1. Wer viel misst,
misst Mist?
Ungewöhnliche und unerwartete Messfehler
Stefan Fassbinder
Deutsches Kupferinstitut
Am Bonneshof 5
D-40474 Düsseldorf
Tel.: +49 211 4796-323
Fax: +49 211 4796-310
sfassbinder@kupferinstitut.de
stf@eurocopper.org
www.kupferinstitut.de
2. Das Deutsche Kupferinstitut, die
Auskunfts- und Beratungsstelle
für die Anwendung von Kupfer und
dessen Legierungen, informiert und berät:
Handel
Handwerk
Industrie
Forschung
Hochschulen
Künstler
Studenten
Privatpersonen
Mittels
Post
Telefon
Telefax
E-Mail
Web-Seite
Online-Datenbank
oder persönlich
3. Dreheisen-Messwerk:
Echt-Effektivwert-Anzeige
Drehspul-Messwerk:
Mittelwert-Anzeige, unter Verwendung
einer Gleichrichterbrücke Betragsmittelwert
Analoge Mess-Systeme: Unbedeutender Preis-Unterschied
zwischen Mittelwert- und Echt-Effektivwert-Anzeige, aber
nicht mehr gebräuchlich
Digitale Mess-Systeme:
Echt-Effektivwert-Anzeige erheblich teurer!
1. Echt effektiv oder frisierter
Mittelwert?
Der Effektivwert eines Wechsel- oder
Mischstroms ist der Wert, den ein glatter Gleichstrom haben
müsste, um die gleiche thermische Wirkung zu erzielen
4. 1. Böse Falle: Strom ungleich Strom
î = 1A,
R = 1,
ûR = R*î = 1V
UR = 1V,
I = 1A
pR = uR*i = uR²/R = 1W,
WR = 20ms*1W = 20mJ
pR = uR*i = uR²/R = 1W,
WR = 20ms*1W = 20mJ
-4W
-3W
-2W
-1W
0W
1W
2W
3W
4W
0ms 5ms 10ms 15ms 20ms
t
p
-4W
-3W
-2W
-1W
0W
1W
2W
3W
4W
0ms 5ms 10ms 15ms 20ms
t
p
î = 2A,
R = 1,
ûR = R*î = 2V
UR = 1,414V,
I = 1,414A
1A 1Ω
1V
I
U
-4A
-3A
-2A
-1A
0A
1A
2A
3A
4A
0ms 5ms 10ms 15ms 20ms
t
i
-4A
-3A
-2A
-1A
0A
1A
2A
3A
4A
0ms 5ms 10ms 15ms 20ms
t
i
q = 2*10ms*1A = 20mAs
je Periode
q = 2*5ms*2A = 20mAs
je Periode
pR = uR*i = ûR²/R = 4W
WR = 2*5ms*4W = 40mJ
ī = 1A
(6,25*1018
Elektronen/Sekunde)
ī = 1A
(6,25*1018
Elektronen/Sekunde)
PMittel = 2W
P = 1W
0A 1Ω
0V
I
U
2A 1Ω
2V
I
U
5. 0A
0V
2A
2V
1. Böse Falle: Strom ungleich Strom
î = 1A,
UBatt = 1V,
I = 1A -4W
-3W
-2W
-1W
0W
1W
2W
3W
4W
0ms 5ms 10ms 15ms 20ms
t
p
-4W
-3W
-2W
-1W
0W
1W
2W
3W
4W
0ms 5ms 10ms 15ms 20ms
t
p
î = 2A
ī = 1A
uBatt = const = 1V
P = uBatt * ī =
1W
-4A
-3A
-2A
-1A
0A
1A
2A
3A
4A
0ms 5ms 10ms 15ms 20ms
t
i
-4A
-3A
-2A
-1A
0A
1A
2A
3A
4A
0ms 5ms 10ms 15ms 20ms
t
i
q = 2*10ms*1A = 20mAs
je Periode
pBatt = UBatt*i = 1W,
WBatt = 20ms*1W = 20mJ
q = 2*5ms*2A = 20mAs
je Periode
pBatt = UBatt*i = 2W
WBatt = 2*5ms*2W = 20mJ
ī = 1A
(6,25*1018
Elektronen/Sekunde)
ī = 1A
(6,25*1018
Elektronen/Sekunde)
P = 1W
PMittel = 1W
1A
1V
I
U
I
U
9. Was ist eigentlich THD?
Zum Beispiel eines Dreieckstroms
von 1 A und Tast-Verhältnis 1/7:
THDr (root mean square) = 863mA/1000mA (Klirrfaktor) = 86 %
THDf (fundamental) = 863mA/502mA = 172 %
-6A
-5A
-4A
-3A
-2A
-1A
0A
1A
2A
3A
4A
5A
6A
0ms 5ms 10ms 15ms 20ms
t
i
Quadratwerte
Ohne
Grundschwingung: 502 mA 251986 mA² Grundschwingung
3. Harmonische: -479 mA 229000 mA² 229000 mA²
5. Harmonische: 434 mA 188595 mA² 188595 mA²
7. Harmonische: -374 mA 139903 mA² 139903 mA²
9. Harmonische: 304 mA 92527 mA² 92527 mA²
11. Harmonische: -232 mA 53671 mA² 53671 mA²
13. Harmonische: 163 mA 26600 mA² 26600 mA²
15. Harmonische: -104 mA 10780 mA² 10780 mA²
17. Harmonische: 57 mA 3299 mA² 3299 mA²
Summe der Quadrate: 996362 mA² 744377 mA²
Wurzel hieraus: 998 mA (eff.) 863 mA
10. 2. Messfehler der Strom-Ober-
schwingungen auf Grund von
Spannungs-Oberschwingungen
Z. B. beim
Betrieb
von 1000
Kompakt-
Leuchtstoff-
lampen
zu je 11 W
(15 VA) an
einem 15-
kVA Trans-
formator
14. Dies trifft
nur zu,
solange
die Außen-
leiter an-
nähernd
gleich-
mäßig
belastet
sind
Warum überwiegt im Strom
immer die 3., in der Spannung
aber die 5. Oberschwingung?
15. Z. B. durch
Einsatz des
falschen
Trans-
formators
3. Selbst verschuldete zusätz-
liche Spannungs-Ober-
schwingungen im Messkreis
16. 3. Selbst verschuldete zusätz-
liche Spannungs-Ober-
schwingungen im Messkreis
Ohne
Einfluss des
Trans-
formators
Mit Einfluss
des Trans-
formators
19. 5. Parallele Leiter
Was die Hogeschool
West-Vlaanderen,
Kortrijk, herausfand…
Leiter L1 L2 L3
Leiter 1 330 A 206 A 72 A
Leiter 2 145 A 147 A 141 A
Leiter 3 109 A 166 A 136 A
Leiter 4 109 A 173 A 236 A
Leiter 5 153 A 128 A 135 A
Leiter 6 104 A 119 A 33 A
Leiter 7 115 A 205 A 289 A
Leiter 8 181 A 307 A 170 A
Summe 1246 A 1451 A 1212 A
*>47,7°C
*<27,3°C
28,0
30,0
32,0
34,0
36,0
38,0
40,0
42,0
44,0
46,0
*>47,7°C
30,0
32,0
34,0
36,0
38,0
40,0
42,0
44,0
46,0
20. 5. Parallele Leiter
…was ein einfacher
Versuch zeigte…
ohne mit
Kabelkanal um Leiter 1
Leiter 1: 249,1 A 242,6 A
Leiter 2: 240,2 A 240,4 A
Leiter 3: 247,0 A 246,2 A
21. 5. Parallele Leiter
• Fertigungs-Toleranzen
• Unterschiedliche Leitungslängen auf Grund
unterschiedlicher Biegeradien
• Unterschiedliche Erwärmung
…und wie eine Fachzeitschrift
den Unterschied erklärte:
22. 6. Fußangeln beim Erden und
beim Erdungs-Widerstand
6.1 Die Hilfserder
zum Messen des Erdungs-Widerstands haben selbst einen erheblich
höheren Erdungs-Widerstand als das zu messende Objekt!
6.2 Fremdspannungen
können sich durch galvanische Wirkungen oder Betriebsströme im
Erdungssystem bilden und die Funktion stören.
6.3 Die Strombelastbarkeit
ist wichtig, wird aber von üblichen Messmethoden nicht erfasst.
6.4 Z enthält R und X
Eine Blitzstoßspannung zählt mit Steilheiten um 100 kV/µs als hoch-
frequenter Vorgang, der von Reaktanzen entsprechend beeinflusst
wird.
6.5 Unlinearitäten
Andererseits erhöht der Einschlag die Leitfähigkeit des Erdreichs.
6.6 Geerdet oder nur verbunden?
Den Widerstand des PA mit dem Erdungs-Widerstand verwechselt.
23. 6.1. Die Hilfserder beim Messen
haben einen erheblich höheren Erdungs-
Widerstand als das zu messende Objekt!
Hilfserder 2,
z. B. RE2 = 93
Messobjekt,
z. B. RE0 = 2
Hilfserder 1,
z. B. RE1 = 87
24. 6.2 Fremdspannungen
Wenn so viel
Strom auf
Grund falscher
Netzform schon
im Erdungs-
system fließt,
gibt’s
Störungen in
der EDV
25. 6.3 Die Strom-Belastbarkeit ist
mindestens so wichtig wie der
Erdungs-Widerstand!
Also keine Messmittel mit Prüfströmen im
Milliampere-Bereich verwenden!
Manche
Sachverständige
empfehlen gleich den
Einsatz eines
Schweißtrafos!
26. 6.4 Das Erdungssystem hat
mehrere Aufgaben:
Große netzfrequente Fehlerströme ableiten
Kleine hochfrequente Leckströme ableiten
Große »hochfrequente« Blitzströme
ableiten
22
2 fLRZ
27. 6.4 Das Erdungssystem hat
mehrere Aufgaben:
Große netzfrequente Fehlerströme ableiten
100Aeff bei 50Hz 44A/ms
28. 0kA
10kA
20kA
30kA
40kA
50kA
60kA
70kA
80kA
90kA
100kA
110kA
0µs 1µs 2µs 3µs 4µs 5µs 6µs 7µs 8µs 9µs 10µs
t
i
tR
tS
6.4 Das Erdungssystem hat
mehrere Aufgaben:
Große hochfrequente Blitzströme ableiten
60kA in 1,2µs 50kA/µs
Ausbreitungs-
Geschwindigkeit
der Stoßwelle:
299.792,5 km/s!
29. 1 Kupferatom hat 29 Elektronen. Davon ist eines beweglich.
1 Mol Kupfer (63,546g entsprechend 7,108cm³)
enthält L = 6,02*1022 Atome (Loschmidtsche Zahl).
1 g Kupfer enthält somit 9,47345*1021 Elektronen.
Je Gramm sind also 3,26671*1020 beweglich,
das macht 3,654*1019 je Kubikzentimeter.
Eine Stromstärke von 1 A bedeutet, dass an jeder
Stelle des Leiters pro Sekunde 6,25*1018 Elektronen
vorbei fließen (denn jedes Elektron führt eine Ladung
von e = 1,9*10-19 As mit sich).
Das ergibt bei 16 A in einer Installationsleitung
mit 1,5 mm² etwa 0,8 mm/s.
Im Kurzschlussfall können es auch mal 50 mm/s werden!
Ach übrigens, wie schnell fließt
der Strom eigentlich wirklich?
30. 6.5 Unlinearitäten
Netzfrequenz und Oberschwingungen [A; Hz]:
Lineare Verhältnisse, R dominiert
HF-Ableitströme [mA; MHz]:
Lineare Verhältnisse, X dominiert
Blitzströme [kA; MHz]:
Keine linearen Verhältnisse, X dominiert
31. 6.6 Nicht Metall statt Erde messen!
Haben die zu messenden Objekte auch keine
metallene Verbindung untereinander?
32. 7. Trickreich:
Blindleistungszähler
Merkwürdig:
Blindleistung ist per Definition das Produkt
aus der im Netz vorhandenen Spannung und
dem Teil des Stroms, der nichts zur Über-
tragung von Wirkleistung und Energie bei-
trägt.
Dennoch gibt es Blindleistungs-Messgeräte
und Blindarbeitszähler, und die zeigen tat-
sächlich etwas an!
34. Und doch die Frage: Was ist das eigentlich?
Blindleistung ist der Teil der Leistung, der nicht zur Übertragung von
Energie (Arbeit) beiträgt
Erzeugung kapazitiver Blindleistung = Verbrauch induktiver Blindleistung
Erzeugung induktiver Blindleistung = Verbrauch kapazitiver Blindleistung
35. Und was ist dann Blindarbeit?
Ein Phantom?Ein schwarzer Schimmel?Ein weißer Rappe?Eine Verkaufslüge?Ein Missverständnis?Mangel an sprachlicher Präzision?
39. 8. Statistik –
Wahrheit, Lüge oder Irrtum?
»Es gibt drei Arten der Lüge: Die gewöhnliche Lüge,
den Meineid und die Statistik.«
»Ich glaube nur
Statistiken, die ich
selbst gefälscht habe.«
»So lügt man mit
Statistik« (Buchtitel)
Dabei ist Datenflut der
beste Datenschutz!
44. Über die Grenze der Auflösung:
Elektronischer Transformator mit
Halogenlampen 4 * 20 W
4*20W+PV=74,8W?
h=14,0W / 74,8W?
45. 9. Extrapolation vom Betriebs-
strom zum Kurzschluss-Strom
Aus einer Prüfungsfrage für künftige Gutachter:
»Drei Stromwandler gleicher Ausführung sind als Schutz-
wandler … in einen Verbraucher-Abzweig eines 50-Hz-Dreh-
stromnetzes eingeschaltet, der durch einen dreipoligen Kurz-
schluss einen Kurzschlussstrom von IK3P = 1 kA führt. … Im
vorliegenden symmetrischen Fehler-fall … spricht das [in den
Neutralleiter geschaltete] Relais RZ durch einen Fehlerstrom
mit f3 = 150 Hz an. Wie erklären Sie sich diesen Effekt?
Welche Maßnahmen können getroffen werden, um den …
beobachteten Effekt zu verhindern?«
Ich komme mit der Fragestellung nicht klar. Können Sie mir
helfen?
47. 10. Schleifen-Impedanzmessung
an einer USV-Anlage
Impedanzmessung im laufenden Betrieb:
Mit impulsartig aufgeschalteter zusätzlicher Last.
Anders geht‘s derzeit noch nicht!
Wird die Anlage ganz oder teilweise über
eine Doppelwandler-USV gespeist, so führt
diese Messung zu keinen oder völlig falschen
Ergebnissen!
48. 10. Schleifen-Impedanzmessung
an einer USV-Anlage
USV-Anlagen sind
nicht linear!
Comparison of linear sources to a UPS
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0% 20% 40% 60% 80% 100%I /I K
U /U 0
ohmic source
inductive source
UPS
Vergleich linearer Quellen mit USV
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0% 20% 40% 60% 80% 100%I /I K
U /U 0
ohmsche Quelle
induktive Quelle
USV
49. Light switch
11. »Echter« Transientenrekorder
oder Netzanalysator als
»nebenberuflicher«
Transientenrekorder
Z. B. beim Versuch,
Start-Versuche an
einer Leuchtstofflampe aufzuzeichnen
Starter
50. 11. »Echter« Transientenrekorder
oder Netzanalysator als
»nebenberuflicher«
Transientenrekorder
Dieser »Hobby«-Transientenrekorder
hat keine manuelle Bereichswahl
51. 11. »Echter« Transientenrekorder
oder Netzanalysator als
»nebenberuflicher«
Transientenrekorder
Ein Trick muss helfen: Hilfsschalter
Ergebnis
z. B. mit
elektro-
nischem
Starter
Ergebnis
z. B. mit
Gimm-
starter
Hilfs-
schalter
53. Elektrotechnik-Schriften des DKI
zu bestellen bei: www.kupferinstitut.de
1. Installations-Bereich (Kabel, Leitungen, Netzqualität):
s181 »Brandsichere Kabel und Leitungen«
s183 »Energie sparen mit Spartransformatoren«
s184 »Fehlauslösungen von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen«
s185 »Wechselwirkungen von Blindstrom-Kompensations-Anlagen mit
Oberschwingungen«
s186 »Vom Umgang mit Blitzschäden und anderen Betriebsstörungen«
Broschüre »Kupfer in der Elektrotechnik: Drähte, Kabel und Leitungen«
2. Andere Bereiche:
s180 »Drehstrom, Gleichstrom, Supraleitung – Energie-Übertragung
heute und morgen«
s192 »Sparen mit dem Sparmotor«
Broschüre »Geld sparen mit Hochwirkungsgrad-Motoren«
i1 »Energiesparpotentiale bei Motoren und Transformatoren«
54. Weitere Literatur zum Thema
Stefan Fassbinder:
Netzstörungen durch passive
und aktive Bauelemente
Anton Kohling:
EMV von Gebäuden, Anlagen und Geräten
Wilhelm Rudolph, Otmar Winter:
EMV nach VDE 0100
Wilhelm Rudolph:
EMV-Fibel für Elektroinstallateure und Planer
alle VDE Verlag, Offenbach
www.vde-verlag.de
55. Die Europäische Union
förderte im Rahmen ihres LEONARDO-Programms
durch sachkundige Partner 3 Jahre lang mit insgesamt 3 Millionen
Euro die Erstellung der Internet-Seite zu allen Fragen der Netzqualität!
Gehen Sie von Zeit zu Zeit auf
www.leonardo-energy.org oder http://leonardo-web.org/de
und sehen Sie die Leonardo Power Quality Initiative wachsen!
Wir wollen in 13 Sprachen Lehrmittel zur Minderung von EMV-
Problemen entwickeln und verfügbar machen!
Wir wenden uns an alle Elektro-Praktiker: Ingenieure, Handwerker,
Gebäudetechniker, Architektur- und Planungsbüros sowie Auszubildende
und Ausbilder.
Wir sind bisher 165 Partner aus Europa, Nord- und Südamerika, darunter
Unternehmen, Institute, Hochschulen und 5 nationale Kupfer-Institute.
Teilnahme und Beiträge weiterer Partner aus Industrie und Hochschulen
sind jederzeit möglich und von den bisherigen Projektpartnern erwünscht.
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hat im Dezember 2004 drei Projekte von etwa
4000 ausgezeichnet – eines davon war die
Leonardo Power Quality Initiative
56. Deutsche Leonardo Schriften
1.1 Leitfaden Netzqualität – Einführung
1.2 Selbsthilfe-Leitfaden zur Beurteilung der Netzqualität
2.1 Kosten schlechter Netzqualität
3.1 Oberschwingungen – Ursachen und Auswirkungen
3.2.2 Echt effektiv – die einzig wahre Messung
3.3.1 Passive Filter
3.3.3 Aktive Filter
3.5.1 Auslegung des Neutralleiters in oberschwingungsreichen Anlagen
4.1 Ausfallsicherheit, Zuverlässigkeit und Redundanz
4.3.1 Verbesserung der Ausfallsicherheit durch Notstrom-Versorgung
4.5.1 Ausfallsichere und zuverlässige Stromversorgung eines modernen
Bürogebäudes
5.1 Spannungseinbrüche – Einführung
5.1.3 Einführung in die Unsymmetrie
5.2.1 Vorbeugende Wartung – der Schlüssel zur Netzqualität
5.3.2 Maßnahmen gegen Spannungseinbrüche
5.5.1 Vom Umgang mit Spannungseinbrüchen – eine Fallstudie
6.1 Erdung mit System
6.3.1 »Erdungssysteme – Grundlagen der Berechnung und Auslegung
57. Die Europäische Union
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