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Praktische Anwendungen für einphasige Spannungsaufzeichnungen

Netzqualität

Gebäude aller Art, von industriellen oder gewerblichen Gebäuden bis hin zu großen Wohngebäuden, haben häufig ein gemeinsames Problem: Spannungspegel und -stabilität. Ob es sich lohnt das Problem zu beheben, hängt von der Empfindlichkeit der Gebäudelasten und dem Grad der Spannungsschwankungen ab.

Der Spannungspegel kann beispielsweise in einem Bereich zu einem Problem werden, in dem sich viele Lasten oder Gebäude befinden, die mit einem gemeinsamen Versorgungsanschluss verbunden sind. Um am Ende der Leitung die richtige Spannung zu erhalten, setzt der Versorger die Spannung üblicherweise über den Nennwert. Beim Hinzufügen oder Entfernen von Lasten steigt oder fällt die Spannung. Dadurch kann beim Entfernen von Lasten die Spannung am Eingang zu einem Bereich um mehr als 10 % steigen. Beim Hinzufügen von Lasten kann die Spannung am Ende der Leitung um mehr als 10 % sinken.

Fluke VR1710

Die Spannungsstabilität kann ein Problem in Bereichen darstellen, in denen im Laufe des Tages Lasten ein- und ausgeschaltet werden. Große Kompressoren, Motoren, Schweißmaschinen, Lichtbogenöfen, Blindleistungskompensatoren und andere große elektrische Maschinen können in Verbindung mit der Systemimpedanz leicht zu Spannungseinbrüchen, -erhöhungen und -transienten führen.

In industriellen Umgebungen bewirken große Lasten beim Einschalten eine Spannungsänderung. Das Einschalten von Motoren kann beispielsweise Spannungseinbrüche bewirken und Blindleistungskompensatoren können zu Spannungstransienten führen. Auch beim Einschalten eines großen Lichtbogenofens kann es zu einem Spannungseinbruch kommen. Schweißmaschinen können während des Betriebs Transienten in der Leitung verursachen. Dies kann zu Problemen mit Steuersystemen wie SPS oder Computern und anderen Büromaschinen führen.

In gewerblichen Gebäuden, besonders in großen, kommt es auch zu Problemen mit der Spannung. Luftaufbereitungs- und Klimaanlagen sind für die Sicherheit und den Komfort der Bewohner ein Muss. Das Problem besteht darin, dass diese Systeme beim Ein- und Ausschalten (besonders in Zeiten hohen Bedarfs) Spannungseinbrüche oder -transienten verursachen können. In einem Bürohochhaus führen steigende Lasten in den unteren Etagen zu einer niedrigeren Spannung in den oberen Etagen, was sich auf Computer, Kopierer und andere elektronische Büromaschinen auswirkt.

Krankenhäuser sind heutzutage für Spannungsprobleme besonders anfällig. Röntgengeräte, CT-Scanner, Strahlentherapiegeräte und praktisch alle Geräte zur Untersuchung und Überwachung der Patienten sind anfällig für Spannungsprobleme. Vor der Installation müssen bei vielen dieser Geräte zunächst Spannungspegel und -stabilität geprüft werden. Einige von ihnen bereiten möglicherweise auch anderen Systemen wie Laborgeräten, Computern und Büromaschinen Probleme.

Der einfachste und erste Schritt zur Behebung dieser Probleme ist häufig der Einsatz eines einphasigen Spannungsrecorders. Das Intervall einstellen, an den fraglichen Stromkreis anschließen und die Aufzeichnung starten. Dann nachdem verdächtige Lasten über einen gewissen Zeitraum ein- und ausgeschaltet wurden, die Daten herunterladen und mit der Software die Spannungsversorgung analysieren und nach Oberschwingungen, Transienten und anderen potenziellen Problemen suchen. In der folgenden Diskussion wird die Analyse mithilfe des Spannungsrecorders Fluke VR1710 demonstriert.

Schaltkreisanalyse zur Problemfeststellung

Netzspannung

Der Fluke VR1710 bietet zwei einfache Methoden zur Beurteilung der Spannungsstabilität. Die erste Möglichkeit sind Spannungsgraphen.

Abb. 1 Spannungsgraph
Abbildung 1. Spannungsgraph

Spannungsgraphen sind ein sehr einfacher Weg zur schnellen Beurteilung von Spannungsstabilität und -pegel. In Abbildung 1 beträgt beispielsweise die Maximalspannung 126 V und die Minimalspannung 116,5 V. Heutzutage versuchen die Versorger die Versorgungsspannung in einem Bereich von ±5 % des Nennwerts von 120 V zu halten. Ein interessanter Aspekt dieser Sicht liegt darin, dass der Effekt des Ein- und Ausschaltens von Lasten gut sichtbar ist. Andere Orte, an denen Sie diesen Effekt möglicherweise beobachten können, sind dort, wo Elektromotoren ein- und ausgeschaltet werden, Blindleistungskompensatoren in eine Leitung eingesetzt oder entfernt werden, Schweißgeräte betrieben oder andere große Lasten eingeschaltet werden. Vieles von dem ist auf Drehstromlasten zurückzuführen, die die einphasige Spannungsstabilität beeinträchtigen können/werden.

Die zweite Methode verwendet statistische Analysen zur Beurteilung der Spannungsstabilität.

Abb. 2 Statistische Analysen
Abbildung 2. Statistische Analysen

In der Ansicht „Statistical Analysis“ (Statistische Analysen) wird der algebraische Mittelwert der Spannung (Durchschnitt) µ zusammen mit der Standardabweichung σ angezeigt. Sehr interessant sind auch die Perzentilwerte. 5 % bzw. 95 % der Daten liegen unter den aufgeführten Spannungswerten. Zum Beispiel: Hier liegen 5 % der Spannungswerte unterhalb von 120,8 V und 95 % der Spannungswerte unterhalb von 123,5 V. Eine andere Sichtweise darauf ist, dass 90 % der Messwerte zwischen 120,8 und 123,5 V liegen. Minimal- und Maximalspannung werden angezeigt und wie viel Prozent der Messerwerte außerhalb des Bereichs von -15 % bis +10 % (85 % bis 110 %) der Nennspannung und ±10 % (90 % bis 110 %) der Nennspannung liegen.

Oberschwingungen

Die Oberschwingungen bleiben aufgrund der Vielzahl an elektronischen Geräten, die heutzutage verwendet werden, ein Problem im elektrischen System. In gewerblichen und industriellen Einrichtungen sowie in Krankenhäusern gibt es Computer, Umweltschutztechniken, Fertigungsmaschinen, Labor- und Therapiegeräte, die im Allgemeinen Oberschwingungen erzeugen. Die erzeugten Oberschwingungen sind auf Signalform-Verzerrung zurückzuführen. Da der Versorger eine relative saubere Spannung liefert und das VR1710 nicht den Strom misst, welchen Wert hat dann eine Betrachtung der Oberschwingungsspannungen? Bedenken Sie, dass alle elektrischen Anlagen in Abhängigkeit von Kabelquerschnitt und -länge, Anschlüssen, Schaltkreisschutzvorrichtungen und Schaltern über eine charakteristische Impedanz (Widerstand) verfügen. Bei steigenden Lasten (Strömen) kommt es zu Spannungsabfällen über diese Impedanz. Wenn die Frequenz dieser Ströme den Oberschwingungsfrequenzen entspricht, werden auch die Spannungsabfälle mit den Oberschwingungsfrequenzen erzeugt, wodurch in der elektrischen Anlage eine Oberschwingungsspannung induziert wird. Diese Spannungsverzerrung kann zu Problemen in Computern und anderen elektronischen Geräten führen. Wenn beispielsweise durch die Spannungsverzerrung die Spitzenspannung auf 50 oder 60 Hz gebracht wird, kann eine Verringerung die Netzteile in Computern und anderen Büromaschinen beeinträchtigen, was zu einem intermittierenden Betrieb führt.

Hier ein Blick auf Oberschwingungsspannungen in einem System, in dem die Lastströme die Spannung beeinträchtigt haben.

Abb. 3 - Bildschirmfoto Oberschwingungen
Abbildung 3. Oberschwingungen

Während es schwer zu sagen ist, wann die Oberschwingungsspannungen ein Problem verursachen, wenn es Probleme gibt, können signifikante Oberschwingungsspannungen auf die Notwendigkeit einer umfassenderen Studie zur Netzqualität hinweisen. In diesem Fall sollte für die Analyse ein Netz- und Stromversorgungsanalysator wie der Fluke 435 zur Beurteilung von Spannung und Strom verwendet werden.

Flicker

Flicker wird so beschrieben: „Flicker ist der Eindruck einer unsteten optischen Wahrnehmung, die durch einen Lichtreiz entsteht, dessen Leuchtdichte oder Spektralverteilung sich zeitlich ändert.“ Flackernde Lichter können also von leicht störend über sehr irritierend bis hin zu physischen Symptomen beim Beobachter reichen. Die zwei wichtigsten Parameter von Flicker sind PST (kurzfristiges Flicker) and PLT (langfristiges Flicker). PST wird über ein 10-minütiges Intervall gemessen und die Norm empfiehlt einen Messwert von weniger als 1,0. PLT wird über einen Zeitraum von zwei Stunden gemessen und die Norm empfiehlt einen Messwert von weniger als 0,8.

Bildschirmfoto Flicker
Abbildung 4. Flicker

Frequenz

Der lokale Versorger liefert je nach Netzfrequenz eine stabile Spannung von 50 oder 60 Hz. Wie ist das aber, wenn Sie mit einem Generator arbeiten? Lastschwankungen können eine Änderung der Drehzahl und damit der Ausgangsfrequenz bewirken. Der Spannungsrecorder Fluke VR1710 bietet eine einfache Möglichkeit zur Prüfung des Generatorausgangs. Zusammen mit der Frequenz zeichnet das Gerät auch die Spannung sowie Einbrüche und Überhöhungen bei Lastenänderungen auf und überwacht Spannungstransienten. Nachstehend sehen Sie einen Frequenzgraphen.

Bildschirmfoto Frequenz
Abbildung 5. Frequenzgraph

Transienten

Die Erwähnung von Transienten beschwört Blitzschläge im oberen Bereich der Leitung herauf. Jedoch gibt es viele andere Ursachen, die von Blindleistungskompensatoren, die in eine Leitung eingebaut werden, bis zu großen Elektromotoren und Lichtbogenschweißgeräten reichen. Der Fluke VR1710 zeichnet bei der Signalform der Wechselspannung Spannungsereignisse ab 100 µs auf. Dadurch lässt sich leichter erkennen, an welcher Stelle des Signals das Ereignis aufgetreten ist, welcher Art das Ereignis war und welchen Spannungspegel es hatte.

Übersicht

Angesichts der höheren Empfindlichkeit elektrischer Lasten heutzutage ist die Überprüfung der Spannungsqualität zu einer Notwendigkeit geworden. Mit einem stationären Spannungsrecorder wie dem Fluke VR1710 können Sie wichtige Spannungsparameter aufzeichnen, mit der Fluke Power Log-Software analysieren und einen Bericht drucken.