MBS AG

Wichtiges aus der Wandlerbranche

Normenlage, neue Techniken und herausfordernde Netzphänomene

1

Themen

1. Oberschwingungen – Was muss ich beachten?- Stromoberschwingungen- Spannungsoberschwingungen

2. Unterbürdung bei Wandlern @ 50 Hz

2

Wie entstehen OS?

3

Schalter Schalter

Halbleiterbauelemente Scharfe Kanten

Was sind Oberschwingungen? – Ein Modell

Kupfer

Isolation

+ 5 V

- 5 V

30 kHz 10 Minutenjeden Tag 12 Wochen

-

F

Skineffekt

- ----

-

-

-180 °

0 °

-

-

-

-

-

-

-----

-

-

--

--

-

F

Achtung: Oberschwingungen können den Degenerationsprozess in der Isolation beschleunigen

L1

IC

I

Schaltnetzteil auf der Verbraucherseite

Eingangsspannung

Gleichrichtung durch Dioden

ZLeitung I IC

U

G

U = G-IZLeitung

UC

U

UC

Brückengleichrichter mit impulsartiger Stromentnahme

N

5

Power Quality - Verbraucherseite

RL

u0

Kraftwerks-generator

LL

Leitungsimpedanz

Samm

elsch

ien

e

Kunde 1

Kunde 2

Kunde 3

i0

iK1

iK2

iK3

i0=iK1+iK2+iK3

uL uSammelschiene

uSammelschiene = u0 - uL

uL = i0 x (RL+jωLL)

u(t

) [V

]

VDE Technische Anschlussregeln (Planung)

Span

nu

ngs

eb

en

e

20172013 2014 2015 20162012 2018 2019

TAR Höchstspannung (4130)

TAB Hochspannung (4120) /Version 01.01.2015

Übergangsfrist

1.5.201830.6.2017

Network Code Requirementsfor Generators (RfG)

(RfG)

TAR Hochspannung (4120) / Version NC RfGkonform

TAR MS (4110)

TAR NS (4105)

17.5.2019

TAR NS (4100)

NS

MS

HS

7

Entwurf VDE-AR-N 4110 (TAR Mittelspannung)

8

5.4.4 Oberschwingungen und Zwischenharmonische

Der Netzbetreiber gibt in Anhängigkeit der Anschlussleistung der Kundenanlage und den Gegebenheiten am Netzverknüpfungspunkt Obergrenzen für die Einspeisung von Oberschwingungen vor. Maßnahmen zur Reduzierung der Oberschwingungsströme –insbesondere der Bau von Filterkreisen – erfolgen durch den Kunden in Absprache mit dem Netzbetreiber.

Für die Berechnung von Grenzwerten wird zwischen geradzahligen und untergeradzahligenOberschwingungen (Harmonische), Zwischenharmonische und Frequenzanteilen im Bereich 2 kHz und 9 kHz (Supraharmonische) unterschieden.

Für die Berechnung der maximal zulässigen Oberschwingungsströme einer Kundenanlage (Bezugsanlage, und/oder Erzeugungsanlage und/oder Speicher sind folgende Gleichungen anzuwenden:

Messung von Stromharmonischen bis 9 kHz!

Technische Regeln für den Anschluss von Kundenanlagen an das Niederspannungsnetz und deren Betrieb (TAR Niederspannung)

IEC 61000-4-7 (Strom-harmonische2-9 kHz)

Auswirkungen auf Schaltnetzteile

9

|�|��� � �� = 1 �

|�|�,� � �� � = 10 �

Faktor 10

Randbedingungen: C = 14 �� U = 230 � �� 50 ��

„Sieben-Grad-Gesetz“ – Nach diesem wird die Lebensdauer für T > 50 °C mit je 7 °C

Temperaturerhöhung halbiert.

Quelle:Von Benutzer:Quark48, CC BY-SA 2.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17679270

Auswirkungen Oberschwingungen

10Beispiele für wirtschaftliche Auswirkungen: http://de.electrical-installation.org/dewiki/Wirtschaftliche_Auswirkungen

Beispiele

Rechenzentrum eines VersicherungsunternehmensAls Kosten für die die fehlerhafte Auslösung eines Leistungsschalters in einem Rechenzentrum wurden ca. 100.000 Euro pro Stunde Ausfallzeit errechnet.

Pharmazeutisches LaboratoriumFür den durch Oberschwingungen verursachten Ausfall eines Generatorsatzes und die Unterbrechung von Langzeittests eines neuen Medikamentes resultierte ein Verlust in Höhe von etwa 17 Mio. Euro.

Metallverarbeitendes WerkEine Reihe von Induktionsöfen verursachte die Überlastung und Zerstörung von drei Transformatoren von 1500 bis 2500 kVA innerhalb eines Jahres. Die Kosten für die Produktionsausfälle wurden auf 20.000 Euro pro Stunde geschätzt.

Fertigungswerk für GartenmöbelDer Ausfall von Frequenzumrichtern führte zu Produktionsausfällen, deren Kosten auf 10.000 Euro pro Stunde geschätzt wurden.

Stromoberschwingungen Windpark

Achtung: Copyright Maschinenfabrik Rheinhausen – Power Qualityhttp://www.reinhausen.com/de/desktopdefault.aspx/tabid-42/16_read-8497/

Oberschwingungsfilteranlage (Strom) 2 bis 9 kHz

Investitionsvolumen ca. 300.000 EUR

XCTB – Serie für raue Umgebungsbedingungen

13

XKBU und XKBR

14

PQI-DA-smart (a-eberle)

Strom- vs. Spannungsharmonische

15

Stromverzerrungen

Ursache

Spannungsverzerrungen

1. Messungen bis 9 kHz gem. TAR in der NS + MS!

2. BDEW 2008 (9 kHz)

Messung gem. IEC 61000-4-7

Messungen?

MBS Wandler im PQ-Einsatz

=~

Mittelspannung von 1 – 35 kV (EN 50160 2 kHz / IEC 61000-2-12 2,5 kHz)

Höchstspannung 220 oder 380 kV

Hochspannung 110 kV

Mittlere Kraftwerke

Atomkraftwerke

Kohlekraftwerke

Industrielle Abnehmer

Wasserkraftwerke

Industrielle Abnehmer

Industrielle Abnehmer

Industrielle Abnehmer

Solarenergie

Trafostation

Höchstspannung

Hochspannung

Mittelspannung

Niederspannung

=

~

Windenergie

=

~

=

~

16

Niederspannung bis 1 kVEN 50160 2 kHzIEC 61000-2-2 150 kHz

Einpoliger SpannungswandlerPrinzipieller Aufbau

Aufbau Spannungswandler

Spannungswandler einpolig in der MS

Primärspule

Eisenkern

da-dn Wicklung Sekundäre Messwicklung

Primärspulenträger

Jeder Spannungswandler ist ein schwingungsfähiges Gebilde!

18

10 kV Spannungswandler (im Leerlauf)

höhere Primärspannung kleinere Primärspannung

Resonanzstelle

19

30 kV Spannungswandler

20

Resonanzstelle

6.2.1.2 Inductive VTs for voltages over 1 kV and up to 52 kV

6.2.1.2.2 Frequency Response BehaviourThe frequency response becomes unacceptable at about 1 kHz (or even

lower), well below the frequency limit established in the relevant standards. The achievable frequency limit increases for lower voltage class units but worsens for higher voltage class units.According to IEC 61000-4-30:2008, frequency response for a common metering class voltage transformer depends on its type and on burden. With

a high impedance burden, the response is usually adequate to at least 2 kHz but it can be less.

Oberschwingungsmessungen VT

Techical Brochure 596: Harmonic measurement limitations caused by VT‘sSuitability of inductive transformers for harmonic measurements**

**Source: CIGRE / CIRED Guidelines for Power Quality Monitoring WG C4.112 TECHNICAL BROCHURE 596

EN 50160: THDu bis 2 kHz (40. Harmonische)

21

SpannungsebeneOrdnung der Oberschwingung

2. bis 7. 8. bis 20. 21. bis 50.

Mittelspannung

10 kV Ja Ja Ja

20 kV Ja Ja Unsicher

30 kV Ja Nein Nein

Hochspannung60 kV Ja Ja (?) Unsicher

110 kV Ja Ja Nein

Höchstspannung ≥ 220 kV Unsicher Nein Nein

IEC/TR 61869-103

Instrument transformers – The use of instrument transformers for power quality measurement

Das Übertragungsverhalten der Spannungswandler muss beachtet werden. Taktfrequenzen liegen bei 2,5kHz (alte WEA) und 4kHz (neue WEA) – Dämpfung durch 50 Hz VT

WEA Messung im 20 kV Netz (a-eberle)

Aktuelle Zähler in der Mittelspannung

Landis & Gyr ZxQ Qualigrid

Quelle: https://www.landisgyr.de/product/landisgyr-zxq-qualigrid-2/

EMH LZQJ-XC

Quelle: http://www.emh-metering.de/de/produkte/lzqj-xc1/

Wirkleistungsberechnung bis:1,5 kHz / h = 30

Wirkleistungsberechnung bis:1,6 kHz / h = 32

MBS Professional (Niederspannung)Wirkleistungsberechnung bis:350 Hz / h = 7 mit Klasse 0,2SIntegrierter Filter greift ab h = 7

20 kV Mittelspannungswandler ab der 21. Harmonischen mit potenzieller Resonanzstelle!

23

Verrechnung Windenergie

Annahme:

- 5 MW Windenergieanlage

- 1.500 Vollaststunden pro Jahr

- 7,49 ct/kWh Einspeisevergütung

(WEA betriebsbereit 01.01.2018 / 100 %)

- THD-Faktor bis zur 50. Oberschwingung

(U und I) 5 % gem. DIN EN 61400-21

0,95 � � � 0,95 � � = 0,9025 � � = , !" #$

Bei o.g. Annahmen ca. 54.770 EUR pro Jahr im undefinierten Bereich > 50 Hz!

Leistung bei 50 Hz gem. Annahme

Wie verhalten sich die Zähler und Wandler?24

Spannungs- und Stromsensoren

25

Der ohmsch-kapazitive Spannungsteiler

26

R1

R2

Primärkapazität C1

Primäranschluss

Unterspannung

Hochspannung

Sekundär-impedanz

Abgleichnetzwerk

C2

Luftisolierter Spannungssensor von MBS

R1

R2

Primärkapazität C1%&

Primäranschluss

Unterspannung

Hochspannung

Sekundär-impedanz

Abgleichnetzwerk

C2

Luftisolierter Spannungssensor im T-Stecker von MBS

Sekundär-spannung

Sekundär-spannung

Spannungsverläufe im MS- und NS-Netz

10 kV

400 V

27

Bei 50 Hz bleibt aber alles beim Alten? – Nein! -

28

Spannungswandler20.000/√3 auf 100/√3 - 100 VA Kl. 0,520.000/√3 auf 100 3 - 100 VA Kl. 3P

Stromwandler für 20 kV Netz200 auf 5 A - 30 VA Kl. 0,5 FS5200 auf 1 A - 60 VA Kl. 5P20

VT Pfad: ca. 0,02 VACT Pfad: ca. 0,004 bis 0,1 VA

Ca. 4 VA

VT-Unterbürdung im Bürdenbereich 2

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25S

pa

nn

un

gs

feh

ler

(in

%)

Fehlwinkel (in Minuten)

Möllinger-Diagramm

0,8 Un mit cos(ß) = 1 (0,698; -0,33)

0,8 Un mit cos(ß)= 0,85 (0,698; 0,447; -0,304)

1,2 Un mit cos(ß)= 0,85 (0,62; 0,37; -0,382)

Klassengrenzen für Klasse 0,5

25 % Bürde

100 % Bürde

0 % Bürde

cosß = 0,8

- 20 VA Kl. 0,5

- Messgerät mit 1 MOhmEingangsimpedanz

- 0,0034 VA

0,0034 VA

29

VT mit Bürdenbereich 1

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

Sp

an

nu

ng

sfe

hle

r (i

n %

)

Fehlwinkel (in Minuten)

0,8 Un mit cos(ß)=1 (0,3; -0,25)

0,8 Un mit cos(ß)=1 (0,3; 0,16; -0,25)

1,2 Un mit cos(ß)=1 (0,3; 0,16; -0,25)

Klassengrenzen für Klasse 0,5

25 % Bürde

0 % Bürde

- 5 VA Kl. 0,5

- Messgerät mit 1 MOhmEingangsimpedanz

- 0,0034 VA

0,0034 VA

100 % Bürde

30

Fehlerkurven Stromwandler

31

-1,50-1,40-1,30-1,20-1,10-1,00-0,90-0,80-0,70-0,60-0,50-0,40-0,30-0,20-0,100,000,100,200,300,400,500,600,700,800,901,001,101,201,301,401,50

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150

Stro

mfe

hle

r [%

]

Primärstrom [%Ipn]

Stromfehlerverlauf EASK 31.3 250/5A 5VA Kl.0,5SDarstellung der Bürdenabhängigkeit

Fehlerverlauf 0,5VA

Fehlerverlauf 1,25VA

Fehlerverlauf 5VA (Bemessungsbürde)

Fehlerverlauf 7,5VA

Fehlergrenze [+] IEC

Fehlergrenze [-] IEC

0,01VA

0,01 VA

5 VA

7,5 VA

1,25 VA

0,5 VA

Unterbürdung (+ Bereich)

Überbürdung (- Bereich)

Klasse 0,5S

Überstrombegrenzung FS – nur bei voller Bürde

32

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

7,5VA

5VA

2,5VA

1,5VA

1,25VA

1VA

0,5VA

0,01VA

Möglicher Überstrom Primär [A]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

7,5VA

5VA

2,5VA

1,5VA

1,25VA

1VA

0,5VA

0,01VA

Möglicher Überstrom Sekundär [A]

Übertragung Primärstrom (Ipr = 250 A) Übertragung Sekndärstrom (Isr = 5 A)

FS 5 FS 5

Windpark (MS)

Wer bezahlt den ganzen Aufwand?

Übertragungsnetzbetreiber (Deutschland) / Utility Company (USA)

Industrie-kunde (MS)

PCC 1 PCC 2

PCC 4

HV

MV

LV

PCC 3

LV

Übergabe

Einkaufs-zentrum

Haushalte (NS)

SammelschieneSammelschiene

Viel Erfolg beim Messen!

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Wir setzen bereits heute um, woran andere erst morgen denken!

Prof. Dr. h.c. Wolfgang Gilgen

Aktuelle Genauigkeitsanforderungen an LPIT

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IEC FDIS 61869-6 – IEC 2016Instrument transformers - Part 6: Additional general requirements for low-power instrument transformers