Applikationsbericht: AN1018/V01

Smart Energy &Power Quality Solutions

Applikationsbericht: AN1018/V01

Zertifizierung Klasse A (IEC 61000-4-30): Qualitätssiegel für Spannungsqualitätsanalysatoren

Janitza electronics®

Applikationsbericht AN1018/V01Zertifizierung Klasse A (IEC 61000-4-30): Qualitätssiegel für Spannungsqualitätsanalysatoren

Pressekontakt:

Janitza electronics GmbHFrau Stefanie HollingshausManagerin MarketingkommunikationVor dem Polstück 1 – 35633 Lahnau – Germany • Tel: +49 6441 9642-539 • Fax: +49 6441 9642-30E-mail: [email protected] • Web: www.janitza.de

UMG 508 / UMG 604 = Janitza Spannungsanalysator

UMG 512 / UMG 605 = Janitza Spannungsqualitätsanalysator

UMG 96RM / UMG 96RM-E / UMG 103 / UMG 104 = Janitza Multifunktionsmessgeräte für die Energiemesstechnik

UMG 20CM = Janitza Differenzstrom- (RCM) und Energiedatenerfassung

Ethernet-Ebene (TCP/IP)

Feldbus-Ebene (z. B. Modbus RTU)

Server SQL Database Webserver Netzanalyse-SoftwareClient 1 bis ... Mobile

UMG 508 UMG 96RM-EUMG 512ProData®

UMG 96RM

UMG 604 UMG 605

Wasserzähler TemperaturmessungStatusmeldung AlarmleuchteGaszähler

UMG 104 UMG 103ProData®UMG 20CM

Analog- / Status- / Impulseingangsebene

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Zertifizierung Klasse A (IEC 61000-4-30): Qualitätssiegel für Spannungsqualitätsanalysatoren

Die Spannungsqualität zu bestimmen, betrifft einen wachsenden Kreis von Anbietern und Verbrauchern: Netzbetreiber sehen sich einer – eigentlich erfreulichen – Anzahl von Erzeugern erneuerbarer Energie gegenüber. Die Verbraucher, speziell im gewerblichen und industriellen Sektor, blicken mit Sorge auf ihre vielen embedded Systeme und Steuerungen in allen Bereichen des Anlagenfeldes. Dabei müssen sie manchmal auch erkennen, dass sie selbst Verursacher von Störungen sind. Frequenzumrichter, Energiesparer par excellence, sind nur ein Beispiel für nichtlineare Verbraucher, die heftige Störungen verursachen können. Aber auch eine ganz triviale Schieflast im Dreiphasen-Netz kann Ärger bereiten.

Produkthaftungsgesetz greift auch bei Elektrizität

Zusätzliche Aktualität hat das Thema durch ein Urteil des Bundesgerichtshofs vom Februar 2014 gewonnen (Az.: VI ZR 144/13). Elektrizität ist nach Auffassung des BGH ein Produkt im Sinne von §2 ProdHaftG. In der Konsequenz haftet damit der Verteilnetzbetreiber, wenn Elektrogeräte durch schlechte Spannungsqualität Schaden nehmen. Ein Haftungsausschluss durch die Niederspannungsanschlussverordnung (NAV) wurde vom Gericht ausdrücklich verneint. Der Lieferant haftet unabhängig vom Verschulden! Der Netzbetreiber muss Spannung und Frequenz möglichst gleichbleibend halten, so dass allgemein übliche Verbrauchsgeräte und


Dipl.-Phys. Martin WitzschFreier Journalist im Auftrag der Janitza electronics GmbH

Autor

Die Qualität der Stromversorgung war lange Zeit gleichbedeutend mit Versorgungssicherheit, d.h. dem Ausbleiben von fühlbaren Unterbrechungen. Elektronische Verbraucher, wie EDV oder industrielle Steuerungen benötigen weit mehr: Oberschwingungen, Transienten usw. können erhebliche Schäden verursachen. In der Konsequenz hat der Bundesgerichtshof Netzverteilbetreiber der Produkthaftung unterworfen. Umso wichtiger ist eine umfassende Analyse und Dokumentation der Spannungsqualität mit zertifizierten Verfahren.

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Stromerzeugungsanlagen einwandfrei betrieben werden können. Natürlich ist zur Analyse sowie zum Nachweis und der Dokumentation der Spannungsqualität ein durchgehendes Monitoring in ausreichender Granularität erforderlich.

Die Suche nach den Verursachern

Egal, ob man den “Schuldigen“ für einen entstandenen Schaden zur Rechenschaft ziehen, bzw. zur Kasse bitten will oder Störquellen vorsorglich erkennen und entschärfen möchte: Man benötigt zuverlässige und dokumentierte Messwerte, die im Zweifelsfall sogar vor Gericht Bestand haben. Dann helfen die Aufzeichnungen von Spannungsqualitätsanalysatoren, wie die Janitza electronics GmbH sie seit Jahren entwickelt und vertreibt. Durch umfangreiche Analysetools und Dokumentationen bieten sie einen umfassenden und detailreichen Einblick in eine Anlage. Neben grundlegenden Werten wie Spannungshöhe, Frequenz und Kurvenform erfassen sie vor allem Störungen aller Art (Bild 1). Dies können Flicker-Effekte sein oder auch kurzzeitige Spannungseinbrüche,

wie sie etwa für die automatische Wiedereinschaltung nach Lichtbogen-Kurzschlüssen charakteristisch sind.Ein anderer Klassiker sind Oberschwingungen. Diese werden durch nichtlineare Verbraucher verursacht und können die Funktion von anderen Geräten erheblich beeinträchtigen. Außerdem heben sich im Gegensatz zu der Grundschwingung im Dreiphasensystem alle durch drei teilbaren Oberschwingungen im Neutralleiter nicht auf, sondern addieren sich. Dies kann zu einer unzulässig hohen Strombelastung des Neutralleiters führen. Typische Oberschwingungs-Erzeuger sind die erwähnten Frequenzumrichter. Weitverbreitet sind auch Überspannungen bei Schaltvorgängen.

Standardisierte Messverfahren für die Spannungsqualität

Es ist klar, dass diese Effekte nur mit einem hohen Aufwand erfassbar sind und dass die zeitliche Auflösung und Messtoleranz des Spannungsqualitätsanalysators eine entscheidende Rolle bei der Dokumentation spielen. Gerade in Bereichen, in denen Spannungsqualität, bzw.


Das UMG 512 ist mehr als ein Spannungsqualitätsanalysator – 3-in-1 Lösung: PQM + EnMs + RCM

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eine Begrenzung von Störungen, Vertragsbestandteile sind, kann die Messmethode eine entscheidende Rolle spielen. Die Vertragspartner müssten sich dann neben den Spannungseigenschaften auch auf die Messmethode und die Qualität der Messgeräte einigen, mit der diese

bestimmt werden (Bild 2). Die Versuchung wäre sonst groß, durch weniger leistungsfähige Geräte mögliche Störungen großzügig zu übersehen. Selbst wenn man keine Absicht unterstellt, war es lange Zeit schwierig, Instrumente verschiedener Hersteller zu vergleichen. In Ermangelung verbindlicher Normen haben sie jeweils eigene Verfahren zum Auswerten einer Messung entwickelt. Der Anwender musste sich somit nicht nur mit der eigentlichen Messung, sondern womöglich auch mit den Messalgorithmen und Verfahren der Hersteller befassen. Um in so einer Situation Rechtssicherheit zu schaffen, müssten Lieferanten und Kunden seitenlange Vereinbarungen über zu verwendende Messgeräte in den Vertrag aufnehmen.

Glücklicherweise gibt es seit einigen Jahren die Norm IEC 61000-4-30 Klasse A. Sie liefert detaillierte Vorgaben, die ein Spannungsqualitätsanalysator erfüllen muss, damit die Resultate auch in Streitfällen hinzugezogen werden können. Die Norm definiert die notwendigen Parameter, geeignete Messmethoden, Genauigkeit und Bandbreiten. So lassen sich Ergebnisse problemlos reproduzieren und vergleichen.


Grenzwert

MesswertHalbwellen-effektivwerte

Startzeitpunkt Ereignis(Triggerzeitpunkt)

Endzeitpunkt

Ereignisaufzeichnung

Ereignis

Hysterese

Hysterese

Vorlauf Nachlauf

UMG 512 inkl. Watchdog nach EN 50160

UMG 512 inkl. Watchdognach IEC 61000-2-4

Norm: EN 50160Verantwortlichkeit

Netzbetreiber

Norm: IEC 61000-2-4Verantwortlichkeit Anlagenbetreiber

Normreihe: IEC 61000Verantwortlichkeit Gerätehersteller

Lieferung (U) Beeinflussung (I)

xÜbergabepunkt

Übergabe- punkt

x

x

x

Bild 1: Die Ereignisaufzeichnung beinhaltet Mittel-, Minimum- und Maxi-mumwert, sowie Start- und Endzeit – bei längeren Ereignissen auch die Wellenform am Anfang und Ende des Ereignisses

Bild 2: Prinzip eines Power Quality Managements mit der Funktion Watchdog

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Folgende Parameter sind definiert:

• Netzfrequenz • Versorgungsspannung • Flicker, Harmonische, Zwischenharmonische (zum Teil

über Verweis auf andere Normen) • Spannungseinbrüche und Spannungsüberhöhungen • Versorgungsunterbrechungen • Spannungsunsymmetrie • Rundsteuersignale • Schnelle Spannungsänderungen

Zertifizierte Geräte

Es gibt viele Spannungsqualitätsanalysatoren auf dem Markt; jedoch sind bei weitem nicht alle zertifiziert. Janitza hat diesen Schritt schon vor einigen Jahren vollzogen. Dem Spannungsqualitätsanalysator UMG 511 wurde bereits im Januar 2011 die Klasse A Konformität gemäß IEC 61000-4-30 bestätigt. Damit ist auch in

Streitfällen, zur Dokumentation der Spannungsqualität für Endkunden, für die Dokumentation beim EVU, für Aufsichtsbehörden oder zur konkreten Fehleranalyse bei Spannungsqualitäts-Problemen in der Energiever-sorgung eine zuverlässige Referenz gegeben.

Im Sommer kam nun das Nachfolgemodell auf den Markt, der Spannungsqualitätsanalysator UMG 512 (Bild 3). Er beherrscht alle Disziplinen seines Fachs, wie die kontinuierliche Überwachung der Spannungsqualität, Oberschwingungsanalyse bei Netzproblemen, Über-prüfung des internen Versorgungsnetzes gemäß EN 61000-4-7, EN 6100-4-15, EN 61000-4-30 etc.Das UMG 512 ist auf die Erfassung großer Datenmengen ausgelegt, wie sie bei seiner hohen Abtastrate von 25.600 Hz oder einer kontinuierlichen Echteffektivwertmessung (True-RMS) anfallen. Damit diese Menge an Messwerten auch bei einem Ausfall des Datennetzes erhalten

bleiben, verfügt er über einen großen Onboard-Messdatenspeicher mit 256 MB. Dank diesem sind auch mittels einer Jasic-Oberfläche SPS-Funktionen, d.h. lokale Intelligenz, implementierbar. Zusammen mit dem in der GridVis®-Software enthaltenen Alarmmanagement lassen sich Störungen häufig schon im Vorfeld erkennen und beheben (Bild 4). Den Zugriff auf die vielen Funktio-nen und Messpunkte vereinfacht das große, intuitiv zu bedienende Farbgrafikdisplay. Messwerte und Ereignisse lassen sich damit nicht nur in numerischer Form, sondern auch als Balkengrafik oder Liniengraph anzeigen. Für Strom und Spannung ist eine Wellenformdarstellung möglich. Außerdem ist die Software GridVis®-Basic im Lieferumfang enthalten, die die Auswertung und Dokumentation zusätzlich erleichtert.

Auch die Kommunikationsarchitektur ist an die viel-fältigen Anwendungsmöglichkeiten und die großen Da-tenmengen angepasst. Dank diverser Ethernet-Protokolle lässt sich z.B. die Fernüberwachung kritischer Prozesse wirtschaftlich realisieren. Als Modbus-Gateway kann das UMG 512 untergeordnete Messgeräte ohne Ethernet-Schnittstelle kostengünstig einbinden. Für den Einsatz in der Gebäudekommunikation beherrscht es das BACnet-Protokoll.

Im Vergleich zum Vorgängermodell bietet das Gerät unter anderem einen neuen, schnelleren A/D-Wandler, mit einer höheren Abtastrate (25,6 kHz), einen Tem-peratureingang, zwei RCM-Messeingänge sowie ein separates RS485-Interface, 3-polig, mit umschaltbarem Abschlusswiderstand. True-RMS Halbwelleneffektiv-Werte für Spannung, Strom, Wirkleistung, Blindleistung und Frequenz sind für Phase/Phase und Phase/Erde simultan verfügbar. Die Ereignis- und Transienten-Aufzeichnungsdauer wurde verlängert (Bild 5). Ereignisse können auch in Wellenform angezeigt werden. Die Ereignis- und Transienten-Aufzeichnungsdauer wurde drastisch er-


Bild 3: Klasse A Spannungsqualitätsanalysator UMG 512

Bild 4: Darstellung der Online- und historischen Daten über die integrierte UMG-Messgeräte Homepage, hier z.B. optionaler Messwertmonitor

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höht, wobei zusätzlich eine Minute Vorlauf und zehn Minuten Nachlauf aufgezeichnet werden. Außerdem sind Halbwelleneffektivwerte für V, A, kW, kvar und Hz für Stern und Dreieck gleichzeitig verfügbar.

Zusätzlich mit Differenzstrommessung

Das UMG 512 hat zwei RCM-Eingänge für die Dif-ferenzstrommessung (Residual Current Monitoring), welche zusammen mit dem Alarmmanagement aus der GridVis®-Software für zusätzliche Sicherheit sorgen (Bild 6). Bei der kontinuierlichen Überwachung der Differenzströme einer elektrischen Anlage wird beispielsweise ein Digitalausgang bei Überschreitung eines Ansprechwertes gesetzt oder eine E-Mail abgesetzt. Der Anlagenbetreiber kann zeitnah reagieren, bevor eine Schutzeinrichtung anspricht. Dies ist be- sonders wichtig in Anlagen, die eine sehr hohe Ver-fügbarkeit gewährleisteten müssen.

Ausblick

Das UMG 512 ist ein ausgereiftes Gerät, das mit der Zertifizierung nach IEC 61000-4-30 zusätzliche Sicherheit in die Handelsbeziehung zwischen Kunden und Versorger bringt. Janitza entwickelt das Gesamtpaket natürlich weiter. So bietet die neue Geräte-Homepage eine Ampelfunktion, die auffällig signalisiert, ob die EN 50160 eingehalten wird.In Kürze erweitern zudem neue Apps den Bedienkomfort: Über die App Messwertmonitor lassen sich online und historisch Daten direkt vom Gerät, ohne zusätzliche Software abrufen. Die App EN 50160 Analyse nutzt die lokale Intelligenz des Geräts, um Daten zu analysieren und aufzubereiten. Das reduziert die zu übertragende Datenmenge, so dass sich auch über weniger leis-tungsfähige Kommunikationswege, etwa auf dem mobilen Sektor, aussagefähige Informationen über den Anlagenzustand gewinnen lassen. Damit profitiert der Anwender über den gesamten Einsatzzeitraum der Hardware von Erweiterungen und Verbesserungen.


mA

Zeitt

InformationsvorsprungFehl

erst

rom

Meldungdurch RCM

AbschaltungPersonenschutz

AnlagenschutzBrandschutz

Bild 5: Grafische Darstellung einer Transiente

Bild 6: Meldung vor Abschaltung – ein Ziel der Differenzstromüberwachung

Bild 7: Schneller Überblick über das komplette Versorgungsgebiet: Die Heatmap dokumentiert nach dem Ampelprinzip die Spannungsqualität an einer bestimmten Messstelle in einer Kalenderwoche

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Janitza electronics GmbHVor dem Polstück 1

D-35633 LahnauGermany

Tel.: +49 6441 9642-0Fax: +49 6441 9642-30

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Wichtige MitteilungJanitza electronics GmbH® bietet eine Sammlung von Applikationsbe-richten mit fundiertem Know-how zu den Themenblöcken Power Quality Monitoring (PQM), Power Management (PM), Energiemanagement Systeme (EnMS) und Power Quality Solutions (PQS) an. Ferner werden Fallstudien und Referenzprojekte behandelt.Diese Applikationsberichte sind dazu gedacht, unsere weltweiten Distributoren und Vertretungen, ebenso wie eigene Vertriebsleute zu schulen und das nötige Basiswissen zu vermitteln. Andererseits sollen sie dazu dienen, sich wiederholende Fragen schnell zu beantworten und neue Trends fachlich fundiert zu übermitteln.Jede einzelne Ausgabe behandelt ein in sich geschlossenes Applika-tionsthema, eine spezifische Lösung oder ein technisches Thema von allgemeinem Interesse.Es ist die Absicht das breite Applikations-Know-how der Firma Janitza electronics GmbH® und seiner Experten, welches weltweit über einen langjährigen Zeitraum mit Partnern aus den Bereichen PQM, PM und PQS aufgebaut wurde, zu teilen.

Einige Teile dieser Veröffentlichung mögen Aussagen zur Anwendung, Verwendung oder Verwendbarkeit in bestimmten Anwendungsbereichen oder Applikationen treffen. Diese Aussagen beruhen auf unseren Erfahrungen, typischen Nutzungen und typischen Anforderungen im Zusammenhang mit spezifischen Anwendungen. Es obliegt jedoch dem Kunden oder dem Anwender zu überprüfen, ob ein Produkt der Firma Janitza electronics GmbH® mit seinen Spezifikationen und spezifizierten Standards für den jeweiligen Gebrauch einsetzbar ist. Dieser Applikationsbericht kann durch uns ohne weitere Informationen abgeändert und auf den aktuellsten Stand gebracht werden. Sie erkennen dies an der Dokumentnummer auf der Rückseite. Unsere Produkte werden detailliert in unseren Katalogen und Bertriebsanleitungen spezifiziert.

Dokument-Nr.: 2.700.017.0 • Stand 02/2015 • Technische Änderungen vorbehalten.

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