Störgrößen: Quellen und Auswirkungen

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1 Störgrößen: Quellen und Auswirkungen Auswirkung auf die Netzspannung (kontinuierliche Störgrößen) Störquelle Störphänomen Auswirkung große Last hoher Strom Spannungseinbruch E-Motore oder Trafos usw. Phasenverschiebung Oberschwingungen (Sättigung, M-Kurven) (Blindleistung) EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 1

2 Störquelle Störphänomen Auswirkung Ursache Gleichrichter nichtlinearer Strom Oberschwingungen gesteuerte Kommutierungen Kommutierungs- Gleichrichter schwingungen EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 2

3 Auswirkung auf die Netzspannung? Problem (diskontinuierliche (sporadisch, Stichwort 80%) Störgrößen) Störquelle Störphänomen Auswirkung Schalter/Kontakte Rückzündungen Burst atmosphärische Spike Überspannungen Entladungen (Surge) EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 3

4 Störquelle Störphänomen Auswirkung Kurzschluss Sicherungsfall Unterbruch/Überspannung Taktantriebe Stromspitzen Flicker/ Helligkeitsschwankungen EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 4

5 Tabelle 2.1: Störquellen und deren Phänomene im Frequenzbereich EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 5

6 Frequenzspektrum/Störer leitungsgebunden gestrahlt Kontakte Schützspulen Schaltlichtbögen Stromrichter Leistungsleitungen Leistungsschalter Schaltnetzteile Motoren Galvanische Kopplung oder induktive Kopplung oder kapazitive Kopplung Galvanische Kopplung? Induktive Kopplung? Kapazitive Kopplung? Rechner Leuchtstofflampen Wellen- und 30 MHz Strahlungskopplung? Strahlungskopplung 10 k 100 k 1 M 10 M 100 M 1 G f/hz EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 6

7 Oberschwingungen und Spannungsschwankungen Mit den o. g. Problemen werden sich drei Gruppen befassen müssen: 1. Die Geräte- bzw. Anlagenbetreiber, die Oberschwingungsbelastungen in das Netz zurückspeisen. Verantwortlich sind z. B. folgende Geräte: Energiesparlampen, Netzteile von Computern, Dimmer, regelbare Gleichstromantriebe und Frequenzumrichter EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 7

8 2. Andererseits gibt es Endverbrauchsgeräte, die auf Oberschwingungen empfindlich reagieren und deshalb eine Mindestqualität der Netzspannung verlangen, wie z. B. Computer, SPS, Blindstromkompensationsanlagen, Rundsteueranlagen usw. 3. Als dritte Interessengruppe sind die VNB (Versorgungsnetzbetreiber) zu sehen. Da die/der VNB üblicherweise nicht Verursacher von Netzstörungen ist, sondern als Lieferant jedoch für die Qualität der Netzspannung verantwortlich sind/ist, muss auch von dieser Seite aus von einem hohen Interesse an saubere Netze ausgegangen werden EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 8

9 Störungen durch Netzoberschwingungen (VdS-Richtlinie 2349 Störungsarme Elektroinstallation ) U I C R U d u,i i u d u t emv25.dwg EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 9

10 Störungen durch Netzoberschwingungen Impulsförmiger Strom flacht die Netzspannung ab Beispiel aus der Praxis EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 10

11 Verursacher elektronischen Vorschaltgeräten in Leuchten und Lichtregelanlagen, Energiesparlampen, Dimmer Schaltnetzteilen in EDV-Anlagen wie PC, Drucker, Scanner, Telefonanlagen, Audio- und Videotechnik, Kopiergeräte Ladegeräte Kleinschweißgeräte Systemteile von Prozess- oder Gebäudeleittechniken Frequenzumrichter mit kleiner Leistung (am 230 V-Netz) (bis zu einigen kw) EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 11

12 Störungen durch Netzoberschwingungen Oberschwingungsströme verfügen über ein breites EM-Störpotential. Verzerrung von Strom und Spannung Beeinflussung von Drehfeldern Erhöhung des Stroms im Neutralleiter Erhöhung des Scheitelwertes von Strom und Spannung Erhöhung der Leistungsverluste und Blindleistung im Netz Anregung von hohen Strömen und Spannungen durch Resonanzkreisbildung Störungen von Einrichtungen zur Übertragung von Rundsteuersignalen Verfälschung von Messwerten EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 12

13 Störungen durch Netzoberschwingungen Verzerrung von Strom und Spannung EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 13

14 Beeinflussung von Drehfeldern Probleme mit der EMV entstehen durch die unterschiedlichen Drehrichtungen der Oberschwingungen. bei richtiger Reihenfolge der Außenleiter (L1, L2, L3)... ein rechts umlaufendes Drehfeld. 50 Hz Drehfeld EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 14

15 Oberschwingungen der 5. und 11. Ordnung drehen gegen das vorhandene Drehfeld der 50-Hz-Grundschwingung und bewirken somit eine Abschwächung des Drehfelds für einen Asynchronmotor. 250 Hz, 5. OS Drehfeld 50 Hz Drehfeld 1050 Hz, 11. OS Drehfeld Dies hat zur Folge, dass das Drehmoment des Motors reduziert wird. Der Motor nimmt einen höheren Strom auf und erwärmt sich. Andere Oberschwingungen drehen zwar in gleicher Richtung wie die Grundschwingung, jedoch mit einer höheren Drehzahl dies lässt den Motor unruhig laufen und erhöht die Verluste EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 15

16 Erhöhung des Stroms im Neutralleiter Die Phasenströme z. B. der 3. Oberschwingung (150-Hz- Nullsystem) bilden überhaupt kein Drehfeld und addieren sich im Sternpunkt. Sie fließen daher in Summe über den N-Leiter zur Einspeisung zurück. Trotz gleichmäßiger Lastverteilung auf die drei Außenleiter (hier EVGs) ist der resultierende N-Leiterstrom größer als der Außenleiterstrom. L1 L2 L3 breiten sich stromaufwärts aus EVGs N EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 16

17 L1 L2 L3 Querschnitt ausreichend? Energiesparleuchten N Beim N-Leiter gilt: Oft ist mehr drin als man glaubt! 50 Hz, 150 Hz, 250 Hz, 350 Hz... Ströme EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 17

18 L L Addition der 3. Harmonischen im Neutralleiter L N f i/î / % Die Physik fordert: Die Summe aller hinund rückfließenden Ströme muss zu jedem Zeitpunkt gleich 0 sein EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 18

19 Vergleich Glühlampe mit Kompakt-Sparlampe 20W L 1 Strom Augenblickswert Glühlampe 25 W 200 V/Div. 0,2 A/Div. 5 ms/div. Sparlampe 20 W 200 V/Div. 0,5 A/Div. 5 ms/div. Augenblickswert L 2 Strom L 3 Strom 3 Lampen an 3 Außenleitern 0,5 A/Div. 1 A/Div 5 ms/div. L 1 Strom L 2 Strom L 3 Strom EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 19

20 Kompakt-Sparlampe 20W L 1 Strom Eine Periode der Spannung Besonderheiten: 1. Keine Überlappung irgendeiner Spitze mit einer der Spitzen von der Gegenseite L 2 Strom L 3 Strom 2. 2 Spitzen pro Periode in jedem Außenleiter erzeugen 6 Spitzen pro Periode im Neutralleiter L 1 L 2 5 ms/div L EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 20

21 Erhöhung des Scheitelwertes von Strom und Spannung Maßgeblich dafür verantwortlich, dass sich die Scheitelwerte (Crestfaktor) von Strom und Spannung erhöhen, sind die Oberschwingungen der niedrigen Ordnungszahlen, bis zur 9. Ordnung. Grundschwingung (50 Hz) 3. OS Durch Addition in einer Phase 7. OS 5. OS EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 21

22 Erhöhung der Leistungsverluste und Blindleistung im Netz Grundlagen Leistung (Es gibt vier Arten der Leistung) Wirkleistung (W) - Umwandlung in Wärme oder nutzbare Arbeit - P = U x I x cos phi Blindleistung (VAr) - Aufbau eines Magnetfeldes oder Aufladen eines Kondensators - Q = U x I x sin phi Scheinleistung (VA) - Entspricht der effektiven Belastung einer Stromversorgung - S = U x I cos phi = ist das Verhältnis der Wirkleistung zur Scheinleistung ohne Oberschwingungen sin phi = ist das Verhältnis der Blindleistung zur Scheinleistung ohne Oberschwingungen Neu: Oberschwingungsblindleistung EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 22

23 Neu: Oberschwingungsblindleistung - λ (Lambda) = das Verhältnis der Wirkleistung zur Scheinleistung inkl. aller Oberschwingungsblindleistungen P = S = Q = P = S = Q = EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 23

24 Erhöhung der Leistungsverluste und Blindleistung im Netz In Installationen und den elektrischen Betriebsmittel verursachen Oberschwingungen Leistungsverluste. Verantwortlich dafür sind die verzerrten Ströme und Spannungen. Merke! Wirkleistungsbildend sind nur die Oberschwingungen aus Strom und Spannung die gleichfrequent und phasengleich sind EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 24

25 Anregung von hohen Strömen und Spannungen durch Resonanzkreisbildung Die Impedanz (Z) des Netzes besteht aus ohmschen, induktiven und kapazitiven Widerständen X X C X L fr f Frequenzverhalten? Folgen? EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 25

26 Störungen von Einrichtungen zur Übertragung von Rundsteuersignalen Liegen die Frequenzen der Oberschwingungsströme in der Nähe der Frequenz von Rundsteuersignalen (167 Hz-1350 Hz), so können die Empfänger der Rundsteuersignale gestört werden. In diesem Fall werden die Rundsteuersignale verstärkt (Parallelschwingkreis) oder geschwächt (Reihenschwingkreis) und somit verfälscht EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 26

27 Verfälschung von Messwerten Oberschwingungen sind höherfrequente Schwingungen und können daher nur mit Messgeräten gemessen werden, die für derartige Frequenzen ausgelegt sind. Für die Messung z. B. von Strom und Spannung in einem Netz mit Oberschwingungen ist es daher erforderlich Echteffektivwert-Messgeräte einzusetzen EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 27

28 Zum Abschluss der zuvor besprochenen Störgrößen durch Oberschwingungen sei noch gesagt, dass oberhalb einer Frequenz von 2 khz die Oberschwingungen bezüglich ihrer Wirkung auf die Netzbetriebsmittel keine Rolle mehr spielen. Hier zählen sie als Funkstörgrößen mit ihrer Wirkung auf den Funkempfang EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 28

29 Spannungsschwankungen - Durch Schalten großer Lasten - Einsatz von Schwingungspaketsteuerung für Heizungssteuerungen - störend für den Menschen: Helligkeitsschwankungen/ Flickerstörungen Der Grenzwert beschreibt die zulässige relative Spannungsänderung an den Anschlüssen eines Prüflings zwischen Außenleiter und Neutralleiter (Glühlampe 230 V/60 W). Spannungseinbruch EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 29

30 Magnetische und elektrische Felder Einfache Grundlagen EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 30

31 Das magnetische Feld Fakten 1. Jeder elektrische Strom hat in seiner Umgebung ein magnetisches Feld 2. Magnetische Feldlinien haben eine Richtung 3. Magnetische Feldlinien sind in sich geschlossene Linien 4. Blickt man in Richtung des Stromes auf den Leiterquerschnitt, so sind die Feldlinien im Uhrzeigersinn gerichtet Stromrichtung 5. Korkenzieher- u. Schraubenregel Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 31

32 Der magnetische Fluss Die Summe aller Feldlinien wird magnetischer Fluss Φ genannt Formelzeichen: Φ (Phi) Einheit: Voltsekunde (Vs), Weber (Wb); 1 Vs = 1 Wb Die magnetische Flussdichte Als magnetische Flussdichte bezeichnet man den magnetischen Fluss, der eine bestimmte Fläche senkrecht durchsetzt. Die Flussdichte ist ein Maß für die Stärke des Magnetfeldes. Formelzeichen: B Φ B = = A magnetischer Fluss( Vs) 2 Fläche in( m ) Einheit: Tesla (T = Vs/m 2 ), In der Praxis wird mit mt oder µt gerechnet! EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 32

33 Durchflutung Ursache der magnetischen Wirkung ist die Stromstärke, von der das Magnetfeld durchflutet wird. Man spricht deshalb von der elektrischen Durchflutung Θ. Formelzeichen: Θ (Theta) Θ = I N = Stromstärke( A) Windungszahl Einheit: Ampere (A) Leiter Spule EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 33

34 Magnetische Feldstärke Die Durchflutung Θ pro m oder cm Feldlinienlänge wird magnetische Feldstärke H genannt. Formelzeichen: H Θ H = = lm Einheit: A/m Durchflutu ng ( A) mittlere Feldlinien länge ( m) H = I N l m EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 34

35 Zusammenhang zwischen Feldstärke H und Flussdichte B B Θ ~ B~ H oder l m Die magnetische Flussdichte B ist der magnetischen Feldstärke H proportional! Die magnetische Wirkung hängt weiterhin von dem Material ab, das von den magnetischen Feldlinien durchsetzt wird. Eisen verstärkt die magnetische Wirkung ganz erheblich. Der Materialeinfluss wird durch die Permeabilität (µ) berücksichtigt. B = µ H µ = µ µ 0 r µ = magnetische Permeabilität µ 0 = Feldkonstante (1,257 x 10-6 Vs/Am) µ r = Materialkonstante (z. B. bei Luft = 1, Kupfer = < 1, Eisen, Kobalt, Nickel sowie bestimmte Legierungen ) EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 35

36 Selbstinduktion und Induktivität Wenn ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt wird, dann wird im Leiter eine elektrische Spannung induziert. Generatorprinzip u 0 = N Φ t = B l v B = magnetische Flussdichte in (T) l = wirksame Leiterlänge im Magnetfeld in (m) v = Geschwindigkeit, mit der der Leiter bewegt wird in (m/s) EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 36

37 Selbstinduktion Die Selbstinduktionsspannung ist stets so gerichtet, dass sie der Änderung des Stromes entgegenwirkt. Ursache und Wirkung u 0 = L i t EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 37

38 In der Induktivität wird vom elektrischen Strom Energie in Form eines magnetischen Feldes gespeichert. W: magnetische Feldenergie in Ws L: Induktivität in H I: Stromstärke in A W = L 2 I 2 Verhalten einer Leitung bei höheren Frequenzen R L Ri C PE Ersatzschaltbild einer zweiadrigen Leitung L 1 (Bezugspunkt) Merke: Bei niedrigen Frequenzen, z. B. 50 Hz, und kurzen Leitungsstrecken haben die induktiven und kapazitiven Größen nur einen geringen Einfluss. Bei hohen Frequenzen bestimmen sie praktisch den Leitungswiderstand. zwei einfache Rechenbeispiele EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 38

39 Beispiele L = 1 µh/m (Induktivitätsbelag bei Leitungen); f = 50 Hz; X L = 2 π 50Hz 1µH / m = 0,314mΩ / m L = 1 µh/m; f = 500 khz; X L = 2 π 500kHz 1µH / m = 3,14Ω / m X L erhöht sich proportional mit der Frequenz EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 39

40 Neben der Frequenz, spielt die Induktivität L eine wesentliche Rolle für die Bestimmung des induktiven Widerstands. Diese Induktivität L ist zum einen von der Leitungslänge und der Geometrie des Leiters abhängig. Rechteckigflache Leiter sind besser als Rundleiter Es wird ein Schutzleiterquerschnitt von 16 mm 2 gefordert. Für einen runden Draht kann man in der Regel von einer Induktivitätsbelag von 1 µh/m ausgehen. Bei einer Länge von l = 0,2 m z. B. für einen Massedraht beträgt L = 0,2 µh. Liegt die angenommene Störfrequenz bei 27 MHz so errechnet sich die Impedanz des Massedrahtes zu ωl = 34 Ω. Wird stattdessen ein flacher Leiter mit gleichem Querschnitt (16 mm 2 ) verwendet so ergibt sich für ein Verhältnis von a/b = 7,5 ein Induktivitätsbelag von 0,1 µh/m und bei einer Länge von 0,2 m für L ein Wert von 0,02 µh. Unter Annahme der gleichen Störfrequenz wie zuvor ergibt sich eine Impedanz von ωl = 3,4 Ω EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 40

41 Das elektrische Feld Die elektrische Feldstärke Homogenes elektrisches Feld E = U l E: elektrische Feldstärke in V/m U: Spannung zwischen den Platten in V l: Abstand der Platten in m Inhomogenes elektrisches Feld EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 41

42 Faradayscher-Käfig (Feldfreier Raum) Schirmung EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 42

43 Kapazität des Kondensators Der Kondensator kann elektrische Ladungen speichern. Diese Fähigkeit bezeichnet man als Kapazität. Die Anzahl der so gespeicherten Ladungsträger Q ist um so höher, je höher die anstehende Spannung ist und je größer die Kapazität. Die Größe der Kapazität C wiederum hängt ab von... C ε r ε = 0 A l Fläche der Platten in m 2, Abstand in m, Material, Feldkonstante, Q: gespeicherte Ladung in As U: Spannung in V C: Kapazität in F = As/V Q = C U Da die in der Technik gebräuchlichen Kapazitäten um mehrere Größenordnungen niedriger sind als die Einheit Farad, verwendet man oft Maßvorsätze wie pf = F, nf = 10-9 F, µf = 10-6 F EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 43

44 Lade- und Entladestrom Bei einer steigenden Spannung nimmt der Kondensator Ladungen auf, es fließt ein Ladestrom, und bei einer fallenden Spannung ein Entladestrom. i c : Augenblickswert des Stromes in A C: Kapazität des Kondensators in F = As/V u C: Spannungsänderung am Kondensator in V t: Zeit der Spannungsänderung in s ic = C uc t EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 44

45 Kondensator als Energiespeicher Die im Kondensator gespeicherte Energie wird mit folgender Formel berechnet: U: Spannung an den Belägen in V C: Kapazität in F W: Energie in Ws W = C 2 u EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 45

46 SCHALTEN VON INDUKTIVITÄTEN z. B.: RELAIS, MAGNETVENTILE UDGL. URSACHEN: durch das Ausschalten von Spulen erfolgt nach dem Induktionsgesetz eine hohe Induktionsspannung. Kenndaten einer Relaisspule Ein kurzes Zahlenbeispiel: U dc = 48V, L Relais = 0,3 H, R Cu = 20 Ω, I = 1 A, C Spule = 200pF W = 1 2 L I 2 = 1 2 C U 2 Die in einer Induktivität gespeicherte Energie ==> ohne Schutzbeschaltung: (RC, Varistor usw.) L 0,3H u = i = 1A = 38700V 12 C 2 10 F Fehler EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 46

47 Natürliche Felder Elektrisches Feld (Gewitter) E = 0,5 kv/m bis zu 20 kv/m oder mehr Magnetisches Feld (Erdmagnetfeld) H = 36 A/m B = 45 µt EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 47

48 Technische Felder /m f/hz Strahlung radioaktiver Stoffe Röntgen-Roehren Quarzlampen Lichttechnik Leuchtdioden Waehrmestrahler Mikrowellenherde medizinische Therapie Radaranlagen Funkwellen Rundfunk und Fernsehempfang elektronische Vorschaltgeraete Frequenzumrichter öffentliche Stromversorgung GHz Gamma-Strahlung Röntgen-Strahlung UV-Strahlung sichtbares Licht Infrarot Mikrowellen Radiowelllen Technischer Wechselstrom emv13.dwg Niederfrequenz Hochfrequenz Licht Ionisierende Strahlung EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 48

49 Für niederfrequente Felder gilt: Ursache des elektrischen Feldes ist die Spannung; niederfrequente elektrische Felder sind daher unabhängig vom Strom. Ursache des magnetischen Feldes ist der fließende Strom, niederfrequente magnetische Felder sind daher unabhängig von der Spannung EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 49

50 Felder bei Hochspannungsleitungen Wir betrachten eine typische 380 kv Leitung mit zwei Dreiphasen-Leitungen bei maximaler Leistung und mit minimalen Seilhöhen. Dies ergibt die größten Felder am Boden. Zu Beginn sind zwei animierte Darstellungen des elektrischen und des magnetischen Feldes in unmittelbarer Umgebung der Leitung gegeben. Danach wird der Feldverlauf am Boden dargestellt, speziell das Verhalten bei wachsender Entfernung von der Leitung EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 50

51 Felder im Bereich von Freileitungen Elektrische Feldverteilung nahe bei der Leitung Das elektrische Feld ist in der Umgebung des Mastes relativ groß, fällt aber mit zunehmender Entfernung rasch ab. Die Höhe 11.3 m stellt ein absolutes Minimum dar, das nur bei maximalem Durchhängen der Seile erreicht wird EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 51

52 Magnetisches Feld nahe bei der Leitung Die Magnetfelder sind je nach Verteilung der Phasen unterschiedlich. Hier ist eine Beschaltung dargestellt, die auf möglichst rasches Abfallen der Felder optimiert ist. Dies ist allerdings nur dann der Fall, wenn die Energie in beiden Leitungen in gleicher Richtung fließt. Außerdem ist bei beiden Leitungen der gleiche Strom angenommen. Dies ist im praktischen Einsatz nicht immer gegeben EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 52

53 Magnetisches Feld am Boden Die angegebenen Zahlenwerte stellen absolute "worst case"-werte dar! Das Magnetfeld am Boden ist in der Nähe des Feldes besonders stark, fällt aber mit zunehmender Entfernung d stärker als quadratisch ab, wenn die Verteilung der Phasen auf den beiden Leitungen geeignet gemacht wird. Die angegebenen Zahlenwerte entsprechen dem Zustand, wenn beide Leitungen mit maximaler Leistung betrieben werden. Diese hohen Werte werden in der Praxis nur selten erreicht. Im Durchschnitt sind die Leitungen höchstens zu einem Fünftel ausgelastet EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 53

54 Wenn der Energietransport auf den beiden Leitungen in entgegengesetzter Richtung verläuft, sind die Felder wesentlich verschiedener. Der Maximalwert unter den Seilen wird zwar etwas kleiner, dafür ist jetzt der Abfall der Feldstärke bei größeren Distanzen im wesentlichen quadratisch, was in 100 Meter Distanz einen fast 6-fachen, in 200 Meter Distanz sogar einen fast 9-fachen Wert ergibt, verglichen mit der optimierten Phasenverteilung der parallelen Energieübertragung EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 54

55 Der direkte Vergleich EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 55

56 Felder im Bereich von Freileitungen Donaumast Für die Feldstärke am Erdboden bestimmend sind: - die Spannung für das elektrische Feld Magnetische Flussdichte im Nahbereich von Hochspannungsleitungen - der Strom für das magnetische Feld - die Zahl der Stromkreise und die Anordnung der Leiterseile und Phasenfolge - die Höhe der Leiterseile über der Erde - der seitliche Abstand von der Leitungsachse - die Form bzw. die geometrische Anordnung der aktiven Leiter am Mast EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 56

57 Felder im Bereich von Kabeln Für Felder im Bereich von Kabeln gilt: - Die auftretenden elektrischen Felder sind vernachlässigbar gering. - Bei Einleiterkabeln und bei unsymmetrischer Belastung von Mehrleiterkabeln mit PEN-Leiter treten im Bereich von wenigen Metern relativ hohe Magnetfelder auf. Warum? Magnetische Flussdichteverteilung im Bereich von Hochspannungskabeln EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 57

58 Berechnungsbeispiel Einphasensystem Leiteranordnung Stromstärke je Leiter in magnetische Feldstärke in A/m A r = 1 m r = 2 m r = 4 m r = 8 m r a = 50 cm r ,5 0,6 Bei Verdoppelung des Abstandes r halbiert sich die Feldstärke (H) H ist proportional 1 / r ,25 0,06 a sehr klein r EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 58

59 Einphasensystem Leiteranordnung Stromstärke je Leiter in magnetische Feldstärke in A/m A r = 1 m r = 2 m r = 4 m r = 8 m Bei Verdoppelung des Abstandes r geht die Feldstärke (H) auf 1/4 zurück H ist proportional 1 / r r ,5 0,6 a = 50 cm r ,25 0,06 a = 5 cm r EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 59

60 Einphasensystem Leiteranordnung Stromstärke je magnetische Feldstärke in Leiter in Der Abstand a geht A/m direkt in A r = 1 m r = 2 m r = 4 m r = 8 m die Größe der Feldstärke (H) ein r ,5 0,6 a = 50 cm r ,25 0,06 a sehr klein r EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 60

61 Einphasensystem Leiteranordnung Stromstärke je Leiter in magnetische Feldstärke in A/m A r = 1 m r = 2 m r = 4 m r = 8 m r H = I / 2πr a = 50 cm r ,5 0,6 H = (I a) / 2πr 2 a = 5 cm r ,25 0,06 H = (I a) / 2πr EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 61

62 Leiteranordnung Stromstärke in A magnetische Feldstärke A/m r = 1 m r = 2 m r = 4 m t 1 t 2 t 2 I 1 I 2 I 3 a a I 1 I 2 I 3 a r a = 10 cm a r a = 10 cm I 1 I 2 I 3 a a a = 50 cm r I 2 = 500 I 1 = I 3 = I 2 /2 I 2 = 0 I 1 = -I 3 = H ist proportional 1 / r 3 I 2 = 0 I 1 = -I 3 = ,5 0,9 H ist proportional 1 / r ,4 4,4 H ist proportional 1 / r 2 Dreiphasensystem Betrachtet innerhalb einer Periode! EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 62

63 Schaltschrankaufbau H = (I a) / 2πr 2 Wechselstromkreis mit 5 A P magnetische Feldstärke im Punkt P 64 A/m a a = 2,5 mm a = 5 cm P Magnetische Feldstärke in einem Punkt/ Abstand 3,2 A/m Abhilfe: Verdrillung/Symmetrierung Ergänzungsbilder EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 63

64 Bewertung der Beeinflussung durch Kabel und Leitungen Grundsätzlich ist die Höhe der magnetischen Induktion B abhängig 1) vom Abstand (r) vom Messpunkt zum Leiter, der das Magnetfeld erzeugt und 2) von der jeweiligen Leiteranordnung EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 64

65 EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 65

66 Zusammenfassung Bei Einleiteranordnung sinkt die Feldstärke bei einer Verdoppelung des Abstandes auf rund die Hälfte das heißt die magnetische Feldstärke nimmt mit 1/r ab. Dies stellt somit den Fall mit der höchsten Beeinflussung dar. Eine solche Anordnung liegt beispielsweise in folgenden Fällen vor: Gebäudeteile (beispielsweise ein Metallrohr) werden zum stromführenden Einleiterkabel, weil im Gebäude ein TN-C-System installiert wurde und dadurch Teil-Betriebsströme über diese Gebäudeteile fließen. Ein Mehrleiterkabel mit 4-Leiter (einschließlich PEN-Leiter) wirkt wie ein Einleiterkabel, weil die Summe der Ströme im Kabel nicht mehr Null ist, da Teil-Betriebsströme über Gebäudeteile zurückfließen. Im ersten Fall wirken die stromführenden Rohre als Einleiterkabel und im zweiten Fall das Mehrleiterkabel selbst (das hier in Summe wie ein Einleiterkabel wirkt). Bei Ein- und Dreiphasenleitern, bei denen hin- und rückfließende Ströme gleich sind (Stromsumme ist Null), sinkt die magnetische Feldstärke bei einer Verdoppelung des Abstands auf etwa ein Viertel das heißt, die magnetische Feldstärke nimmt mit 1/r 2 ab. Bei Spulen bzw. Transformatoren oder Motoren sinkt die magnetische Feldstärke bei einer Verdoppelung des Abstands auf ein Achtel das heißt, die magnetische Feldstärke nimmt mit 1/r 3 ab EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 66

67 Felder im Bereich elektrischer Verbraucher Quellen magnetischer Felder sind beispielsweise: Leuchten, insbesondere an Freileitungen hängende Halogenlampen (hoher Strom!), Haartrockner, Bügeleisen, Elektroherd, Fernsehgerät, Monitore, Durchlauferhitzer (siehe Bild) Beispielsweise ergab eine Messung in der Nähe der Leitungen von Niedervolt- Halogenlampen (P = 6x 35 W, I = 17,5 A), im Abstand von ca. 10 cm, Feldstärken in der Größe von 40 µt. Im Abstand von 20 cm betrug der gemessene Wert noch 8 bis 10 µt, während im Abstand von 1,5 m der gemessene Wert unter 1 µt lag EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 67

68 Entladung statischer Elektrizität (ESD) ESD heißt Electrostatic discharge = Entladung statischer Elektrizität. Das ESD-Phänomen hat generell zwei wesentliche Auswirkungen: Zerstörung elektronischer Bauelemente und Baugruppen durch unsachgemäße Handhabung Zerstörung oder Beeinflussung von elektronischen Geräten und Systemen während des Betriebs EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 68

69 Prinzip der elektrostatischen Aufladung EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 69

70 Überspannungen durch Schalthandlungen Transienten EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 70

71 Gemessener Burst-Impuls EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 71

72 Blitzschlag Das Bild zeigt den angenommenen Blitzstromverlauf mit den wichtigsten Parametern. Folgeschäden Brände durch Kurzschlusslichtbögen EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 72

73 Potentialanhebung Beispiel: geg.: R E = 1 Ω Erderwiderstand; î E ges.: û E Spannungsfall am Erder; = 100 ka Blitzstrommaximum; Das bedeutet: Alle Teile, die mit dem Gebäude verbunden sind, nehmen gegenüber dem Erdpotenzial eine Spannung von 100 kv an. ^ ^ u E = i R = 100 ka 1Ω = 100 kv E E Diese Rechnung berücksichtigt nicht die Induktivität des Leiters! EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 73

74 Induktionsspannungen bei Leiterschleifen M = 5 µh Installationsschleife z. B. Alarmanlage u s = M i t M = Gegeninduktivität M = 0,6 nh Fernmeldeleitung u s i = M l t EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 74

75 Induktiver Spannungsfall in einem Leiter Zur Begrenzung von Überspannungen ist der Einsatz von Blitzstrom- und Überspannungsableitern erforderlich. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Anschlussleitungen zu den Ableitern mit ihren phasen- und erdseitigen Anschlüssen so kurz wie möglich ausgeführt werden. i 1kA umax = L = 1µH = 1kV t 1µs max. Länge nach Norm 0,5 m EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 75

76 EMV-Sachkundiger (Kapitel 2) 76