Grundlagen der Netzqualität: Achtung! Einschaltströme - Auswirkungen, Messungen, Analyse

Unerwartete Abschaltungen der Schutzeinrichtungen! Abschaltung von Geräten! Spannungseinbrüche! Lichtflickern-Effekte!

Was sind Einschaltströme?

Jedes elektrisch betriebene Gerät hat einen Zeitpunkt in seinem Betrieb, an dem es anfängt, Energie aus dem Netz zu ziehen, was sich physikalisch durch einen steigenden Strom bemerkbar macht. Zum Beispiel das Starten eines Antriebs unter Last, das Starten eines Motors im Leerlauf, das Einschalten einer Beleuchtung, das Einschalten einer zusätzlichen Stufe einer Kondensatoren-Batterie usw. Je nach Zweck und vielen weiteren Bedingungen ist der zeitliche Verlauf der Momentanwerte dieses Stroms sehr unterschiedlich. Ein gemeinsames Merkmal ist, dass der Strom ansteigt, bis ein Maximalstrom erreicht wird, danach fällt sein Wert, bis ein festgelegter Zustand erreicht ist. Dieser Prozess erfolgt in einem begrenzten, relativ kurzen Zeitraum. Die Art der Schwankung des Anstiegs des Einschaltstroms und der erreichte Grenzwert hängen von mehreren Faktoren ab: dem physikalischen Leistungsbedarf, der Versorgungsspannung und der Konstruktion des Schaltgeräts. Auch der Zustand und die Eigenschaften des Versorgungsnetzes beeinflussen das Einschaltverhalten. Die Anschlussbedingungen berücksichtigen die Fähigkeit des Netzes zur kontinuierlichen Energieversorgung bei einer bestimmten Leistungsaufnahme. Darüber hinaus sehen diese Reserven für vorübergehende Anlaufüberlastungen vor, die von den vom Verbraucher angegebenen Energieverbrauchern abhängen. Da eine der Auswirkungen eines kurzzeitig erhöhten Strombedarfs beim Anfahren eine vorübergehende Minderung der Versorgungsspannung (Spannungseinbruch) ist, ist eine Voraussetzung für die Vermeidung von Störungen der Netzqualität, dass die Eigenschaften der einzuschaltenden Lasten mit den Anschlussbedingungen übereinstimmen.

Drei Beispiele für die negativen Auswirkungen von Einschaltströmen

Das erste Symptom von Einschaltströmen ist das Auslösen des Überstromschutzes und die Abschaltung des in Betrieb genommenen Geräts oder des gesamten Leitungszweigs (Abb. 3). Dies hängt in erster Linie damit zusammen, dass während des Einschaltvorgangs, der eine gewisse Zeit dauert, ein höherer Stromfluss aufgetreten ist, als auf der Schutzeinrichtung ausgewählt ist, oder dass die Schutzeinrichtungskennlinien nicht mit den Einschaltkennlinien des geschützten Geräts übereinstimmen. Es kann auch zufällig vorkommen, dass mehrere kleinere Geräte gleichzeitig eingeschaltet werden. Ein solches Problem kann erkannt werden, indem die statistischen Parameter der Einschaltströme auf der Grundlage der aufgezeichneten Verläufe bestimmt werden und dann eine entsprechende Korrektur der Schutzeinrichtung vorgenommen wird.

Abb. 1. Beispiel für das erfasste Einschalten eines I_max 463 A Transformators mit dem Sonel PQM-707 Analysator

Ein weiteres Symptom ist der Spannungseinbruch. Während des Einschaltvorgangs kann es im Netz zu einem Spannungseinbruch infolge eines plötzlichen Stromanstiegs kommen, insbesondere bei langen Kabellinien oder Freileitungen (Abb. 5). In einigen Fällen von Geräten mit Unterspannungsschutz kann es während des ersten Einschaltvorgangs zu einer unbeabsichtigten Abschaltung dieses Gerätes kommen. Solche Phänomene können erkannt werden und man kann sogar charakteristische Schwellenwerte bestimmen, wenn der Verlauf des Einschaltstroms zusammen mit dem Spannungsverlauf während des Einschaltens aufgezeichnet wird. Die Lösung besteht darin, die Schutzeinrichtungseinstellungen entsprechend zu korrigieren oder zu einer effizienteren Stromversorgung zu wechseln. Durch den Einschaltvorgang verursachte Spannungseinbrüche können sich nachteilig auf den Betrieb anderer, gleichzeitig aus dem Netz gespeister Geräte auswirken. Dies kann zu einem Reset-Effekt bei Prozessor- und Computergeräten führen. In einigen Fällen können kurzzeitige Spannungseinbrüche als instationäre Zustände mit gefährlichen Resonanzphänomenen verbunden sein, die sogar zu einer Beschädigung der versorgten Geräte führen können.

Spannungseinbrüche, die durch Anfahren verursacht werden, können wiederholt auftreten und zu schnell schwankenden Spannungsstörungen führen (Abb. 6). Solche Schwankungen können sich in Form von Änderungen der Beleuchtungsintensität bemerkbar machen, was sich direkt auf den Arbeitskomfort und die Sicherheit der Menschen auswirkt. Um den Flicker-Effekt zu erkennen, reicht die Beobachtung der Beleuchtung aus. Um hingegen die durch Spannungsschwankungen verursachte Gefahr zu erkennen, muss ein entsprechend hochentwickeltes Analysegerät verwendet und eine Aufzeichnung über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden.

Zusammenfassend:

Auslösung des Überstromschutzes und Abschaltung des eingeschalteten Gerätes
Infolge eines plötzlichen Stromanstiegs kann es zu einem Spannungsabfall im Netz kommen

Abb. 2. Tabelle der angesammelten Überschreitungen der Maximalstromaufnahme

Einige einfache Schritte zur Durchführung der Diagnose und Messung von Einschaltströmen

Eine typische Maßnahme bei Problemen, die durch Einschaltströme verursacht werden, ist die Bestimmung der Einschaltparameter, d. h. des Bereichs der Strom- und Spannungsschwankungen während des Einschaltstroms und seiner Dauer. Gegebenenfalls wird zusätzlich ermittelt, ob die Stromversorgungsparameter an der Schnittstelle Lieferant/Verbraucher den in Normen oder Verträgen festgelegten Anforderungen entsprechen. Dazu sollte ein Analysator der A-Klasse der Serie Sonel PQM-702/702T/703/710/711 verwendet werden, der sowohl den Einschaltstrom als auch Daten für den Netzqualitätsbericht erfassen kann. Zwecks Durchführung von Qualitätsmessungen mit gleichzeitiger Erfassung von Einschaltströmen sollte man folgend vorgehen:

Vorbereitung der Einstellungen für die Aufzeichnung des Analysators im Hinblick auf:

die Aufzeichnung muss der geltenden nationalen Norm entsprechen
die Aufzeichnung der Stromüberschreitungen einschalten und die Auslöseschwelle als einen kleineren Wert, als beim Einschalten erwartet wird, angeben
die Aufzeichnung der Oszillogrammen und RMS(1/2) einschalten
die maximale Aufzeichnungszeit für Oszillogramme auf 1 s und für RMS(1/2) auf 30 s einstellen
die Einstellungen an den Analysator senden

Den Analysator anschließen und die Aufzeichnung einschalten.
Die Aufzeichnung sobald genügend Störungen durch Einschaltströme gesammelt wurden, beenden. Die Anzahl der Ereignisse ist durch den verfügbaren Messwertspeicher begrenzt.
Den Inhalt der Aufzeichnungen mit dem Sonel Analysis 4 ablesen und archivieren.

Bei der täglichen Wartung von Industrieanlagen, wenn eine hohe Anzahl von Spannungsstörungen durch Einschaltströme festgestellt wird, empfiehlt sich der Einsatz des Analysators Sonel PQM-707. Es handelt sich um einen Analysator mit einem 7“-Touchscreen. Er verfügt über eine spezielle Funktion zur Aufzeichnung von Einschaltströmen (Abb. 1) mit einer maximalen Dauer von bis zu 60 s und zur Bestimmung des Joule-Integralwerts, der für die Auswahl der Überstromschutzeinstellungen nützlich ist.

Bei der Konfiguration ist es erforderlich, Folgendes anzugeben:

Der Wert des maximalen Stroms, dessen Überschreitung den Einschaltzustand kennzeichnet.
Der Nennwert des Stroms des zu prüfenden Geräts, der das Ende des Einschaltvorgangs anzeigt.

Mit dieser Funktion können aufeinanderfolgende Störungen einzeln aufgezeichnet werden, wodurch eine Reihe von Einschaltstromereignissen entsteht. Die Analyse der Ereignisse erfolgt sofort und direkt im Messgerät.

Abb. 3. Einschaltstrom I_max165 A führte zur Auslösung der Schutzeinrichtung C16

Analyse der Ergebnisse der Einschaltstrommessung

Mit Hilfe der Software Sonel Analysis können mit Hilfe der aufgezeichneten Oszillogramme und RMS-Zeitverläufe die Parameter und Auswirkungen der Einschaltströme bestimmt werden.

Vorgehensweise:

Die Messdatei öffnen und das Oszillogramm-Ereignis auf dem Lesezeichen Ereignisse auswählen (Abb. 2).
Die Marker 1, 2 und 3 im Oszillogramm-Diagramm an charakteristischen Punkten des Verlaufs setzen. Die bestimmten Momentanwerte und die Zeitdauern ablesen (Abb. 4a).
Auf dem RMS_(1/2)-Zeitdiagramm die charakteristischen Effektivwerte festlegen und ablesen (Abb. 4b).
Im Lesezeichen Messungen die aktiven mittleren Spannungen und Ströme sowie die maximalen Spannungen und minimalen Ströme auswählen und das Zeitdiagramm aufrufen (Abb. 5).
Die Zeitdiagramme des Lichtflickerindex Pst und der maximalen Ströme festlegen, um die Spannungsschwankungen zu ermitteln (Abb. 6).
Geeignete Entscheidungen treffen, um die Auswirkungen der Einschaltvorgänge zu korrigieren.

Abb. 4a. Maximaler Einschaltstrom von 82 A beim Einschalten eines 1kVA-Transformators

Abb. 4b. RMS(1/2) -Einschaltstrom, Dauer ~10 ms

Die oben gezeigten halbperiodischen Auswirkungen von Einschaltströmen sind ein typischer Nebeneffekt beim Einschalten von Geräten mit hoher Leistung. Die erreichten Maximalwerte sind um ein Zehnfaches höher als der stationäre Effektivwert, aber die durch das Joule-Integral ermittelte Energiemenge übersteigt oft die Auslösewerte der Schutzeinrichtungen. Daher ist eine detaillierte Analyse der aufgezeichneten Einschaltströme ein sehr effektives Werkzeug zur Fehlersuche.

Der durch Einschaltströme verursachte Flickereffekt ist ein weniger häufiges, aber wesentlich störenderes Phänomen. Wenn es bei jedem sehr großen Stromanstieg zu einem kurzzeitigen tiefen Spannungseinbruch kommt und dieses Phänomen in kurzen Zeitintervallen wiederholt auftritt (Abb. 5), ist ein deutlicher Anstieg von Pst (und folglich auch von Plt) zu beobachten (Abb. 6).

Dies bestätigt eindeutig den Zusammenhang zwischen den Netzqualitätsparametern und dem Auftreten von Einschaltströmen.

Abb. 5. Stromerhöhungen beim Einschalten von 280 A führen zu Spannungseinbrüchen von mehr als 30 V

Abb. 6. Permanente Maschineneinschaltungen alle 5s (I_śr=20 A, I_max=380 A), Schwankungen des Lichtflickerindex Pst über 6 (zulässig <1)

Author:
Krzysztof Lorek