KP2 - EE3 "Merkmale der Spannung nach EN

Merkmale der Spannung nach EN 50 160
Hof. 2016-10
1 Versuchsziel
Die Qualität der elektrischen Energie wird in der EN 50160 anhand der
Eigenschaften der Netzspannung beschrieben.
Dieser Praktikumsversuch soll einen Einblick in diese Thematik verschaffen und
beinhaltet Untersuchungen zu einigen charakteristischen Spannungsmerkmalen.
2 Grundlagen
In der EN 50160 sind die Merkmale der Versorgungsspannung für Nieder- und
Mittelspannungsnetze ausgeführt. Für den Versuch sind speziell die Bestimmungen
der Niederspannung von Interesse und folgend dargestellt:
1) Netzfrequenz
In Verbundnetzen muss der 10 s-Mittelwert der Grundfrequenz in folgenden
Bereichen liegen:
- 50 Hz  1 % (d. h. 49,5 bis 50,5 Hz) während 99,5 % des Jahres
- 50 Hz+4 %/ -6 % (d. h. 47 Hz bis 52 Hz) während 100 % der Zeit.
2) Höhe der Versorgungsspannung:
Die genormte Nennspannung Un (gleich der vereinbarten Spannung Uc) für
öffentliche Niederspannungsnetze ist
- für Drehstromnetze mit vier Leitern
UN=230 V zwischen Außenleiter und Neutralleiter
- für Drehstromnetze mit drei Leitern
UN=230 V zwischen den Außenleitern
3) Langsame Spannungsänderungen:
Unter normalen Betriebsbedingungen ohne Störungen bzw. Versorgungsunterbrechungen müssen
- 95 % der 10 min-Mittelwerte der Effektivwerte eines Wochenintervalls
innerhalb des Bereiches UN  10 % liegen.
- alle 10 min-Mittelwerte der Effektivwerte eines Wochenintervalls innerhalb des
Bereiches UN+10 %/-15 % liegen.
4) Schnelle Spannungsänderungen:
Die Höhe schneller Spannungsänderungen darf in der Regel maximal  5 % UN
betragen, unter bestimmten Umständen bis  10 % UN mit kurzer Dauer
mehrmals am Tag.
Flickerstärke:
Unter normalen Betriebsbedingungen darf die Langzeitflickerstärke aufgrundvon
Spannungsänderungen den Wert Plt=1 Während 95 % eines beliebigen
Wochenzeitraumes nicht überschreiten.
1
Berechnungsvorschrift: Langzeitflickerstärke Plt 
12

Pst i
3
,
12
Messung der Kurzzeitflickerstärke Pst im Zeitintervall von 10min.
3
i 1
5)
Spannungseinbrüche:
Anhaltswerte: Mehrzahl mit Dauer weniger als 1 s, Einbruchstiefe < 60 % von
Un. In einigen Gegenden Einbruchtiefe auf 10 % bis 15 % Un.
6)
Kurze Unterbrechungen der Versorgungsspannung:
Anhaltswerte: 70 % der Unterbrechungen liegen unter 1 s Dauer. Manche
Schutzsysteme brauchen bis zu 3 min.
7)
Lange Unterbrechungen der Versorgungsspannung:
Anhaltswerte: Jährlich zwischen <10 und <50 lange Unterbrechungen. Die Höhe
der Spannung liegt unter 1 % UN und dauert länger als 3 min.
8)
Zeitweilige netzfrequente Überspannungen:
Treten zwischen Außenleiter und Erde bei Fehlern im öffentlichen Netz oder
einer Kundenanlage auf.
9)
Transiente Überspannungen zwischen Außenleiter und Erde:
Kurzzeitige Überspannungen (bis 6 kV) mit einer Dauer von einigen
Millisekunden.
10) Spannungsunsymmetrie:
95 % der 10 min-Mittelwerte des Effektivwertes der Gegensystemkomponente
haben 2 % der Mitsystemkomponente während eines Wochenintervalls nicht zu
überschreiten.
11) Oberschwingungsspannung:
95 % der 10 min-Mittelwerte des Effektivwertes der Oberschwingung dürfen den
in Tabelle 1 genannten Wert in einem beliebigen Wochenintervall nicht überschreiten.
Tabelle 1 Grenzwerte für 95% der 10min-Mittelwerte des Effektivwertes
der Oberschwingung (die Angaben sind bezogen auf UN)
Ungerade Harmonische
Gerade Harmonische
Nichtvielfache von 3
Vielfache von 3
Ordnung h
uh in %
Ordnung h
uh in %
Ordnung h
uh in %
5
7
11
13
17
19
23
25
6,0
5,0
3,5
3,0
2,0
1,5
1,5
1,5
3
9
15
21
5,0
1,5
0,5
0,5
2
4
6 bis 24
2,0
1,0
0,5
2
Der Gesamtoberschwingungsgehalt ( THD 
40
 (u
h 2
h
)² ) darf einen Wert von 8
% UN nicht überschreiten. Die Begrenzung der zu messenden
Oberschwingungsspannungen bis zur 40. Ordnung für die THD-Berechnung
entspricht den üblichen Vereinbarungen.
12) Zwischenharmonische Spannung:
Da keine gesicherten Erfahrungswerte vorhanden sind, erfolgt zur Zeit keine
Festlegung.
13) Signalspannungen auf der Versorgungsspannung:
In einigen Ländern werden die öffentlichen Netze zur Übertragung von Signalen
benutzt. Dabei dürfen 99 % der 3 s-Mittelwerte der Signalspannung in
Abhängigkeit von der Frequenz bestimmte Werte nicht überschreiten.
Zur Vorbereitung des Versuchs werden zunächst folgende Themenkomplexe
empfohlen:
Grundlagen der Elektrotechnik: Zeitveränderliche Vorgänge, Dreiphasensystem
Leistungselektronik 1: Netzrückwirkungen
Elektronik 3: Analoge und digitale Signale
Elektroenergieversorgung: Komplexe Schwingungsrechnung
Weiterhin werden folgende Kenntnisse zur Problematik der Flicker vorausgesetzt:
Schnelle Spannungsschwankungen verursachen in Leuchtmitteln eine Änderung der
Leuchtdichte. Diese Leuchtdichteänderungen, die über das Auge physiologische
Wirkungen hervorrufen, werden als Flicker bezeichnet. Die Reaktion des Menschen
auf diese Wirkungen ist je nach Ursache und Zeitdauer subjektiv.
Die Belastungsunterschiede entstehen durch:
die Frequenz der Spannungsschwankung bei gepulsten Leistungen (höchste
Belastung bei 18 Hz)
die Blickrichtung
Schwankungen mit flacheren bzw. steileren Flanken.
Besonders deutlich sind Flicker in Leuchtstofflampen wahrnehmbar.
Die Berechnungsvorschrift der Kurzzeitflickerstärke basiert auf der unterschiedlichen Wertigkeit der Pegeländerungen der einzelnen Effektivwertschwankungen während der Zeitspanne der Pst-Bildung.
3
3 Vorbereitungsaufgaben
3.1 Nennen Sie die Bedingungen für ein ideales, symmetrisches Dreiphasensystem nach EN 50160 und beweisen Sie dies rechnerisch! Stellen Sie die
Ergebnisse in Zeigerbildern dar!
3.2 Gegeben sind folgende Werte eines Versorgungsnetzes:
a)
UL1 253 V
UL2 230 V  240°
UL3 207 V  120°
b)
230 V
230 V  240°
0V
c)
230 V
230 V  180°
0V
d)
230 V
0V
0V
Berechnen Sie jeweils die symmetrischen Komponenten und stellen Sie diese in
Zeigerbildern dar!
3.3 Welches Frequenzverhältnis besteht zwischen der Grundschwingung und den
einzelnen Harmonischen? Bestimmen Sie für eine digitale Signalerfassung die
Abtastrate, die für eine Fourieranalyse bis zur 40. Harmonischen mindestens
erforderlich ist!
4 Messaufgaben
4.1 Schnelle Spannungsänderungen
Es werden Rückwirkungen auf die Netzspannung am Versorgungspunkt untersucht.
-
Starten Sie das Meßprogramm.
Verwenden Sie die Meßvariante Kurzzeitmessung und betätigen Sie den
Start Messung.
Button
In dem Dialogfenster sind Voreinstellungen für diese Messung vorzunehmen.
 Eintragen des Meßorts.
 Konfigurieren der Kanalbelegung und Beschriftung.
 Einstellen der Effektivwertbildung auf 0,1 s.
 Einstellen der Abtastrate auf 4000/s.
 Führen Sie einen Abgleich der Spannungseffektivwerte der einzelnen
Messkanäle für die drei Phasen des Dreshstromnetzes durch!
(Abgleichmöglichkeit nutzen, Abgleichen durch Eintrag eines Offsets,
Vergleich beenden). Notieren Sie die Offset-Werte für den Versuchsteil 4.3!
 Bestätigen der Einstellungen mit dem Button Ok.
-
Beobachten die Spannungsverläufe auf dem Bildschirm für 10 Minuten und
beenden Sie die Messung durch Klicken auf den Button STOP Messung.
-
Sichern Sie die ermittelten Daten durch Daten Speichern.
-
Um eine Auswertung vornehmen zu können, öffnen Sie die Auswertesoftware mit
betätigen des Buttons Spannungsänderung. Auf dieser Oberfläche können Sie
die Achsen des Graphen variabel einstellen, um sich die Spannungs-änderungen
im Detail anzusehen.
4
-
Drucken Sie das Diagramm aus! Es werden nur die Kanäle ausgedruckt, die aktiv
sind, d. h. die Buttons der zu druckenden Kanäle müssen auf ON stehen.
Verwenden Sie den Button Drucken! Im Dialogfenster geben Sie als Kommentar
Ihre Versuchsgruppe ein. Wählen Sie die Druckerart (PDF-Writer ist
voreingestellt)! Anschließend betätigen Sie die Taste Seitenansicht und
verändern die Grenzen des Graphen wie oben beschrieben. Bestätigen Sie mit
Ok und im Dialogfenster mit Drucken.
-
Beenden Sie die Auswertung mit Zurück und im Hauptprogramm mit Auswertung
beenden.
-
Bewerten Sie die Rückwirkungen des Motorstarts auf die Netzspannung nach EN
50160. Nennen Sie Maßnahmen um diese Rückwirkungen verringern zu können.
4.2 Simulation unsymmetrischer Netzzustände
Es werden Zustände des Netzes hergestellt, die im Fehlerfall oder bei Schieflast
auftreten können. Dabei werden die Vorbereitungsaufgaben mit den Simulationsergebnissen verglichen.
-
Wählen Sie die Messvariante Langzeitmessung und betätigen Sie Start Messung.




Konfigurieren der Kanalbelegung
Einstellen der Abtastrate auf 16384
Betätigen des Tasters Fehlersimulation durchführen.
Bestätigen der Einstellungen mit Ok.
-
Während der Simulation dient speziell das Zeigerbild mit der Wahlmöglichkeit
Effektivwerte bzw. symm. Komponenten zur Veranschaulichung.
-
Stellen Sie Offset’s der Effektivwerte sowie der Phasenverschiebungs-winkel
entsprechend den Vorbereitungsaufgaben 3.2 a) bis 3.2 d) ein. Übernehmen Sie
die Meßwerte der symmetrischen Komponenten (U0, U1 und U2) und vergleichen
Sie diese mit den Ergebnissen der Vorbereitungsaufgaben.!
-
Betätigen Sie Stop Messung und Auswertung beenden nach dem Ende der
Simulation!
-
Führen Sie eine Bewertung der Betriebszustände durch!
4.3 Langzeitmessung verschiedener Spannungsmerkmale
In diesem Teil sind die
-
Frequenzänderungen
langsame Spannungsänderungen
Spannungsunsymmetrien
Oberschwingungsspannungen und
Flicker,
die über einen Zeitraum von zwei Stunden zu messen sind, zu bewerten.
5
-
Verwenden Sie wieder die Meßvariante Langzeitmessung und betätigen Sie Start
Messung.





Eintragen des Meßorts.
Konfigurieren der Kanalbelegung und Beschriftung.
Einstellen der Mittelwertbildung auf 10 min.
Einstellen der Abtastrate auf 16384
Für den Abgleich der Messkanäle verwenden Sie die unter 4.1 ermittelten
Offset-Werte zur Korrektur.
 Bestätigen der Einstellungen mit dem Taster Ok.
-
Führen Sie die Messung für 120 Minuten durch und beenden Sie die Messung
durch Klicken auf den Button STOP Messung.
-
Sichern Sie die ermittelten Daten durch Daten Speichern.
-
Führen Sie die Auswertung der einzelnen Merkmale durch.
 Drucken Sie die Messprotokolle der einzelnen Spannungsmerkmale aus.
Verändern Sie dabei wieder die Skaleneinteilung der Ordinate so, damit die
relevanten Werte optimal dargestellt werden.
Werten sie die Messprotokolle aus und beantworten Sie zu den einzelnen
Merkmalen die folgenden Fragen:
4.3.1 Nennen Sie die Gründe, weshalb die Frequenz der Netzspannung keinen
größeren Schwankungen unterliegt!
4.3.2 Beschreiben Sie die zyklischen Schwankungen der Spannungshöhe!
Versuchen Sie eine Ursache zu finden?
4.3.3 Wodurch können Spannungsunsymmetrien hervorgerufen werden? Nennen
Sie Maßnahmen, um sie zu vermeiden!
4.3.4 Zu welcher Tageszeit treten Oberschwingungsspannungen mit höheren
Amplituden auf? Nennen Sie die Gründe!
4.4 Beurteilung des Oberschwingungsverhalten von Lampen
Nehmen Sie während der Langzeitmessung das Stromspannungsverhalten von
verschiedenen Lampen auf!
Beurteilen Sie anhand des Strom-Spannungs-Zeitverlaufs das
- Blindleistungsverhalten (induktiv, kapazitiv) und
- das zu erwartende Oberschwingungsspektrum!
6

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