{"id":28503,"date":"2020-04-08T14:04:00","date_gmt":"2020-04-08T12:04:00","guid":{"rendered":"https:\/\/webentwicklung-hess.com\/mbs2023\/?p=28503"},"modified":"2024-11-05T18:18:53","modified_gmt":"2024-11-05T17:18:53","slug":"verrechnungsmessung-mit-strom-und-spannungswandlern","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/mbs-ag.com\/verrechnungsmessung-mit-strom-und-spannungswandlern\/","title":{"rendered":"Verrechnungsmessung mit Strom- und Spannungswandlern"},"content":{"rendered":"

Verrechnungsmessungen elektrischer Energie in Deutschland<\/h2>

Ein komplizierter Sachverhalt<\/h3>

F\u00fcr Verrechnungsmessung von elektrischer Energie in Deutschland werden bei h\u00f6heren Str\u00f6men und Spannungen, die von dem
Energiez\u00e4hler nicht mehr beherrscht werden, ausnahmslos induktive Strom- und Spannungswandler eingesetzt. Diese Ger\u00e4te
unterliegen dem transformatorischen Prinzip. W\u00e4hrend Stromwandler einen Transformator nahezu im Kurzschlussbetrieb darstellen, handelt es sich bei Spannungswandlern um einen Transformator, der im Sekund\u00e4rbereich hochohmig beschaltet wird (Leerlaufbetrieb). Sollen diese Ger\u00e4te f\u00fcr Verrechnungsmessungen in Deutschland eingesetzt werden, so ben\u00f6tigt der Wandlerhersteller eine Baumusterpr\u00fcfbescheinigung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Nach der Produktion und Pr\u00fcfung des Verrechnungswandlers kann der von der PTB zertifizierte Wandlerhersteller die zugelassenen Produkte mit einer Konformit\u00e4tserkl\u00e4rung versehen. Trotz diesem Nachweis ergeben sich in der Praxis Probleme im Zusammenspiel mit elektronischen Messger\u00e4ten.<\/p>

Stromwandler<\/strong>
Um die Wandler korrekt zu betreiben, ist einiges an Hintergrundwissen n\u00f6tig. So ist f\u00fcr Stromwandler aktuell die IEC 61869-1 und -2 g\u00fcltig. Hier werden die folgenden Genauigkeitsklassen f\u00fcr Messzwecke aufgef\u00fchrt:<\/p>

\"Tabelle<\/figure>

Die Bezeichnung der Genauigkeitsklasse gibt den prozentualen Amplitudenfehler des Stromwandlers bei dem prim\u00e4ren Nennstrom an.
Wandler f\u00fcr Verrechnungsmessungen verlangen mindestens Klasse 0,5. Da bei kleinerer Aussteuerung der Stromwandler ein gr\u00f6\u00dferer Amplitudenfehler toleriert wird, wird oft bei Verrechnungsstellen, in denen der Stromwandler nur selten bei Nennbetrieb gefahren wird, ein noch engeres Fehlerfenster ben\u00f6tigt. 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 f\u00fcnf Prozent des Nennstromes definiert. Auch sind die erlaubten Fehlerwerte im unteren Aussteuerbereich des Stromwandlers deutlich enger definiert.<\/p>

\"Tabelle<\/figure>

In der Wahl der Bemessungsleistung ist der Messstellenbetreiber an die von der PTB standardisierten Bemessungsleistungen
gebunden. (1)<\/p>

\"Tabelle<\/figure>

Gem\u00e4\u00df geltender Normung, sowie in \u00dcbereinstimmung mit den PTB-Pr\u00fcfregeln, m\u00fcssen Verrechnungswandler die an sie gestellten
Genauigkeitsanforderungen bei einer \u00e4u\u00dferen Beb\u00fcrdung zwischen 25 %\u2026100 % ihrer Nennb\u00fcrde einhalten. Als kleinste Pr\u00fcfb\u00fcrde von Verrechnungswandlern wurde jedoch der Wert 1 VA festgelegt. \u00dcberdies ist zu beachten, dass der Leistungsfaktor bei allen Messpunkten unter 5 VA 1,0 betr\u00e4gt. Alle Leistungen ab 5 VA werden mit einem Leistungsfaktor von 0,8 gemessen. Nur diese Messpunkte m\u00fcssen sich in der auf dem Leistungsschild festgelegten Klasse befinden. Wird ein 10 VA Klasse 0,5 Stromwandler jetzt mit nur 0,5 VA beb\u00fcrdet, bedeutet dies, dass dieser Messpunkt nicht in der genannten Genauigkeitsklasse verortet sein muss.<\/p>

Ein gr\u00f6\u00dferer und damit unzul\u00e4ssiger Fehlerwert f\u00fcr das Gesamtmesssystem w\u00e4re m\u00f6glich. Dieses Scenario ist in Deutschland allgegenw\u00e4rtig, da die digitalen Messger\u00e4te kaum noch Leistung ben\u00f6tigen. G\u00e4ngige Z\u00e4hler in der Mittelspannung belasten den Stromwandler nur noch mit ca. 4 bis 100 mVA. Auch bei der kleinsten zul\u00e4ssigen Bemessungsb\u00fcrde von 1 VA w\u00fcrden diese Werte nicht abgepr\u00fcft. Dieser Sachverhalt f\u00fchrt uns zu der Frage, wie sich der Stromwandler bei einer Unterb\u00fcrdung verh\u00e4lt.<\/p>

\"3_Techn_Erlaeuterungen_1\"<\/figure>
\"Tabelle<\/figure>

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 un\u00fcblichen 0,010 VA beb\u00fcrdet \u201erutscht\u201c 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 tats\u00e4chlich flie\u00dft. Wird hingegen der Wandler mit 7,5 VA \u00fcberb\u00fcrdet, 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 Gef\u00fchl f\u00fcr die monet\u00e4ren Auswirkungen zu bekommen, werden folgende Annahmen festgelegt:<\/p>

  • 600 Arms Nennstrom Kupferschiene<\/li>\n\n
  • 230 Vrms zwischen Leiter-Erde<\/li>\n\n
  • Betriebsdauer: 8.760 Stunden im Jahr<\/li>\n\n
  • Energiepreis: 0,2 EUR pro kWh<\/li><\/ul>

    Bei diesen Randbedingungen werden bei einer Verschiebung von 0,1 Prozentpunkten (z.B. 0,3 Prozent statt 0,2 Prozent
    Amplitudenfehler) j\u00e4hrlich 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.<\/p>

    Kommen wir von der Niederspannungsebene in die Mittelspannungsebene. Hier sind die Auswirkungen noch dramatischer, da die
    Spannung bei den in Deutschland \u00fcblichen 20.000\/\u221a3 Volt zwischen Leiter und Erde liegt. Hier f\u00fchrt die Verschiebung von 0,1
    Prozentpunkten beim Stromwandlersignal bei gleichen Randbedingungen zu 36.415 EUR j\u00e4hrlich in den drei Phasen. Nach 20 Jahren kumulieren sich die Kosten bereits auf 728.293 EUR.<\/p>

    Spannungswandler<\/strong><\/h4>
    \"Spannungswandler<\/figure>

    Die in der Mittelspannung erforderlichen Spannungswandler m\u00fcssen wie Stromwandler ebenfalls in der IEC 61869-1 \/ -3 definierte
    Genauigkeitsklassen erf\u00fcllen. Auch gibt es von der PTB festgelegte Bemessungsleistungen.<\/p>

    \"Tabelle<\/figure>

    Wie bei den Stromwandlern liegt der untere Messpunkt bei 25 Prozent der Nenn-Bemessungsleistung. Werte unterhalb der 25 Prozent
    m\u00fcssen nicht in den definierten Klassengrenzen liegen. Eine Unterb\u00fcrdung ist auch hier nicht unwahrscheinlich, da die aktuellen
    digitalen Energiez\u00e4hler mit einer externen Energieversorgung den Spannungswandler lediglich bis maximal 100 mVA belasten.
    Dementsprechend wird die regelgerechte kleinste B\u00fcrde von 1,25 VA (25 % von 5 VA Bemessungsleistung) nicht ann\u00e4hernd erreicht.<\/p>

    Obwohl es in der aktuellen Norm f\u00fcr induktive Spannungswandler (IEC 61869-1\/-3) bereits einen neu definierten B\u00fcrdenbereich I gibt,
    der die hochohmigen Eingangsimpedanzen der Energiez\u00e4hler und die damit verbundenen niedrigen Bemessungsleistungen am
    Sekund\u00e4rausgang der Spannungswandler ber\u00fccksichtigt, wird f\u00fcr Verrechnungswandler mit Konformit\u00e4tsbewertung lediglich der
    B\u00fcrdenbereich II ber\u00fccksichtigt. Dieser definiert neben dem unteren 25 Prozent-Messpunkt einen Leistungsfaktor von 0,8. Der f\u00fcr
    hochohmige Messger\u00e4te vorgesehene B\u00fcrdenbereich I definiert zwar den praxisgerechten Leistungsfaktor bei 1,0 und den unteren
    Messpunkt bei 0 VA, doch dieser neue B\u00fcrdenbereich ist f\u00fcr Verrechnungswandler gem. den PTB-Regeln nicht zugelassen. Als
    Resultat ergibt sich auch hier wieder eine wahrscheinliche Unterb\u00fcrdung der Wandler in der Praxis. Neben der Problematik der
    Unterb\u00fcrdung gibt es aber noch einen weiteren Sachverhalt, den es zu beachten gibt.<\/p>

    Neben der Fremdversorgung des digitalen Z\u00e4hlers, kann der Z\u00e4hler \u00fcber den Spannungspfad mit der n\u00f6tigen Energie versorgt werden.
    Hierbei ergeben sich weitere Probleme. Denn \u00fcblicherweise werden die Energiez\u00e4hler vor allem in der Mittelspannung mit
    verschiedenen Kommunikationsschnittstellen betrieben. Hierbei k\u00f6nnen 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 Z\u00e4hleinrichtung ist
    daher als stark schwankend zu bezeichnen. \u00dcbliche Werte liegen zwischen 1 bis 10 VA. Wie in Abbildung 4 erkennbar, sorgt das
    Modemmodul nun daf\u00fcr, dass das komplette Fehlerband des Spannungswandlers von ca. 0,65 bis -0,15 % \u00dcbersetzungsfehler
    durchfahren wird. Wir konstatieren, dass der Betriebszustand des Modems die Beb\u00fcrdung des Spannungswandlers ma\u00dfgeblich
    beeinflusst. Somit wird auch die verrechnete Leistung ma\u00dfgeblich beeinflusst. Dieser Sachverhalt f\u00fchrt zu irrwitzigen
    Zusammenh\u00e4ngen. So f\u00fchrt beispielsweise ein l\u00e4nger andauernder Starkregen, der die Funkverbindung des LTE-Modems
    beeintr\u00e4chtigt, dazu, dass der Energieversorger weniger Geld f\u00fcr die gleiche elektrische Energie erh\u00e4lt. Der Grund daf\u00fcr ist, dass das
    LTE-Modem bei schlechter Funkverbindung eventuell keine Verbindung aufbauen kann. Wie bei einem Handy werden immer wieder
    Einwahlversuche durchgef\u00fchrt. Das LTE-Modem ben\u00f6tigt daf\u00fcr Energie und belastet damit den Spannungswandler mit der definierten
    Maximalb\u00fcrde von vielleicht 10 VA. Wie oben beschrieben ergibt sich ein Amplitudenfehler des Spannungswandlers bei 10 VA
    Beb\u00fcrdung 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.<\/p>

    Um die unterschiedlichen Beb\u00fcrdungsszenarien besser nachvollziehen zu k\u00f6nnen, ist in Abbildung 4 ein typisches Fehlerdiagramm
    eines Spannungswandlers dargestellt. Das analysierte Ger\u00e4t besitzt eine Messwicklung und ist mit 15 VA in Klasse 0,5 spezifiziert.<\/p>

    \"Tabelle<\/figure>

    Es ist bewusst eine Auslegung gew\u00e4hlt 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
    B\u00fcrdenbereich 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 % B\u00fcrde) im positiven Prozentfehlerbereich nicht in der Klasse ist. Nehmen wir
    jetzt beispielsweise ein Messger\u00e4t mit einer nicht un\u00fcblichen Eingangsimpedanz von einem Megaohm, so ergibt das eine Leistung von
    3,4 mVA. Dieser Punkt liegt jetzt abh\u00e4ngig von der Nennspannung zwischen 0,6 und 0,7 Prozent. Wir erkennen, wie beim
    Stromwandler, dass eine Unterb\u00fcrdung einen gr\u00f6\u00dferen positiven Spannungsfehler erzeugt. Es wird mehr Spannung in die
    Leistungsberechnung eingebracht als tats\u00e4chlich vorhanden ist.<\/p>

    Nehmen wir jetzt die vorhandenen fixen Randbedingungen aus dem Stromwandlerbereich und \u00e4ndern die Versorgungsspannung auf
    20.000\/\u221a3 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
    Unterb\u00fcrdung um 0,1 Prozentpunkte in Richtung 0 VA Belastung \u201egeschoben\u201c werden, dann ergibt das pro Verrechnungsstelle im Jahr
    eine zus\u00e4tzliche Abrechnung von 72.829 EUR in einem Jahr. Bei 20 Jahren Laufzeit ergeben sich bereits 1.456.585 EUR.<\/p>

    F\u00fcr den Messstellenbetreiber ist es deshalb wichtig, die Verrechnungswandler korrekt zu beb\u00fcrden. Beim Spannungswandler ist es
    ratsam bei der Bestellung den Wandlerhersteller zu bitten, den 0 VA-Messpunkt zus\u00e4tzlich in die gew\u00fcnschten Klassengrenzen zu
    legen. In der Praxis wird der Wandler bei einer Eingangsimpedanz des Messger\u00e4tes von einem Megaohm zwar deutlich unterb\u00fcrdet,
    doch der Fehler befindet sich noch in der gew\u00fcnschten Genauigkeitsklasse. Daneben w\u00fcrde die PTB den Messstellenverantwortlichen
    helfen, wenn der normativ schon g\u00fcltige B\u00fcrdenbereich I in die PTB-Pr\u00fcfregeln mit aufgenommen werden w\u00fcrde.<\/p>

    Bei den Stromwandlern sollte bei einer drohenden Unterb\u00fcrdung ein Wandler mit 5 A Ausgang und kleiner B\u00fcrde gew\u00e4hlt werden. Mit
    dem Zuleitungskabel kann relativ einfach eine Zusatzb\u00fcrde geschaffen werden (?? = ??2 \u00d7 ??), um \u00fcber die 25 Prozent der Nenn-
    Bemessungsleistung zu kommen.<\/p>

    Um den Eigenverbrauch von Kupfer-Leitungen zu berechnen ist folgende Formel anzuwenden.<\/p>

    \"mathematische<\/figure>

    F\u00fcr eine schnelle \u00dcbersicht sind in der folgenden Tabelle die Verlustleistungen in VA bei einem Sekund\u00e4rstrom von
    5 A in Abh\u00e4ngigkeit von der L\u00e4nge und dem Kupferquerschnitt der Zuleitung aufgelistet.<\/p>

    \"Tabelle<\/figure>

    F\u00fcr die 1 A Stromwandler<\/strong> gibt die folgende Tabelle Auskunft.<\/p>

    \"Tabelle<\/figure>

    Durch die richtige Beb\u00fcrdung 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
    Beb\u00fcrdung optimiert werden.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Verrechnungsmessungen elektrischer Energie in Deutschland Ein komplizierter Sachverhalt F\u00fcr Verrechnungsmessung von elektrischer Energie in Deutschland werden bei h\u00f6heren Str\u00f6men und Spannungen, die von demEnergiez\u00e4hler nicht mehr beherrscht werden, ausnahmslos induktive Strom- und Spannungswandler eingesetzt. Diese Ger\u00e4teunterliegen dem transformatorischen…<\/p>\n","protected":false},"author":4,"featured_media":28505,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_kad_blocks_custom_css":"","_kad_blocks_head_custom_js":"","_kad_blocks_body_custom_js":"","_kad_blocks_footer_custom_js":"","_kad_post_transparent":"","_kad_post_title":"","_kad_post_layout":"","_kad_post_sidebar_id":"sidebar-secondary","_kad_post_content_style":"","_kad_post_vertical_padding":"","_kad_post_feature":"","_kad_post_feature_position":"","_kad_post_header":false,"_kad_post_footer":false,"footnotes":""},"categories":[23350],"tags":[],"class_list":["post-28503","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-fachhinweise"],"acf":[],"taxonomy_info":{"category":[{"value":23350,"label":"Fachhinweise"}]},"featured_image_src_large":["https:\/\/mbs-ag.com\/wp-content\/uploads\/2020\/04\/PB_EASK31.3_900x600.jpg",900,600,false],"author_info":{"display_name":"Dieter Hess","author_link":"https:\/\/mbs-ag.com\/author\/ad48mbs023\/"},"comment_info":0,"category_info":[{"term_id":23350,"name":"Fachhinweise","slug":"fachhinweise","term_group":0,"term_taxonomy_id":23350,"taxonomy":"category","description":"","parent":0,"count":8,"filter":"raw","term_order":"0","order":"0","cat_ID":23350,"category_count":8,"category_description":"","cat_name":"Fachhinweise","category_nicename":"fachhinweise","category_parent":0}],"tag_info":false,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/mbs-ag.com\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/28503","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/mbs-ag.com\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/mbs-ag.com\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/mbs-ag.com\/wp-json\/wp\/v2\/users\/4"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/mbs-ag.com\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=28503"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/mbs-ag.com\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/28503\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/mbs-ag.com\/wp-json\/wp\/v2\/media\/28505"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/mbs-ag.com\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=28503"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/mbs-ag.com\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=28503"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/mbs-ag.com\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=28503"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}