Störgrößen: Quellen und Auswirkungen

Störgrößen: Quellen und Auswirkungen
9 Auswirkung auf die Netzspannung (kontinuierliche Störgrößen)
Störquelle
Störphänomen
große Last
hoher Strom
E-Motore oder Trafos usw.
(Sättigung, M-Kurven)
03-11-29
Phasenverschiebung
(Blindleistung)
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
Auswirkung
Spannungseinbruch
Oberschwingungen
1
Störquelle
Störphänomen
Auswirkung
Ursache
Gleichrichter
gesteuerte
Gleichrichter
03-11-29
nichtlinearer Strom
Kommutierungen
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
Oberschwingungen
Kommutierungsschwingungen
2
Auswirkung auf die Netzspannung
? Problem (diskontinuierliche (sporadisch, Stichwort 80%) Störgrößen)
Störquelle
Schalter/Kontakte
03-11-29
atmosphärische
Entladungen
Störphänomen
Auswirkung
Rückzündungen
Burst
Spike
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
Überspannungen
(Surge)
3
Störquelle
03-11-29
Störphänomen
Auswirkung
Kurzschluss
Sicherungsfall
Unterbruch/Überspannung
Taktantriebe
Stromspitzen
Flicker/
Helligkeitsschwankungen
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
4
Tabelle 2.1: Störquellen und deren Phänomene im Frequenzbereich
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
5
Frequenzspektrum/Störer
l e i tu n g sg e b u n d e n
g e stra h l t
Galvanische
Kopplung?
Galvanische
Kopplung
K ontak te
oder
S c h ü t z s p u le n
S c h a lt lic h t b ö g e n
induktive
Kopplung
S t ro m ric h t e r
Induktive
Kopplung?
oder
L e is t u n g s le it u n g e n
L e is t u n g s s c h a lt e r
Kapazitive
Kopplung?
kapazitive
Kopplung
S c h a lt n e t z t e ile
M o t o re n
Rec hner
Wellen- und
L e u c h t s t o ffla m p e n
Strahlungskopplung?
10 k
100 k
1 M
10 M
Strahlungskopplung
30 MHz
100 M
1 G
f/H z
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
6
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.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
7
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.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
8
Störungen durch Netzoberschwingungen
(VdS-Richtlinie 2349 „Störungsarme Elektroinstallation“)
I
C
U
u,i
R
Ud
i
ud
t
u
emv25.dwg
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
9
Störungen durch Netzoberschwingungen
Impulsförmiger Strom flacht die Netzspannung ab
Beispiel aus der Praxis
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EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
10
Verursacher
¾ elektronischen Vorschaltgeräten in Leuchten und
Lichtregelanlagen,
¾ Energiesparlampen, Dimmer
¾ Schaltnetzteilen in EDV-Anlagen wie PC, Drucker,
Scanner, Telefonanlagen, Audio- und Videotechnik,
¾ Kopiergeräte
¾ Ladegeräte
¾ Kleinschweißgeräte
¾ Systemteile von Prozess- oder Gebäudeleittechniken
¾ Frequenzumrichter mit kleiner Leistung (am 230 V-Netz)
(bis zu einigen kW).
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
11
Störungen durch Netzoberschwingungen
Oberschwingungsströme verfügen über ein breites EM-Störpotential.
¾
Verzerrung von Strom und Spannung
¾
Beeinflussung von Drehfeldern
¾
Erhöhung des Stroms im Neutralleiter
¾
Erhöhung des Scheitelwertes von Strom und Spannung
¾
Erhöhung der Leistungsverluste und Blindleistung im Netz
¾
Anregung von hohen Strömen und Spannungen durch
Resonanzkreisbildung
¾
Störungen von Einrichtungen zur Übertragung von Rundsteuersignalen
¾ Verfälschung von Messwerten
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EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
12
Störungen durch Netzoberschwingungen
¾ Verzerrung von Strom und Spannung
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EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
13
¾
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
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EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
14
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.
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EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
15
¾ Erhöhung des Stroms im Neutralleiter
Die Phasenströme z. B. der 3. Oberschwingung (150-HzNullsystem) 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
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EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
16
L1
L2
L3
Querschnitt
ausreichend?
Energiesparleuchten
N
Beim N-Leiter gilt:
Oft ist mehr drin
als man glaubt!
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EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
50 Hz, 150 Hz,
250 Hz, 350 Hz...
Ströme
17
L1
30°
60°
150
100
50
0
-50 0°
-100
-150
L2
30°
60°
L3
30°
60°
90° 120° 150° 180° 210° 240° 270° 300° 330° 360°
N
f Î
30°
60°
im Neutralleiter
90° 120° 150° 180° 210° 240° 270° 300° 330° 360°
150
100
50
0
-50 0°
-100
-150
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
-50 0°
-100
-150
-200
-250
-300
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-350
-400
-450
Addition der 3.
Harmonischen
90° 120° 150° 180° 210° 240° 270° 300° 330° 360°
i/î / % Î
150
100
50
0
-50 0°
-100
-150
90° 120° 150° 180° 210° 240° 270° 300° 330° 360°
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
Die Physik fordert:
Die Summe aller hinund rückfließenden
Ströme muss zu jedem
Zeitpunkt gleich 0 sein
18
Vergleich Glühlampe mit Kompakt-Sparlampe 20W
Glühlampe 25 W
200 V/Div.
0,2 A/Div.
5 ms/Div.
Í
L1 Strom
Î
Sparlampe 20 W
200 V/Div.
0,5 A/Div.
5 ms/Div.
Augenblickswert
3 Lampen
an 3 Außenleitern
L2 Strom
Í
L3 Strom
Augenblickswert
L1 Strom
L2 Strom
ÎL
3 Strom
0,5 A/Div.
1 A/Div
5 ms/Div.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
19
Kompakt-Sparlampe 20W
Besonderheiten:
Eine Periode
der Spannung
1.
Keine Überlappung
irgendeiner Spitze mit
einer der Spitzen von
der Gegenseite
2.
2 Spitzen pro Periode
in jedem Außenleiter
erzeugen 6 Spitzen
pro Periode im
Neutralleiter
L1 Strom
L2 Strom
L3 Strom
L1
L2
5 ms/Div
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
L3
20
¾ 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
5. OS
7. OS
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
21
¾ Erhöhung der Leistungsverluste und Blindleistung im Netz
Grundlagen Leistung (Es gibt vier Arten der Leistung)
¾ Wirkleistung (W)
- Umwandlung in Wärme oder nutzbare Arbeit
- P = U x I x cos phi
¾ Blindleistung (VAr)
- Aufbau eines Magnetfeldes oder Aufladen eines Kondensators
- Q = U x I x sin phi
¾ Scheinleistung (VA)
- Entspricht der effektiven Belastung einer Stromversorgung
-S=UxI
¾ cos phi = ist das Verhältnis der Wirkleistung zur Scheinleistung
ohne Oberschwingungen
¾ sin phi = ist das Verhältnis der Blindleistung zur Scheinleistung
ohne Oberschwingungen
• Neu: Oberschwingungsblindleistung
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
22
• Neu: Oberschwingungsblindleistung
- λ (Lambda) = das Verhältnis der Wirkleistung zur
Scheinleistung inkl. aller Oberschwingungsblindleistungen
P=
S=
Q=
03-11-29
P=
S=
Q=
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
23
¾ 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.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
24
¾
Anregung von hohen Strömen und Spannungen durch
Resonanzkreisbildung
Die Impedanz (Z) des Netzes besteht aus ohmschen,
induktiven und kapazitiven Widerständen
X
XC
XL
fr
f
Frequenzverhalten ?
03-11-29
Folgen?
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
25
¾ 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.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
26
¾ 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.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
27
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.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
28
¾ 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
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
29
Magnetische und elektrische Felder
Einfache Grundlagen
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
30
Das magnetische Feld
Fakten
Stromrichtung
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
5.
Korkenzieher- u. Schraubenregel
Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
31
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 magnetischer Fluss (Vs )
B= =
A
Fläche in (m 2 )
• Einheit: Tesla (T = Vs/m2 ),
In der Praxis wird mit mT oder µT gerechnet!
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
32
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
03-11-29
Spule
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
33
Magnetische Feldstärke
• Die Durchflutung Θ pro m oder cm Feldlinienlänge wird
magnetische Feldstärke H genannt.
Formelzeichen: H
H=
Θ
Durchflutu ng ( A)
=
lm mittlere Feldlinien länge ( m )
• Einheit: A/m
I ⋅N
H =
lm
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
34
Zusammenhang zwischen Feldstärke H und Flussdichte B
Θ
B ~
lm
oder
B~ H
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 = µ0 ⋅ µr
µ = magnetische Permeabilität
µ 0 = Feldkonstante (1,257 x 10-6 Vs/Am)
µr = Materialkonstante
(z. B. bei Luft = 1, Kupfer = < 1,
Eisen, Kobalt, Nickel sowie bestimmte
Legierungen 100 – 1 000 000)
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
35
Selbstinduktion und Induktivität
Wenn ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt wird, dann
wird im Leiter eine elektrische Spannung induziert.
Generatorprinzip
∆Φ
u0 = − N ⋅
= −B ⋅ l ⋅ v
∆t
B = magnetische Flussdichte in (T)
l = wirksame Leiterlänge im
Magnetfeld in (m)
v = Geschwindigkeit, mit der der
Leiter bewegt wird in (m/s)
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
36
Selbstinduktion
Die Selbstinduktionsspannung ist stets so gerichtet, dass sie der Änderung des
Stromes entgegenwirkt.
Ursache und
Wirkung
∆i
u0 = − L ⋅
∆t
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
37
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
L 2
W = ⋅I
2
Verhalten einer Leitung bei höheren Frequenzen
R
L
Merke:
L1
Ri
C
PE
Ersatzschaltbild einer zweiadrigen Leitung
(Bezugspunkt)
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
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
38
Beispiele
L = 1 µH/m (Induktivitätsbelag bei Leitungen); f = 50 Hz;
X L = 2 ⋅ π ⋅ 50 Hz ⋅1µH / m = 0,314mΩ / m
L = 1 µH/m; f = 500 kHz;
X L = 2 ⋅ π ⋅ 500 kHz ⋅1µH / m = 3,14Ω / m
XL erhöht sich
proportional mit
der Frequenz
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
39
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
03-11-29
Es wird ein Schutzleiterquerschnitt von 16 mm2
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 mm2) 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
Das elektrische Feld
Die elektrische Feldstärke
Inhomogenes elektrisches Feld
Homogenes elektrisches Feld
U
E=
l
03-11-29
E: elektrische Feldstärke in V/m
U: Spannung zwischen den Platten in V
l: Abstand der Platten in m
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
41
Faradayscher-Käfig
(Feldfreier Raum)
Schirmung
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
42
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...
A
C = εr ⋅ε0 ⋅
l
Fläche der Platten in m2, Abstand in m, Material, Feldkonstante,
Q: gespeicherte Ladung in As
Q = C ⋅U
U: Spannung in V
C: Kapazität in F = As/V
Da die in der Technik gebräuchlichen Kapazitäten um mehrere Größenordnungen
niedriger sind als die Einheit Farad, verwendet man oft Maßvorsätze wie pF = 10-12 F,
nF = 10-9 F, µF = 10-6 F...
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
43
Lade- und Entladestrom
Bei einer steigenden Spannung nimmt der Kondensator
Ladungen auf, es fließt ein Ladestrom, und bei einer
fallenden Spannung ein Entladestrom.
ic: Augenblickswert des Stromes in A
C: Kapazität des Kondensators in F = As/V
∆uC: Spannungsänderung am Kondensator in V
∆t: Zeit der Spannungsänderung in s
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
∆uc
ic = C ⋅
∆t
44
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
03-11-29
C 2
W = ⋅u
2
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
45
SCHALTEN VON INDUKTIVITÄTEN
z. B.: RELAIS, MAGNETVENTILE UDGL.
• URSACHEN:
durch das Ausschalten von Spulen erfolgt nach dem Induktionsgesetz eine
hohe Induktionsspannung.
1
1
2
W = L ⋅ I = C ⋅U 2
2
2
Kenndaten einer Relaisspule
• Ein kurzes Zahlenbeispiel:
Udc= 48V, LRelais= 0,3 H, RCu= 20 Ω, I = 1 A, CSpule= 200pF
• Die in einer Induktivität gespeicherte Energie
==> ohne Schutzbeschaltung:
(RC, Varistor usw.)
03-11-29
L
0,3H
= 1A ⋅
= 38 700V
u = i⋅
−12
C
2 ⋅10 F
Fehler
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
46
Natürliche Felder
Elektrisches Feld
(Gewitter)
Magnetisches Feld
(Erdmagnetfeld)
E = 0,5 kV/m
bis zu 20 kV/m oder mehr
H = 36 A/m
B = 45 µT
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
47
Technische Felder
/m
Ionisierende Strahlung
f/Hz
3 10-14 10 22
Röntgen-Roehren
Quarzlampen
Lichttechnik
Leuchtdioden
Waehrmestrahler
3 10-12 10
20
3 10-10 10 18
Gamma-Strahlung
Röntgen-Strahlung
3 10-8 10 16
UV-Strahlung
3 10-6 10 14
sichtbares Licht
3 10-4 10 12
Licht
Strahlung
radioaktiver Stoffe
Infrarot
Mikrowellenherde
3 10-2 10 10
Radaranlagen
3 10-0
1 GHz
10 8
Rundfunk und
Fernsehempfang
3 102
10 6
elektronische
Vorschaltgeraete
3 104
10 4
Frequenzumrichter
3 106
10 2
Mikrowellen
Hochfrequenz
medizinische
Therapie
Funkwellen
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
10 0
Niederfrequenz
öffentliche
Stromversorgung
Radiowelllen
Technischer Wechselstrom
emv13.dwg
48
Für niederfrequente Felder gilt:
¾ Ursache des elektrischen Feldes ist die Spannung;
niederfrequente elektrische Felder sind daher
unabhängig vom Strom.
¾ Ursache des magnetischen Feldes ist der fließende
Strom,
niederfrequente magnetische Felder sind daher
unabhängig von der Spannung.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
49
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.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
50
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.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
51
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.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
52
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.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
53
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.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
54
Der direkte Vergleich
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
55
Felder im Bereich von Freileitungen
Für die Feldstärke am Erdboden
bestimmend sind:
- die Spannung für das
elektrische Feld
Donaumast
- 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.
Magnetische Flussdichte im Nahbereich von
Hochspannungsleitungen
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
56
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
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
57
Berechnungsbeispiel Einphasensystem
Leiteranordnung
Stromstärke je
Leiter in
A
magnetische Feldstärke in
A/m
r=1m r=2m r=4m r=8m
500
80
40
20
10
500
40
10
2,5
0,6
r
Bei Verdoppelung des Abstandes r
halbiert sich die Feldstärke (H)
r
a = 50 cm
500
a sehr klein
03-11-29
H ist4proportional
1 0,25
/r
1
0,06
r
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
58
Einphasensystem
Leiteranordnung
magnetische Feldstärke in
Stromstärke je
A/m
Leiter in Bei Verdoppelung
des Abstandes r
1 mFeldstärke
r = 2 m r(H)
= 4 auf
m 1/4
r = 8zurück
m
A
gehtr =die
500
2
H
80 ist proportional
40
201 / r 10
500
40
10
2,5
0,6
500
4
1
0,25
0,06
r
r
a = 50 cm
a = 5 cm
03-11-29
r
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
59
Einphasensystem
Leiteranordnung
magnetische Feldstärke in
Stromstärke je
A/m direkt in
Leiter in
Der Abstand a geht
r=1m r=2m r=4m r=8m
A
die Größe der Feldstärke (H) ein
500
80
40
20
10
500
40
10
2,5
0,6
500
4
1
0,25
0,06
r
r
a = 50 cm
a sehr klein
03-11-29
r
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
60
Einphasensystem
Leiteranordnung
Stromstärke je
Leiter in
A
magnetische Feldstärke in
A/m
r=1m r=2m r=4m r=8m
500
500
r
a = 50 cm
H = (I• a) /
500
03-11-29
40
20
10
40
2πr2
10
2,5
0,6
4
2πr2
1
0,25
0,06
H = I / 2πr
r
a = 5 cm
80
r
H = (I• a) /
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
61
I1
I2
a
I3
I 2 = 500
I 1 = I 3 = I 2 /2
a
-1
-0.1
-0.01
H ist proportional 1 / r3
r
a = 10 cm
t2
I2
I1
I3
a
I2 = 0
I 1 = -I 3 = 433
a
14
3,5
0,9
H ist proportional 1 / r2
r
a = 10 cm
t2
I2
I1
a
I3
I2 = 0
I 1 = -I 3 = 433
a
r
a = 50 cm
03-11-29
92
18,4
H ist proportional 1 / r2
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
4,4
Dreiphasensystem
t1
magnetische Feldstärke
A/m
r=1m r=2m r=4m
Betrachtet innerhalb einer Periode!
Leiteranordnung
Stromstärke in
A
62
Schaltschrankaufbau
H = (I• a) / 2πr2
magnetische Feldstärke
im Punkt P
Wechselstromkreis mit 5 A
P
64 A/m
a = 5 cm
P
Magnetische Feldstärke in einem Punkt/
Abstand
3,2 A/m
a
a = 2,5 mm
Ergänzungsbilder
Abhilfe: Verdrillung/Symmetrierung
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
63
Bewertung der Beeinflussung durch Kabel und Leitungen
Grundsätzlich ist die Höhe der magnetischen Induktion B abhängig
03-11-29
1)
vom Abstand (r) vom Messpunkt zum Leiter, der das Magnetfeld
erzeugt und
2)
von der jeweiligen Leiteranordnung.
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
64
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
65
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/r2 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/r3 ab.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
66
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 NiedervoltHalogenlampen (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.
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
67
Entladung statischer Elektrizität (ESD)
ESD heißt Electrostatic discharge = Entladung statischer Elektrizität.
Das ESD-Phänomen hat generell zwei wesentliche
Auswirkungen:
¾
Zerstörung elektronischer Bauelemente und
Baugruppen durch unsachgemäße Handhabung
¾
Zerstörung oder Beeinflussung von elektronischen
Geräten und Systemen während des Betriebs
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EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
68
Prinzip der elektrostatischen Aufladung
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
69
Überspannungen durch Schalthandlungen
Transienten
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
70
Gemessener Burst-Impuls
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EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
71
Blitzschlag
Das Bild zeigt den angenommenen Blitzstromverlauf mit den wichtigsten
Parametern.
Folgeschäden
• Brände durch
Kurzschlusslichtbögen
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EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
72
Das bedeutet:
Potentialanhebung
Beispiel:
geg.: RE = 1 Ω Erderwiderstand; îE = 100 kA Blitzstrommaximum;
ges.: ûE Spannungsfall am Erder;
^
Alle Teile , die mit dem Gebäude
verbunden sind, nehmen
gegenüber dem Erdpotenzial
eine Spannung von 100 kV an.
^
u E = i E ⋅ R E = 100 kA ⋅ 1Ω = 100 kV
Diese Rechnung berücksichtigt
nicht die Induktivität des Leiters!
03-11-29
EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
73
Induktionsspannungen bei Leiterschleifen
M = 5 µH
Installationsschleife
z. B. Alarmanlage
us = M ⋅
∆i
∆t
M = Gegeninduktivität
M = 0,6 nH
Fernmeldeleitung
03-11-29
∆i
u
=
M
⋅
l
⋅
s
EMV-Sachkundiger
(Kapitel 2)
∆t
74
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.
umax = L ⋅
∆i
1kA
= 1µH ⋅
= 1kV
∆t
1µs
max. Länge
nach Norm
0,5 m
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EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
75
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EMV-Sachkundiger (Kapitel 2)
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