Inhaltsverzeichnis
1. Oberschwingungsanteile
2. Sinnvolle Ergänzung zu RCM
3. PEM als eine Basis für das Energiemanagement
Nicht-lineare Betriebsmittel wie Frequenzumrichter, Schaltnetzteile, USV-Anlagen oder elektronische Vorschaltgeräte verzerren die typische Sinus-Kurve des Stroms und beaufschlagen ihn mit unterschiedlichen Frequenzen – der Strom wird sozusagen verschmutzt. Daraus ergeben sich Netzrückwirkungen, die auch benachbarte Verbraucher auf unterschiedliche Weise stören können. Das reicht von eingeschränkter Funktionalität oder verkürzter Lebensdauer der Geräte über erhöhten Energieverbrauch von Antrieben bis hin zu Netzausfall und Brandgefahr im Leitungsnetz. Durch die systematische Überwachung der Netzqualität mit Power Quality Monitoring (PQ-Monitoring) werden hohe Verfügbarkeit und störungsfreier Betrieb der Stromversorgung sichergestellt. Zwar können auch klassische Verbraucher Power-Quality-Probleme im Netz verursachen (z. B. Spannungseinbrüche beim Anlauf großer Maschinen – hieraus resultiert der sogenannte Flicker), die häufigsten Probleme werden jedoch durch Oberschwingungsanteile im Betriebsstrom elektronischer Geräte erzeugt.
Oberschwingungsanteile
Mithilfe der Fourier-Analyse lässt sich ein Signal zerlegen, in die harmonischen Anteile gliedern und ein Frequenz-Spektrum des Ausgangssignals erzeugen. Typischerweise treten bei vielen elektronischen Geräten die Oberschwingungen dritter Ordnung verstärkt auf. Diese, und alle weiteren dritten Harmonischen, also die Vielfachen der dritten Harmonischen, addieren sich im Neutralleiter. Im Extremfall kann der resultierende Strom im Neutralleiter größer werden als die einzelnen Außenleiterströme, sodass eine Überlastung des Neutralleiters eintritt. Es kommt zur Brandgefahr.
Normativ werden diese Phänomene und deren Auswirkungen bereits behandelt. So verlangt beispielsweise die DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2010-10 eine Überlasterfassung für den Neutralleiter, wenn eine übermäßige Belastung durch Oberschwingungen zu erwarten ist. Setzt man die Empfehlungen der zitierten Norm um, können Zerstörungen des Neutralleiters durch rechtzeitiges Auslösen des Schutzorgans verhindert werden. In der Praxis wird damit jedoch das Problem nur in einen anderen Bereich verlagert: die Brandgefahr und das Risiko einer Zerstörung des Neutralleiters werden durch Abschaltung aufgehoben. Dann ist der Betrieb der elektrischen Anlage zwar sicher, aber die Verfügbarkeit nimmt durch häufige Ausfallzeiten ab. Abhilfe schafft hier eine Überwachung mit dem sogenannten Power Quality and Energy Measurement (PEM).
Die permanente Überwachung der Netzqualität entspricht dem Bender-Grundsatz: „Melden statt Schalten“. So werden potenziell gefährliche Situationen frühzeitig erkannt und gemeldet – das schafft ausreichend Zeit, Abhilfemaßnahmen zu ergreifen, ohne dass Betriebsmittel oder die ganze Anlage abschalten zu müssen. Beim Beispiel des überwachten Neutralleiters können im Falle einer Überlastung über Schaltsignale weniger relevante Verbraucher abgeschaltet werden, bevor durch die Auslösung des Schutzorgans die gesamte Versorgung unterbrochen wird.
Sinnvolle Ergänzung zu RCM
Durch den Einsatz der Differenzstromüberwachung können Verschlechterungen des Isolationsniveaus einer Anlage oder bestimmter Anlagenteile erkannt werden, bevor ein hoher Fehlerstrom das Auslösen von Schutzorganen bewirkt. Dieser Zeitgewinn macht Gegenmaßnahmen möglich und führt zu einer hohen Verfügbarkeit der Anlage. Analog kann durch Power Quality Monitoring beispielsweise durch Aufspüren von Oberschwingungen eine Gefährdung der Anlage bereits frühzeitig erkannt werden.
Während mithilfe der permanente Überwachung der Differenzströme (RCM) die Brandgefahr reduziert, ein EMV-gerechter Betrieb der Anlage (keine vagabundierenden Schutzleiterströme) garantiert und die Verfügbarkeit gesichert sowie eine Anpassung der Prüffristen nach DGUV Vorschrift 3 und der Betriebssicherheitsverordnung möglich sind, verhindert das Power Quality and Energy Measurement (PEM) die Überlastung des N-Leiters sowie anderer Betriebsmittel. PEM erlaubt ein Energiemanagement und PQ-Monitoring, verknüpft in einem Gerät (dezentral) und in einer Software (zentral) und ermöglicht qualifizierte Bewertung umgesetzter Maßnahmen. Darüber hinaus ist das Überwachen der Spannungsqualität gemäß der Normen DIN EN 50160, DIN EN 61000-2-2, DIN EN 61000-2-4 und DIN EN 61000-4-30 möglich.
PEM als eine Basis für das Energiemanagement
Für das nach DIN EN ISO 50001 geforderte Energiemanagement bietet Power Quality Monitoring die Grundlage. Dieselbe Messstelle, die die Netzqualität überprüft, ist gleichzeitig auch ein Energiezähler. So kann mit einem Gerät eine zweite wichtige Funktion übernommen werden, nämlich die Abbildung des Energieverbrauchs je Kostenstelle. Dadurch können hohe allgemeine Stromkosten vermieden werden. Die Wirkung der eingeleiteten Maßnahmen zur Verbesserung der Netzqualität bzw. zur Kostensenkung können durch PQ-Monitoring gleichzeitig aus dem jeweils anderen Blickwinkel betrachtet werden:
- Wieviel Energie benötigen umgesetzte Maßnahmen gegen Netzrückwirkungen?
- Welche Auswirkungen haben Energiesparmaßnahmen auf die Qualität des Stromnetzes?
Durch die beidseitige Sichtweise auf Energie und Qualität in einem System können beide Ansprüche, ökonomischer Energieverbrauch und Hochverfügbarkeit der Anlage, bestmöglich umgesetzt werden. Für das Energiemanagement ist eine kostenstellenspezifische Betrachtung unabdinglich, für Power Quality Monitoring sind einzelne Fehler nur dann genau lokalisierbar, wenn der überwachte Netzbereich deutlich eingrenzbar ist. Und nicht zuletzt ist der Einsatz unterschiedlicher Geräte auch eine Kostenfrage.
So überwacht beispielsweise ein PEM735 an der Einspeisung die Versorgung nach DIN EN 50160. Transienten, Flicker, Oberschwingungsanteile werden erfasst und die Kurvenverläufe hochauflösend mitgeschrieben. Abgänge in der Niederspannungshauptverteilung (NSHV) werden durch PEM575-Netzanalysatoren überwacht. Die Abtastrate liegt bei 12,8 kHz, wodurch auftretende Ereignisse in den mitgeschriebenen Kurvenverläufen gut erkennbar sind. PEM353-Universalmessgeräte können Energiezähler ersetzen. Auf diese Weise wird die Grundlage für ein Energiemanagementsystem nach DIN EN ISO 50001 gebildet, und hohe allgemeine Stromkosten werden vermieden. Außerdem bietet ein PEM353 auch Informationen über den Gesamtoberschwingungsgehalt des überwachten Anlagenteils. Ein derartiger Aufbau des Monitoring-Systems garantiert eine schnelle und unkomplizierte Analyse und Lokalisierung, wenn Power-Quality-Phänomene auftreten und die Verfügbarkeit der Anlage gefährdet ist. Alle Messdaten werden an zentraler Stelle gesammelt, gefiltert und ausgewertet. Um diese Menge an Informationen zielgruppenorientiert darzustellen, bietet Bender den Condition Monitor CP700 an. ge
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