellen k\u00f6nnen. In Deutschland hat sich bereits der Standard 3,25\/\u221a3 V etabliert. Bei Stromsensoren
werden in der Regel 225 oder 333 mV verwendet.<\/p>

Hier ergibt sich nun f\u00fcr das EVU oftmals ein Problem bei der Anschaffung eines mobilen Power Quality Analyseger\u00e4tes. Im
Gegensatz zu den traditionell induktiven Spannungswandlern mit 100\/\u221a3 V geben die Spannungssensoren lediglich ein Kleinsignal
bis maximal 10\/\u221a3 V. In der Niederspannung werden die Spannungssignale von den spannungsf\u00fchrenden Leitern direkt
abgegriffen. Frequenzoptimierte Hochspannungswandler, die als RC-Teiler ausgef\u00fchrt werden, stellen in der Regel wie die
herk\u00f6mmlichen Spannungswandler 100\/\u221a3 V bereit. Es ergeben sich somit verschiedenste Sekund\u00e4rspannungen im Umfeld eines
EVU.<\/p>

\"Tabelle<\/figure>

Um eine ausreichende Aufl\u00f6sung und Genauigkeit garantieren zu k\u00f6nnen, sollte ein mobiles PQ-Messger\u00e4t auf diese
unterschiedlichen Messspannungen ausgelegt sein.
Das derzeit einzige mobile Messger\u00e4t, das diesen Anforderungen gerecht wird, ist das PQA 8000H-P der Firma NEO MESSTECHNIK.
Hier gibt es umschaltbare Spannungseing\u00e4nge f\u00fcr 600 Vpeak und 10 bzw. 20 Vpeak. Mit dieser Option ist es dem EVU m\u00f6glich, in
den verschiedenen Spannungsebenen hochwertige PQ-Messungen vornehmen zu k\u00f6nnen.<\/p>

\"Abbildung<\/figure>

\u25aa FFT Analyse bis zu 500 kHz (Spannung & Strom) in 2 kHz B\u00e4ndern
(gem\u00e4\u00df des internationalen Standards IEC61000-4-30)
\u25aa Scope View mit 1 MS\/s
\u25aa 4x Spannungsmessung \/ bis zu 8x Strommessung
\u25aa Anzeige und Aufnahme des digitalen PLC Datenstreams
\u25aa Zwei Spannungsmessbereiche (umschaltbar) von 600 Vp und 10 Vp
\u25aa Alle Spannungseing\u00e4nge getrennt (CAT III 1000 V \/ CAT IV 600 V)
\u25aa Direkte Versorgung von Stromsensoren aus dem Ger\u00e4t<\/p>

\"Abbildung<\/figure>

Abbildung 17: Mobiles PQ-Messger\u00e4t PQA8000H-P mit umschaltbaren Spannungseing\u00e4ngen speziell f\u00fcr EVUs<\/em><\/p>

Die Eingangsimpedanz der Spannungskan\u00e4le liegt bei 10 MOhm || 2 pF. Herk\u00f6mmliche Spannungswandler in der Mittelspannung
werden hinsichtlich der Klassengenauigkeit mit einer B\u00fcrdenleistung in VA spezifiziert. \u00dcblich sind Werte zwischen 5 und 20 VA.
Die auf dem Leistungsschild vermerkte Klasse gilt dabei f\u00fcr 25 bis 100 % dieser Leistung. Der Leistungsbedarf des mobilen PQGer\u00e4tes ist bei der \u00fcblichen Sekund\u00e4rausgangsspannung von 100\/\u221a3 V verschwindend gering.<\/p>

\"mathematische<\/figure>

Das Messger\u00e4t kann also zu den angeschlossenen Messger\u00e4ten 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 f\u00fcr das PQ-Messger\u00e4t ausgef\u00fchrt.
In der Mittelspannung muss der Sensor genau auf das Messger\u00e4t abgestimmt sein. Es lassen sich aber auch hier Messger\u00e4te parallel betreiben. Durch die Verwendung von parallelen Zusatzwiderst\u00e4nden kann das PQ-Messger\u00e4t bei Nichtbenutzung simuliert werden.<\/p>

\"Abbildung:<\/figure>

Bei der Verwendung mehrerer Messger\u00e4te in verschiedenen Messstationen ist eine komfortable Anbindung an das ENA SCADA
System m\u00f6glich.<\/p>

\"Abbildung:<\/figure>

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 durchgef\u00fchrt werden k\u00f6nnen. Mit
RC-Teilern in der Hochspannung kann aktuell ein Messbereich bis 30 kHz abgedeckt werden. Einer \u00dcbernahme der Grenzwerte
aus der aktuellen IEC 61000-2-2 in die EN 50160 f\u00fcr die Nieder- und Mittelspannung steht aus technischer Sicht nichts entgegen.<\/p>

Autoren:
Roland B\u00fcrger (MBS AG)
Business Development\/Entwicklung, MBS AG, Sulzbach-Laufen
rbuerger@mbs-ag.com
Bernhard Grasel (NEO MESSTECHNIK)
Sales Manager, NEO Messtechnik, Z\u00f6bern \u00d6sterreich
bernhard.grasel@neo-messtechnik.com<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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