Messung der Netzrückwirkungen durch Oberschwingungen im Bereich 2-9 kHz

Hintergrund

Bis zur 40. Harmonischen (2 kHz bei 50 Hz) werden von Verbrauchern verursachte Oberschwingungen nach den Normen EN 61000-3-2 und -12 gemessen und bewertet. Dieser Frequenzbereich umfasst z.B. die Störemission von Netzteilen und geregelten Antrieben mit Thyristoren o.Ä.. Ab 9 kHz gelten die einschlägigen EMV-Normen, nach denen die leitungsgebundenen Störungen zu messen sind.
Der Bereich von 2 … 9 kHz hingegen ist bisher weitgehend unreglementiert. Er wird darum bevorzugt für z.B. Schaltnetzteile, elektronische Vorschaltgeräte und Frequenzumrichter genutzt. Das Fehlen von Grenzwerten erspart Entstöraufwand und macht die entsprechenden Geräte günstiger.
In den letzten Jahren wird immer mehr Leistung aus dezentralen Kraftwerken (Windenergie, Photovoltaik) in das Netz eingespeist. Auch hier wurde durch moderne Halbleiter wie z.B. IGBTs die nicht reglementierte Frequenzlücke von 2 … 9 kHz stark genutzt. Die jetzt vorhandenen und in Zukunft wachsenden Netzstörungen in diesem Frequenzbereich machen nun entsprechende Messungen erforderlich.

Normen

Die EN61000-4-7 beschreibt in Anhang B ein Verfahren, wie man Signalanteile oberhalb der 40. Harmonischen messen muss und die Messwerte gruppiert.
Die Norm fordert im Wesentlichen die Erfüllung folgender Punkte:

• DFT mit 200ms Rechteckfenster
• Keine Lücken, keine Überlappungen
• Gruppen von 200 Hz, mit jeweils 40 Linien im Abstand von 5 Hz:
  Bei 50 Hz-Systemen startet die erste Gruppe bei 2005 Hz, und die 35. Gruppe endet bei 9 kHz.
  Bei 60 Hz-Systemen startet die erste Gruppe bei 2405 Hz, und die 33. Gruppe endet bei 9 kHz.
  Die Gruppen werden anhand ihrer Mittenfrequenz benannt. Folglich wird z.B. bei 50 Hz der Strom der 1. Gruppe mit I₂₁₀₀ und die Spannung der letzen Gruppe mit U₈₉₀₀ bezeichnet.

2 … 9 kHz Grenzwerte sind u. A. definiert in den Technischen Richtlinien für Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, Abschnitt 2.4.3, herausgegeben vom BDEW (Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschat e.V.) Die zulässigen Oberschwingungsströme werden auf die Netzkurzschlussleistung am Einspeisepunkt bezogen. Beispielweise ist am 10 kV-Netz der zulässige auf die Kurzschlussleistung bezogene Strom für die n-te Oberschwingung 0,18 A/(MVA*n) für n > 40.

Messtechnik

Üblicherweise sind die in der Praxis zu messenden Signale nicht direkt mit einem Gerät messbar, es werden genaue Strom-/Spannungswandler benötigt.
Nachfolgend eine Auflistung gängiger ZES ZIMMER® Strom-/Spannungswandler, jeweils mit Nennwert und Fehler bei 9 kHz:

	Nennwert	Fehler bei 9 kHz
Strommesszange Z06	40 A	1%
Breitbandiger Präzisions-Stromwandler WCT100	100 A	0,25%
Präzisions-Stromwandler LMG-Z5xx	1,5 kA … 10 kA	0,02%
Hochspannungsteiler HST12	12 kV	0,2%
Hochspannungsteiler HST30	26 kV	0,5%

Um die Wiederholbarkeit von Messungen zu verbessern, muss die netzseitige Impedanz exakt angegeben werden. Es wird eine Netznachbildung mit einem genormten Impedanzverlauf im Bereich 2 … 9 kHz zwischen Prüfling und Stromversorgung eingefügt. Als Stromversorgung wird der Einsatz einer Leistungsquelle empfohlen, was aber nicht zwingend notwendig ist.
Die Dimensionierung einer Netznachbildung für Ströme bis 16 A ist in EN 61000-4-7:2002 + A1:2009 aufgeführt. Ebenso das Diagramm Ausgangsimpedanz |Z| über der Frequenz f. Die Impedanz wächst nahezu linear ab 3 kHz bis 9 kHz auf 10 Ohm

Die Messgeräte LMG500 und LMG95 und die Prüfsoftware des Systems CE-Test61k können die Messungen im Frequenzbereich 2 … 9 kHz normkonform durchführen. Die dafür zukünftig gültigen Grenzwertsätze werden durch Firmware- und Software-Updates (siehe Download Bereich) jederzeit nachrüstbar sein.