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Transienten und Spannungsunsymmetrie

Zu den Netzqualitätsproblemen, die in Industriebetrieben am häufigsten auftreten, gehören Spannungseinbrüche und Spannungsüberhöhungen, Oberschwingungen, Transienten sowie Spannungs- und Stromunsymmetrien.

Motoren einer HLK-Anlage

Bei einem symmetrischen Dreiphasensystem sind die Phasenspannungen normalerweise gleich oder nahezu gleich. Symmetrie bzw. Unsymmetrie ist ein Maß für die Ungleichheit zwischen Phasenspannungen. Die Spannungsunsymmetrie ist das Maß der Spannungsunterschiede zwischen den Phasen eines Dreiphasensystems. Sie verschlechtert die Betriebseigenschaften und verkürzt die Lebensdauer von dreiphasigen Motoren.

Durch Transienten können Motoren schwer beschädigt werden. Es kann zu Isolationsdurchschlägen an den Motorwicklungen kommen, die in der Folge zu kostspieligen Ausfällen und ungeplanten Ausfallzeiten führen.

Prüfung auf transiente Spannungen an Motoren

Transiente Spannungen, d. h. vorübergehende unerwünschte Spannungsspitzen in einem Stromkreis, können ihre Ursache in verschiedenen Quellen innerhalb oder außerhalb einer Industrieanlage haben.

Das Zu- oder Abschalten zusätzlicher Lasten, Blindleistungskompensatorgruppen oder sogar Wettereinflüsse können zu transienten Spannungen in Energieverteilungen führen. Diese Transienten variieren meist in ihrer Amplitude und Frequenz. Sie können zu Beschädigungen oder zu Isolationsdurchschlägen bei Motorwicklungen führen.

Es ist oft schwierig, die Quelle dieser Transienten zu finden, da sie nur selten auftreten und die Symptome unterschiedlich sein können. Ein Transient kann z. B. in Steuerleitungen auftreten, wodurch die Anlage nicht unbedingt direkt beschädigt, aber eventuell der Betrieb gestört wird.

Netzqualitäts- und Motoranalysator Fluke 438-II

Um solche Transienten zu erkennen und zu messen, eignen sich dreiphasige Netz- und Stromversorgungsanalysatoren mit Transientenmessfunktion wie zum Beispiel der Netzqualitäts- und Motoranalysator Fluke 438-II. Die Transientenmessfunktion des Analysators wird auf mehr als 50 V über der normalen Spannung gesetzt. Auf der Anzeige des Messgeräts werden dann alle problematischen Spannungsspitzen, d. h. die Transienten, angezeigt, die diesen Schwellenwert überschreiten.

Wenn bei der ersten Messung keine Transienten ermittelt wurden, sollte die Netzqualität über einen längeren Zeitraum hinweg überwacht werden. Hierfür eignen sich moderne Netzqualitätslogger wie zum Beispiel der dreiphasige Netzqualitätslogger Fluke 1750.

Wodurch wird eine Spannungsunsymmetrie verursacht?

Durch Spannungsunsymmetrien können dreiphasige Motoren und andere dreiphasige Lasten aus den folgenden Gründen Verschlechterungen der Betriebseigenschaften zeigen oder vorzeitig ausfallen:

  • mechanische Belastungen von Motoren durch zu geringes Drehmoment
  • zu hoher Strom in den Motorwicklungen und dreiphasigen Gleichrichtern
  • Ströme im Neutralleiter bei Dreiphasensystemen mit Sternschaltung, die durch Stromunsymmetrien hervorgerufen werden.

Eine Spannungsunsymmetrie an den Motoranschlüssen verursacht eine starke Stromunsymmetrie, die das 6- bis 10-Fache der Spannungsunsymmetrie betragen kann. Unsymmetrische Ströme führen zu Drehmomentpulsation, erhöhten Schwingungen und mechanischer Belastung, stärkeren Verlusten und Motorüberhitzung. Spannungs- und Stromunsymmetrien können auch auf Instandhaltungsprobleme wie z. B. lose Anschlüsse und abgenutzte Kontakte hinweisen.

Unsymmetrien können zu jedem Zeitpunkt im Energieverteilungssystem auftreten. Lasten sollten zwischen den einzelnen Phasen einer Unterverteilung gleich verteilt werden. Wird eine Phase im Vergleich zu den anderen zu stark belastet, ist die Spannung auf dieser Phase niedriger. Die über diese Unterverteilung versorgten Transformatoren und dreiphasigen Motoren können heißer werden, ungewöhnliche Geräusche sowie übermäßig starke Schwingungen erzeugen und sogar vorzeitig ausfallen.

Berechnung von Spannungsunsymmetrien

Spannungsunsymmetrien lassen sich leicht berechnen. Das Ergebnis der Berechnung ist der Prozentsatz der Unsymmetrie, der den Ausgangspunkt für die weitere Fehlersuche bei Motorproblemen bildet. Die Berechnung besteht aus drei Schritten:

  1. Ermittlung der Mittelwerte von Spannung oder Strom
  2. Berechnung der maximalen Abweichung von Spannung oder Strom
  3. Division der maximalen Abweichung durch den Mittelwert von Spannung oder Strom und Multiplikation mit 100 % = (Max. Abweichung vom Mittelwert von U oder I/Mittelwert von U oder I) x 100

Eine manuelle Berechnung der Unsymmetrie ist eine Ermittlung der Spannungs- oder Stromunsymmetrie zu einem bestimmten Zeitpunkt. Ein Motoranalysator wie zum Beispiel der Fluke 438-II zeigt die Spannungs- oder Stromunsymmetrie sowie Schwankungen der Unsymmetrie in Echtzeit an.

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