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Beheben der häufigsten Probleme der Netzqualität

Werkzeuge und Tipps für Probleme mit Spannungsverzerrung und Oberschwingungen

Die Fehlersuche ist ein systematischer Prozess, mit dem man Probleme finden und beheben kann. Für das ungeschulte Auge sind Probleme in elektrischen Verteilungssystemen möglicherweise nicht als Probleme mit der Netzqualität zu erkennen. Ein geöffneter thermomagnetischer Leistungsschalter weist beispielsweise in der Regel auf einen Kurzschluss, einen Erdschluss oder eine Überlastung hin. Wenn kein offensichtliches Problem auftritt, kann die Abschaltung leicht einem „alten Leistungsschalter, der ersetzt werden muss“ zugeschrieben werden.

Stattdessen fragt der Netzqualitätstechniker: „Sollten wir uns vielleicht die Lasten des Systems ansehen und nach Oberschwingungen Ausschau halten oder sollten wir vielleicht nach Unsymmetrien suchen?“

Die häufigsten Symptome für Probleme mit der Netzqualität kennen und erkennen und wie man einen ersten Schritt zur Fehlersuche unternimmt.

Welche Werkzeuge benötigen Sie für den Auftrag?

Wie bei jeder Fehlersuche benötigen Sie die richtigen Werkzeuge. Wenn es um eine Fehlersuche bei Problemen mit der Netzqualität geht, sind diese Werkzeuge möglicherweise anders als Sie denken.

Zunächst einmal benötigen Sie gute und aktuelle Zeichnungen.  Messen Sie dann mit einem Netz- und Stromversorgungsanalysator die mit der Netzqualität verbundenen spezifischen Parameter und zeichnen Sie diese auf. Andere Werkzeuge, wie z. B. Datenlogger, Wärmebildkamera, Infrarot-Thermometerund Digitalmultimeter mit Aufzeichnungsfunktion, können ebenfalls bei der Fehlersuche behilflich sein.

Ein Analysator für Netz- und Stromversorgung Fluke 435 Serie II im Einsatz. Netz- und Stromversorgungsanalysatoren gehören zu den notwendigen Werkzeugen zur Fehlersuche bei Problemen mit der Netzqualität

Welche Arten von Problemen werden Sie antreffen?

Häufige Probleme mit der Netzqualität lassen sich in zwei große Bereich einteilen: Spannungsanomalien und Klirrfaktorprobleme. Spannungsanomalien können verschiedene Probleme verursachen, von denen sich viele einfach beheben lassen. Der Schlüssel liegt in der Entdeckung der Symptome.

Spannungseinbrüche sind für 80 Prozent aller Probleme mit der Netzqualität verantwortlich. Ein Spannungseinbruch tritt auf, wenn die Spannung für eine Dauer von einem halben Zyklus bis zu einer Minute maximal 90 Prozent der normalen Systemspannung abfällt. Zu den häufigen Symptomen für Spannungseinbrüche gehören das Dimmen von Glühlampen, wenn der Spannungseinbruch länger als drei Zyklen andauert, Computersperren, versehentliches Abschalten empfindlicher Elektronikgeräte, Datenverluste (Speicher) in programmierbaren Steuerungen und Relaisteuerungsprobleme.

Beginnen Sie die Fehlersuche bei potenziellen Problemen mit Spannungseinbrüchen, indem Sie die Last überwachen, an der die Symptome des Spannungseinbruchs zuerst aufgetreten sind. Vergleichen Sie den Zeitpunkt der Funktionsstörung des Geräts mit dem Zeitpunkt, zu dem der Spannungseinbruch auftrat. Wenn es keinen Zusammenhang gibt, ist das Problem höchstwahrscheinlich nicht in dem Spannungseinbruch begründet. Setzen Sie die Fehlersuche mit einer Überwachung weiter oben fort, bis Sie die Ursache gefunden haben. Versuchen Sie, mithilfe von Ein-Linien-Zeichnungen des Betriebs herauszufinden, ob das Starten großer Motoren zu einem Spannungseinbruch führt oder ob im Strombedarf des Betriebs plötzliche Anstiege auftreten.

Spannungsüberhöhungen oder -spitzen treten nur halb so häufig auf wie Spannungseinbrüche. Anstiege der Systemspannung können jedoch für kurze Zeiträume (bis zu einem Zyklus und länger) zu Problemen führen. Wie bei allen Problemen mit der Netzqualität müssen Sie die Parameter für eine gewisse Zeit überwachen und anschließend beobachten und interpretieren.

Zu den Symptomen für Spannungsüberhöhungen zählt häufig der sofortige Ausfall von Geräten, üblicherweise in der Stromversorgung der Elektronik. Manche Geräteausfälle treten jedoch möglicherweise nicht sofort auf, weil die Spannungsüberhöhungen über einen gewissen Zeitraum auftreten und zum vorzeitigen Ausfall von Komponenten führen können. Wenn die Analyse der elektronischen Geräte einen Fehler in der Stromversorgung ergibt, sollten Sie die Spannungstendenzen in den Speisekabeln und Abzweigleitungen überwachen, mit denen dieses Gerät versorgt wird. Vergleichen Sie, wo dies möglich ist, die Ausfallraten ähnlicher Geräte, die mit Teilen von Systemen zusammenarbeiten, bei denen bekanntermaßen keine Spannungsüberhöhungen auftreten.

Suchen Sie bei der Analyse der Ergebnisse der Netzqualitätsüberwachung nach plötzlichen Erdschlüssen in einer einphasigen Leitung. Diese Art der Störung führt dazu, dass die Spannung an zwei störungsfreien Phasen plötzlich überhöht wird. Große Betriebslasten, die plötzlich offline gehen, und das Schalten von Blindleistungskompensatoren können auch zu Spannungsüberhöhungen führen.

Spannungstransienten können Symptome hervorrufen, die von Computersperren und defekten Elektronikgeräten bis zu Stromüberschlägen an Verteilern reichen.

Transienten, manchmal auch als Spitzen bezeichnet, sind deutliche Spannungsanstiege, die jedoch nur wenige Mikrosekunden anhalten. Häufige Ursachen sind Blitzschlag und mechanisches Schalten. Der Ausfall von Geräten während eines Gewitters wird häufig richtigerweise auf Transienten zurückgeführt und es erfolgt keine Überwachung der Netzqualität.

Andere Ursachen für Transienten sind das Wechseln von Kondensatoren oder Kondensatorgruppen, das Wiedereinschalten von Systemen nach einem Netzausfall, das Wechseln von Motorlasten, das Ein- oder Ausschalten von Lasten mit fluoreszierender oder HID-Beleuchtung, das Wechseln von Transformatoren und das plötzliche Anhalten bestimmter Geräte. Überwachen Sie bei derartigen Transientenzuständen die Last und setzen Sie operationale Geräteprobleme oder Ausfälle mit Ereignissen des Stromverteilungssystems in Beziehung.

Normale Lichtbogenüberschläge zwischen Kontakten durch die Abtrennung großer Lasten können eine Ursache für Transienten sein. Arbeiten Sie sich anhand des Ein-Linien-Diagramms der Einrichtung mit der Überwachung im Stromverteilungssystem nach oben vor, bis Sie die Ursache finden.

Spannungsunterbrechungen können zwischen zwei und fünf Sekunden oder länger dauern. Das Symptom ist meist ziemlich einfach: das Gerät funktioniert nicht mehr. Unterbrechungen, die länger als fünf Sekunden andauern, werden üblicherweise als anhaltende Unterbrechungen bezeichnet. Die meisten Motorsteuerkreise und Prozesssteuerungssysteme sind auch nach einer kurzen Unterbrechung der Stromversorgung nicht auf einen Neustart ausgelegt.

Wenn bei einem unbeaufsichtigten Gerät eine Spannungsunterbrechung auftritt, wird die Ursache für die Abschaltung des Geräts möglicherweise nicht richtig ermittelt. Allein die Überwachung der Geräte und ein Vergleich der Dauer von Unterbrechungen der Stromversorgung mit dem Zeitpunkt von Funktionsstörungen werden zur Erkennung von Spannungsunterbrechungen beitragen.

Der dreiphasige Netzqualitätsrecorder Fluke 1750 gehört zu den Werkzeugen, die zum Aufspüren von Spannungsunsymmetrien eingesetzt werden können.>In Wirklichkeit variieren die Spannungsdifferenzen zwischen den Phasen während des Lastbetriebs. Jedoch kann eine Überhitzung eines Motors oder Transformators bzw. übermäßige Geräusche oder Vibrationen eine Suche nach Spannungsunsymmetrien sinnvoll machen.

Spannungsunsymmetrien gehören zu den häufigsten Problemen bei dreiphasigen Systemen und können zu schweren Schäden an den Geräten führen, werden jedoch häufig übersehen. Eine Spannungsunsymmetrie von 2,3 Prozent an einem 230-V-Motor führt beispielsweise zu einer Stromunsymmetrie von nahezu 18 Prozent, die einen Temperaturanstieg von 30 °C bewirkt. Mit einem Digitalmultimeter und einigen schnellen Berechnungen lässt sich zwar der Durchschnitt der Spannungswerte berechnen, jedoch liefert ein Netz- und Stromversorgungsanalysator die genauesten Informationen über Unsymmetrien.

Unsymmetrien können zu jedem Zeitpunkt im Stromverteilungssystem auftreten. Lasten sollten zwischen den einzelnen Phasen eines Schaltfelds gleich verteilt werden. Wird eine Phase im Vergleich zu den anderen zu stark belastet, ist die Spannung an dieser Phase niedriger. Die über dieses Schaltfeld versorgten Transformatoren und Dreiphasen-Motoren können heißer werden, ungewöhnlich laut sein, übermäßig stark vibrieren und sogar vorzeitig ausfallen.

Eine Überwachung über einen bestimmten Zeitraum ist der Schlüssel zur Erfassung der Unsymmetrie. In einem dreiphasigen System sollte die maximale Abweichung der Spannung zwischen zwei Phasen nicht mehr als 2 Prozent betragen (Wert Vneg % des Analysators). Andernfalls können erhebliche Schäden am Gerät auftreten.

Oberschwingungen sind Spannungen und Ströme, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz ist. Die dritte Oberschwingung ist beispielsweise die Spannung oder der Strom, der in einem 60-Hz-System bei 180 Hertz (Hz) auftritt (3 x 60 Hz = 180 Hz). Diese unerwünschten Frequenzen rufen zahlreiche Symptome hervor, darunter die Überhitzung von Neutralleitern und Transformatoren, mit denen dieser Stromkreis versorgt wird. Ein Rückdrehmoment führt zu einer Erwärmung des Motors und zu Effizienzverlusten.

Wenn jede Oberschwingung erkannt und mit der Grundfrequenz von in diesem Fall 50 Hz verglichen wird, können Sie Entscheidungen über die Stärke der einzelnen im System auftretenden Oberschwingungen treffen. Auf diesem Bildschirmfoto eines Netz- und Stromversorgungsanalysators beträgt beispielsweise die gesamte harmonische Verzerrung (THD) in Phase A 1,7 %. Von dieser Summe machen die dritte und die fünfte Oberschwingung zusammen 1,2 % aus (0,4 % bzw. 0,85 %)

Die gravierendsten durch Oberschwingungen hervorgerufenen Symptome sind üblicherweise das Ergebnis der Oberschwingungen, die eine Verzerrung der Sinuswelle der in den Einrichtungen anzutreffenden Grundschwingung von 60 Hz bewirken. Die Verzerrung der Sinuswelle führt zu einem unsauberen Betrieb des elektronischen Geräts, versehentlichen Alarmen, Datenverlusten und zu etwas, das häufig als „rätselhafte Probleme“ bezeichnet wird.

Wenn Symptome von Oberschwingungen auftreten, eine Fehlersuche durch Beobachtung der gesamten harmonischen Verzerrung (THD) durchführen. Ein deutlicher THD-Anstieg unter verschiedenen Lastbedingungen rechtfertigt einen prozentualen Vergleich der einzelnen Oberschwingungspegel im Vergleich zum Gesamtstromfluss des Systems mit der Grundschwingung. Die Kenntnis der Auswirkungen der einzelnen Oberschwingungsströme und ihr Vergleich mit den festgestellten Symptomen sind bei der Fehlersuche hilfreich. Die Quelle der Oberschwingungen muss anschließend isoliert und eliminiert werden.

Übersicht

Spannungsprobleme und die Erzeugung von Oberschwingungsströmen sind die beiden breiten Bereiche, in denen Probleme mit der Netzqualität auftreten. Spannungseinbrüche und -überhöhungen, Spannungstransienten, Unterbrechungen der Stromversorgung und Spannungsunsymmetrien können überwacht, analysiert und mit Betriebsprotokollen der Geräte verglichen werden, um die Ursache und das Ausmaß des Problems mit der Netzqualität zu ermitteln. Dasselbe Verfahren kann auf die verschiedenen Oberschwingungsströme in einem System angewandt werden.