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Haus + Elektronik 1/2014

Elektroinstallation

Elektroinstallation Spannungseinbrüche Bild 1: Beispiel für einen Spannungseinbruch Spannungseinbrüche können zu großen Problemen führen, beispielsweise zum Ausfall von Produktionsprozessen und zu Qualitätsproblemen. Solche Einbrüche entstehen weitaus öfter als Unterbrechungen. Die wirtschaftlichen Auswirkungen von Spannungseinbrüchen werden immer wieder stark unterschätzt. Aber was ist eigentlich ein Spannungseinbruch? Wie entsteht ein Spannungseinbruch? Lässt sich ein Spannungseinbruch vermeiden, oder müssen wir versuchen, die Folgeschäden durch rechtzeitige Erkennung zu begrenzen? In diesem Artikel wird auf diese Themen näher eingegangen. Was ist ein Spannungseinbruch? Gemäß der Europäischen Norm EN 50160 wird unter einem Spannungseinbruch ein plötzliches Absinken des Spannungseffektivwertes auf einen Wert zwischen 90 % und 1 % des festgelegten Wertes verstanden, gefolgt von einer direkten Bild 2: Unterschied zwischen Einbruch, Unterspannung und Unterbrechung Wiederherstellung dieser Spannung. Die Dauer des Spannungseinbruchs liegt zwischen einer halben Periode (10 ms) und einer Minute. Wenn der Effektivwert der Spannung nicht unter 90 % des festgesetzten Wertes sinkt, wird dies als normaler Betriebszustand betrachtet. Sinkt die Spannung unter 1 % des festgesetzten Wertes, ist dies eine Unterbrechung. Ein Spannungseinbruch ist somit nicht mit einer Unterbrechung zu verwechseln. Eine Unterbrechung entsteht zum Beispiel nach Ansprechen einer Sicherung (typ. 300 ms). Der Netzausfall verteilt sich in Form eines Spannungseinbruchs über das restliche Verteilernetz fort. Die Abbildung (Bild 2) verdeutlicht den Unterschied zwischen einem Einbruch, einer kurzen Unterbrechung und einer Unterspannung. Wie entsteht ein Spannungseinbruch? 1. Einschaltströme Eine bekannte Ursache für kleine Spannungseinbrüche sind die Einschaltströme von Kondensatoren, Motoren oder anderen Geräten. In der nachstehenden Abbildung ist zu erkennen, dass sich der Strom beim Anlaufen des Motors kurzzeitig erhöht. Der Spannungsfall über den Impedanzen Z und Z1 führt zu einem geringfügigen Spannungseinbruch auf dem Niederspannungsverteiler (Einbruchzone 1) und einem etwas größeren Spannungseinbruch hinter der Impedanz Bild 3: Das „Anlaufen“ von Motoren kann zu einem Spannungseinbruch führen Bild 4: Typisches Beispiel für einen Betriebszustand, bei dem ein Spannungseinbruch durch einen Kurzschluss im Niederspannungsnetz entsteht 20 Haus & Elektronik 1/2014

Elektroinstallation Z1 (Einbruchzone 2). Die Lösung der Probleme, die durch diese Einbrüche verursacht werden, liegt in einer Optimierung der Anlage selbst. Das Einschalten von Geräten sollte nicht zum Entstehen von kritischen Spannungseinbrüchen führen. 2. Kurzschlüsse im Niederspannungsnetz Bei einem Schluss im Niederspannungsnetz fließt ein Kurzschlussstrom. Der Betrag des Kurzschlussstroms hängt von der Größe der Impedanzen Z und Z3 ab. In der Praxis ist die Impedanz Z3 am größten. Die Größe der Impedanz Z3 wird unter anderem durch den Typ und die Länge des Kabels bestimmt. Je größer die Kabellänge, desto kleiner der Kurzschlussstrom. Er verursacht einen Spannungsfall über der Impedanz Z, wodurch die Spannung am Niederspannungshauptverteiler kurzzeitig einbricht (Einbruchzone 1). Bei einem Kurzschluss sollte die Sicherung in Gruppe 3 ansprechen. Wenn dies 100 ms dauert, bis die Sicherung auslöst, erfährt die Spannung in der gesamten Anlage für 100 ms einen tiefen Einbruch. Kurzschlüsse im Niederspannungsnetz kommen vor, können aber in der Praxis häufig vernachlässigt werden. Kritischer sind Kurzschlüsse auf der Mittelspannungsseite. 3. Kurzschlüsse im Mittelspannungsnetz Am häufigsten werden Einbrüche im Mittelspannungsnetz verursacht. Diese können beispielsweise durch folgende Einflüsse entstehen: • Erdbauarbeiten • Durchschlag in einer Verbindungsmuffe • Kabelalterung • Kurzschluss in Freileitungsnetzen (Sturmschäden, Tiere, etc.) Die nachstehende Abbildung (Bild 5) zeigt ein typisches Beispiel für den Aufbau eines Mittelspannungsnetzes. Die bekannten Transformatorhäuschen / Ortsnetzstationen (grüne Punkte) sind ringförmig untereinander verbunden und an eine Verteilerstation (blaue Punkte) angeschlossen. Der Ring steht immer Bild 5: Die meisten Spannungseinbrüche werden durch Kurzschlüsse im Mittelspannungsnetz verursacht irgendwo offen (siehe Ring aus den grünen Punkten rechts unten). Kommt es zu einem Kurzschluss, fließt ein Kurzschlussstrom (rote Linie). Dieser fließt, bis die Sicherung in der Verteilerstation den Ring abschaltet. Dies ist in der linken Abbildung zu sehen (im Ring links oben). Während des Kurzschlusses fließt somit kurzzeitig ein hoher Strom. Wegen der Netzimpedanzen führt dies zu einem kurzzeitigen Absinken der Spannung im gesamten Netz. Dieses kurzzeitige Absinken der Spannung macht sich als „Spannungseinbruch“ bemerkbar. Etwa 75 % der Spannungseinbrüche entstehen im Mittelspannungsnetz. Häufig sind diese für die Verbraucher nicht zu vermeiden. 4. Kurzschlüsse im Hochspannungsnetz Schlüsse im Hochspannungsnetz werden oft durch Gewitter oder (fehlerhafte) Schaltvorgänge verursacht. Letzteres vor allem in Bereichen am Ende einer Hochspannungsleitung. Probleme durch Spannungseinbrüche Spannungseinbrüche können zum Ausfall von Computersystemen, SPS-Anlagen, Relais und Frequenzumrichtern führen. Bei kritischen Prozessen kann schon ein einzelner Spannungseinbruch hohe Kosten verursachen, insbesondere kontinuierliche Prozesse sind hiervon betroffen. Beispiele hierfür sind Spritzgießprozesse, Extrusionsprozesse, Druckprozesse oder die Verarbeitung von Lebensmitteln wie Milch, Bier oder Erfrischungsgetränken. Die Kosten für einen Spannungseinbruch bestehen aus: • entgangenen Gewinnen durch Produktionsstillstand • Kosten für das Nachholen von Produktionsausfällen • Kosten für verspätete Auslieferung • Kosten für verloren gegangene Rohmaterialien • Kosten für Schäden an Maschinen, Geräten und Matrizen • Wartungs- und Personalkosten Die durchschnittlichen Kosten eines Spannungseinbruchs sind stark branchenabhängig: • Feinchemie € 190.000 • Mikroprozessoren: € 100.000 • Metallverarbeitung: € 35.000 • Textilien € 20.000 • Lebensmittel € 18.000 Zuweilen laufen Prozesse in unbemannten Bereichen ab, in denen Spannungseinbrüche nicht sofort bemerkt werden. In diesem Fall kann beispielsweise eine Spritzgießmaschine unbemerkt zum Stillstand kommen. Wird dies später entdeckt, ist Haus & Elektronik 1/2014 21

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