Praktische Messungen zur IEC/EN Anstiegs- und Abfallzeiten bei Kurzschlüssen an verschiedenen Stellen einer Gebäudeinstallation

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1 Praktische Messungen zur IEC/EN Anstiegs- und Abfallzeiten bei Kurzschlüssen an verschiedenen Stellen einer Gebäudeinstallation Der Normenbezug: IEC/EN IEC/EN Der Teil IEC/EN der Internationalen Normenreihe IEC/EN 61 legt die Störfestigkeitsprüfverfahren und den Bereich bevorzugter Prüfschärfegrade (Prüfpegel) für elektrische und elektronische Geräte (Einrichtungen), die zum Anschluss an Niederspannungs-Stromversorgungsnetze vorgesehen sind, gegenüber Spannungseinbrüchen, Kurzzeitunterbrechungen und Spannungsschwankungen fest. Für die Spannungseinbrüche und Kurzzeitunterbrechungen fordert die IEC/EN Anstiegs- und Abfallzeiten der Prüfspannungsquelle von 1-5µs bei 1Ω Last. Bei einer Nennspannung von 23V bedeutet dies 23V eff /µs bis 46V eff /µs (=325V/µs bis 65V/µs). Die Grundlagen für das Entstehen, die Auswirkungen, Abhilfemaßnahmen, Messmethoden und Messergebnisse (sofern diese vorhanden sind) der in der IEC/EN zu prüfenden elektromagneti- Bild 1: Ersatzschaltbild für Spannungseinbrüche gemäß IEC/EN schen Phänomene werden im technischen Bericht IEC/TR Ed.1. beschrieben. Sie werden vorwiegend als Phänomene behandelt, welche auf dem öffentlichen Versorgungsnetz beobachtet werden und Auswirkung auf Geräte haben, die ihre Energie vom öffentlichen Versorgungsnetz beziehen. Dieses Dokument soll aufzeigen, dass in der Praxis überwiegend Anstiegsund Abfallzeiten von 1-5µs auftreten. Die Hauptursache für das Auftreten von Spannungseinbrüchen auf dem öffentlichen Versorgungsnetz sind elektrische Kurzschlüsse, die an einem beliebigen Punkt des Versorgungsnetzes können. auftreten Ausgangsspannung ohne Belastung ± 5% des Restspannungswertes Spannungsänderung am Ausgang des Generators bei Belastung: 1% Ausgangsspannung, A bis 16A < 5% U T 8% Ausgangsspannung, A bis 2A < 5% U T 7% Ausgangsspannung, A bis 23A < 5% U T 4% Ausgangsspannung, A bis 4A < 5% U T Ausgangsstromtragfähigkeit: 16A Eff je Phase bei U bem. Der Generator muss in der Lage sein: Spitzenstromtragfähigkeit: Darf durch den Generator nicht begrenzt werden Augenblicks-Spitzenwert für das Über-/Unterschwingen der tatsächlichen Spannung, Anstiegs- / Abfallzeit t r der Spannung bei sprunghafter Änderung 2A bei 8% U bem für 5s 23A bei 7% U bem für 3s 4A bei 4% U bem für 3s zu liefern Max. 1A für 25-6V Netzspannung Max. 5A für 2-24V Netzspannung Max. 25A für 1-12V Netzspannung < 5% U T Generator belastet mit 1Ω ohmscher Last Zwischen 1µs und 5µs Generator belastet mit 1Ohm ohmscher Last Phasenverschiebung: -36 Phasenbeziehung der Spannungseinbrüche und Kurzzeitunterbrechungen <± 1 mit energietechnischer Frequenz Nulldurchgangsregelung Generator: ± 1 Ausgangsimpedanz Vorzugsweise ohmsch < (,4+j,25)Ω Auch während der Übergänge Tabelle 1: Anforderungen an die Prüfspannungsquelle gemäß IEC/EN /9

2 Kurzschlüsse sind eine unvermeidbare Erscheinung bei elektrischen Systemen. Die Höhe des Spannungseinbruches ist abhängig vom Beobachtungspunkt in Relation zum Kurzschlusspunkt und den Versorgungsquellen. Zur Veranschaulichung kann untenstehendes Bild 2 dienen. Um der im Technischen Bericht beschriebenen Realität möglichst nahe zu kommen, werden in der IEC/EN die in Tabelle 1 dargestellten Generatoreigenschaften gefordert. Die theoretischen Anstiegs- und Abfallzeiten können anhand einer Simulation bestimmt werden. Die Kabelparameter sind abhängig von der Kabellänge. Als Ausgangssituation wurde ein Kurzschluss direkt an der Last, am Hauseingang oder am Versorgungsnetz simuliert. Bild 2: Ersatzschaltbild Kurzschluss im Leitungssystem Die für die Simulation zugrundeliegende Netzimpedanz ist die in der IEC/EN definierte Referenzimpedanz mit,4+j,25 Ohm. Simuliert wurde das Verhalten einer reellen Last mit 16A Nennstrom bei einem in der Nähe (2m Leitung) auftretendem Kurzschluss bei einem Kabelquerschnitt von 1,5mm². Die Anstiegs- und Abfallzeiten der Versorgungsspannung bei einem solchen Kurzschluss zeigen uns die Diagramme. Im zeitlich höher aufgelösten Bild 4 erkennt man deutlich eine Abfallzeit der Spannung in der Größenordnung von 5µs. Um die in der Realität vorkommenden Anstiegs- und Abfallzeiten zu untersuchen, wurden mehrere praktische Kurzschlussmessungen durchgeführt. Die Messergebnisse wurden dann mit den vorher errechneten Simulationsergebnissen verglichen. Bild 3: Spannungsverlauf Simulation (1ms/DIV) Bild 4: Spannungsverlauf Simulation (5µs/DIV) 2/9

3 PRAKTISCHE KURZSCHLUSSMESSUNGEN Um die in der Realität vorkommenden Anstiegs- und Abfallzeiten zu untersuchen, wurden mehrere praktische Kurzschlussmessungen durchgeführt. Dazu stand eine Gebäudeinstallation zur Verfügung, an der zwei Labortischgruppen angeschlossen sind. Die Gebäudeinstallation kann durch folgendes Ersatzschaltbild dargestellt werden, das durch Vermessen der Installation bestimmt wurde: Real vermessenes Netz: Teilstück Teilstück 1 Teilstück 2 L18 R26 L2 R28 L21 R29 L24 R uH 8m 5.375uH 18m uH 59m uH 831m V4 VOFF = VAMPL = 325 FREQ = 5 C12 V+.5n C n C16 3.5n V+ C17 3.3u V- V- L19 R uH 69m C14 C15.5n 2 L uH.5n 2 L uH 1 1 R32 R3 46m R33 R31 243m 1.531k 1.312k U4 TCLOSE = 15m TTRAN = 1n Abzweig 1 (Labortischgruppe1) Abzweig 2 (Labortischgruppe2) Bild 5: Ersatzschaltbild Gebäudeinstallation Im Ersatzschaltbild sind drei Teilstücke sowie zwei Abzweigungen zu sehen. Am Eingang befindet sich eine ideale Quelle mit 23V und 5Hz. Die Teilstücke bis 2 repräsentieren die Abschnitte einer Stromschiene. An diese angeschlossen sind zwei Labortischgruppen mit je ca. 5m Anschlussleitung. Am Ende des Teilstückes 2 wurde ein 35m langes Kabel angeschlossen, an das wiederum unterschiedliche Lasten (in Abbildung: EUT=3,3uF) angeschlossen wurden. Die Leitungsinduktivitäten und -kapazitäten wurden anhand der Kabelparameter des Berichtes Simulation of short circuit on different places and influences on rise time von Herrn Lutz, Fa. EMC Partner AG wie folgt ermittelt: 1.75 μ.75 μ Die Serienwiderstände der einzelnen Leitungsabschnitte wurden durch Belastung und Messung des Spannungsabfalls errechnet. 3/9

4 Praktische Messung 1: Kurzschluss zwischen ohne Belastung Abfallzeit ca. /µs Abfallzeit ca. 3V/µs Abfallzeit ca. 3V/µs Bild 6: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 1 (5ms/DIV) 15V Auflösung 1µs/DIV 5V -V -5V - -15V 2.97ms 2.98ms 2.99ms 2.1ms 2.11ms 2.12ms 2.13ms 2.14ms 2.15ms 2.16ms 2.17ms V(R35:2,R32:1) V(R33:2,R33:1) Bild 7: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 1 (1µs/DIV) 15V Auflösung 5µs/DIV 5V -V -5V - -15V 2.8ms 2.1ms 2.12ms 2.14ms 2.16ms 2.18ms 2.2ms 2.22ms 2.24ms 2.26ms 2.28ms 2.3ms V(R35:2,R32:1) V(R33:2,R33:1) 4/9

5 Praktische Messung 2: N mit 6W Gleichrichterlast u1 n1 Bild 8: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 1 (5µs/DIV) Abfallzeit ca. 3V/µs Abfallzeit ca. 6V/µs Abfallzeit ca. 35V/µs t1 n1 1 3, t2 n2 1 3, t3 n3 1 3 Bild 9: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 2 (5ms/DIV) 5/9

6 Praktische Messung 3: N mit,1uf//268ω Abfallzeit ca. 3V/µs u1 n Abfallzeit ca. 8V/µs Abfallzeit ca. 65V/µs 4V t1 n1 1 3, t2 n2 1 3, t3 n3 1 3 Bild 1: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 3 (5ms/DIV) 3V Auflösung,5µs/DIV V ms 3.798ms 3.8ms 3.82ms 3.84ms 3.86ms 3.88ms 3.81ms 3.812ms 3.814ms 3.816ms V(R37:2,R32:1) V(R33:2,R33:1) 4V Bild 11: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 3 (,5µs/DIV) 3V Auflösung 5µs/DIV V ms 3.8ms 3.82ms 3.84ms 3.86ms 3.88ms 3.9ms 3.92ms 3.94ms 3.96ms 3.98ms 4.ms V(R37:2,R32:1) V(R33:2,R33:1) Bild 12: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 3 (5µs/DIV) 6/9

7 Praktische Messung 4: N mit 1uF in Serie 16,5Ω Abfallzeit ca. 2V/µs Abfallzeit ca. 4V/µs 15 35V t2 n2 1 6, t3 n3 1 6 Bild 13: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 4 (5ms/DIV) 3V Auflösung,5µs/DIV 25V 15V 5V V 3.794ms 3.796ms 3.798ms 3.8ms 3.82ms 3.84ms 3.86ms 3.88ms 3.81ms 3.812ms 3.814ms V(C17:2,R36:1) V(R33:2,R33:1) 35V Bild 14: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 4 (,5µs/DIV) 3V Auflösung 5µs/DIV 25V 15V 5V V 3.78ms 3.8ms 3.82ms 3.84ms 3.86ms 3.88ms 3.9ms 3.92ms 3.94ms 3.96ms 3.98ms 4.ms V(C17:2,R36:1) V(R33:2,R33:1) Bild 15: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 4 (5µs/DIV) 7/9

8 Praktische Messung 5: N mit,1uf in Serie 16,5Ω Abfallzeit ca. 2V/µs Abfallzeit ca. 4V/µs V t2 n2 1 6, t3 n3 1 6 Bild 16: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 5 (5ms/DIV) 3V Auflösung,2µs/DIV V ms 3.8ms 3.81ms 3.82ms 3.83ms 3.84ms 3.85ms 3.86ms 3.87ms 3.88ms 3.89ms V(C17:2,R36:1) V(R33:2,R33:1) 4V Bild 17: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 5 (,2µs/DIV) 3V Auflösung 5µs/DIV V ms 3.8ms 3.82ms 3.84ms 3.86ms 3.88ms 3.9ms 3.92ms 3.94ms 3.96ms 3.98ms 4.ms V(C17:2,R36:1) V(R33:2,R33:1) Bild 18: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 5 (5µs/DIV) 8/9

9 Praktische Messung 6: N L1 und N Abfallzeit ca. 1V/µs Abfallzeit ca. 18V/µs Abfallzeit ca. 15V/µs u1 n t1 n1 1 3, t2 n2 1 3, t3 n3 1 3 Bild 19: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 6 (5ms/DIV) Praktische Messung 7: Kurzschluss zwischen L1 und L2 mit,1uf//268ω Abfallzeit ca. /µs Abfallzeit ca. 3V/µs Abfallzeit ca. 3V/µs u1 n t1 n1 1 3, t2 n2 1 3, t3 n3 1 3 Bild 2: Spannungsverlauf im Kurzschlussfall Messung 7 (5ms/DIV) FAZIT: Allgemein ist durch diese praktischen Messungen festzustellen: 1. Je näher man sich am Kurzschluss befindet, desto schneller sind die Anstiegs- und Abfallzeiten. 2. Direkt am Kurzschluss sind die Anstiegs- und Abfallzeiten sogar schneller als 1us. 3. Abhängig von der Belastung und des Entfernungsortes vom Kurzschluss ergeben sich unterschiedliche Anstiegs- und Abfallzeiten, die meistens im Bereich 1-5us liegen. Durch die gute Übereinstimmung der Simulation mit den Messungen kann davon ausgegangen werden, dass die Simulation der Realität sehr nahe kommt. Somit sind die in der IEC/EN definierten Anforderungen an die Prüfspannungsquelle von eminenter Wichtigkeit zur Durchführung realitätsnaher Prüfungen. /weblink/112 9/9