Erneuerbare Energien

Sicherung der Versorgungszuverlässigkeit im Nieder-spannungsnetz durch Netz-Impedanzmessungenmit NIM 1000

Kraftwerke entsprechend des Ener-giebedarfs einfach nachjustieren,muss man künftig zusätzlich denEndverbraucher von elektrischerEnergie aktiv beeinflussen und seinKonsumverhalten an das Angebotanpassen.

Stichwort »Smart Metering«. Da-mit soll in Zukunft der Verbrauchdurch variable Strompreise beein-flusst und so an die gerade erzeugteEnergiemenge angepasst werden.Ein weiterer Beitrag zu diesem Re-gelprozess wäre durch die Batterienvon Elektrofahrzeugen möglich, so-lange diese via Ladestationen mitdem NS-Netz verbunden sind. Die-se könnten künftig als Zwischen-speicher dienen und Strom nichtnur bei einem Überangebot auf-nehmen, sondern bei Bedarf auchwieder an das NS-Netz abgeben.Möglichst viele Verbraucher sollenzukünftig in diesen Regelprozessintegriert werden.

Unter dem Strich führen all dieseEntwicklungen zu einer viel höhe-ren Durchschnittslast und zu grö-ßeren Schwankungen in den NS-Netzen. Reserven in der ursprüng-lichen Netzauslegung sind häufigschon heute knapp. Netzstörungenund sogar Ausfälle häufen sich.Schwachstellen, die bisher nochstandgehalten haben wirken sichnun massiv aus. Dazu gehören u.a.mangelhaft angefertigte Pressver-bindungen in Abzweig- und Verbin-dungsmuffen.

Mehr Belastung durch Unsym-metrie und Oberschwingungen

In einem symmetrisch belastetenDreiphasen-Netz mit sinusförmi-gen Spannungen summieren sichdie Ströme im Neutralleiter zu Null.Viele kleinere und mittlere Einspei-seanlagen sind jedoch nur einpha-sig ausgeführt und führen so zu ei-ner Unsymmetrie der Phasenströ-me. Es kommt durchaus vor, dassauf einer Phase Energie ins MS-Netz zurückgespeist wird, währenddie beiden anderen Phasen Energievom MS-Netz an den NS-Verbrau-cher leiten. Mehr elektronischestatt ohmsche Verbraucher führenzu steigenden Belastungen durchOberschwingungen. Vor allem diedurch drei teilbaren Vielfachen derNetzfrequenz sind kritisch. Ihre An-teile aus den drei Phasen im Neu-tralleiter addieren sich jetzt, stattsich wie in der Grundschwingungaufzuheben (Bild 1). Alle diese Be-lastungen gefährden die Stabilitätder NS-Netze und die Versorgungder am entsprechenden Zweig an-geschlossenen Verbraucher.

Die Energiewende stellt mit den erneuerbaren Enegiequellen die Versorgungzuverlässigkeit unsererNiederspannungsnetze (NS-Netze) auf eine harte Probe. Statt den Strom wie bisher einfach nur vomzentralen Kraftwerk an den Endverbraucher weiterzuleiten, nehmen die NS-Netze heute Energie auserneuerbaren dezentralen Energiequellen wie Blockheizkraftwerken und Photovoltaik-Anlagen direktauf und speisen in das übergeordnete Netz ein. Damit steigt die strategische Bedeutung der NS-Netze.Die wachsende durchschnittliche Belastung bei hoher Volatilität und zweitweiser Umkehr der Leis-tungsflüsse lässt Schwachstellen in Form von Netzausfällen sichtbar werden.

Und das ist nur ein Aspekt dervielen neuen Herausforderungen.Der technologische Fortschritt sorgtauch auf Verbraucherseite für er-heblich steigende Belastungendurch die rapide Zunahme vonelektrischen und vor allem elektro-nischen Lasten. In den Haushaltengibt es immer mehr private IT-Netzwerke mit Smart-Phones,Smart-TV, W-Lan-Router und Tab-let-PC. Ihr Gebrauch wird immermehr zur Selbverständlickeit. Zu-dem gibt es immer mehr Wärme-pumpen zum Heizen und Kühlen.Und selbst die Autos tanken künftigmehr und mehr ihre Energie ausdem Niederspannungsnetz.

Schon folgt das nächste Problem:Erneuerbare Energiequellen kannman, wenn überhaupt, nur be-grenzt regeln. Das gewohnte Mus-ter von Angebot und Nachfragewird sich deutlich verändern. Konn-te man bisher die Leistung der

Jürgen Bernd Müller (links), Leiter COE Tools, SebaKMT/Megger, BaunachFranz Neumaier, Projektleiter, SebaKMT/Megger, BaunachProf. Dr.-Ing. Norbert Graß (rechts), Institut Elsys,Technische Hochschule Georg SimonOhm, Nürnberg

S o n d e r d r u c k ( N r . 1 3 2 8 1 ) a u s J g . 5 2 ( 2 0 1 3 ) , H e f t 1 1 , S . 4 9 - 5 4

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Die Netzimpedanzmessung liefert wertvolle Informationen

Trotz dieser zusätzlichen Belas-tungen muss die Versorgungszuver-lässigkeit im NS-Netz aufrecht er-halten werden. Die Messung derNetzimpedanz liefert dem Netzbe-treiber hierzu notwendige Informa-tionen. Er kann durch die Netzim-pedanzmessung zum Beispiel Siche-rungen richtig bemessen, Schwach-stellen aufdecken und so die geeig-neten Maßnahmen ergreifen, umStörungen zuverlässig zu vermei-den. Die maximale Anschluss- bzw.Einspeiseleistung am Anschluss-punkt lässt sich mit Hilfe einerNetzimpedanzmessung genau er-mitteln. Auch die zu erwartendeSpannungserhöhung im Netz beihohen, dezentralen Einspeiseleis-tungen lässt sich so zuverlässig be-stimmen.

Die Netzimpedanzmessung bie-tet die Basis für die ordnungs-gemäße Abnahme von geänderten,erweiterten oder von anderen Be-treibern übernommenen Netzab-schnitten. Dabei gilt: Die gemesseneNetzimpedanz muss in etwa mitdem errechneten Wert überein-stimmen. Damit dient diese Mes-sung auch der Überprüfung der zurAuslegung des NS-Netzes verwen-deten Berechnungsmodelle.

Um Sicherungen richtig zu di-mensionieren, muss zum einen ge-währleistet sein, dass die Sicherungbeim maximalen Fehlerstrom zu-verlässig abschaltet. Zum anderenmuss der minimale Kurzschluss-strom, welcher durch die Netzkon-figuration bestimmt ist, die Siche-rung ebenfalls rechtzeitig auslösen.Diese beiden Parameter werdendurch die Messung der Netzimpe-danz ermittelt. So können stets die

richtigen Sicherungen bestimmtwerden.

Schwachstellen rechtzeitig auf-decken

Auffällige Unterschiede der Netz-impedanzwerte der verschiedenenPhasen deuten auf verborgeneSchwachstellen im betreffendenNS-Netz hin. Wird die Netzimpe-danz an mehreren Phasen be-stimmt, lässt sich auch die Impe-danz von Schutz- und Neutralleiter(PEN-Impedanz) berechnen. Durchden Vergleich der Schleifenimpe-danz von Phase-Neutralleiter mitden Messwerten der Schleife Pha-se-Phase, erhält man zuverlässigHinweise auf Fehler im Neutrallei-ter. Auf diese Weise kann Potenti-alanhebungen vorgebeugt werden,die Menschen in Gefahr bringenkönnen.

Spannungsschwankungen wiezum Beispiel Flicker werden häufigdurch defekte Leiterverbinder ver-ursacht. Meist treten diese inter-mittierend auf, bevor es in der Fol-ge zum vollständigen Spannungs-ausfall kommt. Mit einer Netzim-pedanzmessung mit ausreichendhohem Messstrom kann man dieseintermittierenden Fehler gezieltprovozieren und erhält so bereitsklare Hinweise auf die Fehlerursa-che. Anschließend wird die Fehler-stelle mit einem üblichen Reflexi-onsmessverfahren geortet und dasProblem behoben.

Das Funktionsprinzip

Eine Einzelmessung bestimmtdie Impedanz der komplettenSchleife zwischen den beiden An-schlusspolen am Messgerät. Ausden Einzelmessungen (L1-N, L2-N,L3-N, L1-L2, L1-L3, L2-L3) ergebensich die Impedanzwerte für L1, L2,L3 und PEN (Bild 2).

Für die weitere Betrachtung wirddas speisende NS-Netz am Mess-punkt durch eine ideale Span-nungsquelle mit dem komplexenInnenwiderstand Zi ersetzt. Bild 3zeigt die U/I-Kennlinie einer sol-chen Quelle. Sind zwei Punkte aufdieser Kennlinie bekannt, so lässtsich der Innenwiderstand Zi desNetzes bestimmen.

Zum Zeitpunkt der Messung istim Netz eine bestimmte Verbrau-

Bild 1: Neutralleiterspannung (schwarz) bei oberschwingungsbehaftetem 3-Phasensystem mit Schieflast

Bild 2: Messung derSchleifen-impedanz Phase-Phase,bzw. Phase-PEN

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cherlast RV vorhanden, die mit demresultierenden Verbraucherstrom IVdie Quellenspannung U0 auf dieKlemmenspannung UV reduziertund so den ersten der beiden Punk-te definiert. Von dieser Situationausgehend wird im Netzimpedanz-messgerät ein zusätzlicher Last-strom IL erzeugt. Nun misst mandiesen zusätzlichen Laststrom IL,sowie die resultierende Klemmen-spannung UL und berechnet ausder Spannungsdifferenz (UV – UL)und dem Laststrom IL die Quellen-impedanz Zi.

Der während der Impedanzmes-sung fließende Verbraucherlast-strom IV ist in der Praxis unbe-kannt. Weil das Messintervall sehrkurz ist, kann IV mit ausreichenderWahrscheinlichkeit als konstantangenommen werden. Daher ge-nügen zur Berechnung der Quel-lenimpedanz die vom Messgerätermittelten Größen. Die Messungkann im regulären Netzbetriebdurchgeführt werden. Die Impe-danz des NS-Netzes ist ein komple-xer Widerstand. Der Imaginärteilder Impedanz wird von der Induk-tivität des Transformators domi-niert. Allein schon deshalb ergibtsich eine Frequenzabhängigkeitdes Impedanzbetrags |Zi|. Jedochstellt man auch beim ohmschenAnteil der Netzimpedanz eine Fre-quenzabhängigkeit fest, die durchdie Stromverdrängung (Skin-Effekt)verursacht wird. Die Frequenzab-hängigkeit, sowie die Real- und dieBlindkomponente der Impedanzmüssen deshalb bei der Konstrukti-on eines Netzimpedanzmessgerätsberücksichtigt werden.

Schaltet man die Last im Mess-kreis des Netzimpedanzmessgerätssprunghaft oder gepulst zu, werdenneben der Grundschwingung auchdie Oberschwingungen angeregt,was für die Messung der frequenz-abhängigen, komplexen Impedanzerforderlich ist.

Mit Mess- und A/D-Wandlernwerden die Zeitverläufe von Stromund Spannung (mit und ohne Last-strom IL) aufgezeichnet. Unter-schiede in der Laufzeit zwischenden Messkanälen wirken sich alsFehler bei der Bestimmung derkomplexen Netzimpedanz aus,weshalb auf die phasentreue Sig-nalverarbeitung geachtet werdenmuss.

Die aufgezeichneten Spannungs-und Stromverläufe werden ansch-ließend mittels einer Fast FourierTransformation (FFT) in den Fre-quenzbereich transformiert, umdann direkt die frequenzabhängigeund komplexe Schleifenimpedanzzu berechnen.

Die so ermittelten Schleifenim-pedanzen sind die Grundlage fürdie Berechnung weiterer Ergebnis-se wie z.B. des zu erwartendenKurzschlussstroms, der Kurzschluss-leistung, den Impedanzwerten dereinzelnen Leiter (L1, L2, L3) undder PEN-Impedanz.

Hilfreich für den Praktiker istauch die Angabe, mit welchemSpannungseinbruch zu rechnen ist,wenn eine bestimmte Leistung amAnschlusspunkt entnommen wer-den soll. Vor der Installation größe-rer Maschinen oder medizintechni-scher Anlagen, die das Netz oft mitgrößeren Pulsströmen belasten,lässt sich so die Anschlusssituationklären oder auch die Abnahmekri-terien für die Elektroinstallationnachweisen.

Gleiches gilt auch im Falle des be-vorstehenden Anschlusses von Ein-speiseanlagen, wobei hier die zu er-wartende Spannungserhöhung beigegebener Einspeiseleistung be-rechnet wird.

Megger NIM 1000 – bis zu 1.000 A Prüfstrom

Die Georg-Simon-Ohm-Hoch-schule Nürnberg hat in Zusam-menarbeit mit der N-ERGIE ServiceGmbH mit grundlegenden For-schungs- und Vorentwicklungsar-beiten die Voraussetzungen zurEntwicklung eines neuartigen Netz-impedanzmessgeräts geschaffen.

Als langjähriger Anwender des Pa-nensa MIC 11 brachte die N-ERGIEService GmbH dabei wertvolle Er-fahrung aus der betrieblichen Pra-xis in das Projekt ein.

Die wichtigsten Anforderungenan ein neues Netzimpedanzmess-gerät waren u.a.:• Eine hohe Messgenauigkeit im in-

teressanten 10-Milliohm-Bereich. • Das Gerät sollte portabel und

handlich für den mobilen Einsatzim Feld sein.

Bild 3: Klemmen-spannung einer Quellebei Belastung

UV (t) - UL (t) ΔU(t)Zi (t) = –––––––––––––– = ––––––

IL (t) IL (t)

ΔU(t)Zi (f ) = ––––––

IL (t)

Bild 4: Das Megger NIM 1000 – einkompaktes Gerät für den mobilenFeldeinsatz

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• Die Fehlersuche im NS-Netz solltewirksam unterstützt werden.

• Messung der komplexen Impe-danz über den Frequenzbereich.Die grundlegenden Vorarbeiten

sollten zunächst klären, wie dievielfältigen technischen Anforde-rungen möglichst intelligent erfülltwerden können. Wie in den mei-sten städtischen Netzen, ist auchim Versorgungsgebiet der N-ERGIE

Megger NIM 1000 ist intuitiv bedienbar

Sehr wichtig für den Einsatz inder Praxis ist die leichte, intuitiveBedienung und vor allem die Si-cherheit nach Messkategorie Cat IV(EN 61010-1). Auf dem farbigenGrafikbildschirm sind die Messwer-te direkt ablesbar. Zur detailliertenAnalyse und Protokollerstellungkann man alle Daten via USB 2.0Schnittstelle auf einen Computerübertragen. Die Gerätesoftware lässtsich ebenfalls sehr leicht über dieseUSB-Schnittstelle aktualisieren.

Mittels schnell austauschbarenKelvinklemmen wird der Anschlussan das Messobjekt (Bild 5) durchge-führt. Je nach Messaufgabe kannman das NIM 1000 einphasig odermehrphasig anschließen. Bei mehr-phasigem Anschluss ermittelt dasNIM 1000 auch den Wert der PEN-Impedanz. Abhängig von den gege-benen Erdungsverhältnissen ent-spricht dies der Nullleiterimpe-danz.

Auch bei hoher Netzvolatilität er-hält man zutreffende Messwerte.Denn mit dem NIM 1000 lassensich automatische Mehrfachmes-sungen mit Mittelwertbildungdurchführen. Man kann auch übereinen bestimmten Zeitraum (z.B.mehrere Tage) den Verlauf der Net-zimpedanzwerte analysieren. Fürdiese Anwendung führt das NIM1000 selbständig Messungen in be-stimmten Zeitabständen durch. Beider Auswertung dieser automa-tischen Messreihen sind die Ein-flüsse der verschiedenen Last- undEinspeiseverhältnisse im Vergleichklar erkennbar.

erfolgreich nachgewiesen werden.Die neuartige Messmethode be-stätigte sowohl die jeweiligen Er-gebnisse aus der Netzberechnungals auch Messwerte marktüblicherNetzimpedanzmessgeräte. Sogarverdeckte Fehler konnten im NS-Netz mit dem Prototypen erfolg-reich entdeckt und behoben wer-den.

Das Netzimpedanzmessgerät Meg-ger NIM 1000 (Bild 4) basiert aufdiesen neuen Konzepten. Im Rah-men eines Kooperationsprojektesvon SebaKMT – einem Mitglied derMegger Gruppe, der N-ERGIE Ser-vice GmbH und der Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg wur-den die Vorentwicklungsergebnisseund Erfahrungen aus der Praxiser-probung in ein attraktives Serien-produkt überführt.

Obwohl das NIM 1000 mit nur 10kg und der Größe einer Aktenta-sche sehr kompakt und leicht ist,erzeugt es einen Spitzenlaststromvon bis zu 1000 A für Messungenmit einer Auflösung von 1 mΩ. Dieswird durch nur kurzzeitiges Zu-schalten des Laststroms erreicht.Die abzuführende Verlustleistungwird so auf ein Minimum reduziert.Zudem werden auf diese Weise so-wohl die Grundfrequenz von 50bzw. 60 Hz, als auch die höherenFrequenzen zur Messung der Netz-impedanz über den Frequenzbe-reich bis zur 10. Harmonischenausreichend angeregt.

Ein großer Vorteil des neuen Mes-sverfahrens ist auch die Unabhän-gigkeit von der exakten Größe desLastwiderstands. Die Messgenauig-keit wird somit nicht durch dietemperaturbedingte Änderung desWiderstandswertes – speziell beimehrfachen Messungen – beein-trächtigt.

Bild 5: Mehrphasiger Anschluss mitabgesicherten Kelvinklemmen

an verschiedenen Verknüpfungs-punkten eine sehr hohe Kurz-schlussleistung vorhanden, wes-halb ein Messgerät mit möglichsthohem Prüfstrom entstehen sollte.Die bisher marktüblichen Gerätemit einem Prüfstrom von max. 280A genügten diesen Anforderungennicht.

Auf Basis theoretischer Berech-nungen und Analysen wurden ander Hochschule verschiedene Pro-totypen gebaut und in der Praxiserprobt. Bis zum Abschluss der Vor-entwicklungsarbeiten konnten aufdiese Weise die Richtigkeit undauch die Praxisrelevanz des ge-wählten Realisierungsvorschlags

Bild 6 (links): Ergebnisbildschirm – allewichtigen Daten auf einenBlick

Bild 7 (rechts): Aus den verschiedenenSchleifenimpedanzen ermit-telt das NIM 1000 auch diePEN-Impedanz

Megger NIM 1000 in der Praxis

Netzimpedanzwerte amAnschlusspunkt bestimmen

Zur Bestimmung der Netzimpe-danz an einem Anschlusspunkt,wird das NIM 1000 mit Kelvinklem-men ein- oder mehrphasig ange-schlossen. Mit einem praktischemDrehgeber werden anschließenddie folgenden Parameter zur Mes-sung eingestellt: Auswahl Ein- oderMehrphasenmessung, maximalerMessstrom (wählbar zwischen 80und 1000 A) und die Anzahl derMessungen zur Mittelwertbildung.Man kann auch weitere Parameterje nach Bedarf festlegen wie etwadie Messdauer für Langzeitmes-sungen oder Vorgaben zur Lastbe-rechnung. Letztere bestimmt ausden Impedanzwerten, welche An-schlussleistung an der Messtelle zueinem maximal tolerierten Span-nungseinbruch (oder Spannungs-erhöhung im Falle der Einspeisung)führt und umgekehrt.

Nach Freigabe der Messungenwerden diese vollautomatisch aus-geführt und alle wichtigen Wertegrafisch und numerisch angezeigt.Zudem werden die Werte zur späte-ren Protokollerstellung im Speicherdauerhaft abgelegt.

Bild 6 zeigt den Ergebnisbild-schirm mit der grafischen Darstel-lung des Resistanz- und Reaktanz-verlaufs über die Frequenz, sowieder tabellarischen Auflistung dernumerischen Werte bei drei beson-ders interessanten Frequenzen.Außerdem werden im linken Be-reich der ermittelte Kurzschluss-strom, die maximale Kurzschluss-leistung sowie die maximale An-schlussleistung bei Einhaltung desvorgegebenen zulässigen Span-nungseinbruchs angezeigt.

Aus den einzelnen Werten ermit-telt das NIM 1000 im Mehrleiter-modus auch die PEN-Impedanz-werte (Bild 7). Abhängig von denErdungsverhältnissen der Messstel-le lässt dies eine Beurteilung derNeutralleiterverbindung, bzw. derErdungswiderstände zu.

Die Ergebnisse bilden beispiels-weise die Grundlage zur Abnahmevon neu installierten Netzabschnit-ten, helfen zur Klärung der am An-schlusspunkt verfügbaren Einspei-se- oder Anschlussleistung oder lie-fern die Basisdaten zur richtigen

Dimensionierung von Sicherun-gen, bzw. Festlegung der Einstell-parameter für Lasttrennschalter.

Fehlersuche mit Megger NIM 1000Zur Erkennung von Fehlern ge-

nügt in vielen Fällen bereits derVergleich der Messergebnisse zwi-schen den Phasen an einer Mess-stelle. Mit dem Drehgeber des NIM1000 kann man hierzu die Ergeb-nisse durchblättern. Wenn die Mes-swerte z.B. einer Phase signifikantvon denen der anderen Phasen ab-weicht, signalisiert dies einen Feh-ler. Auch der Vergleich der Phase-Phase Ergebnisse mit den Phase-Neutral-Werten liefert oft sehr treff-sichere Aussagen.

Häufig ändern Fehler in den NS-Netzen ihr Verhalten jedoch in Ab-hängigkeit des Laststroms. Ist eineKlemmstelle beispielsweise korro-diert oder locker, weist sie einenhöheren Übergangswiderstand auf.Fließt nun ein großer Strom durchdiese fehlerhafte Verbindung, wirddiese typischerweise kurzfristig ver-schweißen und der Widerstands-wert nimmt in der Folge deutlichab. Schnell wird aber diese Ver-

schweißung bei Änderung der Tem-peratur, bei mechanischer Bela-stung oder bei einer weiteren Zu-nahme des Laststroms erneut auf-brechen. Sprunghafte Veränderun-gen des Widerstands bei unter-schiedlichen Lastströmen sind alsoein klarer Hinweis auf schlechteVerbindungsstellen.

Spezielle Betriebsart zur Auf-deckung schlechter Verbindungen

Das NIM 1000 macht sich genaudiese Erkenntnis zu Nutze. Mit ei-ner speziellen Betriebsart (Fehler-modus) wird der Laststrom schritt-weise bis zu einem definierten Ma-ximalwert erhöht. Die entspre-chenden Strom- und Spannungs-verläufe werden nun in einer ge-meinsamen Grafik angezeigt. Diecharakteristische Widerstandsän-derung bei einer schlechten Verbin-dungsstelle ist jetzt sofort erkenn-bar. Im Falle einer guten Verbin-dung liegen die Strom- und Span-nungskurven alle auf der einhül-lenden Sinuskurve (Bild 8).

In Bild 9 zeigt sich mit einemBlick auf die Stromkurvenschar diesprunghafte Änderung des Schlei-

Bild 8: Messung im Fehlermodus bei fehlerfreiem NS-Netz – alle Stromkur-ven liegen auf der Einhüllenden

Bild 9: Eine schlechte Klemmverbindung verursacht einen Impedanzsprungbei Überschreiten eines bestimmten Prüfstroms

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fenwiderstands im Falle einer feh-lerhaften Verbindung.

Bild 10 zeigt ein praktisches Bei-spiel einer mangelhaften Ver-schraubung in einem Niederspan-nungsverteilerschrank. Mit Hilfedes Fehlermodus des NIM 1000wurde diese Schwachstelle effizientaufgedeckt und lokalisiert. NachBehebung des Fehlers waren alleImpedanzwerte wieder im erwarte-ten Bereich und die Versorgungs-qualität im betroffenen Netzab-schnitt wiederhergestellt.

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info@elsys-online.de Bild 10: Die unzureichende Ver-schraubung an L1 wurde mit demNIM 1000 aufgedeckt.