Durch die dezentrale Einspeisung des Stroms steigt die strategische Bedeutung der LV-Netze (Low Voltage). Dies führt aber auch zu einer Umkehr der Leistungsflüsse. Durch eine zuverlässige Netzimpedanzmessung mit dem Megger NIM 1000 (Bild 1) lassen sich Niederspannungsnetze fit für die Zukunft machen. Unter dem Strich führt die Entwicklung hin zu erneuerbaren Energiequellen, zu einer viel höheren Belastung und zu enormen Schwankungen innerhalb der LV-Netze. Schwachstellen, die bisher gerade noch standgehalten haben, wirken sich jetzt massiv aus. Dazu gehören zum Beispiel mangelhafte Abzweig- und Verbindungsmuffen oder schlechte Pressverbindungen.
Mehr Belastung durch Oberschwingungen
Dazu kommen einphasige Einspeiseanlagen, die für eine unsymmetrische Phasenlast sorgen und den Neutralleiter zusätzlich beanspruchen. Mehr elektronische statt ohmsche Verbraucher führen zu steigenden Belastungen durch Oberschwingungen. Vor allem die durch drei teilbaren Vielfachen der Netzfrequenz sind kritisch. Ihre Anteile aus den drei Phasen im Neutralleiter addieren sich jetzt, statt sich in der Grundschwingung aufzuheben.
Warum Netzimpedanzmessungen?
Mit der Netzimpedanzmessung berechnet man Sicherungen richtig und deckt Schwachstellen auf, um so zur rechten Zeit am richtigen Ort die geeigneten Massnahmen ergreifen zu können. Man kann aber auch die maximale Anschluss- bzw. Einspeiseleistung am Anschlusspunkt genau ermitteln oder die Spannungserhöhung im Netz bei hohen, dezentralen Einspeiseleistungen berechnen. Und sie bietet die Basis einer ordnungsgemässen Abnahme.
Dabei gilt: Die gemessene Netzimpedanz muss in etwa mit dem errechneten Wert übereinstimmen. Dann dient diese Messung sogar der Überprüfung von LV-Netzen, und ursprüngliche Berechnungsmodelle zur Auslegung des LV-Netzes lassen sich nachträglich anpassen oder korrigieren. Um Sicherungen richtig zu dimensionieren, muss zum einen gewährleistet sein, dass die Sicherung bei einem maximalen Fehlerstrom zuverlässig abschaltet. Zum anderen muss der minimale Kurzschlussstrom, der durch die Netzkonfiguration bestimmt wurde, die Sicherung ebenfalls rechtzeitig auslösen.
Schwachstellen rechtzeitig aufdecken
Um Schwachstellen schnell aufzuspüren, ist ein Vergleich der Netzimpedanzwerte zwischen den Phasen geeignet. Das stellt man durch Messungen mit verschiedenen Lastströmen signifikant dar. Wird die Netzimpedanz an weiteren Phasen bestimmt, lässt sich auch die Impedanz von Schutz- und Neutrallleiter (PEN-Impedanz) eindeutig berechnen. Durch den Vergleich der Schleifenimpedanz von Phase und Neutralleiter mit den Messwerten der Schleife Phase-Phase, erhält man zuverlässig Hinweise auf Fehler im Neutralleiter.
Spannungsschwankungen (Flicker) werden oft durch defekte Leiterverbinder verursacht. Meist treten diese intermittierend auf, bevor es in der Folge zum totalen Spannungsausfall kommt. Diese intermittierenden Fehler kann man mit hohen Messströmen provozieren. Das weist auf Fehler hin, die sich dann mit Reflexionsmessverfahren orten lassen.
Die Netzimpedanzmessung
Eine Messung bestimmt zunächst die Impedanz der kompletten Schleife zwischen den Anschlusspolen am Messgerät. Aus vielen Einzelmessungen werden die Impedanzwerte für L1, L2, L3 und PEN berechnet. In der Praxis ist der während der Impedanzmessung fliessende Verbraucherlaststrom unbekannt. Weil das Messintervall sehr kurz ist, kann man diesen Wert aber mit ausreichender Wahrscheinlichkeit als konstant annehmen. Es genügen zur Berechnung der Quellenimpedanz die vom Messgerät ermittelten Grössen. Die Messung lässt sich im normalen Netzbetrieb realisieren. Der imaginäre Anteil der Netzimpedanz wird von der Induktion des Trafos dominiert. Deshalb ergibt sich eine Frequenzabhängigkeit des Impedanzbetrags. Jedoch stellt man auch beim ohmschen Anteil der Netzimpedanz eine Frequenzabhängigkeit fest, die der sogenannte «Skin-Effekt» verursacht. Bei der Konstruktion eines Netzimpedanzmessgeräts sollte man deshalb die Frequenzabhängigkeit, die Real- und die Blindkomponente der Impedanz berücksichtigen.
Unterschiede in der Laufzeit können sich als Fehler auswirken
Mit Mess- und A/D-Wandlern kann man die zeitlichen Verläufe von Strom und Spannung – mit und ohne Laststrom – aufzeichnen. Jedoch sollte man dabei auf die Phasentreue achten. Unterschiede in der Laufzeit zwischen den Messkanälen können sich als Fehler bei der Bestimmung der komplexen Netzimpedanz auswirken. Mit der Transformation der zeitlichen Spannungs- und Stromverläufe in den Frequenzbereich mithilfe einer FFT berechnet man direkt die frequenzabhängige und komplexe Schleifenimpedanz.
Daraus lassen sich weitere Ergebnisse berechnen. Beispiele sind neben den Impedanzwerten der einzelnen Leiter (L1, L2, L3) und der PEN-Impedanz der zu erwartende Kurzschlussstrom und die Kurzschlussleistung. Oder mit welchem Spannungseinbruch zu rechnen ist, wenn eine Leistung am Anschlusspunkt entnommen werden soll. Dies dient zur Klärung und Abnahme der Anschlusssituation vor der Installation von grösseren Verbrauchern wie Maschinen oder medizintechnischen Anlagen, die das Netz oft mit grösseren Pulsströmen belasten.
Netzimpedanzmessgerät mit 1000 Ampere Prüfstrom
Obwohl das Megger NIM 1000 mit nur 10 kg und der Grösse einer Aktentasche sehr kompakt und vergleichsweise leicht ist, erzeugt es einen Spitzenlaststrom von bis zu 1000 A für Messungen mit einer Auflösung von 1 mΩ. Dies erreicht man durch kurzzeitiges Zuschalten des Laststroms. Die abzuführende Verlustleistung wird so auf ein Minimum reduziert. Zudem werden die Grundfrequenz von 50 bzw. 60 Hz und die höheren Frequenzen zur Messung der Netzimpedanz über den Frequenzbereich bis zur 10. Harmonischen ausreichend angeregt.
Ein grosser Vorteil dieses Messverfahrens ist die Unabhängigkeit von der exakten Grösse des Lastwiderstands. Die Temperaturdrift des Lastwiderstandswertes, die sich bei wiederkehrenden Messungen zwangsläufig erwärmt, geht nicht auf Kosten einer geringeren Messgenauigkeit.
Das NIM 1000 ist sehr leicht bedienbar
Für den Einsatz in der Praxis sind die leichte, intuitive Bedienung und vor allem Sicherheit nach Messkategorie CAT IV (EN 61010-1) sehr wichtig. Auf dem farbigen Grafikbildschirm sind die Messwerte leicht erkennbar. Zur detaillierten Analyse und Protokollerstellung kann man alle Daten via USB-2.0-Schnittstelle auf einen PC übertragen. Die Gerätesoftware lässt sich ebenfalls sehr leicht über diese USB-Schnittstelle aktualisieren.
Mit schnell austauschbaren Kelvinklemmen erfolgt der ein- und mehrphasige Anschluss (Bild 2). Bei mehrphasigem Anschluss ermittelt das NIM 1000 den Wert der PEN-Impedanz. Das entspricht bei passenden Erdungsverhältnissen in etwa der Nullleiterimpedanz.
Das Messgerät in der Praxis
Bild 3 zeigt den Ergebnisbildschirm mit der grafischen Darstellung des Resistanz- und Reaktanzverlaufs über die Frequenz sowie der tabellarischen Auflistung der numerischen Werte bei drei besonders interessanten Frequenzen. Ausserdem werden im linken Bereich der ermittelte Kurzschlussstrom, die maximale Kurzschlussleistung sowie die maximale Anschlussleistung bei Einhaltung des vorgegebenen maximalen Spannungseinbruchs angezeigt.
Aus den einzelnen Werten ermittelt das Gerät im Mehrleitermodus auch die PEN-Impedanzwerte (Bild 4). Abhängig von den Erdungsverhältnissen der Messstelle, lässt dies eine Beurteilung der Neutralleiterverbindung bzw. der Erdungswiderstände zu. Die Ergebnisse bilden die Grundlage etwa zur Abnahme von neu installierten Netzabschnitten, helfen zur Klärung der am Anschlusspunkt verfügbaren Einspeise- oder Anschlussleistung oder liefern die Basisdaten zur richtigen Dimensionierung von Sicherungen bzw. zur Festlegung der Einstellparameter für Lasttrennschalter.
Fehlersuche mit dem Megger NIM 1000
Zur Erkennung von Fehlern dient der Vergleich der Messergebnisse zwischen den Phasen an einer Messstelle. Mit dem Drehgeber des Geräts kann man die Ergebnisse durchblättern. Wenn das Ergebnis z.B. einer Phase signifikant von den anderen Phasen abweicht, indiziert dies einen Fehler.
Einige Fehler in den LV-Netzen ändern ihr Verhalten in Abhängigkeit des Laststroms. Ist eine Klemmstelle korrodiert oder locker, hat sie einen höheren Übergangswiderstand. Fliesst nun ein starker Strom durch diese Verbindung, wird diese womöglich kurzfristig verschweissen und der Widerstandswert nimmt ab. Schnell wird aber diese Verschweis- sung bei Änderung der Temperatur, bei mechanischer Belastung oder bei einer weiteren Zunahme des Laststroms erneut aufbrechen. Sprunghafte Veränderungen des Widerstands bei unterschiedlichem Laststrom sind also ein wichtiger Hinweis auf schlechte Verbindungsstellen.
Spezielle Betriebsart zur Aufdeckung schlechter Verbindungen
Das Messgerät macht sich diese Erkenntnis zunutze. Mit einer speziellen Betriebsart wird der Laststrom im Fehlermodus schrittweise bis zu einem definierten Maximalwert erhöht. Die entsprechenden Strom- und Spannungsverläufe werden in einer gemeinsamen Grafik angezeigt. Die charakteristische Widerstandsänderung bei einer schlechten Verbindungsstelle ist jetzt erkennbar. Bild 5 zeigt die Messreihe an einer guten Verbindung. Strom- und Spannungskurven liegen alle auf der einhüllenden Sinuskurve. Eine wiederholte Messreihe an einer schlechten Phase ergibt das Bild 6. Deutlich wird hier in der Stromkurvenschar die sprunghafte Änderung des Widerstands sichtbar.
Infoservice
Recom Electronic AG
Samstagernstrasse 45, 8832 Wollerau
Tel. 044 787 10 00, Fax 044 787 10 05
info@recom.ch, www.recom.ch
