Eine verlässliche Energieversorgung ist für viele Unternehmen mittlerweile zu einem wichtigen Standortfaktor geworden. Während in der Vergangenheit Netzausfälle und Spannungsschwankungen zu den wichtigsten Parametern der Versorgungsqualität zählten, gewinnen Spannungstransienten oder Spannungsoberschwingungen immer mehr an Bedeutung. Dies ist vor allem auf die immer größer werdende Anzahl an nicht-linearen Verbrauchern und vielen dezentral angebundenen regenerativen Energieträger zurückzuführen.

Um in Europa einheitliche Standards für die Elektroenergieversorgung zu gewährleisten, werden die Mindestanforderungen an die Spannungsqualität in einer europäischen Norm definiert. Dies ist die EN 50160die die Überschrift »Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen« trägt. Diese Norm ist als Produktnorm für elektrische Energie zu verstehen und wird aus diesem Grund auch in Stromlieferverträgen als geltende Produktnorm herangezogen. Im Februar 2014 hat der Bundesgerichtshof unmissverständlich klargestellt, dass auch die Elektrizität dem Produkthaftungsgesetz unterworfen ist. Damit haftet der Verteilnetzbetreiber für Schäden an elektrischen Verbrauchern, die auf eine mangelhafte Spannungsqualität seitens des Verteilnetzbetreibers zurückzuführen sind.

Viele Messgerätehersteller bieten mittlerweile aus diesem Grund Messgeräte an, die automatisierte Qualitätsreports gemäß der EN 50160 aufbereiten. Auch digitale Zähler bieten immer öfter auch Power Quality Funktionen gemäß der EN 50160. Während die Messgeräte in der Niederspannung die Spannung direkt verarbeiten können, sind in der Mittel- und Hochspannung Spannungswandler bzw. Spannungssensoren nötig. Meist wird an älteren Anlagen die Spannungsqualität gemessen. Die verbauten Spannungswandler geben auf dem Leistungsschild aber i. d. R. keinen Hinweis auf das Übertragungsverhalten bei höheren Frequenzen. Die Geräte sind lediglich für die 50-Hz-Grundschwingung der Netze spezifiziert. Messungen gemäß der EN 50160 erfordern aber einen Frequenzbereich bis 2 kHz.

Eignung von vorhandenen Geräte für Messungen bis 2 kHz

Im Folgenden soll der Frage nachgegangen werden, ob die vorhandenen Geräte für Messungen bis 2 kHz geeignet sind. Bei den verbauten Spannungswandlern handelt es sich häufig um induktive Wandler, die nach dem transformatorischen Prinzip arbeiten. Im Detail besteht die Primärspule nicht nur aus induktiv wirkenden Kupferwindungen, sondern es ergeben sich auch Kapazitäten durch die einzelnen voneinander isolierten Lagen. Die Kapazitäten zwischen den einzelnen Windungen tragen ebenfalls zur Gesamtkapazität der Primärspule bei. Somit ergibt sich ein Schwingkreis aus Induktivität, Kapazität und Ohm‘scher Widerstand, der auch eine entsprechende Resonanzfrequenz aufweisen muss.

Um diese Resonanzfrequenz zu finden, wird nun ein handelsüblicher 10-kV-Spannungswandler im »frequency sweep Verfahren« mit 6400 Messpunkten bis 10 kHz vermessen. Der Messaufbau orientiert sich an den Empfehlungen des technischen Reports IEC TR 61869-103.
Bei rd. 6 kHz ist eine Resonanzstelle erkennbar (Bild 1). Während der Wandler bis rd. 5 kHz annehmbar das Primärsignal überträgt, ergibt sich bei rd. 6 kHz ein Amplitudenfehler von rd. 100 % und ein Phasenfehler von 90°. Eine verlässliche PQ-Analyse bis z. B. 2 kHz ist hier uneingeschränkt möglich, aber wie sieht es mit Wandlern in anderen Spannungsebenen aus?
Eine gute Hilfestellung bietet den Messstellenbetreibern ein Beitrag der technisch-wissenschaftlichen Organisation Cigré/Cired. Hier wurde eine Richtlinie für PowerQuality-Messungen veröffentlicht, die bezüglich des Frequenzübertragungsverhaltens von Spannungswandlern eine aussagekräftige Tabelle bereitstellt.
Es ist ersichtlich, dass generell 10-kV-Spannungswandler bis zur 50. Oberschwingung (2,5 kHz) für PQ-Messungen verwendbar sind. Im 20-kV-Bereich sind gemäß Tafel 1 aber bereits Geräte gefunden worden, die ab der 21. Oberschwingung keine verlässlichen Messwerte auf der Sekundärseite bereitstellen. Im 30-kV-Bereich ist sogar eine pauschale Freigabe lediglich bis zur 7. Oberschwingung erfolgt. Es ist zu konstatieren, dass für verlässliche EN-50160-Messungen ausschließlich 10-kV-Spannungswandler in Bestandsanlagen verwendet werden können. In den Spannungsebenen 20 kV und 30 kV muss eine Auskunft seitens des Wandlerherstellers erfolgen.
Bei den hier untersuchten Wandlern handelt es sich ausschließlich um einpolige Geräte. Zweipolige Spannungswandler, die in älteren Bestandsanlagen noch zu finden sind, können für die Analyse von Oberschwingungen nicht verwendet werden. Dies ist auf die Spannungsmessung zwischen den Leitern zurückzuführen. Trotz des 120°-Phasenversatzes der 50-Hz-Leiterspannungen sind die Amplitudenwerte der überlagerten 3. Oberschwingung nicht versetzt und können somit auch keine Spannungsdifferenz zwischen den Leitern generieren (Bild 2). Dies gilt generell für alle durch drei teilbaren Oberschwingungen. Als Folge ist der THDu um die Werte der durch drei teilbaren Spannungsoberschwingungen (3, 6, 9 usw.) verringert.

Messungen bis 2 kHz noch ausreichend?

Weiterhin stellt sich die Frage, ob Messungen bis 2 kHz noch ausreichend sind. In der aktuellen DIN EN 61000-2-2 werden bereits Grenzwerte für die Spannung bis 150 kHz genannt. Die in den Stromlieferverträgen angeführte EN 50160 ist zwar im Jahr 2020 aktualisiert worden, doch Grenzwerte jenseits der 2 kHz sind noch nicht verbindlich definiert worden. Somit ist eine Spannungsmessung bis 2 kHz für die Qualitätsbestimmung der Elektroenergie ausreichend. Im Bereich von Einspeiseanlagen werden auf Grundlage der Technischen Anschlussregeln (z. B. VDE-AR-N 4110) bereits frequenzoptimierte Spannungswandler bis 9 kHz eingesetzt. Ein größerer Frequenzbereich ist mit induktiven Spannungswandlern aber nicht möglich.

Eine Alternative bieten Spannungssensoren, die in der Mittel und Hochspannung als RC-Teiler ausgeführt werden. In der Mittelspannung finden bereits RC-Teiler als Abschlusseinsatz für T-Stecker oder als luftisolierter Stützer Verwendung (Bild 3). Um ein gutes Frequenzverhalten über den erforderlichen Bereich zu erhalten, muss folgende Bedingung erfüllt sein:

R1 x C1 = R2 x C2

Messungen haben ergeben, dass herkömmliche »50-Hz-RC-Teiler« oft nicht für breitbandige Messungen geeignet sind. Vielmehr müssen die Geräte für höherfrequente Anwendungen optimiert werden. In der Mittelspannung sind bereits Geräte bis 150 kHz lieferbar. In der Hochspannung sind aktuell RC-Teiler im Markt bis 30 kHz erhältlich. Werden seitens des EVUs MSSensoren für PQ-Messungen verwendet, sollten die kleineren Sekundärsignale unbedingt beachtet werden. Im Gegensatz zu den traditionell induktiven Spannungswandlern mit 100/√3 V geben die Spannungssensoren lediglich ein Kleinsignal bis maximal 10/√3 V aus. In der Niederspannung werden die Spannungssignale von den spannungsführenden Leitern direkt abgegriffen. Frequenzoptimierte Hochspannungswandler, die als RC-Teiler ausgeführt werden, stellen i. d. R. wie die herkömmlichen Spannungswandler 100/√3 V bereit.

Es ergeben sich somit verschiedene Sekundärspannungen im Umfeld eines EVUs (Tafel 2). Um eine ausreichende Auflösung und Genauigkeit garantieren zu können, sollte ein mobiles PQ Messgerät auf diese unterschiedlichen Messspannungen ausgelegt sein. Das derzeit einzige mobile Messgerät, das diesen Anforderungen gerecht wird, ist das PQA 8000H-P des Unternehmens Neo Messtechnik (Bild 4). Hier gibt es umschaltbare Spannungseingänge für 600 Vp und 10 Vp bzw. 20 Vp. Mit dieser Option ist es dem EVU möglich, in den verschiedenen Spannungsebenen hochwertige PQ Messungen vornehmen zu können.

Die Eingangsimpedanz der Spannungskanäle liegt bei 10 MΩ || 2 pF. Herkömmliche Spannungswandler in der Mittelspannung werden hinsichtlich der Klassengenauigkeit mit einer Bürdenleistung in VA spezifiziert. Üblich sind Werte zwischen 5 VA und 20 VA. Die auf dem Leistungsschild vermerkte Klasse gilt dabei für 25 % bis 100 % dieser Leistung. Der Leistungsbedarf des mobilen PQ-Geräts ist bei der üblichen Sekundärausgangsspannung von 100/√3 V verschwindend gering. Das Messgerät kann also zu den angeschlossenen Messgeräten ohne Auswirkungen auf die Genauigkeit parallel betrieben werden. Anders sieht es bei den Sensoren in der Mittel- und Hochspannung aus. Hier sind die RC-Teiler genau auf den Belastungswiderstand abgeglichen. In der Hochspannung wird daher oftmals ein extra Terminal für das PQ-Messgerät ausgeführt. In der Mittelspannung muss der Sensor genau auf das Messgerät abgestimmt sein. Es lassen sich aber auch hier Messgeräte parallel betreiben. Durch den Einsatz von parallelen Zusatzwiderständen kann das PQ-Messgerät bei Nichtbenutzung simuliert werden. Bei der Verwendung mehrerer Messgeräte in verschiedenen Messstationen ist eine komfortable Anbindung an das ENA-Scada-System möglich (Bild 5).

Zusammenfassung

Es kann konstatiert werden, dass durch den Einsatz von ohm‘sch-kapazitiven Spannungssensoren in der Mittelspannung in Verbindung mit einem umschaltbaren mobilen PQ-Analysator ebenfalls Messungen bis 150 kHz durchgeführt werden können. Mit RC-Teilern in der Hochspannung wird aktuell ein Messbereich bis 30 kHz abgedeckt. Einer Übernahme der Grenzwerte aus der aktuellen IEC 61000-2-2 in die EN 50160 für die Nieder- und Mittelspannung steht aus technischer Sicht nichts entgegen.

Zum Abschluss

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