Netzqualität in der Instandhaltung: was ein Energiemonitor zeigt

Ein Motor, der ohne erkennbaren Grund heiß wird, ein Schutzschalter, der hin und wieder auslöst, ein Neutralleiter, der wärmer ist als die Außenleiter, ein Kondensator, der sich aufbläht. Oft liegt die Ursache nicht in der Anlage, sondern in der Energie, die bei ihr ankommt. Das Multimeter zeigt einen Augenblick; ein Energiemonitor zeigt, was den ganzen Tag über passiert, Phase für Phase. In diesem Artikel erklären wir, worauf es sich zu achten lohnt, und zeigen das Modul für Energiemonitoring, das wir in taskfield entwickeln.

Warum die Instandhaltung auf die Energie schauen sollte

Netzqualität ist meist Sache der Elektroplanung oder des Netzbetreibers. Die Folgen zeigen sich aber in der Werkstatt:

• Spannungsunsymmetrie erwärmt Drehstrommotoren und verkürzt die Lebensdauer der Isolierung.
• Oberschwingungen erwärmen Transformatoren, überlasten den Neutralleiter, verursachen Fehlauslösungen und beschädigen Kondensatorbatterien.
• Ein niedriger Leistungsfaktor erhöht den Strom in den Leitungen und kann auf der Rechnung zu Zusatzkosten führen.
• Spannungseinbrüche und -überhöhungen schalten Frequenzumrichter ab und zerstören elektronische Netzteile.

Ohne kontinuierliche Messung landen diese Ursachen als „elektrischer Fehler“ im Arbeitsauftrag, und derselbe Fehler kommt wieder. Mit Messung werden sie zu Daten: Uhrzeit, Phase und Ausmaß.

Unsymmetrie: Spannung und Strom erzählen verschiedene Geschichten

Spannungsunsymmetrie ist der Unterschied zwischen den Spannungen der drei Phasen. Sie kommt meist aus dem Netz oder von schlecht verteilten einphasigen Lasten. Viele Netzanschlussregeln und Normen setzen für die Spannungsunsymmetrie eine Grenze von etwa 2 % bis 3 %. Das klingt nach wenig, aber die Wirkung im Motor wird verstärkt: 1 % Spannungsunsymmetrie kann in der Wicklung eine um ein Vielfaches größere Stromunsymmetrie erzeugen, und daraus wird Wärme.

Stromunsymmetrie zeigt, wie die Last verteilt ist. Im Bild unten ist die Spannung symmetrisch (0,86 %), der Strom aber liegt bei 78,6 %: Phase A führt 0,88 A, während die Phasen B und C über 5 A liegen. Der Grund ist in diesem Fall, dass die Phasen B und C Energie aus einer Photovoltaikanlage ins Netz einspeisen (der negative Wert der Wirkleistung), während Phase A nur kleine Lasten versorgt.

Das Zeigerdiagramm macht sichtbar, was die Tabelle sagt: Die Spannungszeiger stehen 120° auseinander, die Stromzeiger zeigen den Winkel jeder Phase. Überschreitet der Winkel zwischen Spannung und Strom einer Phase 90° (in die eine oder andere Richtung), ist die Wirkleistung dieser Phase negativ: Die Energie fließt ins Netz.

Oberschwingungen: die Verzerrung, die das normale Multimeter nicht zeigt

Schaltnetzteile, Frequenzumrichter, LED-Beleuchtung und Solarwechselrichter nehmen keinen sauberen Sinusstrom auf. Der verzerrte Strom lässt sich in Vielfache der Netzfrequenz zerlegen: In einem 60-Hz-Netz liegt die 3. Oberschwingung bei 180 Hz, die 5. bei 300 Hz und so weiter. Der THD (gesamte harmonische Verzerrung) fasst alles als Prozentsatz der Grundschwingung zusammen.

Drei Dinge, die jeder Techniker wissen sollte:

1. Die Vielfachen von 3 addieren sich im Neutralleiter. Die 3., 9. und 15. Oberschwingung sind Nullsystem-Oberschwingungen: Statt sich zwischen den Phasen aufzuheben, addieren sie sich im Neutralleiter. Deshalb ist in Gebäuden voller Computer und LEDs der Neutralleiter oft wärmer als die Außenleiter.
2. Die 5. und die 11. „bremsen“ den Motor. Sie gehören zum Gegensystem: Sie erzeugen ein gegenläufiges Drehfeld, das Erwärmung und Schwingungen verursacht.
3. Hoher THD bei kleinem Strom täuscht. Eine Phase mit 0,87 A kann einen THD von 38 % haben, die absolute Verzerrung ist aber gering. Deshalb verwendet die Referenz IEEE 519 den TDD, der die Verzerrung mit dem maximalen Laststrom der Anlage vergleicht und nicht mit dem momentanen Strom.

Auch die Form des Spektrums hilft bei der Suche nach der Quelle. Ein 6-Puls-Gleichrichter (typisch in Frequenzumrichtern) erzeugt vor allem die 5., 7., 11. und 13. Oberschwingung. Einphasige Schaltnetzteile erzeugen die 3., 5. und 7. Wer das weiß, sucht die richtige Last, statt den Schutzschalter zu tauschen.

Leistungsfaktor: cos φ ist nicht die ganze Wahrheit

Der cos φ misst nur die Verschiebung zwischen Spannung und Strom bei der Grundfrequenz. Sind Oberschwingungen vorhanden, ist der tatsächliche Leistungsfaktor (Wirkleistung geteilt durch Scheinleistung) kleiner als der cos φ, und eine nur nach cos φ ausgelegte Kondensatorbatterie kann mit den Oberschwingungen in Resonanz geraten. Viele Energieversorger berechnen überschüssige Blindenergie, wenn der Leistungsfaktor unter einem im Tarif festgelegten Mindestwert liegt.

Noch ein Punkt: In Anlagen, die einspeisen, wird die Wirkleistung der Phase negativ, und der berechnete Leistungsfaktor kann seltsam aussehen. Bezug und Einspeisung getrennt auszuweisen, wie in der Leistungstabelle der Echtzeitansicht, verhindert falsche Schlüsse.

Anlagen mit Photovoltaik: Der Zähler muss in beide Richtungen messen

Mit eigener Erzeugung lautet die Frage nicht mehr nur „Wie viel verbrauchen wir?“, sondern „Wie viel speisen wir ein, auf welcher Phase und wann?“. Ein Zweirichtungszähler zeigt das Tagesmuster: Bezug in der Nacht, Einspeisung am Tag. Er zeigt auch, was aus dem Muster fällt.

Im Diagramm erscheinen die Ereignisse genau dort, wo sie aufgetreten sind. Die Überspannung auf Phase C liegt zum Beispiel über der oberen Grenze des zulässigen Spannungsbands für dieses Netz. Das passiert meist, wenn die Erzeugung hoch und der Verbrauch vor Ort niedrig ist, und genau solche Ereignisse schalten Wechselrichter mitten am Tag ab.

Vom Alarm zum Arbeitsauftrag

Messen löst nichts, wenn der Alarm nur auf dem Bildschirm bleibt. Der Nutzen des Monitorings zeigt sich, wenn aus dem Ereignis Arbeit wird:

1. Die Grenze wird überschritten (zum Beispiel Stromunsymmetrie über 30 %).
2. Das System erfasst das Ereignis mit Uhrzeit, Phase und Wert und eröffnet eine Meldung, verknüpft mit der Anlage.
3. Der Techniker erhält den Arbeitsauftrag mit Kontext: dem Diagramm des Moments, den betroffenen Phasen und der Historie dieses Messpunkts.
4. Beim Abschluss wird die gefundene Ursache (schlecht verteilte Last, lockere Verbindung, defekter Wechselrichter) in der Historie codiert, und die nächste Analyse beginnt mit Daten.

Was wir in taskfield entwickeln

In EntwicklungDie Ansichten in diesem Artikel stammen aus dem Energiemonitor, den wir in taskfield für unsere Kunden entwickeln. Er wird bereits mit echten Messgeräten getestet und bringt am selben Ort wie die Instandhaltung zusammen:

• Echtzeit: Spannungen, Ströme, Leistungen, Leistungsfaktor und Zeigerdiagramm je Phase, alle paar Sekunden aktualisiert.
• Oberschwingungen: Strom- und Spannungsspektrum bis zur 25. Ordnung, Referenzgrenzen nach IEEE 519, Phasenfolge und Lastsignaturen, um die Quelle der Verzerrung zu finden.
• Zweirichtungsmessung: Bezug und Einspeisung getrennt nach Phase, mit der Nettoenergie des Zeitraums, für Anlagen mit Photovoltaik.
• Historie und Ereignisse: Trends von 24 Stunden bis 3 Monaten, mit Unsymmetrien, Spannungsschwankungen und Kommunikationsausfällen im Diagramm markiert.
• Meldung mit einem Klick: Das Ereignis wird zum Arbeitsauftrag, verknüpft mit dem Schaltschrank oder der Anlage, mit den Daten des Moments im Anhang.

Funktionen und Ansichten können sich bis zum Start noch ändern. Wenn Sie Schaltschränke, Anlagen mit Photovoltaik oder energieempfindliche Geräte betreuen, tragen Sie sich in die Warteliste ein: Die ersten Kunden bestimmen mit, was zuerst kommt. Sehen Sie sich auch an, wie taskfield die Energiebranche unterstützt.