Messfehler

Wer viel misst,misst Mist?Ungewöhnliche und unerwartete Messfehler

Stefan FassbinderDeutsches KupferinstitutAm Bonneshof 5D-40474 DüsseldorfTel.: +49 211 4796-323Fax: +49 211 [email protected]@eurocopper.orgwww.kupferinstitut.de

Das Deutsche Kupferinstitut, dieAuskunfts- und Beratungsstellefür die Anwendung von Kupfer unddessen Legierungen, informiert und berät:

Handel Handwerk Industrie Forschung Hochschulen Künstler Studenten Privatpersonen

Mittels Post Telefon Telefax E-Mail Web-Seite Online-Datenbank oder persönlich

Dreheisen-Messwerk:Echt-Effektivwert-Anzeige

Drehspul-Messwerk:Mittelwert-Anzeige, unter Verwendungeiner Gleichrichterbrücke Betragsmittelwert

Analoge Mess-Systeme: Unbedeutender Preis-Unterschied zwischen Mittelwert- und Echt-Effektivwert-Anzeige, aber nicht mehr gebräuchlich

Digitale Mess-Systeme:Echt-Effektivwert-Anzeige erheblich teurer!

1. Echt effektiv oder frisierterMittelwert?

Der Effektivwert eines Wechsel- oderMischstroms ist der Wert, den ein glatter Gleichstrom haben müsste, um die gleiche thermische Wirkung zu erzielen

1. Böse Falle: Strom ungleich Strom

î = 1A,R = 1,

ûR = R*î = 1Vè UR = 1V,è I = 1A

pR = uR*i = uR²/R = 1W,WR = 20ms*1W = 20mJpR = uR*i = uR²/R = 1W,WR = 20ms*1W = 20mJ

-4W

-3W

-2W

-1W

0W

1W

2W

3W

4W

0ms 5ms 10ms 15ms 20ms

t

p

-4W

-3W

-2W

-1W

0W

1W

2W

3W

4W


t

p

î = 2A,R = 1,

ûR = R*î = 2Vè UR = 1,414V,è I = 1,414A

1A 1Ω

1V

IU

-4A

-3A

-2A

-1A

0A

1A

2A

3A

4A


t

i

-4A

-3A

-2A

-1A

0A

1A

2A

3A

4A


t

i

q = 2*10ms*1A = 20mAsje Periode


pR = uR*i = ûR²/R = 4WWR = 2*5ms*4W = 40mJ

ī = 1A(6,25*1018

Elektronen/Sekunde)

ī = 1A(6,25*1018

Elektronen/Sekunde)

PMittel = 2W

P = 1W

0A 1Ω

0V

IU

2A 1Ω

2V

IU

0A

0V

2A

2V

1. Böse Falle: Strom ungleich Strom

î = 1A,UBatt = 1V,è I = 1A -4W

-3W

-2W

-1W

0W

1W

2W

3W

4W


t

p

-4W

-3W

-2W

-1W

0W

1W

2W

3W

4W


t

p

î = 2Aī = 1A

uBatt = const = 1VP = uBatt * ī =

1W

-4A

-3A

-2A

-1A

0A

1A

2A

3A

4A


t

i

-4A

-3A

-2A

-1A

0A

1A

2A

3A

4A


t

i


pBatt = UBatt*i = 1W,WBatt = 20ms*1W = 20mJ


pBatt = UBatt*i = 2WWBatt = 2*5ms*2W = 20mJ

ī = 1A(6,25*1018

Elektronen/Sekunde)

ī = 1A(6,25*1018

Elektronen/Sekunde)

P = 1W

PMittel = 1W

1A

1V

IU

IU

0V

50V

100V

150V

200V

250V

300V

350V


t

u

0A

1A

2A

3A

i

0V

50V

100V

150V

200V

250V

300V

350V


t

u

0A

1A

2A

3A

i

0V

50V

100V

150V

200V

250V

300V

350V


t

u

0A

1A

2A

3A

i

gleichgerichteteNetzspannung

Kondensator-spannung

gleichgerichteterNetzstrom

Netzspannung: 230 VNetzfrequenz: 50 HzNetz-Reaktanz: 500 mΩNetz-Längsinduktivität: 904 µHNetz-Impedanz : 575 mΩStrom-Betragsmittelwert: 180 mAGlättungskapazität: 220 µF

Das Ende der Sinusströme

Oder zumindest nicht die ganze Wahrheit

Alles Lüge!

Messung desselben Stromsmit einem »Effektivwert-Messgerät«und einem Echt-Effektivwert-Messgerät:

Was ist eigentlich THD?Zum Beispiel eines Dreieckstroms von 1 A und Tast-Verhältnis 1/7:

THDr (root mean square) = 863mA/1000mA (Klirrfaktor) = 86 %THDf (fundamental) = 863mA/502mA = 172 %

-6A

-5A

-4A

-3A

-2A

-1A

0A

1A

2A

3A

4A

5A

6A


t

i

ê Quadratwerte êOhne

Grundschwingung: 502 mA 251986 mA² Grundschwingung3. Harmonische: -479 mA 229000 mA² 229000 mA²5. Harmonische: 434 mA 188595 mA² 188595 mA²7. Harmonische: -374 mA 139903 mA² 139903 mA²9. Harmonische: 304 mA 92527 mA² 92527 mA²

11. Harmonische: -232 mA 53671 mA² 53671 mA²13. Harmonische: 163 mA 26600 mA² 26600 mA²15. Harmonische: -104 mA 10780 mA² 10780 mA²17. Harmonische: 57 mA 3299 mA² 3299 mA²

Summe der Quadrate: 996362 mA² 744377 mA²Wurzel hieraus: è 998 mA (eff.) 863 mA

2. Messfehler der Strom-Ober-schwingungen auf Grund von Spannungs-Oberschwingungen

Z. B. beim Betriebvon 1000 Kompakt-Leuchtstoff-lampenzu je 11 W (15 VA) an einem 15-kVA Trans-formator

Unterschiedliche Auswirkungen einer Gleichrichterlast auf Strang- und Leiterspannung

Messungen an einer Quecksilberdampflampe

Versuch der gegenseitigen Kompensation der dritten Oberschwingung zwischen Außenleiter und Neutralleiter gegen diejenige zwischen zwei Außenleitern

Dies trifft nur zu, solange die Außen-leiter an-nähernd gleich-mäßig belastet sind

Warum überwiegt im Strom immer die 3., in der Spannung aber die 5. Oberschwingung?

Z. B. durch Einsatz des falschen Trans-formators

3. Selbst verschuldete zusätz-liche Spannungs-Ober-schwingungen im Messkreis

3. Selbst verschuldete zusätz-liche Spannungs-Ober-schwingungen im Messkreis

Ohne Einfluss des Trans-formators

Mit Einfluss des Trans-formators

4. Kompatibilität von Messgeräten und Zubehör

Wenn eine Glühbirne induktiv wird, ist Skepsis angebracht

Nützliches Messgeräte-Zubehör, aber…

4. Kompatibilität von Messgeräten und Zubehör

5. Parallele Leiter

Was die Hogeschool West-Vlaanderen, Kortrijk, herausfand…

Leiter L1 L2 L3Leiter 1 330 A 206 A 72 ALeiter 2 145 A 147 A 141 ALeiter 3 109 A166 A 136 ALeiter 4 109 A 173 A 236 ALeiter 5 153 A 128 A 135 ALeiter 6 104 A 119 A 33 ALeiter 7 115 A 205 A 289 ALeiter 8 181 A 307 A 170 ASumme 1246 A 1451 A 1212 A

* > 47 ,7° C

* < 27,3° C

28 ,0

30 ,0

32 ,0

34 ,0

36 ,0

38 ,0

40 ,0

42 ,0

44 ,0

46 ,0

* > 47 ,7° C

* < 27,3° C

28 ,0

30 ,0

32 ,0

34 ,0

36 ,0

38 ,0

40 ,0

42 ,0

44 ,0

46 ,0

5. Parallele Leiter

…was ein einfacher Versuch zeigte…

ohne mit

Kabelkanal um Leiter 1

Leiter 1: 249,1 A 242,6 A

Leiter 2: 240,2 A 240,4 A

Leiter 3: 247,0 A 246,2 A

5. Parallele Leiter

• Fertigungs-Toleranzen• Unterschiedliche Leitungslängen auf Grund

unterschiedlicher Biegeradien• Unterschiedliche Erwärmung

…und wie eine Fachzeitschrift den Unterschied erklärte:

6. Fußangeln beim Erden und beim Erdungs-Widerstand

6.1 Die Hilfserderzum Messen des Erdungs-Widerstands haben selbst einen erheblich höheren Erdungs-Widerstand als das zu messende Objekt!

6.2 Fremdspannungenkönnen sich durch galvanische Wirkungen oder Betriebsströme im Erdungssystem bilden und die Funktion stören.

6.3 Die Strombelastbarkeitist wichtig, wird aber von üblichen Messmethoden nicht erfasst.

6.4 Z enthält R und XEine Blitzstoßspannung zählt mit Steilheiten um 100 kV/µs als hoch-frequenter Vorgang, der von Reaktanzen entsprechend beeinflusst wird.

6.5 UnlinearitätenAndererseits erhöht der Einschlag die Leitfähigkeit des Erdreichs.

6.6 Geerdet oder nur verbunden?Den Widerstand des PA mit dem Erdungs-Widerstand verwechselt.

6.1. Die Hilfserder beim Messenhaben einen erheblich höheren Erdungs-Widerstand als das zu messende Objekt!

Hilfserder 2,z. B. RE2 = 93W

Messobjekt,z. B. RE0 = 2W

Hilfserder 1,z. B. RE1 = 87W

6.2 Fremdspannungen

Wenn so viel Strom auf Grund falscher Netzform schon im Erdungs-system fließt, gibt’s Störungen in der EDV

6.3 Die Strom-Belastbarkeit ist mindestens so wichtig wie der Erdungs-Widerstand!

Also keine Messmittel mit Prüfströmen im Milliampere-Bereich verwenden!

Manche Sachverständige empfehlen gleich den Einsatz eines Schweißtrafos!

6.4 Das Erdungssystem hat mehrere Aufgaben:

Große netzfrequente Fehlerströme ableiten

Kleine hochfrequente Leckströme ableiten

Große »hochfrequente« Blitzströme ableiten

22 2 fLRZ


Große netzfrequente Fehlerströme ableiten

100Aeff bei 50Hz è 44A/ms

0kA

10kA

20kA

30kA

40kA

50kA

60kA

70kA

80kA

90kA

100kA

110kA

0µs 1µs 2µs 3µs 4µs 5µs 6µs 7µs 8µs 9µs 10µs

t

i

t Rt S


Große hochfrequente Blitzströme ableiten

60kA in 1,2µs è 50kA/µs

Ausbreitungs-Geschwindigkeitder Stoßwelle:

299.792,5 km/s!

1 Kupferatom hat 29 Elektronen. Davon ist eines beweglich.1 Mol Kupfer (63,546g entsprechend 7,108cm³)enthält L = 6,02*1022 Atome (Loschmidtsche Zahl).1 g Kupfer enthält somit 9,47345*1021 Elektronen.Je Gramm sind also 3,26671*1020 beweglich,das macht 3,654*1019 je Kubikzentimeter.Eine Stromstärke von 1 A bedeutet, dass an jederStelle des Leiters pro Sekunde 6,25*1018 Elektronenvorbei fließen (denn jedes Elektron führt eine Ladungvon e = 1,9*10-19 As mit sich).Das ergibt bei 16 A in einer Installationsleitungmit 1,5 mm² etwa 0,8 mm/s.Im Kurzschlussfall können es auch mal 50 mm/s werden!

Ach übrigens, wie schnell fließt der Strom eigentlich wirklich?

6.5 Unlinearitäten

Netzfrequenz und Oberschwingungen [A; Hz]:Lineare Verhältnisse, R dominiert

HF-Ableitströme [mA; MHz]:Lineare Verhältnisse, X dominiert

Blitzströme [kA; MHz]:Keine linearen Verhältnisse, X dominiert

6.6 Nicht Metall statt Erde messen!

Haben die zu messenden Objekte auch keine metallene Verbindung untereinander?

7. Trickreich:Blindleistungszähler

Merkwürdig:Blindleistung ist per Definition das Produkt aus der im Netz vorhandenen Spannung und dem Teil des Stroms, der nichts zur Über-tragung von Wirkleistung und Energie bei-trägt.Dennoch gibt es Blindleistungs-Messgeräte und Blindarbeitszähler, und die zeigen tat-sächlich etwas an!

7.1 Blindleistung klassisch: Induktiv oder kapazitiv

Und doch die Frage: Was ist das eigentlich?

Blindleistung ist der Teil der Leistung, der nicht zur Übertragung von Energie (Arbeit) beiträgtErzeugung kapazitiver Blindleistung = Verbrauch induktiver Blindleistung

Erzeugung induktiver Blindleistung = Verbrauch kapazitiver Blindleistung

Und was ist dann Blindarbeit?

Ein Phantom?Ein schwarzer Schimmel?Ein weißer Rappe?Eine Verkaufslüge?Ein Missverständnis?Mangel an sprachlicher Präzision?

36

7.2 Blindleistung der dritten Art: Oberschwingungen

VoltageCurrent

-350V

-250V

-150V

-50V

50V

150V

250V

350V


t

u

-100mA

-75mA

-50mA

-25mA

0mA

25mA

50mA

75mA

100mA

i

SpannungStrom

7.3 Blindleistung in einer Glühlampe

Ist die denn auch nicht linear?

7.4 Blindleistung beim Dimmen?

Eine Frage des Standpunkts.

Oder aber des Messpunkts.

8. Statistik –Wahrheit, Lüge oder Irrtum?

»Es gibt drei Arten der Lüge: Die gewöhnliche Lüge, den Meineid und die Statistik.«

»Ich glaube nurStatistiken, die ichselbst gefälscht habe.«

»So lügt man mitStatistik« (Buchtitel)

Dabei ist Datenflut derbeste Datenschutz! è

Oberschwingungen im Lauf einer Woche

228V

229V

230V

231V

232V

233V

234V

235V

Fre

itag,

23.8

.02

0:00

Sam

stag

,24

.8.0

2 0:

00

Son

ntag

,25

.8.0

2 0:

00

Mon

tag,

26.8

.02

0:00

Die

nsta

g,27

.8.0

2 0:

00

Mitt

woc

h,28

.8.0

2 0:

00

Don

ners

tag,

29.8

.02

0:00

Fre

itag,

30.8

.02

0:00

t

U

0,0%

0,5%

1,0%

1,5%

2,0%

2,5%

3,0%

3,5%

4,0%

4,5%

5,0%

TH

DU

U(eff.)

THD

Oberschwingungen am Samstag

227V

228V

229V

230V

231V

232V

233V

234V00

:00

01:0

0

02:0

0

03:0

0

04:0

0

05:0

0

06:0

0

07:0

0

08:0

0

09:0

0

10:0

0

11:0

0

12:0

0

13:0

0

14:0

0

15:0

0

16:0

0

17:0

0

18:0

0

19:0

0

20:0

0

21:0

0

22:0

0

23:0

0

00:0

0

t

U

0,0%

0,5%

1,0%

1,5%

2,0%

2,5%

3,0%

3,5%

4,0%

4,5%

5,0%

TH

DU

U(eff.)

THD

Oberschwingungen am Sonntag

0V

1V

2V

3V

4V

5V

6V

7V

8V

9V

10V

11V

00:0

0

01:0

0

02:0

0

03:0

0

04:0

0

05:0

0

06:0

0

07:0

0

08:0

0

09:0

0

10:0

0

11:0

0

12:0

0

13:0

0

14:0

0

15:0

0

16:0

0

17:0

0

18:0

0

19:0

0

20:0

0

21:0

0

22:0

0

23:0

0

00:0

0

t

U

U2 100Hz U3 150HzU5 250Hz U7 350HzU9 450Hz U11 550HzU13 650Hz U15 750Hz

blindblind

An der Grenze der Auflösung

Über die Grenze der Auflösung:Elektronischer Transformator mit Halogenlampen 4 * 20 W

4*20W+PV=74,8W?

h=14,0W / 74,8W?

9. Extrapolation vom Betriebs-strom zum Kurzschluss-Strom

Aus einer Prüfungsfrage für künftige Gutachter:

»Drei Stromwandler gleicher Ausführung sind als Schutz-wandler … in einen Verbraucher-Abzweig eines 50-Hz-Dreh-stromnetzes eingeschaltet, der durch einen dreipoligen Kurz-schluss einen Kurzschlussstrom von IK3P = 1 kA führt. … Im vorliegenden symmetrischen Fehler-fall … spricht das [in den Neutralleiter geschaltete] Relais RZ durch einen Fehlerstrom mit f3 = 150 Hz an. Wie erklären Sie sich diesen Effekt? Welche Maßnahmen können getroffen werden, um den … beobachteten Effekt zu verhindern?«

Ich komme mit der Fragestellung nicht klar. Können Sie mir helfen?

M3

Oberschwingungen

Energie(Wirkleistung)

L1

L2

L3

N

PE

9. Extrapolation vom Betriebs-strom zum Kurzschluss-Strom

Oberschwingungen entstehen im Verbraucher und breiten sich von dort »stromaufwärts« aus!

Energie (Wirkleistung)

Ober-schwingungen

10. Schleifen-Impedanzmessung an einer USV-Anlage

Impedanzmessung im laufenden Betrieb:

Mit impulsartig aufgeschalteter zusätzlicher Last.

Anders geht‘s derzeit noch nicht!

Wird die Anlage ganz oder teilweise über eine Doppelwandler-USV gespeist, so führt diese Messung zu keinen oder völlig falschen Ergebnissen!

10. Schleifen-Impedanzmessung an einer USV-Anlage

USV-Anlagen sind nicht linear!

Comparison of linear sources to a UPS

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0% 20% 40% 60% 80% 100%I /I K

U /U 0

ohmic sourceinductive sourceUPS

Vergleich linearer Quellen mit USV

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0% 20% 40% 60% 80% 100%I /I K

U /U 0

ohmsche Quelleinduktive QuelleUSV

Light switch

11. »Echter« Transientenrekorder oder Netzanalysator als »nebenberuflicher« Transientenrekorder

Z. B. beim Versuch,Start-Versuche aneiner Leuchtstofflampe aufzuzeichnen

Starter


Dieser »Hobby«-Transientenrekorderhat keine manuelle Bereichswahl


Ein Trick muss helfen: Hilfsschalter

Ergebnis z. B. mit elektro-nischem Starter

Ergebnis z. B. mit Gimm-starter

Hilfs-schalter

Vielleicht doch besser geeignete Messmittel besorgen und messen!

Fazit: Wer viel misst, misst Mist, doch wer nicht misst, vermisst nachher möglicherweise viel!

Elektrotechnik-Schriften des DKIzu bestellen bei: www.kupferinstitut.de

1. Installations-Bereich (Kabel, Leitungen, Netzqualität): s181 »Brandsichere Kabel und Leitungen« s183 »Energie sparen mit Spartransformatoren« s184 »Fehlauslösungen von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen« s185 »Wechselwirkungen von Blindstrom-Kompensations-Anlagen mit

Oberschwingungen« s186 »Vom Umgang mit Blitzschäden und anderen Betriebsstörungen« Broschüre »Kupfer in der Elektrotechnik: Drähte, Kabel und Leitungen«

2. Andere Bereiche: s180 »Drehstrom, Gleichstrom, Supraleitung – Energie-Übertragung

heute und morgen« s192 »Sparen mit dem Sparmotor« Broschüre »Geld sparen mit Hochwirkungsgrad-Motoren« i1 »Energiesparpotentiale bei Motoren und Transformatoren«

Weitere Literatur zum Thema Stefan Fassbinder:

Netzstörungen durch passiveund aktive Bauelemente

Anton Kohling:EMV von Gebäuden, Anlagen und Geräten

Wilhelm Rudolph, Otmar Winter:EMV nach VDE 0100

Wilhelm Rudolph:EMV-Fibel für Elektroinstallateure und Planer

alle VDE Verlag, Offenbachwww.vde-verlag.de

Die Europäische Union

förderte im Rahmen ihres LEONARDO-Programmsdurch sachkundige Partner 3 Jahre lang mit insgesamt 3 MillionenEuro die Erstellung der Internet-Seite zu allen Fragen der Netzqualität! Gehen Sie von Zeit zu Zeit aufwww.leonardo-energy.org oder http://leonardo-web.org/de

und sehen Sie die Leonardo Power Quality Initiative wachsen!

Wir wollen in 13 Sprachen Lehrmittel zur Minderung von EMV-Problemen entwickeln und verfügbar machen!

Wir wenden uns an alle Elektro-Praktiker: Ingenieure, Handwerker, Gebäudetechniker, Architektur- und Planungsbüros sowie Auszubildende und Ausbilder.

Wir sind bisher 165 Partner aus Europa, Nord- und Südamerika, darunter Unternehmen, Institute, Hochschulen und 5 nationale Kupfer-Institute. Teilnahme und Beiträge weiterer Partner aus Industrie und Hochschulen sind jederzeit möglich und von den bisherigen Projektpartnern erwünscht.

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hat im Dezember 2004 drei Projekte von etwa 4000 ausgezeichnet – eines davon war die

Leonardo Power Quality Initiative

Deutsche Leonardo Schriften 1.1 Leitfaden Netzqualität – Einführung 1.2 Selbsthilfe-Leitfaden zur Beurteilung der Netzqualität 2.1 Kosten schlechter Netzqualität 3.1 Oberschwingungen – Ursachen und Auswirkungen 3.2.2 Echt effektiv – die einzig wahre Messung 3.3.1 Passive Filter 3.3.3 Aktive Filter 3.5.1 Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen 4.1 Ausfallsicherheit, Zuverlässigkeit und Redundanz 4.3.1 Verbesserung der Ausfallsicherheit durch Notstrom-Versorgung 4.5.1 Ausfallsichere und zuverlässige Stromversorgung eines modernen

Bürogebäudes 5.1 Spannungseinbrüche – Einführung 5.1.3 Einführung in die Unsymmetrie 5.2.1 Vorbeugende Wartung – der Schlüssel zur Netzqualität 5.3.2 Maßnahmen gegen Spannungseinbrüche 5.5.1 Vom Umgang mit Spannungseinbrüchen – eine Fallstudie 6.1 Erdung mit System 6.3.1 »Erdungssysteme – Grundlagen der Berechnung und Auslegung

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