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Spannungseinbruch: plötzliches Absinken des Spannungseffektivwertes
Automatisierungs- & Elektrotechnik

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Spannungseinbrüche erkennen

Text: Arjan Pit, Janitza Grafiken: Janitza
Produktionsausfall und Qualitätsprobleme - Spannungseinbrüche führen oft zu Problemen und verursachen hohe Kosten. Darum gilt es, solche Einbrüche zu vermeiden oder die Folgeschäden durch rechtzeitige Erkennung mittels Analysen zu begrenzen.

Wenn plötzlich der Spannungseffektivwert auf 90 bis 1 Prozent des festgelegten Wertes sinkt, gefolgt von einer direkten Wiederherstellung dieser Spannung, ist das ein Spannungseinbruch. Seine Dauer liegt zwischen einer halben Periode (10ms) und einer Minute. So die Europäische Norm EN 50160. Wenn der Effektivwert der Spannung nicht unter 90 Prozent des festgesetzten Wertes sinkt, wird dies als normaler Betriebszustand betrachtet. Sinkt die Spannung unter 1 Prozent des festgesetzten Wertes, ist es eine Unterbrechung. Ein Spannungseinbruch ist also etwas anderes als eine Unterbrechung.

Eine Unterbrechung entsteht zum Beispiel nach Ansprechen einer Sicherung (typischerweise 300ms). Der Netzausfall setzt sich in Form eines Spannungseinbruchs über das restliche Verteilernetz fort. Die Abbildung auf Seite 29 oben verdeutlicht den Unterschied zwischen Spannungseinbruch, kurzer Unterbrechung und Unterspannung.

Wie ein Spannungseinbruch entsteht

Eine häufige Ursache für kleine Spannungseinbrüche sind die Einschaltströme von Kondensatoren, Motoren oder anderen Geräten, da sich beispielsweise der Strom beim Anlaufen des Motors kurzzeitig erhöht (siehe Abbildung Seite 30). Der Spannungsfall über den Impedanzen Z und Z1 (Wechselstromwiderstand) führt dann zu einem geringfügigen Spannungseinbruch auf dem Niederspannungsverteiler (Einbruchzone 1) und einem etwas größeren Spannungseinbruch hinter der Impedanz Z1 (Einbruchzone 2).

Die Lösung der Probleme, die durch diese Einbrüche verursacht werden, liegt in einer Optimierung der Anlage selbst. Das Einschalten von Geräten sollte nicht zum Entstehen von kritischen Spannungseinbrüchen führen.

Bei einem Schluss im Niederspannungsnetz fließt ein Kurzschlussstrom. Der Betrag des Kurzschlussstroms hängt von der Größe der Impedanzen Z und Z3 ab. In der Praxis ist die Impedanz Z3 am größten. Die Größe der Impedanz Z3 wird unter anderem durch den Typ und die Länge des Kabels bestimmt. Je größer die Kabellänge ist, desto kleiner wird der Kurzschlussstrom sein. Der Kurzschlussstrom verursacht einen Spannungsfall über der Impedanz Z, wodurch die Spannung am Niederspannungshauptverteiler kurzzeitig einbricht (Einbruchzone 1). Bei einem Kurzschluss sollte daher die Sicherung ansprechen. Wenn es 100 ms dauert bis die Sicherung auslöst, erfährt die Spannung in der gesamten Anlage für 100 ms einen tiefen Einbruch.

Kurzschlüsse im Niederspannungsnetz kommen vor, können aber in der Praxis häufig vernachlässigt werden. Kritischer sind Kurzschlüsse auf der Mittelspannungsseite. Etwa 75 Prozent der Spannungseinbrüche entstehen im Mittelspannungsnetz. Häufig sind diese für die Verbraucher aber nicht zu vermeiden. Sie können beispielsweise durch die folgenden Einflüsse entstehen:

– Erdbauarbeiten

– Durchschlag in einer Verbindungsmuffe

– Kabelalterung

– Kurzschluss in Freileitungsnetzen (Sturmschäden, Tiere)

Die Abbildung auf Seite 31 zeigt ein typisches Beispiel für den Aufbau eines Mittelspannungsnetzes. Die Transformatorhäuschen und Ortsnetzstationen (grüne Punkte) sind ringförmig untereinander verbunden und an eine Verteilerstation (blaue Punkte) angeschlossen. Der Ring steht immer irgendwo offen (Ring aus den grünen Punkten rechts unten). Kommt es zu einem Kurzschluss, fließt ein Kurzschlussstrom (rote Linie). Dieser fließt, bis die Sicherung in der Verteilerstation den Ring abschaltet. Dies ist in der linken Abbildung zu sehen (im Ring links oben).

Während des Kurzschlusses fließt somit kurzzeitig ein hoher Strom. Wegen der Netzimpedanzen führt dies zu einem kurzzeitigen Absinken der Spannung im gesamten Netz. Dieses kurzzeitige Absinken der Spannung macht sich als Spannungseinbruch bemerkbar.

Schlüsse im Hochspannungsnetz werden oft durch Gewitter oder (fehlerhafte) Schaltvorgänge verursacht, letzteres vor allem in Bereichen am Ende einer Hochspannungsleitung.

Probleme durch Spannungseinbrüche

Spannungseinbrüche können zum Ausfall von Computersystemen, SPS-Anlagen, Relais und Frequenzumrichtern führen. Bei kritischen Prozessen kann schon ein einzelner Spannungseinbruch hohe Kosten verursachen. Insbesondere kontinuierliche Prozesse sind davon betroffen. Beispiele hierfür sind Spritzgießprozesse, Extrusionsprozesse, Druckprozesse oder die Verarbeitung von Lebensmitteln wie Milch, Bier oder Erfrischungsgetränken.

Die Kosten für einen Spannungseinbruch setzen sich aus entgangenen Gewinnen durch Produktionsstillstand, Kosten für das Nachholen von Produktionsausfällen, für eine verspätete Auslieferung von Produkten, für verloren gegangene Rohmaterialien, für Schäden an Maschinen, Geräten und Matrizen sowie Wartungs- und Personalkosten zusammen. Dabei sind die durchschnittlichen Kosten stark branchenabhängig:

– Feinchemie: 190.000 Euro

– Mikroprozessoren: 100.000 Euro

– Metallverarbeitung: 35.000 Euro

– Textilien: 20.000 Euro

– Lebensmittel: 18.000 Euro

Zuweilen laufen Prozesse in unbemannten Unternehmensteilen ab, in denen Spannungseinbrüche nicht sofort bemerkt werden. In diesem Fall kann beispielsweise eine Spritzgießmaschine unbemerkt zum Stillstand kommen. Wird dies entdeckt, ist bereits großer Schaden entstanden. Die Kunden erhalten die Produkte zu spät, und der Kunststoff in der Maschine ist ausgehärtet. Bei Druckereien oder in der Papierindustrie kann Papier reißen oder sogar einen Brand verursachen.

Anfälligkeit von IT-Anlagen

Gerade IT-Anlagen sind für Spannungsunterbrechungen und Spannungseinbrüche anfällig. Dies bedeutet, dass alle Prozesse, die von Mikroprozessoren gesteuert werden, anfällig sind. Dazu zählen unter anderem SPS-Anlagen, Frequenzumrichter, Maschinensteuerungen, Server und PCs.

In der vom Information Technology Industry Council erstellten ITI-CBEMA-Kurve ist festgelegt, wann ein Spannungseinbruch zum Ausfall von IT-Geräten führt und wann eine Spannungsspitze Beschädigungen an IT-Geräten auslöst. Obwohl das Modell für 120-V/60-Hz-Netze entwickelt wurde, wird es auch auf Geräte angewandt, die an 230-V/50-Hz-Netze angeschlossen sind. Das Modell kann von Herstellern als Entwurfsrichtlinie herangezogen werden.

Spannungseinbrüche durch Einschaltströme lassen sich bedingt durch einen besseren Aufbau der technischen Anlage vermeiden. Die Einbrüche selbst lassen sich beheben durch statische USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung), eine Gleichspannungsquelle mit nachgeschaltetem Wechselrichter. Diese Lösung kommt häufig als Überbrückung zum Notstromaggregat zur Anwendung. Außerdem kann ein Einbruch durch ein kontinuierlich mit der Belastung mitlaufendes Schwungrad (dynamische USV) behoben werden. Bei einer kurzen Unterbrechung oder einem Einbruch wird dem Schwungrad Energie entzogen. Diese Lösung ist nicht billig und wird häufig in Rechenzentren angewandt. Das Anschließen von Steuer- und Regelungsanlagen für einen Prozess an eine stabilisierte Stromversorgung sowie das Nachrüsten der elektrischen Infrastruktur sind ebenfalls Möglichkeiten.

Da das Beheben von Spannungseinbrüchen keine billige Angelegenheit ist, kann es wirksam sein, Spannungseinbrüche frühzeitig zu signalisieren. Mit guten Berichterstellungs-Tools lassen sich die Ursachen ermitteln und gezieltere und somit kostengünstigere Maßnahmen ergreifen.

Signalisieren von Spannungseinbrüchen

Analysatoren etwa sind in der Lage, kurze Unterbrechungen und Spannungseinbrüche zu erkennen. Der Netzanalysator UMG 604 von Janitza beispielsweise überwacht kontinuierlich mehr als 800 elektrische Parameter. Alle Kanäle werden 20.000 Mal pro Sekunde abgetastet, wodurch kurze Spannungsunterbrechungen und -einbrüche signalisiert und registriert werden. Auf der Grundlage dieser Ereignisse kann dann eine E-Mail oder SMS verschickt werden. Auch lassen sich ausführliche Berichte generieren.

Der Analysator wird im Einspeisungsfeld angeordnet und erkennt, registriert, alarmiert und meldet Spannungseinbrüche. Das Messgerät ist mit einem Web-Browser ausgestattet, was die Möglichkeit bietet, ohne großen Aufwand und ohne komplizierte Softwareprogramme direkt die wichtigsten Parameter aus den Messgeräten abzurufen. Mit dem eingebauten Event-Browser lassen sich die Unterbrechungen und Spannungseinbrüche analysieren und zu Berichten aufbereiten.

Mit einem eingebauten Reportgenerator ist es zudem möglich, selbst periodisch auftretende Spannungseinbrüche, kurze Unterbrechungen und Spannungsspitzen anhand der ITI-Kurve (CBEMA) zu übersichtlichen Berichten aufzubereiten.

Spannungseinbrüche kommen relativ häufig vor und werden nicht immer erkannt. Der wirtschaftliche Schaden von Spannungseinbrüchen ist größer als der von Unterbrechungen. Durch Nachrüsten der elektrischen Infrastruktur lässt sich eine Reihe von Spannungseinbrüchen reduzieren. Der Einsatz von unterbrechungsfreien Stromversorgungen oder Drosselspulen kann die Folgen von Spannungseinbrüchen begrenzen. In einigen Fällen sind diese Maßnahmen jedoch zu teuer. Der erste Schritt ist jedoch immer die Erkennung und Dokumentation von Spannungseinbrüchen durch kontinuierliches Überwachen und Analysieren.

Mit dem Einsatz von moderner Messtechnik können Spannungsqualitätsprobleme rechtzeitig identifiziert und behoben werden. Eine Steigerung der Versorgungssicherheit ist garantiert, Wartungskosten werden reduziert und die Lebenszeit der Fertigungsanlage verlängert sich.

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