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Netzrückwirkungen in TN-C- und TN-S-Systemen, Verträglichkeit mit EDV-Netzen

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  • 1. Neue Last in alten Netzen Stefan Fassbinder Deutsches Kupferinstitut www.copperalliance.de www.kupferinstitut.de/de/werkstoffe/anwendung/emv/oberschwingungen.html
  • 2. Was eignet sich als elektrischer Leiterwerkstoff und was nicht? Silber Kupfer (99,95%) 57,0 62,5 MS/m Aluminium Kupfer (99,95%) 57,0 37,0 MS/m Eisen Gold 10,0 45,5 MS/m Aluminium Bronze (CuSn8) 37,0 7,5 MS/m Blei Eisen 10,0 4,8 MS/m Platin Edelstahl 9,5 1,0 MS/m Kohle Bronze (CuSn8) 0,025 7,5 MS/m Blei 4,8 MS/m Edelstahl 1,0 MS/m Kohle 0,025 MS/m
  • 3. Einzig möglicher Konkurrent: Aluminium Hoch- und Mittelspannungs- Freileitungen Stromschienen Gegossene Läuferkäfige für Drehstrom- Asynchronmaschinen NEU! Nieder- und Kommunikations-und Datenleitungen Transformatoren Mittelspannungs-Erdkabel Motoren-wicklungen Installations-leitungen Hoch- und Höchst-spannungs- Erdkabel Aluminium Kupfer
  • 4. Daher kann sogar die Kupfer-Industrie ohne Schwierigkeiten zugeben: Auch Aluminium kann ein guter Leiterwerkstoff sein! Doch gibt ein Fachmann von Schneider Electric zu bedenken: »Aluminium ist nur etwas für arme Leute!«
  • 5. Wenn um 1900 der Strom für eine Minute ausfiel, war es eine Minute lang dunkel. Wenn der Strom für eine Sekunde ausfiel, war es eine Sekunde lang dunkel.
  • 6. Wenn um 1950 der Strom für eine Sekunde ausfiel, war es drei Sekunden lang dunkel.
  • 7. Wenn heute der Strom auch nur für 50 ms ausfällt, • gehen Daten verloren, • ist der Rechner abgestürzt, • dauert es Minuten oder gar Stunden, ehe der Betrieb wieder seinen geregelten Gang nimmt. Fazit: Selbst bei Strom-Ausfall darf heutzutage der Strom eigentlich gar nicht ausfallen!
  • 8. Statistik – Wahrheit, Lüge oder Irrtum? »Es gibt drei Arten der Lüge: Die gewöhnliche Lüge, den Meineid und die Statistik.« »Ich glaube nur an Statistiken, die ich selbst gefälscht habe.« »So lügt man mit Statistik« (Buchtitel). Sprach der Statistiker zu seinem Kunden: »Nun habe ich Ihre Daten extra poliert … und Ihnen gefallen sie immer noch nicht!« Dabei ist Datenflut der beste Datenschutz!
  • 9. Ausfallzeit nach VDN-Statistik: Italien 190 min/a Norwegen 180 min/a Schweden 152 min/a Großbritannien 63 min/a Frankreich 57 min/a Niederlande 25 min/a Deutschland 15 min/a (vor Münsterland) Deutschland 13 min/a (nach Münsterland) (Alt: Ausfälle <1 min. sind keine Ausfälle Neu: Durch ungewöhnliche Wetterbedingungen verursachte Ausfälle sind keine Ausfälle mehr) ? !
  • 10. Statistik – so funktioniert das, z. B.: Erneuerbare Energien jetzt die Nr. 2! 25% 20% 15% 10% 5% 0% Kernenergie Braunkohle Steinkohle Erdgas Sonstige Erneuerbare Energien
  • 11. Statistik – so funktioniert das, z. B.: Brutto-Stromerzeugung in Deutschland 2011 25% 20% 15% 10% 5% 0% Kernenergie Braunkohle Steinkohle Erdgas Sonstige Wind Biomasse Fotovoltaik Wasser Siedlungs-abfälle
  • 12. Statistik – so funktioniert das, z. B.: Erneuerbare Energien weit abgeschlagen! 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Fossile Energien Sonstige Wind Biomasse Fotovoltaik Wasser Siedlungs-abfälle
  • 13. Statistik – so funktioniert das, z. B.: Zwei Sportler laufen um die Wette. Ergebnis: Der Eine wird immerhin Zweiter. Der Andere wird leider nur Vorletzter. Aber jetzt Schluss mit dem Exkurs in die Statistik – zur Sache:
  • 14. Versorgungssicherheit in Südafrika
  • 15. Dabei gibt es heute eine ganze Menge mehr Gründe für Ausfälle und Störungen! Denn die Zusammensetzung der Verbraucher im Netz hat sich in den letzten Jahren durch den starken Zuwachs an elektronischen Geräten erheblich verändert. Diese Geräte sind mit Gleichrichter und Glättungs-Kondensator ausgestattet, was den Verlauf des aufgenommenen Stroms sehr stark von der Sinusform abweichen lässt. Doch die Netze sind die selben geblieben!
  • 16. Probleme mit der Stromversorgung sind daher in den meisten Fällen eher irdischen Ursprungs Hildegard, schalt' den Quirl aus, mein Bildschirm flackert!
  • 17. Was bisher geschah: 350 V 250 V 150 V 50 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms -50 V -150 V -250 V -350 V u → t → u (L1) u (L2) u (L3) 15 A 10 A 5 A 0 A 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms -5 A -10 A -15 A i → t → i1 (L1) i1 (L2) i1 (L3)  Ideale Dreiphasen- Netzspannung  3 gleiche ohmsch-induktive Einphasen-Lasten an 3 Außenleitern
  • 18. Drehstrom-Erzeugung mit 6 Leitern +–– +–– +–– +–– +–– +–– N S
  • 19. Drehstrom-Erzeugung mit 4 Leitern +–– +–– +–– 0 N S
  • 20. Drehstrom-Erzeugung mit 3 Leitern +–– +–– +–– N S
  • 21. 3 A 2 A gleichgerichtete gleichgerichtete Netzspannung Netzspannung Kondensator-spannung 1 A 0 A 350 V 300 V 250 V 200 V 150 V 100 V 50 V 0 V u → 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms t → i → gleichgerichtete Netzspannung gleichgerichteter Netzstrom Was heute geschieht: Z. B. (rechnerisch) beim Betrieb einer Leucht-stofflampe 230 V 58 W mit (archaischem) EVG an einem Außenleiter eines typischen Netzes Netzspannung: 230 V Netzfrequenz: 50 Hz Netzwiderstand: 500 mW Netz-Induktivität: 904 μH Netz-Impedanz: 575 mW Gleichstromlast: 180 mA Glättungskapazität: 50 μF
  • 22. Was macht man heute bei EVG über 25 W? Elektronische Leistungsfaktor-Korrektur einbauen 70 mA 60 mA 50 mA 40 mA 30 mA 20 mA 10 mA 0 mA 220 V 200 V 180 V 160 V 140 V 120 V 100 V 80 V 60 V 40 V 20 V 0 V i → u → φ → 0° 5° 10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 45°
  • 23. All dies hat mehrere zuvor nicht gekannte Auswirkungen: 1. Verformung der Spannungskurven 2. Immens hohe Einschaltstromspitzen 3. Abweichende Anzeigewerte verschiedener Messmittel 4. Höhere Belastung der Leiter 5. Belastung des Neutralleiters 6. Überhitzung und Hochlaufprobleme bei Drehfeldmotoren 7. »Zusätzliche Zusatzverluste« in Transformatoren 8. Rückwirkungen von Generatoren auf das Netz 9. Einfluss auf Kondensatoren, Netzrückwirkungen 10. Schutzleiterströme → RCD-Fehlauslösungen … und als besondere Folgen im NS-Netz nach dem TN-C-System: 11. Betriebsströme im PA: Magnetische Streufelder 12. Betriebsströme in der EDV: Datenfluss gehemmt 13. Betriebsströme im Erder: Korrosionsschäden 14. Blitzströme in Geräten und Betriebsmitteln … und als »Fernwirkung« bis ins MS-Netz bei RESPE: 15. Gefährliche Berührungsspannungen
  • 24. 1. Verformung der Spannungskurven – in der Theorie … 350 V 250 V 150 V 50 V Netzspannung beim einphasigen Betrieb 20 archaischer EVG an einem typischen Netz 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms -50 V -150 V -250 V -350 V u → t → u(t) L1 (20 * i1) [V]
  • 25. … und in der Praxis Real existierende Verläufe von Strom  und Spannung  in einem großen Lager-, Versand- und Verwaltungsgebäude
  • 26. So etwas nennt man Oberschwingungen. Oder Harmonische? Oder wie sonst? Und wie zählt man die? In der Norm und an der Universität (z. B. bezogen auf 50-Hz-Netze): 50 Hz Grundschwingung oder 1. Harmonische, 100 Hz 1. Oberschwingung oder 2. Harmonische, 150 Hz 2. Oberschwingung oder 3. Harmonische, … In der Praxis (hier mit f = 50 Hz): Oberschwingungen und Harmonische sind Synonyme (»Oberharmonische«). Ordnungszahl n = 1: Grundschwingung ≡ 1. Oberschwingung ≡ 1. Harmonische, Ordnungszahl n = 2: 2. Oberschwingung ≡ 2. Harmonische …
  • 27. So etwas nennt man Oberschwingungen. Oder Harmonische? Oder wie sonst? Und was ist z. B. mit Gleichströmen in Wechsel- und Drehstromnetzen? Kommt nicht vor? Oh doch! Dazu später mehr. Gleichstrom: f = 0, also: 0. Harmonische = -1. Oberschwingung (?) Übersetzen Sie das doch mal ins Englische (IEV 101-14-51): Harmonische = harmonic; dagegen: Oberschwingung = harmonic. Das ist wie bei Kabeln und Leitungen: Kabel = cable (IEV 151-12-38); Leitung = cable (IEV 151-12-27).
  • 28. Jeder periodische Vorgang lässt sich durch eine unendliche Summe sinusförmiger Vorgänge darstellen 175% 125% 75% 25% Quadratwerte 0,9989A Betrags-Mittelwert: │i AV│ = 0,8660A Drei-eck I I ² = gesamt nur für THD 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms -25% -75% -125% -175% i/I → t → i1 i3 i (L1) Echt-Effektivwert: I = 0,9927A Fourier- Koeffizienten (Scheitel-werte) 1 Grundschwingung: 1 = 0,9927A 10,9855A² 0,0000A² 1,4039A Summe der Quadrate: SI n0,9855A0,0000AWurzel hieraus: 0,9927A 0,0000A THDr (root mean square): 0A/0,992A = 0,0% THDf fundamental): 0A/0,992A 0,0% 3 . Oberschwingung: I 3 = -0,1103A I 3² = 0,0122A² 0,0122A² -0,1560A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9977A² 0,0122A² Wurzel hieraus: 0,9989A 0,1103A THDr (root mean square): 0,110A/0,998A = 11,0% THDf (fundamental): 0,110A/0,992A = 11,1% i1 i3 i5 i (L1) 0,9996A Summe der Quadrate: SI n0,9993A0,0137AWurzel hieraus: 0,9996A 0,1172A THDr root mean square): 0,117A/0,999A 11,7% THDf fundamental): 0,117A/0,992A 11,8% i3 i5 i7 Errechnete Werte 0,9998A Summe der Quadrate: SI n0,9997A0,0142AWurzel hieraus: 0,9998A 0,1190A THDr (root mean square): 0,118A/0,999A = 11,9% THDf (fundamental): 0,118A/0,992A = 12,0% i9 i (L1) 0,9999A Summe der Quadrate: SI n0,9998A0,0143AWurzel hieraus: 0,9999A 0,1196A THDr root mean square): 0,119A/0,999A THDf fundamental): 0,992A i1 i3 i5 i7 i9 i11 i (L1) Summe der Quadrate: SI n0,9999A0,0144AWurzel hieraus: 1,0000A 0,1199A THDr (root mean square): 0,119A/0,999A = 12,0% THDf fundamental): 0,119A/0,992A 12,1% i13 i (L1) Summe der Quadrate: SI n0,9999A0,0144AWurzel hieraus: 1,0000A 0,1200A THDr (root mean square): 0,120A/0,999A = 12,0% THDf (fundamental): 0,120A/0,992A = 12,1% i1 i3 i5 i7 i9 i11 i13 i15 i (L1) Summe der Quadrate: SI n1,0000A0,0144AWurzel hieraus: 1,0000A 0,1201A THDr root mean square): 0,999A 12,0% THDf fundamental): 0,992A 12,1% i17 i (L1) eff 1,0000A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,0397A I 50,0016A0,0016A0,0562A 7 . Oberschwingung: I 7 = -0,0203A I 7² = 0,0004A² 0,0004A² -0,0287A 9 . Oberschwingung: I 9 = 0,0123A I 9² = 0,0002A² 0,0002A² 0,0173A 11 . Oberschwingung: I 11 = -0,0082A I 11² = 0,0001A² 0,0001A² -0,0116A 13 . Oberschwingung: I 13 = 0,0059A I 13² = 0,0000A² 0,0000A² 0,0083A 15 . Oberschwingung: I 15 = -0,0044A I 15² = 0,0000A² 0,0000A² -0,0062A 17 . Oberschwingung: I 17 = 0,0034A I 17² = 0,0000A² 0,0000A² 0,0049A Summe der Quadrate: SI n² = 1,0000A² 0,0144A² Wurzel hieraus: 1,0000A 0,1202A THDr (root mean square): 0,120A/0,999A = 12,0% THDf (fundamental): 0,120A/0,992A = 12,1%
  • 29. Jeder periodische Vorgang lässt sich durch eine unendliche Summe sinusförmiger Vorgänge darstellen gesamt nur für THD Recht-eck 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms i (L1) Echt-Effektivwert: I = 0,9003A Summe der Quadrate: SI n0,8106A0,0000AWurzel hieraus: 0,9003A 0,0000A THDr (root mean square): 0A/0,900A = 0,0% THDf fundamental): 0A/0,900A 0,0% 175% 125% 75% 25% -25% -75% -125% -175% i/I → t → i1 i3 i (L1) Quadratwerte 0,9490A Summe der Quadrate: SI n0,9006A0,0901AWurzel hieraus: 0,9490A 0,3001A THDr (root mean square): 0,300A/0,949A = 31,6% THDf fundamental): 0,300A/0,900A 33,3% Fourier- i1 i3 i5 i (L1) eff 0,9659A AVKoeffizienten (Scheitel-werte) 3 . Oberschwingung: I 3 = 0,3001A I 3² = 0,0901A² 0,0901A² 0,4244A 5 . Oberschwingung: I 5 = 0,1801A I 5² = 0,0324A² 0,0324A² 0,2546A Summe der Quadrate: SI n0,9331A0,1225AWurzel hieraus: 0,9659A 0,3500A THDr (root mean square): 0,349A/0,965A = 36,2% THDf fundamental): 0,349A/0,900A = 38,9% i3 i5 i7 Errechnete Werte 0,9745A Betrags-Mittelwert: │i │ = 1,0000A 1 Grundschwingung: I 1 = 0,9003A I 1² = 0,8106A² 0,0000A² 1,2732A 7 . Oberschwingung: I 7 = 0,1286A I 7² = 0,0165A² 0,0165A² 0,1819A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9496A² 0,1390A² Wurzel hieraus: 0,9745A 0,3729A THDr (root mean square): 0,372A/0,974A 38,3% THDf (fundamental): 0,372A/0,900A = 41,4% i9 i (L1) 0,9796A Summe der Quadrate: SI n0,9596A0,1490AWurzel hieraus: 0,9796A 0,3861A THDr root mean square): 0,386A/0,979A 39,4% THDf fundamental): 0,386A/0,900A 42,9% i1 i3 i5 i7 i9 i11 i (L1) 0,9830A Summe der Quadrate: SI n0,9663A0,1557AWurzel hieraus: 0,9830A 0,3946A THDr (root mean square): 0,394A/0,983A = 40,1% THDf fundamental): 0,394A/0,900A 43,8% i13 i (L1) 0,9854A Summe der Quadrate: SI n0,9711A0,1605AWurzel hieraus: 0,9854A 0,4007A THDr (root mean square): 0,400A/0,985A = 40,7% THDf (fundamental): 0,400A/0,900A = 44,5% i1 i3 i5 i7 i9 i11 i13 i15 i (L1) 0,9873A Summe der Quadrate: SI n0,9747A0,1641AWurzel hieraus: 0,9873A 0,4051A THDr root mean square): 0,405A/0,987A 41,0% THDf fundamental): 0,405A/0,900A 45,0% i17 i (L1) 0,9887A 9 . Oberschwingung: I 9 = 0,1000A I 90,0100A0,0100A0,1415A 11 . Oberschwingung: I 11 = 0,0818A I 11² = 0,0067A² 0,0067A² 0,1157A 13 . Oberschwingung: I 13 = 0,0693A I 13² = 0,0048A² 0,0048A² 0,0979A 15 . Oberschwingung: I 15 = 0,0600A I 15² = 0,0036A² 0,0036A² 0,0849A 17 . Oberschwingung: I 17 = 0,0530A I 17² = 0,0028A² 0,0028A² 0,0749A Summe der Quadrate: SI n² = 0,9775A² 0,1669A² Wurzel hieraus: 0,9887A 0,4086A THDr (root mean square): 0,408A/0,988A = 41,3% THDf (fundamental): 0,408A/0,900A = 45,4%
  • 30. 100% 33% 15% 1,0 A 0,5 A 0,0 A -0,5 A 1,0 A 0,5 A 0,0 A -0,5 A 1,0 A 0,5 A 0,0 A -0,5 A -1,0 A Kurve Kurve Kurve 0° 90° 180° 270° 360° -1,0 A 0° 90° 180° 270° 360° -1,0 A 0° 90° 180° 270° 360° 100% 75% 50% 25% 0% -25% -50% -75% -100% Ieff │iAV│ Spektrum I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 I17 100% 75% 50% 25% 0% -25% -50% -75% -100% Ieff │iAV│ Spektrum I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 I17 100% 75% 50% 25% 0% -25% -50% -75% -100% Ieff │iAV│ Spektrum I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 I17 Tastverhältnis
  • 31. Noch weit bessere Simulationen gibt es kostenlos bei: www.powerstandards.com/PQTeachingToyIndex.php
  • 32. 2,0 A 1,5 A 1,0 A 0,5 A 0,0 A Eingangsstrom eines PC mit Monitor 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms -0,5 A -1,0 A -1,5 A -2,0 A u → t → 2,0 A 1,5 A 1,0 A 0,5 A 0,0 A -0,5 A -1,0 A -1,5 A -2,0 A Die Anwendung auf den real existierenden PC-Strom funktioniert nicht direkt …  0° 90° 180° 270° 360°  … aber mit Trick: Eine ähnliche Dreieckkurve unvollständig darstellen Dreieckstrom gleicher Amplitude mit Tast- Verhältnis 1/7
  • 33. Analyse des Ersatz-Dreieckstroms 400 % 300 % 200 % 100 % 0 % 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -100 % -200 % -300 % -400 % i/I → t → i1 i3 i5 i7 i9 i11 i13 i15 i17 i (L1)
  • 34. Ganz wichtig bei der Betrachtung von Oberschwingungen: Sie entstehen im Verbraucher und breiten sich von dort »stromaufwärts« aus Oberschwingungen M 3 Energie (Wirkleistung) L1 L2 L3 N PE Ober-schwingungen Energie (Wirkleistung)
  • 35. Was ist eigentlich THD? Zum Beispiel eines Dreieckstroms von 1 A und Tastverhältnis 1/7:  Quadratwerte  Ohne 5 A 4 A Grundschwingung: 463 mA 214720 mA² Grundschwingung 3 3. A Harmonische: -448 mA 200720 mA² 200720 mA² 2 5. A Harmonische: 419 mA 175155 mA² 175155 mA² 7. Harmonische: -377 mA 142265 mA² 142265 mA² 1 A 9. Harmonische: 327 mA 107040 mA² 107040 mA² 11. 0 A Harmonische: -272 mA 74072 mA² 74072 mA² 13. Harmonische: 0° 90° 216 mA 180° 46646 mA270° ² 46646 360° mA² -1 A 15. Harmonische: -162 mA 26316 mA² 26316 mA² -17. 2 A Harmonische: 114 mA 12984 mA² 12984 mA² Summe -3 A der Quadrate: 999922 mA² 999922 mA² Wurzel hieraus:  999 mA (eff.) 886 mA -4 A THDr (root mean square) = 886 mA / 1000 mA (Klirrfaktor) = 88 % THDf -5 A (fundamental) = 886 mA / 463 mA = 191 %
  • 36. Unterschiedliche Auswirkungen auf Strang- und Leiterspannung Aufge-nommen am 30.06.2002, 14:30 Uhr. Was war da doch gleich? Schon Geschichte? Endspiel Deutschland – Brasilien!
  • 37. Die Strom-Ober-schwingungen durch 3 teilbarer Ordnung treiben in der Dreieck-Wicklung eines Verteiltransformators einen Kreisstrom … doch die Oberschwingungen der Spannung pflanzen sich fort ins nächste Niederspannungsnetz!
  • 38. 5,0% 4,5% 4,0% 3,5% 3,0% 2,5% 2,0% 1,5% 1,0% 0,5% 0,0% Oberschwingungen in einer Woche in einem Wohngebiet, August 2002 234 V 233 V 232 V 231 V 230 V 229 V 228 V 227 V U → Freitag Samstag Sonntag Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag THDU → t → U (eff) THDU
  • 39. Oberschwingungen am Samstag in einem Wohngebiet, 24. August 2002 5,0% 4,5% 4,0% 3,5% 3,0% 2,5% 2,0% 1,5% 1,0% 0,5% 0,0% 234 V 233 V 232 V 231 V 230 V 229 V 228 V 227 V THDU → U → t → U (eff) THDU 0:00 h 3:00 h 6:00 h 9:00 h 12:00 h 15:00 h 18:00 h 21:00 h 0:00 h
  • 40. Oberschwingungen am Sonntag in einem Wohngebiet, 25. August 2002 11 V 10 V 9 V 8 V 7 V 6 V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 V 0 V U → t → U2 U3 U5 U7 U9 U11 U13 U15 0:00 h 3:00 h 6:00 h 9:00 h 12:00 h 15:00 h 18:00 h 21:00 h 0:00 h
  • 41. Oberschwingungen am Feiertag in einem Wohngebiet, 26. Dezember 2013 11 V 10 V 9 V 8 V 7 V 6 V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 V 0 V U → t → U0 (DC) U2 U3 U4 U5 U6 U7 U9 0:00 h 3:00 h 6:00 h 9:00 h 12:00 h 15:00 h 18:00 h 21:00 h 0:00 h
  • 42. Oberschwingungen in einem Bürohaus 29. März bis 04. April 2014 4,4% 240 V Stundengenaue Auflösung 4,2% 4,0% 3,8% 3,6% 3,4% 3,2% 3,0% 2,8% 2,6% 2,4% 2,2% 2,0% 1,8% 1,6% 1,4% 239 V 238 V 237 V 236 V 235 V 234 V 233 V 232 V 231 V 230 V 229 V 29.3 30.3 31.3 1.4 2.4 3.4 4.4 THDU → t → U → Minutengenaue Auflösung U THDU
  • 43. Oberschwingungen in einem Bürohaus Sonntag, 30. März 2014 4,4% 4,2% 4,0% 3,8% 3,6% 3,4% 3,2% 3,0% 2,8% 2,6% 2,4% 2,2% 2,0% 1,8% 1,6% 1,4% 240 V 239 V 238 V 237 V 236 V 235 V 234 V 233 V 232 V 231 V 230 V 229 V THDU → t → U → Sekundengenaue Auflösung U THDU 0:00h 3:00h 6:00h 9:00h 12:00h 15:00h 18:00h 21:00h 0:00h
  • 44. Oberschwingungen in einem Bürohaus Montag, 31. März 2014 4,4% 4,2% 4,0% 3,8% 3,6% 3,4% 3,2% 3,0% 2,8% 2,6% 2,4% 2,2% 2,0% 1,8% 1,6% 1,4% 240 V 239 V 238 V 237 V 236 V 235 V 234 V 233 V 232 V 231 V 230 V 229 V THDU → t → U → Sekundengenaue Auflösung U THDU 0:00h 3:00h 6:00h 9:00h 12:00h 15:00h 18:00h 21:00h 0:00h
  • 45. Oberschwingungen in einem Bürohaus 29. März bis 04. April 2014 11 V 10 V 9 V 8 V 7 V 6 V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 V 0 V U → Stundengenaue Auflösung UDC U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U15 UDC U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U15 t → Minutengenaue Auflösung 29.3 30.3 31.3 1.4 2.4 3.4 4.4
  • 46. Oberschwingungen in einem Bürohaus Sonntag, 30. März 2014 11 V 10 V 9 V 8 V 7 V 6 V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 V 0 V U → UDC U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U15 t → Sekundengenaue Auflösung 0:00h 3:00h 6:00h 9:00h 12:00h 15:00h 18:00h 21:00h 0:00h
  • 47. Oberschwingungen in einem Bürohaus Montag, 31. März 2014 11 V 10 V 9 V 8 V 7 V 6 V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 V 0 V U → UDC U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U15 t → Sekundengenaue Auflösung 0:00h 3:00h 6:00h 9:00h 12:00h 15:00h 18:00h 21:00h 0:00h
  • 48. Oberschwingungen in der Schweiz 16. - 17. September 2014 0,0 V 0,5 V 1,0 V 1,5 V 2,0 V 2,5 V 3,0 V 3,5 V 4,0 V 4,5 V U → 16.9.14 21:00 h 16.9.14 22:00 h 16.9.14 23:00 h 17.9.14 0:00 h 17.9.14 1:00 h 17.9.14 2:00 h 17.9.14 3:00 h 17.9.14 4:00 h 17.9.14 5:00 h 17.9.14 6:00 h 17.9.14 7:00 h 17.9.14 8:00 h t → UDC U2 U3 U4 U5 U7 U9 U11 U13 U15
  • 49. Oberschwingungen in der Schweiz 16. - 17. September 2014 1,00% 1,75% 2,50% 3,25% 4,00% 4,75% 16.9.14 21:00 h 16.9.14 22:00 h 16.9.14 23:00 h 17.9.14 0:00 h 17.9.14 1:00 h 17.9.14 2:00 h 17.9.14 3:00 h 17.9.14 4:00 h 17.9.14 5:00 h 17.9.14 6:00 h 17.9.14 7:00 h 17.9.14 8:00 h 228 V 230 V 232 V 234 V 236 V 238 V 240 V 242 V 244 V THDU → t → U → U THDU
  • 50. Oberschwingungen in der Schweiz 16. - 17. September 2014
  • 51. Oberschwingungen in der Schweiz 16. - 17. September 2014 0 V 2 V 4 V 6 V 8 V 10 V U → 16.9.14 21:00 h 16.9.14 22:00 h 16.9.14 23:00 h 17.9.14 0:00 h 17.9.14 1:00 h 17.9.14 2:00 h 17.9.14 3:00 h 17.9.14 4:00 h 17.9.14 5:00 h 17.9.14 6:00 h 17.9.14 7:00 h 17.9.14 8:00 h t → UDC U2 U3 U4 U5 U7 U9 U11 U12 U13 U14 U15
  • 52. Oberschwingungen in der Schweiz 16. - 17. September 2014 10 V 8 V 6 V 4 V 2 V 0 V 17.9.14 6:59 h 17.9.14 7:00 h 17.9.14 7:01 h 17.9.14 7:02 h U → t → UDC U2 U3 U4 U5 U7 U9 U11 U12 U13 U14 U15
  • 53. Oberschwingungen im Mittelspannungsnetz
  • 54. 2. Immens hohe Einschaltstromspitzen im Rechenmodell 140 A 120 A 100 A 80 A 60 A 40 A 20 A 0 A 500 V 400 V 300 V 200 V 100 V 0 V i → t → u → Einschalten im Nulldurchgang am Spannungsscheitel Netzspannung: 230 V Netzfrequenz: 50 Hz Netzwiderstand: 500 mW Netz-Längsinduktivität: 904 μH Netz-Impedanz: 575 mW Gleichstromlast: 180 mA Glättungskapazität: 220 μF Gleichgerichtete Netzspannung Kondensatorspannung Gleichgerichteter Netzstrom 0 ms 10 ms 20 ms 30 ms 40 ms 50 ms
  • 55. Keine pure Theorie  Einschaltstrom einer Kompakt- Leuchtstofflampe und deren Rückwirkung auf die Netzspannung, aufgenommen an der Technischen Universität Budapest
  • 56. Einschaltströme Versuch einer Aufnahme mit PQ-Box 200 (Abtastrate 812/Periode) 10 A 9 A 8 A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 A -1 A 330 V 297 V 264 V 231 V 198 V 165 V 132 V 99 V 66 V 33 V 0 V LED-Lampe 3 W 0 ms 2 ms 4 ms 6 ms 8 ms -33 V i → u → t → ohne PFC u u (ideal) i
  • 57. Mäßig hohe Einschalt-Stromspitzen Hochlaufströme eingeschlossen eines modernen Staubsaugers mit Drehzahl- Einstellung am oberen Anschlag in Zeitlupe → 55 A 45 A 35 A 25 A 15 A 5 A -5 A -15 A -25 A -35 A -45 A -55 A 330 V 270 V 210 V 150 V 90 V 30 V -30 V 0 ms 200 ms 400 ms 600 ms -90 V -150 V -210 V -270 V -330 V i → u → t → Hochlaufstrom eines Staubsaugers mit Drehzahlsteller in Stellung Max.
  • 58. Mäßig hohe Einschalt-Stromspitzen Hochlaufströme eingeschlossen eines kleinen Handstaubsaugers ohne Drehzahl-Einstellung in Zeitlupe →
  • 59. Mäßig hohe Einschalt-Stromspitzen Hochlaufströme eingeschlossen Lasst ihn uns wieder ausschalten.
  • 60. Mäßig hohe Einschalt-Stromspitzen: Selbst Glühlampen sind nicht ganz linear … 0,4 A 0,3 A 0,2 A 0,1 A 0,0 A -0,1 A -0,2 A -0,3 A -0,4 A 325 V 275 V 225 V 175 V 125 V 75 V 25 V -25 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms -75 V -125 V -175 V -225 V -275 V -325 V i → u → t → Glühlampe 60 W u u (ideal) i ↑ … und zwar da
  • 61. Mäßig hohe Einschalt-Stromspitzen … und produzieren ihre Einschaltspitzen! 9 A 6 A 3 A 0 A -3 A -6 A -9 A 350 V 250 V 150 V 50 V 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms 25 ms -50 V -150 V -250 V -350 V i → u → t → Glühlampe 100 W u u (ideal) i
  • 62. Unmäßig hohe Einschalt-Stromspitzen – ein rabiater Versuch mit extremer Prüflast 220 A 180 A 140 A 100 A 60 A 20 A -20 A -60 A -100 A -140 A -180 A 330 V 270 V 210 V 150 V 90 V 30 V -30 V Glühlampe 60 W & Brückengleichrichter & Glättungskapazität 500 μF 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms -90 V -150 V -210 V -270 V i → u → t → u i
  • 63. Da haben wir den Salat: Bei jedem fünften Versuch löst der LS-Schalter B16A aus Relais E 3209, Firma Eichhoff, Nennstrom 20 A! Erreger-strom aus ein Und doch: Drei Mal einschalten – Relais hängt fest!
  • 64. 39 A 33 A 27 A 21 A 15 A 9 A 3 A -3 A Immens hohe Einschalt-Stromspitzen – aber wirklich, wort-wörtlich! 325 V 275 V 225 V 175 V 125 V 75 V 25 V Elbro R7S 14 W mit Relais E 3209 5 ms 7 ms 9 ms -25 V i → u → t →
  • 65. Immens hohe Einschalt-Stromspitzen – Kontaktprellen als Zugabe mit eingeschlossen 8,5 A 7,5 A 6,5 A 5,5 A 4,5 A 3,5 A 2,5 A 1,5 A 0,5 A -0,5 A 340 V 300 V 260 V 220 V 180 V 140 V 100 V 60 V 20 V -20 V 0 ms 2 ms 4 ms 6 ms 8 ms i → u → Osram CL P20(M3) 3 W mit Relais E 3209
  • 66. Immens hohe Einschalt-Stromspitzen und die Folgen 
  • 67. Immens hohe Einschalt-Stromspitzen und die Folgen: Ausschalten unmöglich!
  • 68. Immens hohe Einschalt-Stromspitzen und Oberschwingungen Die Unlösung: Glättungskapazität verkleinern. Hilft natürlich nur graduell und führt das gerade mit viel Tamtam abgeschaffte Lampenflackern wieder ein. Ist das nicht toll? Jawohl, das ist nicht toll!
  • 69. Deutlich stärkere Funkenbildung jedoch beim Ausschalten – aber ohne Verschweißen Und das, obwohl nur der »normale« Betriebs-strom zu unter-brechen ist? Ja, aber der ist viel kleiner
  • 70. Ursächlich für die Spannungseinbrüche ist der Spannungsfall
  • 71. Vom Spannungsfall in die Spannungsfalle Falle 1 liegt auf der formalen Ebene. Laut internationaler Festlegung (SI-Einheiten) steht: S für Scheinleistung; Querschnittsfläche müsste A sein. L für Induktivität; Länge müsste l sein. λ für Leistungsfaktor; induktive Reaktanz müsste XL sein (xL für längenbezogene Beläge). Offensichtlich war dies in der alten Version noch richtig →
  • 72. Vom Spannungsfall in die Spannungsfalle – ein Fehler in der Norm? Ein Nutzer fragt: Aha, also damals waren die Formelzeichen noch richtig!
  • 73. Vom Spannungsfall in die Spannungsfalle Falle 2 war allerdings hausgemacht: Fallen 3 und 4 heben sich weit gehend gegenseitig auf: Falle 3: Kein Spannungsfall auf der Gegenphase? Falle 4: Auch da, wo gar kein Neutralleiter angeschlossen ist?
  • 74. Vom Spannungsfall in die Spannungsfalle Auch Falle 5 war »normal«: 푢 = 푏 휌1 퐿 푆 cos 휑 + 휆퐿 sin 휑 퐼퐵 Der Last! Der Leitung!
  • 75. Vom Spannungsfall in die Spannungsfalle Will uns da jemand ein XL für ein U0 vormachen? Ergebnis: 푢 = 푏 휌1 퐿 푆 cos 휑 + 휆퐿 sin 휑 퐼퐵 Speist man hiermit z. B. • eine Blindstrom-Kompensations-Anlage (φ = -89°; cosφ = 0,0175), so ergibt sich bei • einem Bemessungsstrom von 16 A und • einem Leiterquerschnitt von 2,5 mm² • eine zulässige Leitungslänge von 2 km! Dabei hat diese Leitung schon • einen Wirkwiderstand von 37 Ω, also • einen Kurzschlussstrom von kaum über 6 A!
  • 76. Vom Spannungsfall in die Spannungsfalle – doch dies war ja erst Falle Nr. 5 Das erinnert stark an die »Kurzschlussleistung«: Man multipliziere die Leerlaufspannung mit dem Kurzschlussstrom. Was man erhält, ist nicht die Bemessungsleistung der Anlage! Gerade so gut könnte man die Transportkapazität (z. B. eines Ozeanriesen) mit der Geschwindigkeit (z. B. eines Flugzeugs) multiplizieren. Was man bekäme, wäre eine immense Verkehrsleistung – aber wovon? Von einem fliegenden Schiff! (»Luftschiff«: Raus mit dem unnützen Helium – das gibt 100.000 m³ Frachtraum her). Falle Nr. 6 lauert nicht auf mathematischer, sondern auf sprachlicher Ebene →
  • 77. Der Spannungsfall ist ein schwieriger Fall Falle 6: Was ist das denn nun eigentlich? • Die zwischen Anfang und Ende einer Leitung gemessene Spannung? • Oder der Betrag / das Verhältnis, um wie viel die Spannung einbricht? Nein, das ist nicht notwendigerweise das gleiche! Tücke der Wechselstromtechnik: 3 + 4 = 5 ? ! 푈 = 푈푅 2 + 푈푋 2 3 V 4 V 5 V ohmsche Leitung induktive Last
  • 78. Der Spannungsfall ist ein schwieriger Fall ΔU = 589,624 V - 500,000 V = 89,624 V < 100,7 V ReLast = 400 V ImLast = 300 V ImLeitung = 12,5 V ReLeitung = 100 V
  • 79. Der Spannungsfall ist ein zweideutiger Fall ReLeitung = 100 V ImLeitung = 12,5 V Der Spannungsfall (zwischen Leerlauf und voller Last an der Steckdose) beträgt in diesem Beispiel nur: ΔU ≈ 540,7 V - 500,0 V = 40,7 V oder ≈ 8%. Dabei beträgt der Spannungsfall (zwischen Anfang und Ende der Leitung) hier immerhin: ΔU ≈ 100,778 V ImLast = 489,897948556636 V ReLast oder ≈ 20%! = 100 V
  • 80. Der Spannungsfall an der Steckdose mit einer großen induktiven Prüflast Diese hier lässt sich nur über einen Einschaltstrom- Begrenzer (Vorwiderstand) in Betrieb setzen. Das sieht dann aus wie folgt: Vor-widerstand induktive Prüflast
  • 81. Der Spannungsfall an der Steckdose gemessen mit einer großen induktiven Last 17,5 kW 12,5 kW 7,5 kW 2,5 kW -2,5 kW -7,5 kW -12,5 kW -17,5 kW 325 275 225 175 125 75 25 -25 0 ms 40 ms 80 ms 120 ms 160 ms 200 ms -75 -125 -175 -225 -275 -325 p → u; i → t → u [V] i [A] p [kW]
  • 82. Der Spannungsfall an der Steckdose gemessen mit einer großen induktiven Last Eine Darstellung in der Totale, über 2 s betrachtet, zeigt es ganz genau: Und das ist logisch, denn der Verbraucher wird zeitweise zum Erzeuger.
  • 83. Der Spannungsfall an der Steckdose gemessen mit einer großen induktiven Last 18 kVA 15 kVA 12 kVA 9 kVA 6 kVA 3 kVA 0 kVA -3 kVA 240 200 160 120 80 40 0 Effektivwerte von U und I, Mittelwerte von P und S, gemittelt jeweils über eine Periode 0ms 40ms 80ms 120ms 160ms -40 P; S → U; I → t → U [V] I [A] P S
  • 84. Der Spannungsfall an der Steckdose berechnet mit einer korrigierten Formel Berechnung des Spannungsfalls in Kabel- und Leitungsanlagen alternativ zu VDE 0100-520, Anhang G für Cu: 0,0225μΩm für Al: 0,0360μΩm I B Betriebsstrom 16,00A U 0 Bemessungsspannung 230,00V l Länge 14,38m A Leiterquerschnitt 1,5mm² x L Reaktanzbelag 0,08mΩ/km U RLeitung Ohmscher Fall 6,90V U XLeitung Induktiver Fall 0,02V U Leitung Gesamter Fall 6,90V cosφ Leitung 1,00000 sinφ Leitung 0,00267 φ Leitung 0,15° cosφ Last 1,00000 sinφ Last 0,00000 φ Last 0,00° ΔU Leitung abs. entlang der 6,90V ΔU Leitung/U rel. Leitung 3,00% Spannungsfall ΔU Steckd. abs. an der 6,90V ΔU Steckd./U rel. Steckdose 3,00% Last ρ Spezifischer Widerstand (warm) 0,0225μΩm Stromkreis Leitung Berechnung des Spannungsfalls in Kabel- und Leitungsanlagen alternativ zu VDE 0100-520, Anhang G für Cu: 0,0225μΩm für Al: 0,0360μΩm I B Betriebsstrom 16,00A U 0 Bemessungsspannung 230,00V l Länge 14,38m A Leiterquerschnitt 1,5mm² x L Reaktanzbelag 0,08mΩ/km U RLeitung Ohmscher Fall 6,90V U XLeitung Induktiver Fall 0,02V U Leitung Gesamter Fall 6,90V cosφ Leitung 1,00000 sinφ Leitung 0,00267 φ Leitung 0,15° cosφ Last 1,00000 sinφ Last 0,00000 φ Last 0,00° ΔU Leitung abs. entlang der 6,90V ΔU Leitung/U rel. Leitung 3,00% Spannungsfall ΔU Steckd. abs. an der 6,90V ΔU Steckd./U rel. Steckdose 3,00% Last ρ Spezifischer Widerstand (warm) 0,0225μΩm Stromkreis Leitung
  • 85. 3. Abweichende Anzeigewerte verschiedener Messmittel Der Effektivwert eines Wechsel- oder Mischstroms ist der Wert, den ein glatter (reiner) Gleichstrom haben müsste, um die gleiche thermische Wirkung zu erzielen Dreheisen-Messwerk: Echt-Effektivwert-Anzeige Drehspul-Messwerk: Mittelwert-Anzeige, unter Verwendung einer Gleichrichterbrücke Betragsmittelwert Analoge Mess-Systeme: Unbedeutender Preis-Unterschied zwischen Mittelwert- und Echt- Effektivwert-Anzeige, aber nicht mehr gebräuchlich Digitale Mess-Systeme: Echt-Effektivwert-Anzeige erheblich teurer!
  • 86. 4. Höhere Belastung der Leiter theoretisch – z. B. bei eingangs erwähntem EVG: Betragsmittelwert Netzstrom 179 mA Effektivwert Netzstrom 615 mA Scheitelwert Netzstrom 2712 mA Netz-Scheinleistung 141 VA Gleichstromleistung 58 W Formfaktor Netzstrom 3,436 Scheitelfaktor Netzstrom 4,410 Im Vergleich hierzu bei Sinusschwingungen: Formfaktor 1,1107 Scheitelfaktor 1,4142
  • 87. Messung desselben Stroms mit einem »Effektivwert-Messgerät« und einem Echt-Effektivwert-Messgerät:
  • 88. Oder zumindest nicht die ganze Wahrheit Alles Lüge!
  • 89. Böse Falle: Strom ist nicht gleich Strom 1 A 1 Ω I 1V U 2 A 1 Ω I U 2 V 0 0 4W 3W 2W 1W 0W P = 1 W 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -1W -2W -3W -4W p → t → 4A 3A 2A 1A 0A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -1A -2A -3A -4A i → t → 4W 3W 2W 1W 0W 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -1W -2W -3W -4W p → t → 4A 3A 2A 1A 0A q = 2*10 ms*1 A = 20 mAs 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -1A -2A -3A -4A i → t → je Periode î = 1 A, R = 1 Ω, ûR = R*î = 1 V  UR = 1 V,  I = 1 A pR = uR*i = uR²/R = 1 W, WR = 20 ms*1 W = 20 mJ î = 2 A, R = 1 Ω, ûR = R*î = 2 V  UR = 1,414 V,  I = 1,414 A q = 2*5 ms*2 A = 20 mAs je Periode pR = uR*i = ûR²/R = 4 W WR = 2*5 ms*4 W = 40 mJ |ī| = 1 A (6,24*1018 Elektronen/Sekunde) |ī| = 1 A (6,24*1018 Elektronen/Sekunde) PMittel = 2 W
  • 90. Böse Falle: Strom ist nicht gleich Strom 4A 3A 2A 1A 0A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -1A -2A -3A -4A i → t → 4W 3W 2W 1W 0W 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -1W -2W -3W -4W p → t → 4W 3W 2W 1W 0W 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -1W -2W -3W -4W p → t → 4A 3A 2A 1A 0A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -1A -2A -3A -4A i → t → 0A I U î = 1 A, UBatt = 1 V,  I = 1 A 0V 2 A 1 V î = 2 A |ī| = 1 A uBatt = const = 1 V P = uBatt * |ī| = 1 W q = 2*10 ms*1 A = 20 mAs je Periode pBatt = UBatt*i = 1 W, WBatt = 20ms*1 W = 20 mJ q = 2*5 ms*2 A = 20 mAs je Periode pBatt = UBatt*i = 2 W WBatt = 2*5 ms*2 W = 20 mJ |ī| = 1 A (6,24*1018 Elektronen/Sekunde) |ī| = 1 A (6,24*1018 Elektronen/Sekunde) P = 1 W PMittel = 1 W 1 A 1 V I U
  • 91. Vorsicht: »Kompensation« ist in der Elektrotechnik ein schwammiger Begriff! Abhilfe-Maßnahme:  Parallel- oder Reihenkompensation mit Kapazitäten  Filterkreise für die einzelnen Frequenzen  Bei linearen Lasten: Symmetrisch aufteilen  Bei nicht linearen Lasten: Filterkreise Unterscheiden:  Kompensation von Grundschwingungs- Blindleistung  Kompensation von Oberschwingungen  Kompensation von Rückströmen im Neutralleiter 200% 150% 100% 50% 0% 0ms 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms12ms14ms16ms18ms20ms -50% -100% -150% -200% u/U; i/I; p/P → t → u*i u i1 150% 100% 50% 0% 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -50% -100% -150% u/U; i/I; p/P → t → u i3 u*i3 150% 100% 50% 0% 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -50% -100% -150% i → t → i (L1) i (L2) i (L3)
  • 92. 350 V 250 V 150 V 50 V Verhalten einer 200 V 180 V 160 V 140 V 120 V 100 V 80 V 60 V 40 V 20 V Leuchtstoffröhre 58W bei Wechselstrom 0ms 5ms 10ms 15ms -50 V -150 V -250 V -350 V u → t → Netzspannung Lampenspannung Verhalten einer Leuchtstoffröhre 58W bei 1 A i → 1 A 0 A -1 A -1 A Netzspannung Lampenspannung Strom U → Gleichstrom Messung Messung Rechnung Messung Lineares Rechnung Bauteil 0 V 0 mA 400 mA 800 mA I → 1200 mA Die selbe Lampe mit induktivem Vorschaltgerät: Das messtechnisch ermittelte Verhalten bei Gleichstrom …  … lässt auf das Ver-halten im Netzbetrieb schließen  
  • 93. 5. (Ü)be(r)lastung des Neutralleiters mit Leuchtstofflampe 58 W und KVG / VVG: mit Kompakt-Sparlampen entsprechender Leistung: 3,2 A 2,4 A 1,6 A 0,8 A 0,0 A 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms -0,8 A -1,6 A -2,4 A -3,2 A u → t → i(t) L1 i(t) L2 i(t) L3 3,2 A 2,4 A 1,6 A 0,8 A 0,0 A 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms -0,8 A -1,6 A -2,4 A -3,2 A i → t → i(t) N 3,2 A 2,4 A 1,6 A 0,8 A 0,0 A 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms -0,8 A -1,6 A -2,4 A -3,2 A i → t → i(t) L1 i(t) L2 i(t) L3 3,2 A 2,4 A 1,6 A 0,8 A 0,0 A 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms -0,8 A -1,6 A -2,4 A -3,2 A i → t →
  • 94. Addition der 3. Harmonischen im Neutralleiter Die Physik fordert: Die Summe aller hin- und rückfließenden Ströme muss zu jedem Zeitpunkt gleich 0 sein 1,0A 0,5A 0,0A u (L1) i3 (L1) 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -0,5A -1,0A 330V 220V 110V 0V -110V -220V -330V i → u → t → 1,0A 0,5A 0,0A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -0,5A -1,0A 330V 220V 110V 0V -110V -220V -330V i → u → t → u (L2) i3 (L2) 1,0A 0,5A 0,0A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -0,5A -1,0A 330V 220V 110V 0V -110V -220V -330V i → u → t → u (L3) i3 (L3) 1,0A 0,5A 0,0A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -0,5A -1,0A 330V 220V 110V 0V -110V -220V -330V i → t →
  • 95. Oberschwingungs-Tsunami durch Glühlampen-Verbot? Wohl eher nicht, denn wir sparen ≈70% Energie:  mehr Neutralleiterstrom, aber:  weniger Außenleiterstrom! Vergleich der Strombelastungen – Grundschwingung und Oberschwingungen – beim Ersatz einer Glühlampe (40 W) durch äquivalente Kompakt-Sparlampe (9 W) Glühlampen Kompakt-Leuchtstofflampen I L1 I L2 I L3 I N Gesamt I L1 I L2 I L3 I N Gesamt einphasig 175mA 0mA 0mA 175mA P CU 70mA 0mA 0mA 70mA P CU zweiphasig 175mA 175mA 0mA 175mA im Netz 70mA 70mA 0mA 99mA im Netz dreiphasig 175mA 175mA 175mA 0mA  70mA 70mA 70mA 121mA  einphasig 100% 0% 0% 100% 67% 16% 0% 0% 16% 11% zweiphasig 100% 100% 0% 100% 100% 16% 16% 0% 32% 21% dreiphasig 100% 100% 100% 0% 100% 16% 16% 16% 48% 32% Strom Relative Leitungs verluste Schadlos jedoch nur bei passender Netzform!
  • 96. 6. So sähen die Auswirkungen auf einen Drehstrom-Asynchronmotor aus: Ein und der selbe Motor wird gleichzeitig M 3~ Y f = 150 Hz, U = ?, I = ? Nullsystem Mitsystem Gegensystem PE N L3 L2 L1 in diesen drei Betriebspunkten betrieben! M 3~ Y PE N L3 L2 L1 f = 250 Hz, U = ?, I = ? M 3~ Y PE N L3 L2 L1 f = 350 Hz, U = ?, I = ?
  • 97. Der Transformator beeinflusst die Last …
  • 98. 2 … doch auch die Last beeinflusst den Transformator! Denn: Die Verlustleistung eines Transformators ist: f   I P P P P U f  I V Fe N ( ) I 2 ( ) 2          ( ) *                   N N Z N N Cu N N N I f P I P U f P P   2 ) ( ) ( ) (         N V Fe N Cu N Z N I Die wahre Verlustleistung eines Transformators ist: Daher: →
  • 99. 0,5 lassen sich mit zwei ganz einfachen Formeln blitzschnell berechnen: n N I h q n I    2 2 1 2 1    1                               n I n I e e K       0,5 1 2 1 1 0,5 I I I 1 2                           n N n n n N n I n I mit: Oberschwingungen einer Sparlampe Osram Dulux 11 W mit Serien-Impedanz R =29,1 W& X L=113 W n U I L I N P Z/P CuN 1 230,2V 48,5mA 0,0mA 5,6% 3 8,3V 37,1mA 111,3mA 29,5% 5 10,7V 20,3mA 0,0mA 24,5% 7 4,3V 5,3mA 0,0mA 3,3% 9 1,1V 3,0mA 9,0mA 1,7% 11 2,3V 3,8mA 0,0mA 4,2% 13 1,0V 1,5mA 0,0mA 0,9% 15 0,6V 1,5mA 4,5mA 1,2% 17 1,1V 1,5mA 0,0mA 1,5% 19 0,5V 0,9mA 0,0mA 0,7% 21 0,5V 1,3mA 3,9mA 1,8% 23 0,6V 0,8mA 0,0mA 0,8% 25 0,4V 0,6mA 0,0mA 0,5% 27 0,6V 0,8mA 2,4mA 1,1% 29 0,4V 0,5mA 0,0mA 0,5% 31 0,3V 0,5mA 0,0mA 0,6% 33 0,3V 0,5mA 1,5mA 0,6% 35 0,3V 0,4mA 0,0mA 0,5% 37 0,3V 0,4mA 0,0mA 0,5% 39 0,3V 0,3mA 0,9mA 0,3% 41 0,1V 0,3mA 0,0mA 0,4% 43 0,2V 0,2mA 0,0mA 0,2% 45 0,1V 0,2mA 0,6mA 0,2% 47 0,1V 0,2mA 0,0mA 0,2% 49 0,1V 0,1mA 0,0mA 0,1% 51 0,1V 0,1mA 0,3mA 0,1% P Z/P Cu= 81,4% 7. »Zusätzliche Zusatzverluste« in Transformatoren Na, dann vielleicht doch lieber anhand eines praktischen Beispiels: 1000 Kompakt- Sparlampen 11 W (15 VA) an einem Transformator 15 kVA, uk = 4%, PZ = 0,1 P81,4% Cu usw. usw.
  • 100. Analyse der Oberschwingungen in einer Kompakt-Sparlampe Osram Dulux 11 W n U I L I N P Z/P CuN 1 232,7V 48,9mA 0,0mA 3,7% 3 0,6V 39,1mA 117,3mA 21,5% 5 4,4V 26,4mA 0,0mA 27,3% 7 2,3V 20,0mA 0,0mA 30,7% 9 0,1V 19,2mA 57,6mA 46,7% 11 0,1V 16,6mA 0,0mA 52,2% 13 0,1V 12,7mA 0,0mA 42,7% 15 0,1V 11,0mA 33,0mA 42,6% 17 0,1V 10,2mA 0,0mA 47,1% 19 0,1V 8,7mA 0,0mA 42,8% 21 0,1V 7,7mA 23,1mA 40,9% 23 0,1V 7,3mA 0,0mA 44,1% 25 0,1V 6,1mA 0,0mA 36,4% 27 0,1V 4,9mA 14,7mA 27,4% 29 0,1V 4,2mA 0,0mA 23,2% 31 0,1V 3,6mA 0,0mA 19,5% 33 0,1V 3,0mA 9,0mA 15,3% 35 0,1V 3,3mA 0,0mA 20,9% 37 0,1V 3,1mA 0,0mA 20,6% 39 0,1V 2,5mA 7,5mA 14,9% 41 0,1V 2,5mA 0,0mA 16,4% 43 0,1V 2,5mA 0,0mA 18,1% 45 0,1V 1,9mA 5,7mA 11,4% 47 0,1V 1,8mA 0,0mA 11,2% 49 0,1V 1,9mA 0,0mA 13,6% 51 0,1V 1,6mA 4,8mA 10,4% P Z/P Cu= 701,7% Der Trafo schützt sich so zu sagen selbst … Machen Sie die Rechnung nie ohne! Bestünde der Einfluss des Transformators auf die Last nicht, so wäre der Einfluss der Last auf den Trafo fast 9 Mal so groß! 701,7% usw. usw.
  • 101. Faustregel: Transformator 35% größer wählen als nach Scheinleistung erforderlich! Damit liegen Sie auch im ungünstigten Fall noch auf der sicheren Seite. Falsch kann das nie sein, denn: Seinen besten Wirkungsgrad hat ein Verteil-Transformator immer zwischen 25% und 50% Nennlast! 99,4% 99,3% 99,2% 99,1% 99,0% 98,9% 98,8% 98,7% 98,6% 98,5% η → Transformator-Wirkungsgrad über Auslastungsgrad Wirkungsgrad mit max. P(Fe), min. P(Cu) Wirkungsgrad mit max. P(Cu), min. P(Fe) Auslastungsgrad → 0% 25% 50% 75% 100% 125% Mit max. Cu-Verlust und min. Fe-Verlust Mit min. Cu-Verlust und max. Fe-Verlust für Öltrafo 1 MVA nach EN 50464-1
  • 102. 8. Auch der Generator beeinflusst die Last: Transformator: uk = 4% oder uk = 6% Generator: uk ≈ 15% … 40%!
  • 103. 8. Auch der Generator beeinflusst die Last: Transformator: uk = 4% / 6% Extrem-Beispiel Fahrrad-Dynamo: uk ≈ 500%!
  • 104. 9. Einfluss auf Kondensatoren: Messung einer Leuchtstofflampe 11 W mit KVG Aufzug steht Aufzug fährt
  • 105. Veranschaulichung Die Effekte Nr. 3, 4 und 5 können Sie sich an der vom DKI entwickelten und mehrfach nachgebauten Demonstrations-Schalttafel ansehen
  • 106. 3 Glüh-lampen auf Minimum gedimmt Nahaufnahme:
  • 107. 2 Glüh-lampen auf Minimum gedimmt, 1 Glüh-lampe auf Maximum eingestellt Nahaufnahme:
  • 108. 3 Glüh-lampen, alle Dimmer auf Maximum eingestellt Nahaufnahme:
  • 109. 3 Kompakt- Leuchtstoff-lampen Nahaufnahme:
  • 110. Drei Eine herkömmliche, herkömmliche, annähernd annähernd ohmsch-induktive Last L1 L2 L3 mA N Zwei Lasten
  • 111. Eine moderne elektronische Last L1 L2 L3 mA N ZDwreeii mmooddeerrnnee eelleekkttrroonniisscchhee LLaasstteenn
  • 112. Das lange hinreichende TN-C-System erfüllt heutige Anforderungen nicht mehr L1 L2 L3 PEN
  • 113. Untauglicher Kompromiss: Das TN-C-S-System L1 L2 L3 N PE
  • 114. Heutigen Anforderungen wird nur ein TN-S-System gerecht! ? ?? L1 L2 L3 N PE Dabei ist der Physik die Farbe des Stückchens Verbindungs-leitung egal! Im Draht ist es dunkel.
  • 115. … Noch ist in ein dicht Knausernetz: bebauten Gebieten reine Das TT-Illusion… System… L1 L2 L3 N Lager-raum z. B. für Tri- Nitro-Toluol und mutiert schnell zum brisanten »TNT-System!«
  • 116. Entdeckungen an einem Haus-Anschlusskasten Strom in der Erdungsleitung vom Haus-Übergabepunkt zur PA-Schiene (Netzspannung als Triggersignal)
  • 117. Die bange Frage ist: Was ist denn nun ein TN-S-System? Dieses hier z. B. ist allenfalls ein »TN-S-System e. h.«! M M L1 L2 L3 N PE
  • 118. So, jetzt ist es promoviert Mit nur einem zentralen Erdungspunkt M M L1 L2 L3 N PE
  • 119. Oder diplomiert (FH / Bachelor) Sofern ausgeschlossen werden kann, dass beide Quellen gleichzeitig speisen, kann eine Lösung auch so aussehen M M L1 L2 L3 N PE
  • 120. Oder wenigstens graduiert mit Zeitvertrag Kein Heilmittel, aber eine graduelle Lösung bei akuten Beschwerden kann der Ringkern sein M M L1 L2 L3 N PE
  • 121. ZEP = zentraler Erdungspunkt – und nicht … Zyniker jun. (Amateur): ZEP = ≠ zwei Erdungspunkte Zyniker sen. (Profi): ZEP = ≠ zahlreiche Erdungspunkte Man soll alles redundant auslegen – bis auf den ZEP!
  • 122. Praxisschock Wie das Pferd vor der Apotheke: Kupfer knausern im Haus der Metalle – und das auch noch durch falsche Bezeichnungen kaschiert! ?
  • 123. Praxisschock Vom Trafo im Keller Weiter zum nächsten Stock nach oben
  • 124. Rundfunk-Fachleute betreiben schon lange ein »TN-S-S-Netz« Erfahrungen aus einer Sendeanstalt: N-Strom 150 Hz: 150 A  PE-Strom: 32 A N-Strom 450 Hz: 14 A  PE-Strom: 12 A Und das in einem sauberen TN-S-System mit ZEP!? Wieder ein Fall für den Ringkern?
  • 125. PE-Ströme kann man lenken: Mit Ringkernen
  • 126. Ermittlung des Verhaltens: Bei ≈ 3 A geht‘s in die Sättigung
  • 127. Ermittlung des Verhaltens: 125mΩ 100mΩ 75mΩ 50mΩ 25mΩ 0mΩ 1000mV 900mV 800mV 700mV 600mV 500mV 400mV 300mV 200mV 100mV 0mV Spannung Impedanz 0A 50A 100A 150A 200A 250A 300A 350A Z ↑ U → I → Messung an Stromschiene mit 5 Ringkernen zu je 20mm*14mm Eisenquerschnitt (50 Hz)
  • 128. Speisung von Drehfeldmotoren – einst und jetzt L3 L2 L1 M 3~ Einst Jetzt M 3~
  • 129. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 N S – +
  • 130. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt – + L1 L2 L3 N S    
  • 131. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +      
  • 132. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +    
  • 133. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 N S – +      
  • 134. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +    
  • 135. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +      
  • 136. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 S N – +    
  • 137. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +      
  • 138. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +    
  • 139. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 N S – +      
  • 140. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +    
  • 141. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 – +      
  • 142. Speisung von Drehfeldmotoren – jetzt L1 L2 L3 N S – +    
  • 143. Speisung von Drehfeldmotoren – was nicht passieren darf: L1 L2 L3 N S Fehlsteuerung der Schalter! – +
  • 144. Angenommen, ein Drehstrom-Asynchronmotor liefe z. B. an einer rechteckförmigen Spannung 22A 18A 14A 10A 6A 2A -2A -6A -10A -14A -18A -22A 600V 500V 400V 300V 200V 100V 0V -100V -200V -300V -400V -500V -600V i  u  φ  0 90 180 270 360 Betrieb eines Drehstrom- Asynchronmotors 400 V, 50 Hz, 5,5 kW, cosφ = 0,90 an Rechteckspannung Umrichterspannung Induzierte Spannung Differenzspannung Ausgleichsstrom Sinusstrom Gesamtstrom
  • 145. Angenommen, ein Drehstrom-Asynchronmotor liefe z. B. an einer rechteckförmigen Spannung 22A 18A 14A 10A 6A 2A -2A -6A -10A -14A -18A -22A 600V 500V 400V 300V 200V 100V 0V -100V -200V -300V -400V -500V -600V i  u  φ  0 90 180 270 360 Betrieb eines Drehstrom- Asynchronmotors 400 V, 50 Hz, 5,5 kW, cosφ = 0,90 an Rechteckspannung Umrichterspannung Induzierte Spannung Differenzspannung Ausgleichsstrom Sinusstrom Gesamtstrom
  • 146. Angenommen, ein Drehstrom-Asynchronmotor liefe z. B. an einer rechteckförmigen Spannung 22A 18A 14A 10A 6A 2A -2A -6A -10A -14A -18A -22A 600V 500V 400V 300V 200V 100V 0V -100V -200V -300V -400V -500V -600V i  u  φ  0 90 180 270 360 Betrieb eines Drehstrom- Asynchronmotors 400 V, 50 Hz, 5,5 kW, cosφ = 0,90 an Rechteckspannung Umrichterspannung Induzierte Spannung Differenzspannung Ausgleichsstrom Sinusstrom Gesamtstrom
  • 147. Angenommen, ein Drehstrom-Asynchronmotor liefe z. B. an einer rechteckförmigen Spannung 22A 18A 14A 10A 6A 2A -2A -6A -10A -14A -18A -22A 600V 500V 400V 300V 200V 100V 0V -100V -200V -300V -400V -500V -600V i  u  φ  0 90 180 270 360 Betrieb eines Drehstrom- Asynchronmotors 400 V, 50 Hz, 5,5 kW, cosφ = 0,90 an Rechteckspannung Umrichterspannung Induzierte Spannung Differenzspannung Ausgleichsstrom Sinusstrom Gesamtstrom
  • 148. Angenommen, ein Drehstrom-Asynchronmotor liefe z. B. an einer rechteckförmigen Spannung 22A 18A 14A 10A 6A 2A -2A -6A -10A -14A -18A -22A 600V 500V 400V 300V 200V 100V 0V -100V -200V -300V -400V -500V -600V i  u  φ  0 90 180 270 360 Betrieb eines Drehstrom- Asynchronmotors 400 V, 50 Hz, 5,5 kW, cosφ = 0,90 an Rechteckspannung Umrichterspannung Induzierte Spannung Differenzspannung Ausgleichsstrom Sinusstrom Gesamtstrom
  • 149. Angenommen, ein Drehstrom-Asynchronmotor liefe z. B. an einer rechteckförmigen Spannung 22A 18A 14A 10A 6A 2A -2A -6A -10A -14A -18A -22A 600V 500V 400V 300V 200V 100V 0V -100V -200V -300V -400V -500V -600V i  u  φ  0 90 180 270 360 Betrieb eines Drehstrom- Asynchronmotors 400 V, 50 Hz, 5,5 kW, cosφ = 0,90 an Rechteckspannung Umrichterspannung Induzierte Spannung Differenzspannung Ausgleichsstrom Sinusstrom Gesamtstrom
  • 150. Höhere Belastung der Wicklungen Eine Analyse der beiden überlagerten Ströme zeigt: »Normaler« Motorstrom (Nennstrom): 10,46 A Überlagerter (zusätzlicher) Strom: 7,82 A Gesamt-Effektivwert: 13,06 A Das heißt: Im Verhältnis (13,06 A / 10,46 A)² = 1,558 oder 56% mehr ohmsche Verlustwärme!
  • 151. 6A 5A 4A 3A 2A 1A 0A Daher sind Rechteckspannungen nichts für Drehfeldmotoren, also hacken wir sie klein! 600V 500V 400V 300V 200V 100V 0V i → u → φ → Mittels PWM: Pulsweitenmodulation 0° 30° 60° 90° 120° 150° 180°
  • 152. 10. Doch jetzt machen uns die hohen Filterströme zu schaffen! L1 L2 L3 Fi N PE
  • 153. 10. Doch jetzt machen uns die hohen Filterströme zu schaffen!
  • 154. 10. Doch jetzt machen uns die hohen Filterströme zu schaffen! So klein sollten sie sein … IEC 61140
  • 155. 10. Doch jetzt machen uns die hohen Filterströme zu schaffen! … und so groß sind sie tatsächlich!
  • 156. Deshalb fordern nunmehr weitere Fach-leute das »TN-S-S-Netz« mit 6 Leitern! L1 L2 L3 Fi N FPE PE Nun … sind doch Nur FPE ist da jetzt und könnte die PE Induktionsschleife der für NF Ringkern getrennt helfen! geführt, aber zwischen für Nun HF FPE ist auf der und kurzem PE PE für für Weg HF HF gesperrt! verbunden… viel zu lang!
  • 157. Zwickmühle + Hohe Frequenz verbessert die Rekonstruktion der Sinuskurve … – … und erhöht kapazitive Filterströme + Hohe Flankensteilheit der Spannung vermindert Verluste … – … und verbreitert das Störspektrum!
  • 158. Filterströme im PC-Netzteil
  • 159. Filterströme Das mit dem Ableitstrom bekommen wir schon noch hin. Wenn solch ein Filter erst einmal lange Zeit außer Betrieb ist und dann wieder unter Spannung gesetzt wird, bekommt er dicke Backen – unbrauchbar
  • 160. Nehmen wir einen »neuen« (aus einer alten Waschmaschine) Die Schaltung finden wir eingeprägt
  • 161. V Innenleben und Versuchs-Beschaltung 2,2 MW A 2*1 mH 500 nF 2*20 nF L N PE
  • 162. Rechnung und Messung widersprechen sich mal wieder Ableitstrom theoretisch (50 Hz) ↓ 1 1 XC 159     W V 230     mA k As V s fC Hz nF 100 * *20*10 2 *50 *20 2 1 1 9  IC 1,4 k 159  W 
  • 163. Praxistest Nach voran gegangener Erfahrung wurden die Versuche vorsichtshalber im Freien fortgesetzt!
  • 164. Da haben wir es schon! Nach nur 7 Minuten der volle Erfolg: Knall, Rauch, 16-A-Leitungsschutzschalter ausgelöst, 500-mA-Fehlerstromschutz ausgelöst! Elektro-Antrieb für Raketen ist erfunden! Ups!
  • 165. Also ab in die Fachpresse damit! N FPE PE Nur blöd, dass die Beschriftung in der Zeichnung falsch wiedergegeben wurde
  • 166. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Ralf-Dieter Roth, BG ETEM, Dresden: »Ich hab mit Interesse und Vergnügen Ihren Beitrag im EP gelesen, in dem es um Waschmaschinen, zischenden Qualm, Schmutzleiter und ähnliche elektromagnetische Befindlichkeiten geht. Eine Anfrage habe ich zu Bild 7 und der (den) zugehörigen Textpassage(n). Meine Denkprozesse über diese Angelegenheit sind noch nicht unbedingt abgeschlossen. Um aber die Oberstubenarbeit zu rationalisieren, formuliere ich es jetzt schon mal: Ich denke, dass PE ans Gehäuse (auf Normendeutsch: Körper) muss und FPE an die PE-Anschlüsse der Y-Kondensatoren. So steht’s eigentlich auch im Text. In der Abbildung ist die Darstellung aber anders. Dort ist der PE mit durch die RCD gefädelt, und zwar so, dass ein PE-Strom nicht zum Auslösen führt, was mir als BGler die Schweißperlen auf die Stirn treten lässt. Die Lösung könnte ja vielleicht sein, die Bezeichnungen PE und FPE in Bild 7 zu vertauschen?«
  • 167. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Gerhard Maier, Sachverständiger, Ostfildern: »Das Bild 6-Leiter-Netz enthält einen Zeichen-Fehler: PE und FPE gehören vertauscht. Den gleichen Effekt, dass nämlich der PE ableitstromfrei bleibt, kann man durch Anschluss der Filter an den N erreichen. Dann braucht man auch keinen speziellen FI. Die Aussage, dass der FPE bei Rundfunkanstalten strahlenförmig aufgebaut ist und deshalb keine Maschen aufweist, ist in der Praxis nicht zutreffend. Jedes geschirmte Verbindungskabel oder jedes Koaxkabel zwischen 2 an einen strahlenförmigen FPE angeschlossenen Geräten erzeugt eine Masche! Früher haben sich die Audioleute damit geholfen, dass sie die Kabelschirme nur 1-seitig aufgelegt haben. Bei den heutigen digitalen Datenverbindungen geht das aber nicht mehr. Ich halte den FPE bei (einigen) Rundfunkanstalten deshalb für ein Relikt, welches keinen physikalischen Hintergrund mehr hat.«
  • 168. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Klaus Bödeker, langjähriger Autor derselben Fachzeitschrift: »Mir genügt ja schon das unlösbare Problem, die aus der menschlichen Unvollkommenheit stammende Normenvorgabe 3,5 mA mit den Ableitströmen der brutalen Technik zu einer dem Praktiker einleuchtenden Vorgabe kombinieren zu müssen. Wenn irgend möglich, sollte die sich hier abzeichnende Komplizierung der elektrischen Anlage vermieden oder derartige Lösungen als Sonderfälle eingestuft werden. Mir kommt es so vor, als würde uns die Technik nun ihren Stinkefinger zeigen, um uns für unseren Hochmut zu bestrafen.«
  • 169. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Wolfgang Esser, Eaton Industries GmbH, Bonn: Meiner Meinung nach passen das Bild 7 und der zugehörige Text, unmittelbar unter dem Bild 7, nicht zusammen. Sie schreiben, was ich für richtig halte, dass der FPE durch den FI-Schalter geführt wird. Im Bild wird aber statt dessen der PE durch den FI-Schalter geführt. Ich vermute, dass im Bild 7 die Beschriftungen PE und FPE vertauscht wurden, da die Gehäuse an den „FPE“ angeschlossen wurden. Wahrscheinlich haben Sie das bereits bemerkt.
  • 170. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Ingenieur- und Sachverständigenbüro Andreas Holfeld, Dresden: »Im Text ist richtig beschrieben, dass der FPE Ableitströme führen darf. In der Skizze ist jedoch der Leiter, an den die Kondensatoren angeschlossen sind, mit PE bezeichnet und der Leiter mit Anschluss an berührbare leitfähige Teile, Gehäuse mit FPE. Das ist offensichtlich falsch.« Herbert Lennartz, Rentner, langjähriger Autor derselben Fachzeitschrift : »Ihr Artikel über Entstörfilter hat mich fasziniert. Mir war nicht bewusst, das es sich hier um ein so großes Problem handelt. Ich habe zu Ihrem Artikel zwei Fragen: 1. Sind im Text zu Bild 7 auf Seite 1043 PE und FPE verwechselt worden? 2. Wenn bei den Rundfunkanstalten 6-adrige Leitungen verwendet werden, wie wird dort der FPE als Gegensatz zum grün / gelben PE gekennzeichnet?«
  • 171. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Toni Baumeler, Schweiz: »Den Beitrag in der November Ausgabe ET Elektrotechnik (Entstörfilter als grösste Störenfriede) finde ich sehr interessant. Frage: Entstehen weitere Probleme, wenn Filter an den Neutralleiter angeschlossen werden, statt an das Gehäuse und somit an den Schutzleiter? Das Problem mit den Ableitströmen gegen Erde wäre bei einem Anschluss an den Neutralleiter gelöst. Aus welchem Grund erfolgt der Anschluss an das Gehäuse des Betriebsmittels?« Heinz-Werner Beckmann, Bad Salzuflen: »Herr Fassbinder hat mit überragenden und fundierten Kenntnissen die Wichtigkeit der Problematik erläutert. Hinweis: Im Bild 7 muss m. E. der PE und der FPE vertauscht werden.«
  • 172. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Markus Riedl: »Ihren Artikel fand ich sehr interessant, da ich mich seit Jahren mit Problemen gleichen Ursprungs auseinander setzen muss. Gerade deshalb aber sind mir mehrere Fehler und Mängel in Ihrem Artikel aufgefallen, die ich Ihnen hiermit mitteilen möchte: Im Bild 7 sind die Bezeichnungen von PE und FPE vertauscht, und die Bezeichnungen „5-Leiter-Netz“ und „6-Leiter-Netz“ sind so nicht ganz fachgerecht. Es werden bei den Netzformen immer nur die „aktiven“ Leiter gezählt. Sowohl ein TN-C-System als auch ein TN-S-System ist ein 4-Leiter- System. Warum werden die Ableitströme von 3~Netzfiltern nicht über den N-Leiter entsorgt? In der Tat würde die Ableitung über einen N-Leiter mehr Sinn machen als über einen PE, im Prinzip das gleiche in blau statt grüngelb.«
  • 173. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Axel Goldmann, Köln: »Irgendwie hat sich mir nicht so ganz erschlossen, was die Quintessenz dieses Artikels ist. Auch erinnerte mich die Beschreibung der Versuche mehr an die Bildzeitung als an eine Fachzeitschrift, und letztlich waren noch einige sachliche Fehler erkennbar: Bild Nr. 6 ist m. E. falsch. Die Beschriftung muss getauscht werden. Zum 6-Leiter-Netz: Die Idee ist gut, jedoch wurden hier wenig Details aufgezeigt. So besteht z. B. das Problem, dass bei EDV-Geräten überall der PE und die Masse miteinander verbunden sind. Jedes klassische Gerät würde z. B. über die Netzwerkverkabelung die ganze Sache zunichte machen. Auch werden hier Alternativen (z. B. Entstörfilter, die nur zwischen L und N entstören und nicht den PE einbeziehen) gar nicht erwähnt. Hier verschiedene technische Lösungen aufzuzeigen wäre mir lieber gewesen als 2 Seiten über Rauchzeichen. Alles in allem hinterlässt der Beitrag ein zweifelhaftes Gefühl und enttäuscht mich auch von der Redaktion, die diesen Beitrag so hat durchgehen lassen.«
  • 174. Die Reaktionen ließen nicht lange auf sich warten Enno Hering, Dresden: »Ihr Beitrag … gefällt mir sehr. Ich freue mich, dass Sie das Problem so unverblümt dargelegt haben. Im Bild 7 sind allerdings die Leiterbezeichnungen PE und FPE vertauscht, denn der Schutzleiter muss an den Körper des Betriebsmittels angeschlossen und darf nicht durch den Fehlerstrom-Schutzschalter geführt werden, wogegen der FPE an die Kondensatoren angeschlossen werden muss.« Hans-Günter Hergesell, Flughafen Paderborn-Lippstadt: »Wir legen den Sternpunkt der Filter immer auf N, wenn Probleme mit dem FI-Schalter auftreten. Danach hatten wir nie wieder Probleme.«
  • 175. Eine Finndige, Finnanziell tragbare ErFinn-dung sorgt in manchen Fällen für Abhilfe: Deutsche »THFVersion « (third »THXharmonic « filter) der ABB Control Oy, Vasa
  • 176. 90° 75° 60° 45° 30° 15° 0° -15° -30° -45° -60° -75° -90° Daten und Frequenzgang des Filters 35Ω 30Ω 25Ω 20Ω 15Ω 10Ω 5Ω 0Ω φ → Z → 875 μH f → Reaktanz Drossel allein Reaktanz Kondensator allein Impedanz Parallel-schaltung Phasenwinkel parallel 1320 μF 14 mW 0Hz 50Hz 100Hz 150Hz 200Hz 250Hz 300Hz
  • 177. L C I ≈ 0 U Vorsicht bei Parallel- Resonanzfiltern: Man sieht von außen nicht, was drinnen abgeht! Es fließt praktisch kein Strom der Resonanz- Frequenz durch den Schwingkreis, aber möglicherweise eine Menge im Schwingkreis!
  • 178. Einsatz in der Praxis: Ein typisches Büro- und Verwaltungs-Gebäude
  • 179. Da haben wir es schon: Durch den Filter fließen 50 A (50 Hz, 250 Hz …). Am Filter liegen 27,5 V bei 150 Hz an. Im Filter fließen also zusätzlich 34,3 A bei 150 Hz. I A A A ges (50 ) (34,3 ) 60,6 2 2    Das ist fast der Nennstrom, entsprechend voller Last!
  • 180. Einsatz in der Praxis: Ein Gewächshaus mit 500 kW Natriumdampflampen
  • 181. Günstigerer Einsatzfall: Wegen der großen Last (1100 A je Außenleiter) wurde hier das große Modell (160 A) eingesetzt. Deswegen und auf Grund des geringeren Verzerrungsgrads ist hier die Welt noch in Ordnung: I A A A ges (108 ) (10,9 ) 109 2 2    Nur ein Phasen-Ausfall darf nicht passieren! Sonst fließen 1100 A durch den Filter!
  • 182. 11. Im TN-C-System: Wer N-Leiter abknappst oder verPENnt oder abgeknappste oder verPENnte installiert und in Betrieb nimmt, wird mit Netzrückwirkung auf alle Systeme bestraft Magnetische Streufelder und ihre Aus-wirkungen
  • 183. Der Schweizer EMV-Transformator: »Wir bauen Transformatoren in erster Linie nach Maß und erst in zweiter Linie nach Norm, denn meistens steckt in den Kundenwünschen mehr Innovations-Potenzial, als es die Norm zulässt« Rauscher & Stoecklin AG Elektrotechnik CH-4450 Sissach Tel.: 0041 61 9763466 info@raustoc.ch www.raustoc.ch
  • 184. Große Einphasenlast 12. Im TN-C-System mischen sich Daten- und Betriebsströme. Das kann nicht gut gehen!
  • 185. Große Einphasenlast 12. Nur im TN-S-System bleiben Betriebsströme dort, wohin sie gehören.
  • 186. … so nennen das… die Sachversicherer … … die BG, die Gutachter und viele andere
  • 187. 13. Häufung von Korrosionsschäden Dieses (vormals) verzinkte Bandeisen führte in einem TN-C-S-System an einer Trafostation vorbei Trafoseite Gegenüber liegende Seite
  • 188. Betriebsströme sind in Erdungssystemen und Schutzleitern zu vermeiden, aber so geht das nicht,  sondern nur so! 
  • 189. 14. Hau rein! Freie Bahn dem Blitzschlag
  • 190. 15. Auswirkungen auf Hoch-und Mittelspannungsnetze abhängig von der Sternpunktbehandlung (Prof. H.-C. Müller, VEW, FH Dortmund, 1988: »Schreckliches Wort!«) OSPE: Isolierter Sternpunkt (ohne Sternpunkterdung) SSPE: Starre Sternpunkterdung NOSPE: niederohmige Sternpunkterdung KNOSPE: kurzzeitige niederohmige Sternpunkterdung RESPE: Resonanzsternpunkterdung
  • 191. OSPE: Ohne Sternpunkterdung 380 kV; 220 kV; 20 kV; 400 V / 110 kV 10 kV 230 V
  • 192. SSPE: Starre Sternpunkterdung 380 kV; 220 kV; 20 kV; 400 V / 110 kV 10 kV 230 V
  • 193. NOSPE: Niederohmige Sternpunkterdung 380 kV; 220 kV; 20 kV; 400 V / 110 kV 10 kV 230 V
  • 194. KNOSPE: Kurzzeitige niederohmige Sternpunkterdung 380 kV; 220 kV; 20 kV; 400 V / 110 kV 10 kV 230 V
  • 195. 380 kV; 220 kV; 20 kV; 400 V / 110 kV 10 kV 230 V 25500 H Hzz:: 1 usw. φ3=-240°+90°=-150° φ2=-120°+90°=-30° L C X 5X 5  RESPE: Resonanz- Sternpunkterdung L3 L2 L1 φ1=90° L C φ X  X 23=-90°
  • 196. Mehr zum Thema: www.elektropraktiker.de/nc/fachinformationen/fachartikel/?details=78478
  • 197. VDE 0100-540:1991-11: Hinter der Aufteilung des PEN-Leiters in Neutral- und Schutzleiter dürfen diese nicht mehr miteinander verbunden werden. Manchmal traut man seinen Augen nicht!
  • 198. Dann ist doch der Rest kein Wunder mehr! See you later, compensator!
  • 199. Am Flughafen Paderborn / Lippstadt…
  • 200. …wurde das Netz zeitgemäß aufgeräumt
  • 201. Man sollte auch bei Wahrheiten auf das Verfallsdatum achten, zum Beispiel: »Der PEN-Leiter nimmt in TN-C-Systemen eine Doppelfunktion wahr. Er ist in erster Linie Schutzleiter und erfüllt als zweite Funktion die Aufgabe des Neutralleiters.« (Volker Schulze: »Vorgefertigte Klemmenblöcke für PEN-Leiter- Verlegung«) Na ja gut, das war in »de« 13/1999, S. 1050)
  • 202. Und zur Ehrenrettung der Firma muss man auch noch sagen: Aus deren Reihen stammt immerhin die Erfindung des »PEN-Trenners « (Gerhard Wolff, Phoenix Contact)
  • 203. Also: Schneiden wir doch die alten Zöpfe endlich mal ab! Alt genug sind sie ja… UPS!
  • 204. Es gibt sie doch: Zukunftssichere Kabel und Leitungen für zeitgemäße Installationen  Gibt‘s leider noch viel zu viele: Knauserkabel für kurzsichtige Zeitgenossen  In Deutschland: ← ZVEI-Kupfer Fachverband zu teuer? Kabel und isolierte Es Drähte gibt Kompromisse! www.zvei.org/Verband/Fachverbaende/Kab In el-und-der Schweiz isolierte-Draehte/bereits Seiten/im Einsatz: default.aspx Gleicher Weltweit: Querschnitt, aber mehr Leitfähigkeit International Cablemakers‘ im N und im Federation PE als in den Außenleitern! www.icf.at
  • 205. Und hat es schon in sein Logo eingearbeitet:  Aller guten Dinge sind 5! Ein Hersteller sagt es gleich ganz klar: Gehirn einschalten!
  • 206. Und was sagen die Normen dazu? Kleiner Exkurs gefällig? Mogelpackung in der VDE 0295
  • 207. DIN VDE 0100-520 Beiblatt 3 (VDE 0100-520 Beiblatt 3) Jetzt endlich erschienen Errichten von Niederspannungsanlagen Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel Teil 520: Kabel- und Leitungsanlagen Beiblatt 3: Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen in 3-phasigen Verteilungsstromkreisen bei Betriebsströmen mit Oberschwingungsanteilen
  • 208. Netz belastet mit je 1 Gerät pro Außenleiter Beispielmessungen Leistungsaufnahme Strom P Nenn P Mess S Mess I L1 I L2 I L3 I N Gerät und Betriebszustand / Betriebsweise Bemerkungen und Erläuterungen Kompakt-Leuchtstofflampen bis 25 W 23W 23W 35VA 0,15A 0,15A 0,15A 0,24A 10,43mA/W 30W 29W 30VA 0,13A 0,13A 0,13A 0,06A 2,00mA/W Kompakt-Leuchtstofflampen Lineare Lampe mit ext. Betriebsgerät 58W 55W 59VA 0,25A 0,25A 0,25A 0,13A 2,24mA/W ohne Kompensation (induktiv) 58W 62W 140VA 0,60A 0,60A 0,60A 0,20A 3,45mA/W mit paralleler Kompensation 58W 62W 67VA 0,30A 0,30A 0,30A 0,20A 3,45mA/W mit serieller Kompensation (kapazitiv) 58W 75W 170VA 0,73A 0,73A 0,73A 0,30A 5,17mA/W ungedimmt (min. Winkel ≈5°) 200W 200VA 0,87A 0,87A 0,87A 0,02A 0,10mA/W 60° gedimmt (120° Stromflusswinkel) 161W 179VA 0,78A 0,78A 0,78A 0,67A 3,36mA/W 120° gedimmt (60° Stromflusswinkel) 38W 87VA 0,38A 0,38A 0,38A 0,66A 3,29mA/W ohne Vorschaltgerät 26W 27VA 0,12A 0,12A 0,12A 0,05A 1,87mA/W mit induktivem Vorschaltgerät 27W 27VA 0,12A 0,12A 0,12A 0,06A 2,38mA/W untätig (Leerlauf) 80W 105VA 0,46A 0,46A 0,46A 0,76A 1,89mA/W Büro-Alltag gemittelt 85W 112VA 0,48A 0,48A 0,48A 0,81A 2,02mA/W Spitze (max. Prozessorlast) 145W 190VA 0,83A 0,83A 0,83A 1,34A 3,36mA/W untätig (Leerlauf) 77W 83VA 0,36A 0,36A 0,36A 0,16A 0,40mA/W Büro-Alltag gemittelt 82W 87VA 0,38A 0,38A 0,38A 0,17A 0,43mA/W Spitze (max. Prozessorlast) 136W 139VA 0,60A 0,60A 0,60A 0,24A 0,60mA/W LED-Leuchtröhre (putativer Ersatz für T8-Leuchtstofflampe 58 W) Röhrenmonitor Veraltete Technik, Bestand fallend 60W 60W 90VA 0,38A 0,38A 0,38A 0,60A 10,00mA/W 100% Helligkeit 32W 54VA 0,24A 0,24A 0,24A 0,41A 11,71mA/W 20% Helligkeit 22W 38VA 0,17A 0,17A 0,17A 0,29A 8,33mA/W PC-Betrieb & Akku laden 65W 118VA 0,53A 0,53A 0,53A 0,91A 13,99mA/W PC-Betrieb, stark beansprucht 24W 50VA 0,20A 0,20A 0,20A 0,35A 5,33mA/W PC-Betrieb, schwach beansprucht 16W 38VA 0,17A 0,17A 0,17A 0,29A 4,40mA/W PC-Betrieb & Akku laden 67W 84VA 0,36A 0,36A 0,36A 0,60A 6,67mA/W PC-Betrieb, stark beansprucht 56W 69VA 0,30A 0,30A 0,30A 0,54A 6,00mA/W PC-Betrieb, schwach beansprucht 17W 23VA 0,10A 0,10A 0,10A 0,18A 2,00mA/W Ruhe 20W 40VA 0,16A 0,16A 0,16A 0,21A 10,68mA/W Arbeit 325W 330VA 1,40A 1,40A 1,40A 0,57A 1,76mA/W Tages-Minimum 62W 101VA 0,43A 0,43A 0,43A 0,22A 3,47mA/W Tages-Mittelwert 103W 142VA 0,61A 0,61A 0,61A 0,43A 4,21mA/W Tages-Maximum 324W 352VA 1,59A 1,59A 1,59A 1,93A 5,96mA/W Leuchtstofflampen über 25 W mit elektronischen Betriebsgeräten Büro-PC mit aktiver Leistungsfaktor- Korrektur (PFC) 25W Büro-PC ohne aktive Leistungsfaktor- Korrektur (PFC) 400W Leuchtstofflampen über 25 W mit induktiven (magnetischen) Betriebsgeräten Glühlampen mit Phasenanschnitt- Dimmer 200W Flachbildschirm 35W Laptop-PC bis 75 W – Grenze gem. DIN EN 61000-3-2:2010- 03 (VDE 0838-2:2006-10) 65W Laptop-PC über 75 W Grenze gem. DIN EN 61000-3-2:2010- 03 (VDE 0838-2:2006-10) 90W Faxgerät 3A Fotokopierer – Um-rechnung I N/P Gerät
  • 209. Oder lesen Sie z. B. in der EN 50174-2:2000, Absatz 6.4.3: »Es muss … berücksichtigt werden, dass ein PEN-Leiter … keine geeignete Erdung zur Verfügung stellen kann. Es muss auch berücksichtigt werden, dass die IT- und TT-Spannungsversorgungssysteme mehr Ausgleichs- Maßnahmen erfordern,daher gilt:  es sollte im Gebäude keinen PEN-Leiter geben, das heißt die betreffende Option in 546.2.1 von HD 384.5.54 S1:1988 sollte nicht verwendet werden.  wann immer möglich sollte das TN-S-System verwendet werden.«
  • 210. Oder besser noch in EN 50174-2:2011-09: 7.1.4.1 Allgemeines »Hinsichtlich der EMV-Problematik darf ein PEN-Leiter, über den unsymmetrische Ströme sowie sich über-lagernde harmonische Ströme und andere Störungen übertragen werden, nicht als geeignete Erdung ange-sehen werden. Zusätzlich müssen IT- und TT-Verteilungs-systeme mehr Ausgleichsmaßnahmen, insbesondere be-züglich Überspannungen, aufweisen. Daher gilt: Das TN-S-System muss verwendet werden (siehe EN 50310). Ausnahmen bestehen aufgrund vorhandener Hochspannungs-Stromverteilungsanlagen, die als TT-oder IT-System ausgeführt sind, oder wo die Anwendung … oder örtliche Bestimmungen einen hohen unter-brechungsfreien Versorgungsgrad erfordern.«
  • 211. Oder in der VDE 0100 Teil 444:1999-10: » … In Gebäuden, die in bedeutendem Umfang Betriebsmittel der Informationstechnik aufweisen oder von denen dies für die Zukunft zu erwarten ist, muss ab dem Gebäudeeintritt der Stromversorgung die Anwendung des TN-S-Systems, d.h. die Verlegung getrennter Schutzleiter (PE) und Neutralleiter (N), in Betracht gezogen werden, um die Wahrscheinlichkeit von elektromagnetischen Problemen in Folge der Verschleppung von Neutralleiter-strömen auf Signalkabeln oder -leitungen zu minimieren, die Schäden oder Störungen verursachen können … «
  • 212. Oder in der VDE 0100 Teil 444:2010-10: »444.4.3.1 TN-C-Systeme dürfen in neu errichteten Gebäuden, die eine wesentliche Anzahl von informationstechnischen Betriebsmitteln enthalten oder wahrscheinlich enthalten werden, nicht verwendet werden. Es wird empfohlen, in bestehenden Gebäuden TN-C-Systeme nicht beizubehalten, wenn diese Gebäude eine wesentliche Anzahl von informationstechnischen Betriebsmitteln enthalten oder wahrscheinlich enthalten werden. 444.4.3.2 Anlagen in neu zu errichtenden Gebäuden müssen von der Einspeisung an als TN-S-Systeme errichtet werden; siehe Bild 44.R3A. In bestehenden Gebäuden, die bedeutende informations-technische Betriebsmittel enthalten oder wahrscheinlich enthalten werden und die aus einem öffentlichen Niederspannungsnetz versorgt werden, sollte ab dem Anfang der Installationsanlage ein TN-S-System errichtet werden.«
  • 213. Aber es geht auch anders! EN 50310 Abs. 6.3 sagt schon seit September 2000: »Die Wechselstrom-Verteilungsanlage in einem Gebäude muss die Anforderungen eines TN-S-Systems erfüllen. Dies macht es erforderlich, dass im Gebäude kein PEN-Leiter vorhanden sein darf.«
  • 214. EN 50310:2006-07 gilt auch für Gleichstrom-Verteilungen innerhalb von Telekommunikations-Gebäuden: »Die Gleichstromverteilung, falls vorhanden, muss über eng nebeneinander verlaufende und ein DC-I-System bildende Leiter L+ und L- geführt werden. Daher darf jeder Gleichstromrückleiter für eine informationstechnische Anlage nur einmal mit dem L+-Ausgang der Versorgungsanlage verbunden werden.«
  • 215. Somit gilt auch hier – siehe HD 60364-5-54 S2: 2006: »543.5.2 Fremde leitfähige Teile dürfen als PEL-oder PEM-Leiter nicht verwendet werden.«
  • 216. Wie man mit Normen am besten umgeht? Indem man sie umgeht! Die Telekom arbeitet lieber weiterhin nach dem DC-C-System. Last
  • 217. In EN 50310 finden sich unmittelbar hintereinander die »Fest«-legungen: »8.1.1 The DC distribution system may take the form of DC C or DC I.« und »8.1.2 The DC distribution system, if present, shall use L+ and L- conductors routed close together and forming a DC I-System.«
  • 218. Sind die Tage der EN 50310 gezählt? ISO-IEC 30129 in Arbeit …
  • 219. Die wahrscheinlich größte »Unnorm« der Gegenwart, EN 50160 gliedert sich in drei Hauptabschnitte: 1. Anwendungsbereich, 2. Normative Verweisungen, 3. Begriffe, 4. Merkmale der Niederspannung, 5. Merkmale der Mittelspannung, 6. Merkmale der Hochspannung. Abschnitt 4 sagt u. a.: Die genormte Nennspannung Un für öffentliche Niederspannungsnetze beträgt • für Drehstromnetze mit vier Leitern: Un = 230 V zwischen Außenleiter und Neutralleiter; • für Drehstromnetze mit drei Leitern: Un = 230 V zwischen den Außenleitern. 5-Leiter-Netze gibt‘s nicht.
  • 220. Die EN 50160 sagt zur Netzspannung, dass diese möglichst da sein sollte; außer … • »Unter normalen Betriebsbedingungen mit der Ausnahme von Intervallen mit Unterbrechungen sollten Änderungen der Ver-sorgungsspannung ±10% der Nennspannung Un nicht über-schreiten. « • Für besonders entlegene Kunden sollte die Spannung nicht mehr als 15% einknicken. • Wann ein Kunde »entlegen« ist, kann im Einzelfall auf nationaler Ebene festgelegt werden. Knickt die Spannung noch tiefer ein als 15%, so sind die Betriebs-bedingungen halt nicht normal! Fällt die Spannung ganz aus, erlischt offenbar auch die Verpflichtung, dass sie eigentlich vorhanden sein müsste, denn bei Unterschreitung des Grenzwerts sind die Betriebsbedingungen nicht mehr normal. Wann die Betriebsbedingungen »normal« sind – das steht nirgends.
  • 221. Die EN 50160 sagt zu Oberschwingungen der Spannung in Nieder- und Mittelspannungsnetzen: 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% DIN EN 50160:2011-02, Tabelle 1: Uh/U → 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 THD h → Werte einzelner Oberschwingungsspannungen an der Übergabestelle bis zur 25. Ordnung
  • 222. Die EN 50160 sagt zu Oberschwingungen der Nieder- und Mittelspannung: Auf allen Spannungsebenen müssen • »unter normalen Betriebsbedingungen« • 95% der 10-Minuten-Mittelwerte einer Woche diese »Grenzen« einhalten. Konsequenzen: • Entweder man hat dummerweise wieder einmal die anderen 5% erwischt, • oder die Betriebsbedingungen waren halt nicht »normal«. Weiter heißt es: • »Resonanzen können höhere Spannungen bei einer einzelnen Oberschwingung hervorrufen«. Ein Mal ist kein Mal. Eine Obergrenze wird nicht genannt. Von etwaigen Konsequenzen steht dort auch nichts. DIN EN 50160:2011-02, Tabelle 1: Werte einzelner Oberschwingungsspannungen an der Übergabestelle bis zur 25. Ordnung Anteil relativ absolut Ordng.- Nr. h 1 230,00V 400,00V 2 2,0% 4,60V 8,00V 3 5,0% 11,50V 20,00V 4 1,0% 2,30V 4,00V 5 6,0% 13,80V 24,00V 6 0,5% 1,15V 2,00V 7 5,0% 11,50V 20,00V 8 0,5% 1,15V 2,00V 9 1,5% 3,45V 6,00V 10 0,5% 1,15V 2,00V 11 3,5% 8,05V 14,00V 12 0,5% 1,15V 2,00V 13 3,0% 6,90V 12,00V 14 0,5% 1,15V 2,00V 15 0,5% 1,15V 2,00V 16 0,5% 1,15V 2,00V 17 2,0% 4,60V 8,00V 18 0,5% 1,15V 2,00V 19 1,5% 3,45V 6,00V 20 0,5% 1,15V 2,00V 21 0,5% 1,15V 2,00V 22 0,5% 1,15V 2,00V 23 1,5% 3,45V 6,00V 24 0,5% 1,15V 2,00V 25 1,5% 3,45V 6,00V THD 8,0% 18,40V 32,00V
  • 223. Die EN 50160 sagt zur Netzfrequenz: Der 10-s-Mittelwert muss – natürlich wiederum nur »unter normalen Betriebsbedingungen – bei synchroner Verbindung mit einem Verbundnetz • während 99,5% eines Jahres eine Toleranz von ±1% einhalten, also zwischen 49,5 Hz und 50,5 Hz liegen, und • während 100% eines Jahres eine Toleranz von +4% und -6% einhalten, also zwischen 47 Hz und 52 Hz liegen.« Was heißt das für ein Verbundnetz?
  • 224. Die EN 50160 aber bietet zur Netzfrequenz • einen Abschnitt zur Frequenz in Hochspannungsnetzen, • einen Abschnitt zur Frequenz in Mittelspannungsnetzen, • einen Abschnitt zur Frequenz in Niederspannungsnetzen. Noch sind die dort geforderten Werte gleich, doch warten wir ab, bis z. B. die Hochspannungsfraktion »ihre« Werte ändert und die anderen vergisst!
  • 225. Die EN 50160 sagt zur Stabilität der Frequenz von Inselnetzen: In Inselnetzen sind die Anforderungen noch gnädiger. Der 10-s-Mittelwert muss hier (ohne synchrone Verbindung mit einem Verbundnetz) • während 95% eines Jahres eine Toleranz von ±2% einhalten, also zwischen 49 Hz und 51 Hz liegen, und • während 100% eines Jahres eine Toleranz von ±15% einhalten, also zwischen 42,5 Hz und 57,5 Hz liegen.« Das fängt also bei Großbritannien schon an, oder?
  • 226. Die EN 50160 sagt zur Stabilität der Frequenz von Inselnetzen: In der Tat … aber werfen wir doch einmal einen Blick auf eine »richtige« Insel: www.entsoe.eu
  • 227. Die Praxis sagt zur Stabilität der Frequenz auf Inselnetzen: Beobachtung auf Malta • 495.000 Einwohner, • 547 MW: Frequenzen • von 49,80 Hz • bis 50,13 Hz im Laufe einiger Stunden. Nun ja …
  • 228. Die Praxis sagt zur Frequenz im Verbundnetz 50,075Hz 236V Verlauf von Spannung und Frequenz am Bereich (5-s-Mittelwerte): min. 49,9362 Hz max. 50,0713 Hz 50,050Hz 235V 234V 233V Kleinstes Minimum aller 5-s-Intervalle: 49,9353 Hz Größtes Maximum aller 5-s-Intervalle: 50,0720 Hz Schwankungsbreite: 0,2738 % Tages-Mittelwert: 50,0000 Hz 50,025Hz 50,000Hz 49,975Hz 49,950Hz 49,925Hz 232V 231V 230V 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 229V 228V 227V 226V 225V 224V f → U → t → 26.12.2013 U f
  • 229. Die Praxis sagt zur Frequenz im Verbundnetz z. B. nach einem Kraftwerksausfall in der Türkei am 29.09.2010, HPP Atatürk, 776 MW (Amprion GmbH, veröffentlicht in »ETG-Mitgliederinformation « 2/2011, S. 10)
  • 230. Der Notfallplan der ENTSO-E sagt zur Frequenz im Verbundnetz: Stufe 1 49,8 Hz Alarmierung des Personals, Einsatz der noch nicht mobilisierten Leistung Stufe 2 49,5 Hz Abwurf von Speicherpumpen Stufe 3 49,0 Hz Unverzüglicher Abwurf von 10%…15% der Netzlast Stufe 4 48,7 Hz Unverzüglicher Abwurf weiterer 10%…15% der Last Stufe 5 48,4 Hz Unverzüglicher Abwurf weiterer 15%…20% der Last Stufe 6 48,1 Hz Unverzüglicher Abwurf weiterer 15%…20% der Last Stufe 7 47,5 Hz Abtrennen der Kraftwerke vom Netz Stufe 8 47,0 Hz Jetzt endlich meldet sich die EN 50160 zu Wort – und gleichzeitig ab: Sie mahnt, dass die Frequenz nicht noch tiefer sinken sollte; da dies nun aber schon mal passiert und das Netz bereits »platt« sei, seien die Betriebsbedingungen nicht mehr »normal«, weswegen auch keine Forderung mehr nach irgendetwas bestünde.
  • 231. Hoffentlich bekommen wir nie eine Versorgung nach EN 50160! Die VDE 0100-100 sagte noch im August 2002: »Die in DIN EN 50160:2000-03 angegebenen Merkmale der Spannung geben Extrem-Situationen wieder, beschreiben aber nicht die übliche Situation im Netz. Für die Planung von elektrischen Anlagen mit einer normalen Gebrauchstauglichkeit ist es ausreichend, die mit hoher Wahrscheinlichkeit typische Situation im Netz am jeweiligen Anschlusspunkt zu berücksichtigen.« Doch dieser Satz musste weichen. So deutlich darf eine Norm nicht über eine Norm reden.
  • 232. Was sagen die Normen zu Ableitströmen? z. B. IEC 950: Messung der Ableitströme Diese Norm erfasst nur 50-Hz-Ströme, hochfrequente Anteile müssen draußen bleiben! Wozu denn dann ein Filter?
  • 233. Vorschlag für ein neues Berufsbild: Fachkraft für babylonische Sprachverwirrung Ein Turmbauer, sagt eine Fabel, dem wurde gekündigt in Babel. Nach Frankfurt am Main ließ gern man ihn ein. Dort normt er jetzt Drähte und Kabel.
  • 234. Warum eigentlich noch Entstör-Maßnahmen? Seit 01.01.2001 ist die EN 61000-3-2 in Kraft, und seither stört doch nichts mehr! Oder? Denn nun gibt es Oberschwingungs-Grenzwerte für Klasse A: Symmetrische dreiphasige Geräte und alle anderen Geräte, ausgenommen diejenigen, die in einer der folgenden Klassen genannt sind Klasse B: Tragbare Elektrowerkzeuge Klasse C: Beleuchtungs-Einrichtungen einschließlich Beleuchtungsreglern, ausgenommen Dimmer bis 1000 W Klasse D: Personal-Computer und deren Monitore, Fernsehgeräte mit einer Eingangsleistung von 75 W bis 600 W
  • 235. Dabei sind die einzuhaltenden Toleranzen der Netzspannung für die Prüfung recht eng: 2,0% Abweichung vom Nennwert, 0,9% Gehalt Oberschwingung 3, 0,4% Gehalt Oberschwingung 5, 0,3% Gehalt Oberschwingung 7, 0,2% Gehalt Oberschwingung 9, 0,2% Gehalt Oberschwingungen gerader Ordnung, 0,1% Gehalt Oberschwingungen 11 bis 40 während der Prüfung! Das ist auch nötig, denn der Einfluss ist groß!
  • 236. Versuch der gegenseitigen Kompensation der dritten Oberschwingung zwischen Außenleiter und Neutralleiter gegen diejenige zwischen zwei Außenleitern
  • 237. Und wie sehen die vom Gerät einzu-haltenden Grenzwerte des Stroms aus? Z. B. in Klasse D: Personal-Computer und deren Monitore, Fernsehgeräte mit einer Eingangsleistung von 75 W bis 600 W Tabelle 3 aus DIN EN 61000-3-2 (VDE 0838-2:2006-10) Grenzwerte für Geräte der Klasse D Ord-nungs- Höchstwert des Ober-schwingungsstroms zahl n je Leistungs- Aufnahme jedoch maximal Ungeradzahlige Oberschwingungen 3 3,40mA/W 2,30A 5 1,90mA/W 1,14A 7 1,00mA/W 0,77A 9 0,50mA/W 0,40A 11 0,35mA/W 0,33A 13≤n ≤39 3,85mA/W/n s. Tabelle 1 Geradzahlige Oberschwingungen 2 1,08A 4 0,43A 6 0,30A 8≤n ≤14 0,23*8/nA
  • 238. Der THDI darf ganz legal und normkonform recht hübsche Werte erreichen! Tabelle 3 aus DIN EN 61000-3-2 (VDE 0838-2:2006-10) Grenzwerte für Geräte der Klasse D Ord-nungs- Höchstwert des Ober-schwingungsstroms entspricht bei P = zahl n je Leistungs- Aufnahme jedoch maximal 75W Ungeradzahlige Oberschwingungen 3 3,40mA/W 2,30A 0,26A 5 1,90mA/W 1,14A 0,14A 7 1,00mA/W 0,77A 0,08A 9 0,50mA/W 0,40A 0,04A 11 0,35mA/W 0,33A 0,03A 13≤n≤39 3,85mA/W/n s. Tabelle 1 Geradzahlige Oberschwingungen 2 1,08A 4 0,43A 6 0,30A 8≤n≤14 0,23*8/nA 600W 2,04A 1,14A 0,60A 0,30A 0,21A … ob nun an der Untergrenze …  oder an der Ober-grenze des Bereichs Sagen Sie mal, was will eigentlich diese Spalte uns mitteilen? Höchstzulässige THDI-Werte THD-R THD-F nur ungeradzahlige erfasst 68,8% 94,8% nur geradzahlige erfasst 43,3% 48,0% alle erfasst 72,8% 106,2%
  • 239. Die Einhaltung dieser Grenzwerte ist ja wohl kein Kunststück! Betrachten wir z. B. einen alten PC aus der Zeit vor dem Inkrafttreten der EN 61000-3-2 Grenzwert: 116 W * 3,4 mA/W = 395 mA Messwert dritte Harmonische: 411 mA Wegzumessende Differenz: 16 mA
  • 240. Lösung 1: Geräte einzeln betrachten: 40 W PC, 60 W Monitor, 16 W Peripherie Klasse D: Personal-Computer und deren Monitore, Fernsehgeräte mit einer Eingangsleistung von 75 W bis 600 W EN 61000-3-2 fühlt sich also nicht zuständig. Das funktioniert nur leider heute nicht mehr, denn neue Rechner schlucken mehr. Also:
  • 241. Lösung 2: Nennwert 4% über Messwert legen (5% sind erlaubt!) Grenze: 116 W * 3,4 mA/W * 1,05 = 414 mA Messung dritte Harmonische: 411 mA Passt! Und was nicht passt, wird eben passend gemacht. Wohlgemerkt: Wir reden hier von einem PC ohne jegliche Maßnahmen gegen Oberschwingungen, der vor Erscheinen der EN 61000-3-2 in Verkehr gebracht wurde!
  • 242. Lösung 3: Ohmsche Last parallel schalten. So kommen Sie leicht > 600 W. Klasse D: Personal-Computer und deren Monitore, Fernsehgeräte mit einer Eingangs-leistung von 75 W bis 600 W
  • 243. Lösung 4: Ohmscher Serienwiderstand »Glühlampe reinhauen«, wie ein Zyniker sagte. Gehen wir noch einmal zurück zu den Messgeräten:
  • 244. Lösung 5: Nur ein Weilchen warten … … denn nach EN 61000-3-2 wird der Mittelwert der in einem bestimmten Zeitfenster vorgekommenen Oberschwingungen durch den Höchstwert der in diesem Zeitfenster vorgekommenen Wirkleistung geteilt! Messwerte am Eingang des Netzteils eines nach EN 61000-3-2 gebauten PC mit wechselnder Last Nr. Betriebszustand P Q S I 3 THDI LF cosφ 0 PC »aus«-geschaltet 3,7W 12,3var 12,8VA 15,4mA 52,8% 28,8% 36,0% 1 Ruhezustand 3,7W 12,3var 12,8VA 15,4mA 52,8% 28,8% 36,0% 2 Standby 40,2W 36,1var 54,0VA 132,0mA 67,0% 74,4% 100,0% 3 CPU normal belastet 45,5W 39,7var 60,4VA 147,0mA 65,8% 75,3% 100,0% 4 CPU normal belastet, mit Flachbildschirm 68,0W 55,0var 87,5VA 194,0mA 62,5% 77,8% 99,0% 5 CPU stark belastet, mit Flachbildschirm 100,0W 77,0var 126,2VA 289,0mA 57,8% 79,2% 97,0% 6 Netzteil mit zusätzlicher Last 50% ausgelastet 152,0W 116,0var 191,2VA 405,0mA 54,4% 79,5% 95,0% 7 Netzteil mit zusätzlicher Last voll ausgelastet 319,0W 293,0var 433,1VA 800,0mA 56,0% 73,6% 91,0%
  • 245. 95% 90% 85% 80% 75% 125W 100W 75W 50W 25W 0W 08:00h 09:00h 10:00h 11:00h 12:00h 13:00h 14:00h 15:00h 16:00h 17:00h ↑ THDI P → t → Aus dem Alltag eines Büro-PC Eine Messung je Minute
  • 246. 0W 75% 80% 75W 85% 90% 150W 95% 25W 50W 100W 125W 12:00:00 12:00:15 12:00:30 12:00:45 12:01:00 12:01:15 12:01:30 12:01:45 12:02:00 ↑ THDI P → t → Aus dem Alltag eines Büro-PC Eine Messung je Sekunde
  • 247. 150W 135W 120W 105W 90W 75W 60W 45W 30W 15W 0W 900mA 750mA 600mA 450mA 300mA 150mA 0mA Ih → 08:00h 09:00h 10:00h 11:00h 12:00h 13:00h 14:00h 15:00h 16:00h P → 17:00h t → Aus dem Alltag eines Büro-PC Pmax = 146 W ī5 = 134 mA ī5zul = 1,9 mA * 146 W = 278 mA ī3 = 268 mA ī3zul = 3,4 mA * 146 W = 497 mA
  • 248. Fluggenehmigung für eine Lokomotive Klasse D: Personal-Computer und deren Monitore, Fernsehgeräte mit einer Eingangsleistung von 75 W bis 600 W Kleiner Exkurs gefällig? Energie-Effizienz in der EDV
  • 249. Laptop-Netzteil 65 W Akku ladend Akku voll
  • 250. Laptop-Netzteil 90 W Akku ladend Akku voll
  • 251. Fernsehen im Wandel der Zeit Röhren-gerät 1990 Flach-bild-schirm 2010
  • 252. Oder sehen wir uns einmal die Grenzwerte für Klasse C (Lampen) an … und diese Osram Dulux EL 11 W danach: Diese Lampe Osram Dulux EL 11 W entstand vor EN 61000-3-2 … Der Unterschied ist nicht gerade überzeugend!
  • 253. Nur bei größeren Lampen und EVG >25 W greift die Norm …
  • 254. … also offensichtlich bei LED-Lampen schon mal nicht! Messungen an einer LED-Leuchtröhre (nach Ausbau des Vorschaltgeräts) Weitere Schwach-stellen der LED gefällig?
  • 255. Normen geben allgemeine Mindest-Anforderungen zur Sicherheit, doch die obliegt dem Planer, dem Handwerker, dem Gebäudetechniker!
  • 256. Und damit zum Unwort des Tages: Neu-Anlagen sind sicher durch Fehlerstromschutz. Alt-Anlagen sind sicher durch Bestandsschutz. Preisfrage 1: Wovor schützt der Bestandsschutz? Vor Verbesserungen!
  • 257. Preisfrage 2: Wo finde ich Aussagen zum Bestandsschutz in der VDE 0100? Nirgends!
  • 258. Normen im Wandel der Zeit: Anpassung ist notwendig!
  • 259. Weitere Möglichkeit, Kurven zu verbiegen: Der gewöhnliche Phasenanschnittdimmer hier z. B. mit 300 W Glühlampenlast 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms Außenleiterströme Neutralleiterstrom 2A 1A 0A -1A -2A i  t  i(L1) i(L2) i(L3) 2A 1A 0A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -1A -2A i  t  i(N) L1-N L2-N L3-N φ 0° 0° 0° uAV 207,1V 207,1V 207,1V UEff 230,0V 230,0V 230,0V L1 L2 L3 N i AV 1,17A 1,17A 1,17A 0,00A I Eff 1,30A 1,30A 1,30A 0,00A I Eff / i AV 1,11A 1,11A 1,11A – î / i Eff 1,41A 1,41A 1,41A –
  • 260. Weitere Möglichkeit, Kurven zu verbiegen: Der gewöhnliche Phasenanschnittdimmer hier z. B. mit 300 W Glühlampenlast 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms Außenleiterströme Neutralleiterstrom 2A 1A 0A -1A -2A i  t  i(L1) i(L2) i(L3) 2A 1A 0A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -1A -2A i  t  i(N) L1-N L2-N L3-N φ 30° 30° 30° uAV 192,7V 192,7V 192,7V UEff 226,5V 226,5V 226,5V L1 L2 L3 N i AV 1,09A 1,09A 1,09A 0,24A I Eff 1,28A 1,28A 1,28A 0,39A I Eff / i AV 1,18A 1,18A 1,18A – î / i Eff 1,44A 1,44A 1,44A –
  • 261. Weitere Möglichkeit, Kurven zu verbiegen: Der gewöhnliche Phasenanschnittdimmer hier z. B. mit 300 W Glühlampenlast 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms Außenleiterströme Neutralleiterstrom 2A 1A 0A -1A -2A i  t  i(L1) i(L2) i(L3) 2A 1A 0A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -1A -2A i  t  i(N) L1-N L2-N L3-N φ 90° 90° 90° uAV 102,6V 102,6V 102,6V UEff 161,7V 161,7V 161,7V L1 L2 L3 N i AV 0,58A 0,58A 0,58A 1,29A I Eff 0,91A 0,91A 0,91A 1,30A I Eff / i AV 1,58A 1,58A 1,58A – î / i Eff 2,01A 2,01A 2,01A –
  • 262. Weitere Möglichkeit, Kurven zu verbiegen: Der gewöhnliche Phasenanschnittdimmer hier z. B. mit 300 W Glühlampenlast 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms Außenleiterströme Neutralleiterstrom 2A 1A 0A -1A -2A i  t  i(L1) i(L2) i(L3) 2A 1A 0A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -1A -2A i  t  i(N) L1-N L2-N L3-N φ 150° 150° 150° uAV 13,4V 13,4V 13,4V UEff 38,1V 38,1V 38,1V L1 L2 L3 N i AV 0,08A 0,08A 0,08A 0,23A I Eff 0,22A 0,22A 0,22A 0,37A I Eff / i AV 2,84A 2,84A 2,84A – î / i Eff 4,14A 4,14A 4,14A –
  • 263. Weitere Möglichkeit, Kurven zu verbiegen: Der gewöhnliche Phasenanschnittdimmer hier z. B. mit 300 W Glühlampenlast 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms Außenleiterströme Neutralleiterstrom 2A 1A 0A -1A -2A i  t  i(L1) i(L2) i(L3) 2A 1A 0A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -1A -2A i  t  i(N) L1-N L2-N L3-N φ 45° 90° 135° uAV 176,1V 102,6V 29,7V UEff 219,0V 161,7V 68,3V L1 L2 L3 N i AV 1,00A 0,58A 0,17A 0,77A I Eff 1,24A 0,91A 0,39A 0,93A I Eff / i AV 1,24A 1,58A 2,30A – î / i Eff 1,49A 2,01A 3,31A –
  • 264. Eine ganz alte Möglichkeit, die Stromkurven zu verbiegen: Reihenschlussmotoren haben ebenfalls keinen rein linearen Charakter! 10,5A 7,5A 4,5A 1,5A 0ms 5ms 10ms 15ms 20ms -1,5A -4,5A -7,5A -10,5A 330V 270V 210V 150V 90V 30V -30V -90V -150V -210V -270V -330V i → u → t → Betriebsstrom eines alten Staubsaugermotors ohne Drehzahlsteller
  • 265. Eine oft überschätzte Möglichkeit, die Stromkurven zu verbiegen: Transformatoren-Leerlaufströme Leerlaufstrom eines Verteil- Transformators 630 kVA von der Unterspannungsseite 420 V!
  • 266. Weitere Möglichkeit, den N-Leiter zu (ü)be(r)lasten: Gleichströme … Original »Fälschung« N L3 L2 L1 400 V 50 Hz + U 0 U - N L3 L2 L1 400 V 50 Hz + U - + U -
  • 267. … ihre möglichen Quellen … … z. B. ein ganz ordinärer älterer Haarföhn …
  • 268. … und ihre Auswirkungen
  • 269. Heutige Geräte lassen den Quatsch Wenigstens das hat die EN 61000-3-2 (Klasse A – Haushaltsgeräte) gebracht: Grenzwert für die zweite Oberschwingung 1,05 A
  • 270. Oder auch nicht 1,05 A sind ja immer noch erlaubt! Das muss man doch »ausnutzen«! Hier ein neues Modell nach EN 61000-3-2 Kl. A:
  • 271. Ein Unglück kommt selten allein Ein Haartrockner auch
  • 272. Noch einmal: Auswirkung ohne Haartrockner, mit einem Haartrockner und mit zwei Haartrocknern auf einen Ringkern-Transformator 400 VA
  • 273. Leerlaufstrom eines Ringkerntrafos 400 VA ohne »Föhn-Einfluss« 0,03A 0,02A 0,01A -0,01A -0,02A -0,03A 325V 275V 225V 175V 125V 75V 25V -25V Netzspannung L3 - N Trafo allein an L3 ohne Föhn 0ms 5ms 10ms 15ms -75V -125V -175V -225V -275V -325V i → u → t →
  • 274. Doch wird der Haartrockner eingeschaltet, läuft der Leerlaufstrom des Trafos hoch … 6,0A 5,0A 4,0A 3,0A 2,0A 1,0A 0,0A -1,0A -2,0A -3,0A -4,0A -5,0A -6,0A 325V 275V 225V 175V 125V 75V 25V -25V u i 0ms 50ms 100ms 150ms 200ms -75V -125V -175V -225V -275V -325V i → u → t → Leerlaufstrom eines Ringkerntrafos 400 VA; Einschalten eines Föhns am selben Stromkreis
  • 275. Leerlaufstrom Ringkerntrafo 400 VA an L3 mit Föhn 1200 W (neu) an L3 7,5A 6,5A 5,5A 4,5A 3,5A 2,5A 1,5A 0,5A -0,5A 330V 286V 242V 198V 154V 110V 66V 22V -22V 0ms 5ms 10ms 15ms i → u → t → Netzspannung L3 - N Trafo allein an L3 ohne Föhn mit Föhn 1200 W (neu) an L3
  • 276. Leerlaufstrom Ringkerntrafo 400 VA an L3 mit Föhn 1200 (neu) W an L3 und Föhn 1800 W (neu) an L2 7,5A 6,5A 5,5A 4,5A 3,5A 2,5A 1,5A 0,5A -0,5A 330V 286V 242V 198V 154V 110V 66V 22V -22V 0ms 5ms 10ms 15ms i → u → t → Netzspannung L3 - N Trafo allein an L3 ohne Föhn mit Föhn 1800 W (neu) an L2 und Föhn 1500 W (alt – vor EN 61000-3-2) an L1
  • 277. Leerlaufstrom Ringkerntrafo 400 VA an L3 mit Föhn 1200 W an L3, 1800 W an L2 und 1500 W (alt) an L1 7,5A 6,5A 5,5A 4,5A 3,5A 2,5A 1,5A 0,5A -0,5A 330V 286V 242V 198V 154V 110V 66V 22V -22V 0ms 5ms 10ms 15ms i → u → t → Netzspannung L3 - N Trafo allein an L3 ohne Föhn mit Föhn 1200 W (neu) an L3 und Föhn 1800 W (neu) an L2 und Föhn 1500 W (alt – vor EN 61000-3-2) an L1
  • 278. Leerlaufstrom Ringkerntrafo 400 VA an L3 mit Föhn 1800 W an L2 und 1500 W (alt) an L1 (kein Föhn an L3!) 7,5A 6,5A 5,5A 4,5A 3,5A 2,5A 1,5A 0,5A -0,5A 330V 286V 242V 198V 154V 110V 66V 22V -22V 0ms 5ms 10ms 15ms i → u → t → Netzspannung L3 - N Trafo allein an L3 ohne Föhn mit Föhn 1800 W (neu) an L2 und Föhn 1500 W (alt – vor EN 61000-3-2) an L1
  • 279. Trafo 230V an L3-N ein Föhn an L1 aus halb voll (vor EN 50160) Föhn an L2 aus halb voll (nach EN 50160) Föhn an L3 aus halb voll (nach EN 50160) I 0 (Trafo) 13,51mA 273,58mA 719,41mA 1454,68mA 1169,30mA 728,26mA 44,13mA P0 (Trafo) 2,56W 4,44W 7,03W 13,27W 10,05W 6,70W 2,50W Ringkerntrafo 230 V – 400 VA 1,50A 1,25A 1,00A 0,75A 0,50A 0,25A 0,00A 2,5V 2,0V 1,5V 1,0V 0,5V 0,0V i0 → uDC → t → U1 (DC) U2 (DC) U3 (DC) I3 0s 60s 120s 180s 240s 300s 360s 420s Immense Auswirkung auf 1-Phasen-Trafo 230 V!
  • 280. Föhn an L1 aus halb voll (vor EN 50160) Föhn an L2 aus halb voll (nach EN 50160) Föhn an L3 aus halb voll (nach EN 50160) Ringkerntrafo 400 V – 2 kVA 0,16A 0,14A 0,12A 0,10A 0,08A 0,06A 0,04A 0,02A 0,00A Trafo 400V an L2-L3 I 0 (Trafo) 160,89mA 160,31mA 159,85mA 161,08mA 160,42mA 160,05mA 160,32mA P0 (Trafo) 11,91W 11,83W 11,79W 12,15W 12,08W 12,17W 12,29W 2,5V 2,0V 1,5V 1,0V 0,5V 0,0V i0 → uDC → U1 (DC) U2 (DC) U3 (DC) t → I23 ein 0s 60s 120s 180s 240s 300s 360s 420s Keine Auswirkung auf 2-Phasen-Trafo 400 V
  • 281. Vorsicht ist auch beim Betrieb einer transformatorlosen USV-Anlage geboten! 100% 80% 60% 40% 20% 0% Die Abschalt-Bedingungen sind nur ein Problem – ein weiteres ist eine mögliche Unsymmetrie der Ausgangsspannung Ohmsche Quelle mit ohmscher Last oder induktive Quelle mit induktiver Last Ohmsche Quelle mit induktiver Last oder induktive Quelle mit ohmscher Last USV-Anlage 0% 20% 40% 60% 80% 100% ↑ U/U0 I/IK →
  • 282. Mögliche Folge ist weiterhin: Eisensättigung in Bahntransformatoren?
  • 283. Wunder der Elektrotechnik: Gleichstrom erzeugt Wechselspannung Also: Keine Angst vor Unsymmetrie beim Dimmer-Betrieb von Kleintransformatoren!
  • 284. Das Ganze noch mit HF würzen: Keine Kunst mittels elektronischen Transformators
  • 285. Wenn der Strahler anfängt zu strahlen
  • 286. 1,2 A 0,8 A 0,4 A 0,0 A -0,4 A -0,8 A -1,2 A Kein Thema bei altertümlicher Technik Natriumdampflampe mit KVG 350 V 250 V 150 V 50 V 0ms 5ms 10ms 15ms -50 V -150 V -250 V -350 V i → u → t → u i
  • 287. Jedoch mit LED-Technik? LED-Straßenlampe mit EVG: Mal so … 175 mA 350 V 125 mA 75 mA 25 mA 0 ms 5 ms 10 ms 15 ms 20 ms 20 ms 25 ms 30 35 40 40 45 50 55 60 60 65 70 75 80 80 85 90 95 100 ms 100 ms 105 ms 110 ms 115 ms 120 120 125 130 135 140 140 145 150 155 160 160 165 170 175 180 180 185 190 195 200 -25 mA -75 mA -125 mA -175 mA 250 V 150 V 50 V -50 V -150 V -250 V -350 V i → u → t → u i …… uunndd smoa wl seoit e…r
  • 288. Schmutz, der gar nicht erst ins Netz gelangt, muss auch nicht entsorgt werden: 90° 60° 30° 0° -30° -60° -90° 500 Ω 450 Ω 400 Ω 350 Ω 300 Ω 250 Ω 200 Ω 150 Ω 100 Ω 50 Ω 0 Ω φ → Z → f → X(L) X(C) Z(ser) φ(ser) 1 2π푓퐶 10 Hz 30 Hz 50 Hz 70 Hz 90 Hz 110 Hz RCu = 13,8 Ω L = 878 mH C = 11,6 μF 푋퐿 푋퐶 = = 2π푓퐿 푍푅퐿퐶 = 푅퐶푢 2 + 2π푓퐿 − 1 2π푓퐶 2
  • 289. Der passive Oberschwingungsfilter aus handelsüblichen Bauteilen … 80W 70W 60W 50W 40W PV → Verlustleistung, Kondensatorspannung und 1,8A 1,6A 1,4A 1,2A 1,0A 0,8A PV → 80W 70W 60W 50W 40W 30W 20W 10W I → Strom und Verlustleistung über Spannung 0W 250V 200V 150V 100V 50V U → … sein gutmütiges Verhalten … 0W 30W 20W 10W 0,6A 0,4A 0,2A 0,0A U → I Pv 0V 40V 80V 120V 160V 200V 240V 0V 0,0A 0,4A 0,8A 1,2A I → 1,6A Gesamtspannung über Strom Uges Eff UR Eff Pv
  • 290. … und seine Wirksamkeit vorher nachher
  • 291. Die Hälfte dieser Lösung im Einsatz:
  • 292. Es gibt nur eine Erde von wegen Schutzerde Betriebserde Funktionserde Erde der Energietechnik Erde der Nachrichtentechnik meine Erde deine Erde
  • 293. Professor Manfred Fender, Fachhochschule Wiesbaden: Bild d Bild c Bild b Bild a L3 t Upr L2 L1 i N Bild e i L3 u i L2 L1 N u t u t t Usek i t u i u B6 B2 B2 B2 Wir sollten mehr 2- und 3-phasige Gleichrichterlasten verwenden!
  • 294. Wir sollten Trafos mit unterschiedlichen Schaltgruppen einsetzen! Bild b Bild d u t i Bild c t Dzn6 t i Bild e t u Dyn5 i t u Bild a i u i u uk für Nullsystem: 60% des Mitsystems uk für Nullsystem: 5 … 10% des Mitsystems
  • 295. Wenn das noch nicht ausreicht: Passive Filterkreise f0=150Hz f0=250Hz f0=350Hz f0=450Hz
  • 296. Auslegung eines Doppelfilters aus 2 parallelen Saugkreisen – Eingabewerte Oberschwingungs- Gehalt der Netzspannung: Nenndaten des Netzes und der Filter: Nr. f Uf U 230,00 V Nenn-Netzspannung effektiv 1 50Hz 229,46V f 50,00 Hz Nenn-Netzfrequenz 2 100Hz 0,00V R 5 37,37 mΩ Wirkwiderstand der Drossel für die niedrigere Frequenz (gewöhnlich 5. Oberschwingung) 3 150Hz 12,00V L 5 0,30 mH Induktivität der Drossel für die niedrigere Frequenz (gewöhnlich 5. Oberschwingung) 4 200Hz 0,00V C 5 2179,41 μF Kapazität des Kondensators für die niedrigere Frequenz (gewöhnlich 5. Oberschwingung) 5 250Hz 8,00V R 7 26,69 mΩ Wirkwiderstand der Drossel für die höhere Frequenz (gewöhnlich 7. Oberschwingung) 6 300Hz 0,00V L 7 0,22 mH Induktivität der Drossel für die höhere Frequenz (gewöhnlich 7. Oberschwingung) 7 350Hz 4,00V C 7 1651,63 μF Kapazität des Kondensators für die höhere Frequenz (gewöhnlich 7. Oberschwingung) 8 400Hz 0,00V f 0(5) 195,48 Hz Resonanzfrequenz des Filters für die 5. Oberschwingung 9 450Hz 3,00V f 0(7) 264,03 Hz Resonanzfrequenz des Filters für die 7. Oberschwingung 10 500Hz 0,00V 11 550Hz 2,50V Ein Berechnungsblatt gibt es auf: 12 600Hz 0,00V 13 650Hz 2,00V 14 700Hz 0,00V 15 750Hz 1,50V 16 800Hz 0,00V 17 850Hz 1,00V 18 900Hz 0,00V 19 950Hz 0,50V 20 1000Hz 0,00V 21 1050Hz 0,00V 22 1100Hz 0,00V 23 1150Hz 0,00V 24 1200Hz 0,00V 25 1250Hz 0,00V XL-XC Z RCu C5 L5 U RCu5 C7 L7 RCu7 www.leonardo-energy.org/dimensioning-passive-filter-tool
  • 297. Verhalten des Doppelfilters am realen Beispiel: 7% & 11% Verdrosselung 90° 60° 30° 0° -30° -60° -90° 1,0 Ω 0,9 Ω 0,8 Ω 0,7 Ω 0,6 Ω 0,5 Ω 0,4 Ω 0,3 Ω 0,2 Ω 0,1 Ω 0,0 Ω φ → Z → Z(7%) Z(11%) Ztot φ(7%) φ(11%) φtot 50 Hz 150 Hz 250 Hz 350 Hz f → 450 Hz
  • 298. 90° 60° 30° 0° -30° -60° -90° Nie zwei gleiche parallel schalten! Sie möchten vielleicht dies: 1,0 Ω 0,9 Ω 0,8 Ω 0,7 Ω 0,6 Ω 0,5 Ω 0,4 Ω 0,3 Ω 0,2 Ω 0,1 Ω 0,0 Ω φ → Z → 50 Hz 150 Hz 250 Hz 350 Hz f → 450 Hz XL XC Z φ L = 0,250 mH C = 1686 μF
  • 299. 90° 60° 30° 0° -30° -60° -90° Nie 2 gleiche parallel schalten! Mit 4% Toleranz bekommen Sie dies: 1,0 Ω 0,9 Ω 0,8 Ω 0,7 Ω 0,6 Ω 0,5 Ω 0,4 Ω 0,3 Ω 0,2 Ω 0,1 Ω 0,0 Ω φ → Z → 50 Hz 150 Hz 250 Hz 350 Hz f → 450 Hz XL XC Z φ } Dieser Kreis ist bei 250 Hz induktiv L = 0,255 mH C = 1719 μF
  • 300. 90° 60° 30° 0° -30° -60° -90° Nie 2 gleiche parallel schalten! Mit -4% Toleranz bekommen Sie dies: 1,0 Ω 0,9 Ω 0,8 Ω 0,7 Ω 0,6 Ω 0,5 Ω 0,4 Ω 0,3 Ω 0,2 Ω 0,1 Ω 0,0 Ω φ → Z → L = 0,245 mH C = 1653 μF 50 Hz 150 Hz 250 Hz 350 Hz f → 450 Hz XL XC Z φ { Dieser Kreis ist bei 250 Hz kapazitiv
  • 301. Nie 2 gleiche parallel schalten! Bei Parallelschaltung beider erhalten Sie dies: 90° 60° 30° 0° -30° -60° -90° 1,0 Ω 0,9 Ω 0,8 Ω 0,7 Ω 0,6 Ω 0,5 Ω 0,4 Ω 0,3 Ω 0,2 Ω 0,1 Ω 0,0 Ω Z5 Z7 Ztot φ5 φ7 φtot φ → Z → 50 Hz 150 Hz 250 Hz 350 Hz f → 450 Hz
  • 302. Beobachtungen an einer kleinen USV-Anlage wenn man nur 2 passive Filter hinzu fügt
  • 303. Was tun? Aufräumen im Netz! Im Niederspannungsnetz:  Keine Kabel und Leitungen mit Querschnitts-reduziertem Neutral- oder Schutzleiter verwenden!  Nur noch 5-Leiter-Kabel verwenden, keine TN-C- oder TN-C-S-Systeme mehr installieren!  Leiterquerschnitte reichlich bemessen! Das reduziert Spannungsfälle und somit den Einfluss verzerrter Ströme auf die Spannung und gleichzeitig Energieverluste (siehe VDE 0298, den leider zurück gezogenen Teil 100!). Zudem schafft man so Reserven für die Zukunft.  Bei Mess- und Anzeige-Instrumenten auf Echt-Effektivwert- Messung (TRMS) achten! Im Mittelspannungsnetz:  Verteil-Transformatoren verschiedener Schaltgruppen gut gemischt verwenden.  Vorsichts-Maßnahmen bei RESPE vorsehen, damit sie funktioniert
  • 304. Mehr gibt es in der Fachpresse … www.elektropraktiker.de/nc/fa chinformationen/fachartikel/e pthema-oberschwingungen-1
  • 305. … und in Elektrotechnik-Schriften des DKI bestellen oder herunterladen bei www.kupferinstitut.de 1. Installations-Bereich (Kabel, Leitungen, Netzqualität):  Sonderdruck s190 »Messungen und Prüfungen an Erdungsanlagen«  Sonderdruck s183 »Energie sparen mit Spartransformatoren«  Broschüre »Kupfer in der Elektrotechnik: Drähte, Kabel und Leitungen« 2. Andere Bereiche (Energietechnik, Beleuchtung, Nachhaltigkeit):  Sonderdruck s180 »Optimale Auswahl und Betriebsweise von Vorschaltgeräten für Leuchtstofflampen«  Sonderdruck s182 »Verteiltransformatoren«  Sonderdruck s193 »Bedarfsgerechte Auswahl von Kleintransformatoren«  Broschüre »Sparsame elektrische Antriebe«  Broschüre »The Scope for Energy Saving in the EU through the use of energy-efficient electricity distribution transformers«
  • 306. Die Europäische Union zeichnete im Dezember 2004 drei Projekte von etwa 4000 aus – eines davon war die Leonardo Power Quality Initiative
  • 307. Deutsche Leonardo Schriften  1.1 Leitfaden Netzqualität – Einführung  1.2 Selbsthilfe-Leitfaden zur Beurteilung der Netzqualität  2.1 Kosten schlechter Netzqualität  3.1 Oberschwingungen – Ursachen und Auswirkungen  3.2.2 Echt effektiv – die einzig wahre Messung  3.3.1 Passive Filter  3.3.3 Aktive Filter  3.5.1 Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen  4.1 Ausfallsicherheit, Zuverlässigkeit und Redundanz  4.3.1 Verbesserung der Ausfallsicherheit durch Notstrom-Versorgung  4.5.1 Ausfallsichere und zuverlässige Stromversorgung eines modernen Bürogebäudes  5.1 Spannungseinbrüche – Einführung  5.1.3 Einführung in die Unsymmetrie  5.2.1 Vorbeugende Wartung – der Schlüssel zur Netzqualität  5.3.2 Maßnahmen gegen Spannungseinbrüche  5.5.1 Vom Umgang mit Spannungseinbrüchen – eine Fallstudie  6.1 Erdung mit System  6.3.1 Erdungssysteme – Grundlagen der Berechnung und Auslegung
  • 308. Die Europäische Union förderte im Rahmen ihres LEONARDO-Programms durch sachkundige Partner 3 Jahre lang mit insgesamt 3 Millionen Euro die Erstellung der Internet-Seite zu allen Fragen der Netzqualität! Gehen Sie von Zeit zu Zeit auf www.leonardo-energy.org oder www.kupferinstitut.de/de/werkstoffe/anwendung/e-energie.html und sehen Sie die Leonardo Power Quality Initiative wachsen! Wir wollen in 13 Sprachen Lehrmittel zur Minderung von EMV-Problemen entwickeln und verfügbar machen! Wir wenden uns an alle Elektro-Praktiker: Ingenieure, Handwerker, Gebäudetechniker, Architektur- und Planungsbüros sowie Auszubildende und Ausbilder. Wir sind bisher 165 Partner aus Europa, Nord- und Südamerika, darunter Unternehmen, Institute, Hochschulen und 5 nationale Kupfer-Institute. Teilnahme und Beiträge weiterer Partner aus Industrie und Hochschulen sind jederzeit möglich und von den bisherigen Projektpartnern erwünscht. Klicken Sie rein!