Energietechnisches Praktikum II Versuch 12

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1 INSTITUT FÜR HOCHSPANNUNGSTECHNIK Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Univ.-Prof. Dr.-Ing. Armin Schnettler INSTITUT FÜR HOCHSPANNUNGS TECHNIK RHEINISCH- WESTFÄLISCHE TECHNISCHE HOCHSCHULE AACHEN Energietechnisches Praktikum II Versuch 12 EMV Störungseinkopplung

2 2 EMV Störungseinkopplung 12.1 Einleitung Von elektrischen Geräten oder Anlagen gehen in jedem Fall mehr oder weniger starke Störungen aus. Diese Störungen können auf verschiedene Arten in andere elektrische Einrichtungen gelangen und so zu einer im allgemeinen ungewollten Beeinflussung führen. Die EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) als Teilgebiet der Elektrotechnik behandelt die Mechanismen dieser Störbeeinflussung mit dem Ziel, einen störungsfreien Betrieb sich gegenseitig beeinflussender Geräte sicherzustellen. Grob schematisch läßt sich die Störbeeinflussung wie in Abbildung 1 darstellen. Abb. 1: Schematische Darstellung der Störbeeinflussung Prinzipiell kann jedes elektrische Gerät sowohl Störquelle als auch Störsenke sein. Im allgemeinen wirken Geräte, in denen hohe Leistungen umgesetzt werden (Radiosender, Thyristorumrichter usw.) vorwiegend als Störquelle, Geräte mit niedrigem Leistungsniveau (empfindliche Meßgeräte, Rechner, Rundfunk-Empfänger usw.) sind vor allem als Störsenke zu betrachten. Die Übertragung der Störungen geschieht durch den Raum oder über Leitungen. Insbesondere im Bereich der Hochspannungstechnik hat man es mit starken Störquellen zu tun. So verursachen z.b. die sehr hohen Spannungen und Ströme im Normalbetrieb oder im Kurzschlußfall intensive elektrische und magnetische Felder in der näheren Umgebung. Blitzeinschläge oder Schalthandlungen in Hochspannungsnetzen führen zu transienten Überspannungen und -strömen und damit zu höherfrequenten Störungen. Koronaentladungen auf Leitungen oder in Anlagen verursachen ebenfalls sehr breitbandige Störfelder. Besonders im Hochspannungsprüffeld befinden sich hochempfindliche Meßgeräte und Rechenanlagen in sehr enger räumlicher Nachbarschaft zu energiereichen Störquellen, so daß gerade hier sehr aufwendige Maßnahmen erforderlich sind, um die elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen. Typische Beispiele für beeinflusste Geräte sind: Fernmelde- und Fernwirkeinrichtungen Datenverarbeitungsanlagen in der Nähe von Hochspannungsanlagen Steuerungs- und Messeinrichtungen Zu Hochspannungsleitungen parallel verlaufende Leitungen 12.2 Physikalische und technische Grundlagen Es existieren verschiedene Arten der Beeinflussung. In diesem Praktikum werden galvanische, induktive sowie kapazitive Beeinflussung untersucht. Elektromagnetische Strahlung hat auch großen Einfluss wird aber in diesem Versuch nicht behandelt. Mögliche Maßnahmen zur Verringerung der Beeinflussung werden im weiteren aufgezeigt. Institut für Hochspannungstechnik Schinkelstraße Aachen

3 Mechanismen der Beeinflussung Galvanische Beeinflussung Galvanische Störbeeinflussung entsteht dadurch, daß eine, der Störquelle und der Störsenke gemeinsame Impedanz Z k vorhanden ist. Diese sogenannte Kopplungsimpedanz kann beispielsweise eine der Quelle und Senke gemeinsame Erdrückleitung sein (Gehäusechassis, Kabelmantel, Erder, Potentialausgleichsschiene, Leitungsstück, usw.). Aufgrund des Stromes I q der Störquelle erscheint im Stromkreis der Störsenke die (unerwünschte) Spannung I q Z k. Abb. 2: Modell für die galvanische Einkopplung und elektrisches Ersatzschaltbild Z k setzt sich üblicherweise aus einem ohmschen und einem induktiven Anteil zusammen. Der ohmsche Anteil von Z k steigt aufgrund des Skineffektes mit wachsender Frequenz der Störquelle, der induktive Anteil X k = L k ist direkt proportional zur Frequenz. Abb. 3: Ohmscher und induktiver Widerstand eines Leiters in Abhängigkeit der Frequenz Für konstante Ströme I q der Störquelle werden höherfrequente Störungen also viel stärker in benachbarter Stromkreise überkoppeln als niederfrequente. Tel 0241 / Fax 0241 /

4 4 EMV Störungseinkopplung Beispiel Koaxialkabel: Insbesondere für empfindliche Meßaufgaben werden häufig Koaxialkabel eingesetzt. Hier kommt es zu galvanischen Einkopplungen von Störsignalen, wenn über dem Kabelmantel der Meßleitung Störströme fließen. Deshalb ist die Kopplungsimpedanz von Koaxialkabeln von besonderer Bedeutung für die Störfestigkeit von Meßsystemen. Abb. 4: Galvanische Einkopplung von Störungen in ein Koaxialkabel Störströme über den Kabelmantel entstehen beispielsweise dadurch, daß bei beidseitiger Erdung des Kabelschirmes in die Schleife Kabelmantel-Erdrückleitung aufgrund eines magnetischen Störfeldes H q ein Strom induziert wird. Ebenso können Ströme im Erdboden zu Potentialdifferenzen zwischen den Punkten A und B und somit zu einem Störstrom I q führen. Die Erdverbindungen können dabei galvanische Verbindungen sein oder auch - bei höheren Frequenzen - praktisch unvermeidliche Streukapazitäten zwischen Gehäuseteilen und Erde. Am Ort der Störsenke wird außer dem erwünschten Signal U s noch ein Störsignal der Größe I q Z k erscheinen. Z k ist dabei die Kopplungsimpedanz des Kabels und ist definiert zu: Z k Uq I q gemessene Spannung an der Innenseite vom Kabelmantel Strom durch den Kabelmantel Bei einem massiven Außenleiter ist für höhere Frequenzen die Stromdichte des Störsignals nicht mehr homogen über den Außenleiter verteilt. Infolge des Skineffektes wird der Strom zur Außenseite hin verdrängt, die Stromdichte an der Innenseite des Kabelmantels und damit der Betrag von U s werden kleiner (Abb. 5). In diesem Frequenzbereich sinkt die Kopplungsimpedanz Z k. Abb. 5: Stromdichte im Kabelmantel einer Koaxialleitung bei höheren Frequenzen Institut für Hochspannungstechnik Schinkelstraße Aachen

5 5 Kapazitive Beeinflussung Kapazitive Beeinflussung entsteht ohne galvanische Verbindung durch die Einwirkung des elektrischen Feldes einer Störquelle auf die Störsenke. Das Modell für kapazitive Beeinflussung zeigt Abb. 4. Das von der Störquelle verursachte elektrische Feld E q influenziert Ladungen in benachbarte Stromkreise der Störsenke. Abb. 6: Modell für die kapazitive Einstreuung und elektrisches Ersatzschaltbild Die eingestreute Spannung läßt sich als Quelle darstellen mit der Leerlaufspannung und dem Innenwiderstand U q E h q Z i 1 C Wegen des kapazitiven Innenwiderstandes nimmt auch hier die Stärke der Störbeeinflussung mit steigender Frequenz zu. Induktive Beeinflussung In eine von einem zeitlich veränderlichen magnetischen Fluß durchsetzte Leiterschleife wird Spannung induziert. Auf diese Weise können magnetische Felder einer Störquelle in Stromkreisen anderer Geräte (Störsenke) Spannungen hervorrufen, die dort zu Fehlern oder Zerstörung führen können. Das induktive Beeinflussungsmodell zeigt Abb. 7. k Abb. 7: Modell für die induktive Einstreuung und elektrisches Ersatzschaltbild Tel 0241 / Fax 0241 /

6 6 EMV Störungseinkopplung Die eingestreute Spannung hat den Betrag: dh q U S 0 b h 0 b h H q dt Auch hier steigt die Beeinflussung mit ansteigender Frequenz der Störquelle. t Verringerung der Störbeeinflussung Zur Verringerung der Störbeeinflussung sind Maßnahmen an der Störquelle, an der Störsenke und an der Übertragungsstrecke möglich. An der Störquelle: An der Störsenke: Schirmung (z.b. Konstruktion von Prüffeldgebäuden als Faraday-Käfig). Enger räumlicher Aufbau (kleinstmögliche Abstände zwischen Hin- und Rückleiter, besser noch koaxialer Aufbau). Hierdurch wird die räumliche Ausdehnung der Störfelder verkleinert. Erdungspunkt geeignet wählen (dabei sind auch Erdkapazitäten zu beachten). Verwendung von Dämpfungswiderständen für das Einschalten großer Lasten, um hohe Steilheiten von Strom und Spannung und damit höherfrequente Störanteile zu vermeiden. Schirmung. Vermeidung von Konstruktionen, die als Antenne wirken können. Filterung der Netzzuleitung. Räumliche Trennung von Störquellen. Geräte sollten nicht breitbandiger und empfindlicher sein als nötig. Bei der Übertragungsstrecke: Schirmung. Potentialtrennung (Optokoppler, Trenntransformatoren, usw.). Einbau von Filtern. Nichtmetallische Übertragungsstrecke (Lichtwellenleiter). Abschirmung gegen kapazitive Beeinflussung Wie oben gezeigt wurde, ist die Störursache bei kapazitiver Kopplung das elektrische Feld E. Ziel der Abschirmmaßnahmen muß also sein, das E-Feld im Bereich der Störsenke zu reduzieren. Dies wird erreicht, indem Störquelle oder Störsenke mit einem metallisch leitenden Schirm umgeben werden. Der Schirm wird zusätzlich niederohmig mit dem Bezugspotential des geschirmten Gerätes verbunden. Mit einer lückenlosen Schirmung aus massivem Blech lassen sich praktisch beliebig hohe Schirmdämpfungen erzielen. Wird dagegen perforiertes Material zur Abschirmung verwendet (z.b. Maschendraht, Lüftungsschlitze usw.), so ist die Schirmdämpfung begrenzt. Die Feldlinien haben einen Durchgriff durch die Abschirmung. Institut für Hochspannungstechnik Schinkelstraße Aachen

7 7 Abschirmung gegen induktive Beeinflussung Störursache bei magnetischer Beeinflussung ist das magnetische Feld H q der Störquelle. Eine wirksame Abschirmung muß deshalb die magnetische Feldstärke im Bereich der Störsenke reduzieren. Ein Maß für die Qualität der Abschirmung ist die Schirmdämpfung a s. a s H a 20 lg H i H a : magnetische Feldstärke außerhalb der Schirmung H i : magnetische Feldstärke innerhalb der Schirmung Eine magnetische Abschirmung kann dadurch erzielt werden, daß das zu schirmende Gerät ganz oder teilweise mit ferromagnetischem Material umgeben wird. Wegen der guten magnetischen Leitfähigkeit des Materials verlaufen die Feldlinien im wesentlichen durch die Abschirmung. Der Innenraum bleibt somit weitgehend feldfrei. Um hohe Werte für die Schirmdämpfung zu erzielen, muß ein Werkstoff mit hoher Permeabilität verwendet werden und die Dicke d der Bleche muß ausreichend groß sein (Bild 8). Abb. 8: Schirmdämpfung von Hohlzylindern aus ferromagnetischem Material Magnetostatische Schirme sind für alle Frequenzen (insbesondere auch für statische Felder) wirksam. Bei hohen Frequenzen steigt die Schirmdämpfung aufgrund von Wirbelströmen sogar noch an. Höherfrequente Wechselfelder lassen sich einfacher mit unmagnetischen, leitfähigen Materialien abschirmen. Ursache dafür sind Wirbelströme, die aufgrund der magnetischen Wechselfelder in der Abschirmung induziert werden und (nach der Lenzschen Regel) stets so gerichtet sind, daß sie ihrer Entstehungsursache entgegenwirken. Tel 0241 / Fax 0241 /

8 8 EMV Störungseinkopplung Unterhalb einer konstruktionsabhängigen Grenzfrequenz ist die Schirmdämpfung praktisch Null, oberhalb dieser wird mit wachsender Frequenz die Schirmdämpfung immer größer (Bild 9). Abb. 9: Schirmdämpfung von Wirbelstromschirmen (Hohlzylinder r 0 = 3 cm) Wird als Schirmmaterial kein massives Blech, sondern perforiertes Blech (Lüftungsschlitze) oder Maschengitter verwendet, so kann die Dämpfung für hohe Frequenzen nicht beliebig groß werden. Ab einer durch den Perforationsgrad vorgegebenen Frequenz bleibt die Schirmdämpfung konstant. Dieser Umstand ist für breitbandige Abschirmung ungünstig, da nach Abschnitt die Stärke der Beeinflussung mit größerer Frequenz ansteigt. Abb. 10: Schirmdämpfung für verschiedene Schirme aus perforiertem Blech (Hohlzylinder r 0 = 3 cm) 12.3 Versuchsbeschreibung und Aufgabenstellung Als Beispiel für galvanische Beeinflussung wird in diesem Versuch die Kopplungsimpedanz eines Kabels für verschiedene Frequenzen ausgemessen. Außerdem werden die induktive und die kapazitive Beeinflussung demonstriert. Die Wirksamkeit von Abschirmungen gegen diese Beeinflussung bei unterschiedlichen Frequenzen wird untersucht. Institut für Hochspannungstechnik Schinkelstraße Aachen

9 9 Als Störquelle dient dabei ein Schwingkreis nach Abbildung 11. Abb. 11: Prüfschaltung zur Erzeugung von Störimpulsen Der Kondensator C wird auf die Spannung U 0 aufgeladen. Nach Zünden der Funkenstrecke entsteht eine gedämpfte Schwingung mit der Frequenz: 1 f. 2 LC Die Stromamplitude ergibt sich aus der Energiebilanz: W el 1 CU W magn. 1 LIˆ 2 2 daraus folgt: I U C 0 L Diese Anordnung erzeugt in ihrer unmittelbaren Umgebung elektrische und magnetische Störfelder. Störsenken sind im Versuch Leiterstücke bzw. Leiterschleifen. Die eingestreuten Spannungen werden auf einem Digitalspeicheroszilloskop (DSO) angezeigt Messung der Kopplungsimpedanz einer Koaxialleitung Aufbau: Messen: Rechnen: Mit der Prüfschaltung nach Abb. 11 werden Ströme verschiedener Frequenzen, durch variieren der Induktivität L, in den Kabelmantel eines Koaxialkabels der Länge l = 2 m eingeprägt. Die Ladespannung U 0 des Kondensators C beträgt 20 kv. Störspannung einer am Ende kurzgeschlossenen Leitung. Kopplungsimpedanz bei den untersuchten Frequenzen Tel 0241 / Fax 0241 /

10 10 EMV Störungseinkopplung Abb. 12: Messaufbau zur Bestimmung des Kopplungsimpedanz einer Koaxialleitung f/khz L/ H I/A U q /V Z k / /m Messung der kapazitiven Beeinflussung auf ein Leiterstück Aufbau: Messen: Ein 10 cm langes Leiterstück wird dem elektrischen Wechselfeld der Prüfschaltung (Bild 11) ausgesetzt. Zusätzlich kann eine metallische Abschirmung um das Leiterstück montiert werden. Die Ladespannung U 0 des Kondensators C beträgt 30 kv. Eingestreute Spannung ohne Abschirmung, mit perforierter Abschirmung und mit massiver Abschirmung Abb. 13: Ohne Abschirmung Massive Abschirmung Messaufbau zur Bestimmung des kapazitiven Beeinflussung auf ein Leiterstück Perforierte Abschirmung U q /V Messung der induktiven Beeinflussung auf eine Leiterschleife Aufbau: Messen: Eine Leiterschleife wird dem magnetischen Wechselfeld der Prüfschaltung nach Abb. 11 mit unterschiedlichen Frequenzen ausgesetzt. Die Ladespannung U 0 des Kondensators C beträgt 60 kv. Eingestreute Spannung ohne Abschirmung, mit perforierter Abschirmung, mit Aluminiumabschirmung und mit magnetischer Abschirmung. Institut für Hochspannungstechnik Schinkelstraße Aachen

11 11 Außerdem: Messung der eingestreuten Spannung in einer gekreuzten Leiterschleife. Rechnen: Schirmdämpfung: a s H 20 lg H a i für die drei Schirmarten bei den untersuchten Frequenzen unter der Annahme U q H q. Abb. 15: f / khz Messaufbau zur Bestimmung des induktiven Beeinflussung auf eine Leiterschleife U q / V Ohne Schirm U q / V Perfor. Sch. a s / db U q / V Aluschirm a s / db U q / V Magnet. Sch. a s / db U q / v Gekr. Leiter Tel 0241 / Fax 0241 /

12 12.4 Literaturquellen /1/ DIN VDE 0432 Teil 5 (Hochspannungs-Prüftechnik) /2/ D. Stoll (Hrsg): EMC-Elektromagnetische Verträglichkeit Elitera-Verlag, Berlin 1976 /3/ J. Wilhelm u.a.: Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Expert Verlag, 2. Auflage 1983 /4/ K. Küpfmüller: Einführung in die theoretische Elektrotechnik Springer-Verlag, 11. Auflage 1984 /5/ Bey 86 M. Beyer, W. Boeck, K. Möller, W. Zaengl; Hochspannungstechnik; Springer-Verlag; Berlin, Heidelberg Institut für Hochspannungstechnik Schinkelstraße Aachen