Energietechnisches Praktikum II Versuch 12 - Home

INSTITUT FÜR HOCHSPANNUNGSTECHNIK
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Armin Schnettler
Energietechnisches Praktikum II
Versuch 12
EMV Störungseinkopplung
INSTITUT
FÜR
HOCHSPANNUNGS
TECHNIK
RHEINISCHWESTFÄLISCHE
TECHNISCHE
HOCHSCHULE
AACHEN
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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.
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112.2.1
Mechanismen der Beeinflussung
Galvanische Beeinflussung
Galvanische Störbeeinflussung entsteht dadurch, daß eine, der Störquelle und der
Störsenke gemeinsame Impedanz Zk vorhanden ist. Diese sogenannte Kopplungsimpedanz
kann beispielsweise eine der Quelle und Senke gemeinsame Erdrückleitung sein
(Gehäusechassis, Kabelmantel, Erder, Potentialausgleichsschiene, Leitungsstück, usw.).
Aufgrund des Stromes Iq der Störquelle erscheint im Stromkreis der Störsenke die
(unerwünschte) Spannung Iq Zk.
Abb. 2:
Modell für die
Ersatzschaltbild
galvanische
Einkopplung
und
elektrisches
Zk setzt sich üblicherweise aus einem ohmschen und einem induktiven Anteil zusammen.
Der ohmsche Anteil von Zk steigt aufgrund des Skineffektes mit wachsender Frequenz der
Störquelle, der induktive Anteil Xk= w Lk ist direkt proportional zur Frequenz.
Abb. 3:
Ohmscher und induktiver Widerstand eines Leiters in Abhängigkeit
der Frequenz
Für konstante Ströme Iq der Störquelle werden höherfrequente Störungen also viel stärker
in benachbarter Stromkreise überkoppeln als niederfrequente.
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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 Hq ein Strom induziert wird. Ebenso können Ströme im Erdboden
zu Potentialdifferenzen zwischen den Punkten A und B und somit zu einem Störstrom Iq
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 Us noch ein Störsignal der
Größe IqZk erscheinen. Zk ist dabei die Kopplungsimpedanz des Kabels und ist definiert zu:
Zk =
Uq
Iq
=
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 Us werden kleiner (Abb. 5). In diesem Frequenzbereich sinkt die
Kopplungsimpedanz Zk.
Abb. 5:
Stromdichte im Kabelmantel einer Koaxialleitung bei höheren
Frequenzen
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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 Eq
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
U q = Eq × h
und dem Innenwiderstand
Zi =
1
w Ck
Wegen des kapazitiven Innenwiderstandes
Störbeeinflussung mit steigender Frequenz zu.
nimmt
auch
hier
die
Stärke
der
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.
Abb. 7:
Modell für die induktive Einstreuung und elektrisches Ersatzschaltbild
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EMV Störungseinkopplung
Die eingestreute Spannung hat den Betrag:
U S = m0 × b × h ×
dH q (t )
dt
= m0 × b × h ×w × H q
Auch hier steigt die Beeinflussung mit ansteigender Frequenz der Störquelle.
112.2.2
Verringerung der Störbeeinflussung
Zur Verringerung der Störbeeinflussung sind Maßnahmen an der Störquelle, an der
Störsenke und an der Übertragungsstrecke möglich.
An der Störquelle:
·
·
·
·
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.
An der Störsenke:
·
·
·
·
·
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.
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Abschirmung gegen induktive Beeinflussung
Störursache bei magnetischer Beeinflussung ist das magnetische Feld Hq 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 as.
æH ö
as = 20 lgç a ÷
è Hi ø
Ha: magnetische Feldstärke außerhalb der Schirmung
Hi: 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.
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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 r0 = 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 1.2.3 die Stärke der
Beeinflussung mit größerer Frequenz ansteigt.
Abb. 10:
Schirmdämpfung für verschiedene Schirme aus perforiertem Blech
(Hohlzylinder r0 = 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.
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Als Störquelle dient dabei ein Schwingkreis nach Abbildung 11.
Abb. 11:
Prüfschaltung zur Erzeugung von Störimpulsen
Der Kondensator C wird auf die Spannung U0 aufgeladen. Nach Zünden der Funkenstrecke
entsteht eine gedämpfte Schwingung mit der Frequenz:
f =
1
2p LC
.
Die Stromamplitude ergibt sich aus der Energiebilanz:
Wel =
1
1
CU 02 = Wmagn . = LIˆ 2
2
2
daraus folgt:
C
I$ = U0
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.
112.3.1
Messung der Kopplungsimpedanz einer Koaxialleitung
Aufbau:
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 U0 des
Kondensators C beträgt 20 kV.
Messen:
Störspannung einer am Ende kurzgeschlossenen Leitung.
Rechnen:
Kopplungsimpedanz bei den untersuchten Frequenzen
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EMV Störungseinkopplung
Abb. 12:
Messaufbau zur
Koaxialleitung
Bestimmung
des
Kopplungsimpedanz
einer
f/kHz
L/ m H
I/A
Uq/V
Z’k/ W /m
112.3.2
Messung der kapazitiven Beeinflussung auf ein Leiterstück
Aufbau:
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 U0
des Kondensators C beträgt 30 kV.
Messen:
Eingestreute Spannung ohne Abschirmung, mit perforierter Abschirmung
und mit massiver Abschirmung
Abb. 13:
Messaufbau zur Bestimmung des kapazitiven Beeinflussung auf ein
Leiterstück
Uq/V
Ohne Abschirmung
Massive Abschirmung
Perforierte Abschirmung
112.3.3
Messung der induktiven Beeinflussung auf eine Leiterschleife
Aufbau:
Eine Leiterschleife wird dem magnetischen Wechselfeld der Prüfschaltung
nach Abb. 11 mit unterschiedlichen Frequenzen ausgesetzt. Die
Ladespannung U0 des Kondensators C beträgt 60 kV.
Messen:
Eingestreute Spannung ohne Abschirmung, mit perforierter Abschirmung,
mit Aluminiumabschirmung und mit magnetischer Abschirmung.
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Außerdem: Messung der eingestreuten Spannung
Leiterschleife.
Rechnen:
in einer gekreuzten
Schirmdämpfung:
æH
a s = 20 × lgçç a
è Hi
ö
÷÷
ø
für die drei Schirmarten bei den untersuchten Frequenzen unter der Annahme Uq@Hq.
Abb. 15:
Messaufbau zur Bestimmung des induktiven Beeinflussung auf eine
Leiterschleife
f / kHz
Uq / V
Ohne Schirm
Uq / V
Perfor. Sch.
as / dB
Uq / V
Aluschirm
as / dB
Uq / V
Magnet. Sch.
as / dB
Uq / v
Gekr. Leiter
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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 1986.
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