EMV und Netzrückwirkungen 1) Grundlagen elektr. Felder von elektrischen Ladungen (Quellenfeld) und zeitlich veränderlichen Magnetfeldern (Wirbelfeld) magn. Felder von Strömen oder zeitlich veränderlichen elektrischen Feldern Wechselfelder treten stets gemeinsam auf elektromagnetisches Feld Was ist die EMV? Die elektromagnetische Verträglichkeit ist die Fähigkeit eines Betriebsmittels oder einer ortsfesten Anlage, in seiner elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, aufgrund derer der bestimmungsgemäße Betrieb anderer Betriebsmittel oder ortsfester Anlagen in derselben Umgebung nicht möglich wäre. Was versteht man unter elektromagnetischem Umfeld? umfasst alle elektromagnetischen Erscheinungen, die an einem bestimmten Ort festgestellt werden können. Elektrische Betriebsmittel sind Gegenstände, die als Ganzes oder in einzelnen Teilen zur Gewinnung, Fortleitung oder zum Gebrauch der elektrischen Energie bestimmt sind (auch Bauteile, Baugruppen). Störfestigkeit: ist die Fähigkeit eines Betriebsmittels oder ortsfesten Anlage, unter Einfluss einer elektromagnetischen Störung ohne Funktionsbeeinträchtigung zu arbeiten. Beeinflussungsschema der EMV Unterscheidung zwischen leitungsgebundener Störübertragung und gestrahlter Störung (Kopplung über elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder bzw. Wellen) Modell: Quelle Kopplungsmechanismus Senke Störgröße: elektromagnet. Größe, die in einer elektrischen Einrichtung eine unerwünschte Beeinflussung hervorrufen kann. Intrasystembeeinflussung vs. Intersystembeeinflussung (systemeigene vs. systemfremde) LA… Leitungsgebundene Störaussendung SA… Strahlungsgebundene Störaussendung LB… Leitungsgebundene Beeinflussung SB… Strahlungsgebundene Beeinflussung Beispiele möglicher Beeinflussungen? Schalten von Leistungsschaltern, Schützen, Relais Zünden von Entladungslampen, Kurzschlüsse Hochfrequenzstrahlung elektrostatische Entladung direkter Blitzschlag Einkopplung von Störspannungen und –strömen durch elektromagnetische Felder ferner Blitzeinschlag (Überspannung als Wanderwelle) Gliederung der elektromagnetischen Beeinflussung? Gleichstrombeeinflussung elektrochemisch Niederfrequente Beeinflussung ohmsch, induktiv, kapazitiv Hochfrequente Beeinflussung durch leitungsgeführte Nahfelder, durch Abstrahlung Was versteht man unter TEMPEST? Temporary emanation and spurious transmission, Funkentstörung und Abhörsicherheit, Aussendung elektromagnetischer Signale außerhalb des Nutzfrequenzbereichs, elektromagnetische Abstrahlung von – meistens zur Informationsübertragung genutzten – Geräten elektromagnet. Umfeld natürliche Quellen: Blitzentladungen, Erdmagnetfeld (50µT) künstliche Quellen: (großräumig beabsichtigt) Fernsehsender, Radiosender, Funkdienste, Mobiltelefon; (kleinräumig beabsichtigt) Hörhilfen, Diebstahlsicherungen, Türöffner; (unbeabsichtigt) Haushaltsgeräte, Hochspannungsleitungen, Kabel, Transformatoren Störphänomene? Funkentstörung, Störfestigkeit, Blitzschutz, NEMP, Berührungsschutz, Electrostatic discharge (ESD), elektrische Korrosion, TEMPEST, Streufeldarmut, Amagnetik, Ortung, Sekundärstrahlung, Radiation Hazard, Korona, Netzrückwirkungen Was sind die 3 Funktionsstörungen? Funktionsminderung: Beeinträchtigung der Funktion, die zwar nicht vernachlässigbar ist, aber als zulässig akzeptiert wird Funktionsstörung: Beeinträchtigung der Funktion, die nicht mehr zulässig ist. Die Fehlfunktion endet mit dem Abklingen der Störgröße Funktionsausfall: Beeinträchtigung der Funktion, die nicht mehr zulässig ist und wobei die Funktion nur durch technische Maßnahmen wieder hergestellt werden kann Richtwert für das Erdmagnetfeld? ca. 50µT (medizinische Diagnose bis 2,5T, Schönwetterfeldstärke 100V/m, unter Gewitterwolken 3-20kV/m, unter 380kV Leitung 8kV/m). Warum können in der Energietechnik die Felder als quasistationär betrachtet werden? Quasistationäre Betrachtung zulässig, da Systemabmessungen (z.B. Leitungslängen l) wesentlich kleiner als die Wellenlänge sind: λ=c/f=6000km, l<λ/10 Halbkugelerder, Potentialverlauf und Schrittspannung? Dielektrizitätszahl von z.B. Papier? Papier 1-4, Wasser 80, Holz 2-3.5, trockene Erde 3.9, feuchte Erde 29, Eis 100, Bariumtitanat 10³-104 Anordnungen, damit M=0? 𝑀= 𝑟23 𝑟14 𝛷 𝜇0 = ∗ 𝑙 ∗ 𝑙𝑛 2𝜋 𝑟24 𝑟13 𝐼 r14=r24 & r23=r13 M=0 Leiter 3 und 4 liegen in Symmetrieebene zwischen Leiter 1 und 2 r13=r14 & r23=r24 M=0 Leiter 3 und 4 liegen symmetrisch zur von Leiter 1 und 2 aufgespannten Ebene oder Bruch in ln-Term = 1 M=0 Leiter liegen auf dem Kreis des Appolonius 2) Störquellen Was ist ein Drehfeld? Gleichstromleitung Punkt Vektor Gleichfeld einphasige Leitung Gerade pulsierender Vektor Wechselfeld dreiphasige Leitung B zeitlich veränderlich sinusf. Größe: Ellipse Drehfeld B zeitlich konst. Sonderfall Kreis rotierender Vektor, Dreher Drehfeld Entstehung von Drehfeldern: Ströme sind sinusförmig, besitzen gleiche Frequenz und (gleiche/ungleiche) Phasenlage zueinander, Umlaufzeit = Periodendauer Entfernungsgesetze? die Gesetzmäßigkeit, mit der die Amplitude der Feldintensität mit wachsendem Abstand abnimmt, wird Entfernungsgesetz genannt. Können mit einfachen Funktionen beschrieben werden: 1/r, 1/r², 1/r³. im Nahbereich bestimmen die geometrischen Einzelheiten die Feldverteilung keine einfachen Gesetze, Fernbereich ab ca. 4-5-facher größter geometrischer Abmessung Einzelleiter: B = µ*I/2πρ, d/2 ≤ ρ ≤ ∞ 1/r Abhängigkeit, Gerade mit Steigung -1 im doppellog. Diagramm Zweidrahtleitung: B=µ/2π*I*2a/ρ² 1/r² Abhängigkeit, Gerade mit Steigung -2, Störfeld kleiner, je enger Leiter zusammenrücken, Kompensationseffekt Drehstromsysteme: |B|=µ*a/2πr²*√3*I 1/r² Abhängigkeit, Gerade mit Steigung -2 Kreisschleife: B=µ/2π*I*A/z³ 1/r³ Abhängigkeit für alle Richtungen, Gerade mit Steigung -3 verdrillte Leitung: auf Zylindermantel schraubenförmig angeordneter, stromdurchflossener Leiter, Schraubensteigung p (pitch), Abstandsgesetz proportional zu 1/√ρ*e^(-k*ρ) Was ist phase-splitting? Übertragungsströme werden auf 2 räumlich symmetrische Leitungssysteme aufgeteilt. Durch Anordnung erhöht sich der Exponent des Abnahmegesetzes von 2 auf 3. vorwiegend bei Verschienung angewendet, Exponent durch weitere Aufspaltung weiter erhöht Wie ist die Fahrleitungsanlage einer elektrischen Vollbahn aufgebaut? 1) Fahrdraht 2) Tragseil 3) Verstärkungsleitung 4) Schienen 5) Rückleiter Was versteht man unter Netzrückwirkungen? Unter Netzrückwirkungen versteht man die Veränderung der Netzspannung durch an das Netz angeschlossene Betriebsmittel. Diese besitzen eine nichtlineare oder zeitvariante StromSpannungskennlinie. Folgende Netzspannungsänderungen können auftreten: Größe der Spannung (Spannungsschwankungen), Kurvenform (Oberschwingungen) nicht nur von Kundenanlagen, auch von Kleinkraftwerken (Solaranlagen, Windkraftwerke) starke Einflüsse Aufgabe der EVU: Begrenzungen der Netzrückwirkungen, Gerätehersteller: Einhaltung bestimmter Grenzwerte für Oberschwingungsströme Arten und Ursachen: • • • • • • langsame Spannungsschwankungen: gleichzeitiges Einschalten von mehreren Verbrauchern bei ungenügendem Leitungsquerschnitt Spannungsunterbrechung: Kurzschlüsse im Hochspannungsnetz und Wiedereinschaltung Spannungseinbruch: Leistungsstarke Verbraucher benötigen große Ströme beim Einschalten Überspannung: Abschaltung von Leistungsstarken Verbrauchern Impulse: Ein- und Ausschalten induktiver und kapazitiver Lasten, Thyristorsteuerungen Verzerrungen der Netzspannung: Nichtlineare Verbraucher, Gleichrichteranlagen Kennzeichnung des Oberschwingungsgehaltes? THD-R angeben 1 𝑡 +𝑇 2 𝑖 (𝜏)𝑑𝜏 Effektivwert: Ieff = �𝐼12 + 𝐼22 + 𝐼32 + 𝐼42 + ⋯ = � ∫𝑡 0 𝑇 Scheitelfaktor (Crest-Faktor): 𝑓𝑠 = 𝐶𝑆 = Formfaktor: 𝑓𝐹 = Sinus = 1,11 𝐼𝑒𝑓𝑓 0 𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎𝑙𝑤𝑒𝑟𝑡 (𝑆𝑝𝑖𝑡𝑧𝑒𝑛𝑤𝑒𝑟𝑡) , 𝐼𝑒𝑓𝑓 𝑎𝑟𝑖𝑡ℎ𝑚𝑒𝑡𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒𝑟 𝑀𝑖𝑡𝑡𝑒𝑙𝑤𝑒𝑟𝑡 , (arithmetischer MW durch Zweiweggleichrichtung), bei Klirrfaktor (THD-R, total harmonic distortion ratio): 𝑘 = THD-F = 2 �𝐼22 +𝐼32 +𝐼42 +𝐼5+⋯ 𝐼1 bei Sinus = √2 2 �𝐼22 +𝐼32 +𝐼42 +𝐼5+⋯ 𝐼𝑒𝑓𝑓 in % Maßnahmen zur Verringerung der Netzrückwirkungen? im Netz: Verringerung des Innenwiderstandes, von der Last gesteuerte Blindleistungskompensation, Filter beim Verbraucher: hohe Pulszahl bei Stromrichtern, Anlaufstrombegrenzung, Saugkreise, Verringerung der Gleichzeitigkeit von starken Oberschwingungserzeuger Tiefpassfilter: Abflachung der Steilheit von Stromänderungen di/dt Saugkreisanlagen: zum Kurzschließen von Oberschwingungsströmen Schwungrad: stoßförmige Belastungen (Pressen, Punktschweißen) ausgleichen dynamische Kompensationsanlage Symmetrierung Anschluss an eine höhere Spannungsebene Ist die Bezeichnung Reibungselektrizität richtig? Bei Berührung zwischen 2 Stoffen kommt es zu einer Wanderung von Ladungsträgern, wenn die Ladungsdichten unterschiedlich sind. Ziel ist eine einheitliche Ladungsdichte, es wirken dabei auf die Ladungsträger Ausgleichskräfte. Die Körper laden sich auf. Die Ladungswanderung kommt zum Stillstand, wenn die auf die Ladungen wirkenden Rückholkräfte (elektr. Kräfte) den Ausgleichskräften (nichtelektrische Kräfte) die Waage halten. Entscheidend ist die innige Berührung. Durch Reiben wird für deutlich größere Bereiche der wirklichen Oberfläche vorübergehend eine hinreichende Annäherung der Stoffe erreicht. Für den eigentlichen Effekt der Ladungstrennung zwischen den unterschiedlichen Materialien spielt der Vorgang der Reibung allerdings keine Rolle. Die Bezeichnung Reibungselektrizität ist daher nur historisch zu rechtfertigen. Die auftretende Spannung wird in der Physik Berührungs- oder Kontaktspannung genannt und kann einige Volt betragen. Auch bei gleichartigen Stoffen möglich kleine Verunreinigungen der Oberfläche, auch Temperaturunterschied. Durchbruchspannung von Luft ca. 30kV/m, Funkenlänge ca. 3cm Spannung von 90kV Situation bei Entladevorgang bei Personen, Richtwerte für Körperkapazität und Körperwiderstand, zeitlicher Verlauf für aperiodische Entladung und Schwingfall? C_Körper = 100-300pF R_Körper = 1-30kΩ L_Körper = 0,3-1,5µH û=2-15kV î=5-30A di/dt=2…35 A/ns δ=R/2L ω0=1/√(LCK) Aperiodisch, wenn δ > ω Schwingfall, wenn δ < ω Skizze für ESD Entladestrom bei Rollsessel? R = RK+RG = 10-20Ω L = LK+LG=0,03-1µH C = 30…500pF û=1…3kV ESD Schutz am Arbeitsplatz? Tischmatte, Bodenmatte, Handgelenksband, elektr. leitfähiger Drehsessel, Verteiler für die Erdungsanschlüsse Leitfähige Kunststoffe, wie kann man Kunststoffe leitend machen? • • • Veränderung der Chemie, so dass Elektronenfähigkeit möglich ist: selbstleitende Kunststoffe, „organische Metalle“, Leitfähigkeit nimmt mit der Zeit ab Leitfähige Beschichtung des nichtleitenden Gehäuses: durch Bedampfen, Spritzen oder galvanisch aufgebrachte Metalle; Leitlacke Beeinflussung der elektrischen Leitfähigkeit durch Additive: Unterschied zwischen Leitfähigkeit von Kunststoffen und Additiven ca. 18-21 Zehnerpotenzen, Graphit 10^5, Polypropylen 10^-15, Strom nur über leitfähige Additive Konzentration muss ausreichend hoch sein, dass geschlossene leitfähige Strombahnen entstehen NEMP? ist ein elektromagnetischer Impuls, der infolge einer Nuklearexplosion auftritt. Gammastrahlen können aus Luftmolekülen Elektronen herausschlagen (Compton-Effekt). Die Gesamtheit der Compton-Elektronen ergibt den Compton-Strom, der in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld der Erde das impulsartige Auftreten des elektromagnetischen Feldes bewirkt. ENDO-NEMP (in Bodennähe gezündete Kernwaffe, EMP in Größenordnung der übrigen Wirkungskomponenten), EXO-NEMP (außerhalb der Erdatmosphäre gezündet, 100km-500km, nur EMP hat Zerstörungspotential) EMAX=500kV/m, HMAX=133A/m, T1 (Stirnzeit) = 5ns, T2 (Rückenhalbwertzeit) = 200ns Gammaquant trifft auf Elektron eines Atoms oder Moleküls überträgt einen Teil seiner Energie auf das Elektron, welches mit hoher Energie weggeschleudert wird RT=110*√Detonationshöhe(km), NEMP endet nicht am Tangentenradius, Felder mit geringerer Amplitude reichen über diesen Bereich hinaus Schutzmethoden gegenüber NEMP? Dämpfung des elektromagnetischen Feldes, Verminderung der Einkopplung auf Leitungen, Dämpfung der Störgrößen, Verwendung unempfindlicher Technologien. HPM? High Power Microwaves, NEMP = breitbandig, niedrige Frequenzen bis einige hundert Megahertz HPM = schmalbandig mit Mittenfrequenz von 0,5MHz bis einige GHz, Leistung im Gigawattbereich, einige 10ms bis µs, Wiederholrate einige 100Hz Einkopplung in elektrisch kurze Antennen? Voraussetzungen: elektrisch gut leitend, elektrisch kurz (= jene Zeit, die zum Ladungsausgleich längs der Antenne benötigt wird ist gegenüber der Anstiegszeit des EMP vernachlässigbar). 3) Messtechnik Gleichtakt – Gegentakt? Kapazitive Ankopplung des Störspannungssimulators an die Netzzuleitungen Störimpulse von Kontakten (Burst)? Simulation elektromagnetischer Wellenfelder? auf freiem Feld: Umgebung des Testgeländes ebenfalls elektromagnet. Störungen ausgesetzt in Räumen: Probleme mit Reflexionen (Absorberwände, teuer), Antennen i.a. schmalbandig Feldwellenwiderstand 377Ω offener Wellenleiter (Streifenleitung): zwischen den Platten breitet sich eine geführte TEM-Welle aus, offener TEM-Wellenleiter, Paralellplattenleitung, mit Wellenwiderstand der Streifenleitung abgeschlossen um Reflexionen zu vermeiden, Frequenzbeschränkung durch Knicke (Änderung des Wellenwiderstandes) TEM-Messzelle (Crawford-Zelle): Koaxialer Wellenleiter mit rechteckigem Querschnitt, Vorteil: vollständige Abschirmung, Weiterentwicklung einer koaxialen Anordnung, bei höheren Frequenzen an den Knicken zu Sekundärstrahlungen, die die Homogenität stören GTEM-Zelle: Als „Abschlusswiderstand“ dient eine Absorberwand, die einen reflexionsfreien Abschluss ermöglicht, Konzept versucht, die Wellenausbreitung nicht zu stören Messmethoden des elektrischen Feldes? 2 Gruppen von Messgeräten: Messsonden, die den Verschiebungsstrom zwischen zwei leitenden, von einander isolierten Elektroden messen (Kugelsonde, würfelförmige Sonde, parallele Platten) Sonden, die elektrooptische Effekte ausnützen (Pockels-Effekt), es kommt in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke bei bestimmten Kristallen zur Veränderung des Brechungsindex Messmethoden des magnetischen Feldes? Messen der Hallspannung: Wird eine dünne Metallplatte von einem gleichmäßig über ihren Querschnitt verteilten Strom I durchflossen, so ist zwischen den beiden Punkten 1 und 2, die am Rande der Platte zu beiden Seiten gleich weit von der Stromzuleitung entfernt liegen, keine Potentialdifferenz vorhanden. Wirkt aber senkrecht zur Platte ein Magnetfeld mit der Induktion B, so tritt zwischen 1 und 2 eine Spannung auf. Sie ist dem Strom und der magnetischen Induktion direkt proportional. Eignen sich zum messen von Gleich und Wechselspannungen bis einige kHz, Messbereich 10µT bis 3T Messen der induzierten Spannung: ui = -N dΦ/dt 4) Maßnahmen Möglichkeiten der Schirmung? Aufgabe: Unterdrückung von Störungen, die elektr., magnet und elektromagnet. Felder hervorrufen. Schirmung des Störers, Schirmung des gestörten Gerätes Alle durch die Schirmhülle führenden Versorgungs- und Signalleitungen müssen mit Filter versehen werden Öffnungen, schlechte Verbindungen zwischen den Schirmblechen, Sättigungseffekte ferromagnetischer Materialien führen zu Abweichungen von der idealen geschlossenen Schirmhülle Scharfe Ecken führen zu einer Minderung der Wirksamkeit Verwendung eines geeigneten Brechungsverfahrens Schirm kann kostengünstig dimensioniert werden Schirmung gegen elektrische Felder? elektrisch leitende Gitter elektrisch leitende Metallhüllen, Brechung der elektrischen Kraftlinien an Grenzflächen, Materialien mit hoher relativer Dielektrizitätskonstanten Schirmung gegen niederfrequente magnetische Felder? Brechung der magnetischen Kraftlinien an Grenzflächen von Materialien mit unterschiedlicher relativer Permeabilität Erzeugung eines Gegenfeldes durch Wirbelströme, induzierte Strome in kurzgeschlossenen Leiterschleifen bei Wirbelstromschirmung: Schirmwirkung proportional der Leitfähigkeit, Frequenz, Wandstärke bei Gleichfeld: Feldleitung, bei Wechselfeld: Feldverdrängung Formel für die Schirmung bei einer dünnwandigen Hohlkugel? dünnwandige Hohlkugel, hochpermeables Material bei Zylinder: 1 𝑄 = µ𝑟 𝑑 𝐷 1 𝑄 4 3 = µ𝑟 𝑑 𝐷 Welchem Faktor entspricht 100dB? 100dB = 20*log(x) x=10^5=10000 Mögliche geometrische Anordnungen für geschlossene Lösung bei Berechnung der Schirmung? analytische Berechnung (eine allgemeine Formel) nur bei ebene, unendlich ausgedehnte Platten zylinderförmige, unendlich ausgedehnte Rohre kugelförmige Schirme Was ist der Eckeneffekt? Durch Feldverdrängung bei höheren Frequenzen steigt die Feldstärke im Bereich der Ecke des Schirmes stark an. Die Feldliniendichte ist ein Maß für die Feldstärke. Der Anstieg der Feldliniendichte im Eckenbereich hat zur Folge, dass auch innerhalb des Schirmes die Feldstärke ansteigt. Die lokale Schirmwirkung sinkt, da man auf das ungestörte Feld bezieht Eckenkorrektur (z.B. -7dB bei b=0,2r0) Feldüberhöhung an Spitze kann bis zum 15-fahen des ungestörten Wertes betragen. Kabelschirmung? Abschirmung von Gehäusen oft nicht ausreichend, da Spannungen und Ströme über Leitungen eingekoppelt werden. Kapazitive Beeinflussung bei galvanisch getrennten Stromkreisen (Bild rechts) Maßnahmen: Schirmung, Symmetrierung, Potentialtrennung, einseitige Erdung (bei Störspannungsquelle bzw. am entfernten Ende), beidseitige Erdung Maßnahmen bei induktive Beeinflussung: Entkoppelung der Stromkreise (Leiterschleifen normal aufeinander positionieren), Verringerung des von der Störschleife herrührenden Magnetfeldes durch Kurzschlussschleifen (Feldkompensation), Verdrillen der Leitungen, Schirmen (ferromagnetische Rohre, Metallschläuche), je größer die Permeabilität, desto besser die Schirmwirkung, eine leitende Verbindung zwischen Schirm und Erde ist nicht notwendig EMV gerechter Aufbau? Unterscheide: Eigenstörfestigkeit, Fremdstörfestigkeit, Emissionsgrad Erhöhung der Störfestigkeit bei der Störsenke ist i.a. günstiger als die Reduzierung der Störaussendung bei der Störquelle. Zonenkonzept in Schaltschränken: Unterteilung in EMV-Zonen mit unterschiedlicher Störkategorie. In Zonen herrscht unterschiedliches elektromagnetisches Klima. An Zonengrenzen Schirme, Filter • • • • • • • Räumliche Trennung von Signalleitungen und Leistungskabel, Verwendung von geerdeten Trennblechen Verdrillung von ungeschirmten Leitungen, Fläche zwischen Hin- und Rückleiter klein halten Unnötige Leitungslängen vermeiden Reserveadern an beiden Enden erden (Feldschwächung, Reduktionsfaktor) Verlegen der Leitungen nahe an geerdeten Blechen, Störeinkopplungen werden verhindert Schirme beidseitig erden, dürfen keine Unterbrechungen aufweisen alle metallenen Teile des Schaltschrankes gut leitend zu verbinden Filter? zur Verminderung von leitungsgebundenen Störgrößen bei der Störquelle (Entstörfilter) oder bei der Störsenke (Störfilter). Nutzsignal soll von den spektralen Anteilen des Störsignales getrennt werden. Nichtideales Verhalten von Bauelementen? Abweichen vom idealen Verhalten bei höheren Frequenzen, entscheidend sind die Länge und der Abstand der beiden Anschlussdrähte und der Aufbau des Bauelements ohmscher Widerstand: zusätzlich Induktivität und Kapazität der Zuleitung Kondensator: zusätzlich Induktivität und Widerstand der Zuleitung Induktivität: zusätzlich Induktivität und Kapazität der Zuleitung, Streukapazität der Spule und ohmscher Widerstand der Spule