mbs ag wichtiges aus der wandlerbranche...6.2.1.2 inductive vts for voltages over 1 kv and up to 52...
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MBS AG
Wichtiges aus der Wandlerbranche
Normenlage, neue Techniken und herausfordernde Netzphänomene
1
Themen
1. Oberschwingungen – Was muss ich beachten?- Stromoberschwingungen- Spannungsoberschwingungen
2. Unterbürdung bei Wandlern @ 50 Hz
2
Wie entstehen OS?
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Schalter Schalter
Halbleiterbauelemente Scharfe Kanten
Was sind Oberschwingungen? – Ein Modell
Kupfer
Isolation
+ 5 V
- 5 V
30 kHz 10 Minutenjeden Tag 12 Wochen
-
F
Skineffekt
- ----
-
-
-180 °
0 °
-
-
-
-
-
-
-----
-
-
--
--
-
F
Achtung: Oberschwingungen können den Degenerationsprozess in der Isolation beschleunigen
L1
IC
I
Schaltnetzteil auf der Verbraucherseite
Eingangsspannung
Gleichrichtung durch Dioden
ZLeitung I IC
U
G
U = G-IZLeitung
UC
U
UC
Brückengleichrichter mit impulsartiger Stromentnahme
N
5
Power Quality - Verbraucherseite
RL
u0
Kraftwerks-generator
LL
Leitungsimpedanz
Samm
elsch
ien
e
Kunde 1
Kunde 2
Kunde 3
i0
iK1
iK2
iK3
i0=iK1+iK2+iK3
uL uSammelschiene
uSammelschiene = u0 - uL
uL = i0 x (RL+jωLL)
u(t
) [V
]
VDE Technische Anschlussregeln (Planung)
Span
nu
ngs
eb
en
e
20172013 2014 2015 20162012 2018 2019
TAR Höchstspannung (4130)
TAB Hochspannung (4120) /Version 01.01.2015
Übergangsfrist
1.5.201830.6.2017
Network Code Requirementsfor Generators (RfG)
(RfG)
TAR Hochspannung (4120) / Version NC RfGkonform
TAR MS (4110)
TAR NS (4105)
17.5.2019
TAR NS (4100)
NS
MS
HS
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Entwurf VDE-AR-N 4110 (TAR Mittelspannung)
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5.4.4 Oberschwingungen und Zwischenharmonische
Der Netzbetreiber gibt in Anhängigkeit der Anschlussleistung der Kundenanlage und den Gegebenheiten am Netzverknüpfungspunkt Obergrenzen für die Einspeisung von Oberschwingungen vor. Maßnahmen zur Reduzierung der Oberschwingungsströme –insbesondere der Bau von Filterkreisen – erfolgen durch den Kunden in Absprache mit dem Netzbetreiber.
Für die Berechnung von Grenzwerten wird zwischen geradzahligen und untergeradzahligenOberschwingungen (Harmonische), Zwischenharmonische und Frequenzanteilen im Bereich 2 kHz und 9 kHz (Supraharmonische) unterschieden.
Für die Berechnung der maximal zulässigen Oberschwingungsströme einer Kundenanlage (Bezugsanlage, und/oder Erzeugungsanlage und/oder Speicher sind folgende Gleichungen anzuwenden:
Messung von Stromharmonischen bis 9 kHz!
Technische Regeln für den Anschluss von Kundenanlagen an das Niederspannungsnetz und deren Betrieb (TAR Niederspannung)
IEC 61000-4-7 (Strom-harmonische2-9 kHz)
Auswirkungen auf Schaltnetzteile
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|�|��� � �� = 1 �
|�|�,� � �� � = 10 �
Faktor 10
Randbedingungen: C = 14 �� U = 230 � �� 50 ��
„Sieben-Grad-Gesetz“ – Nach diesem wird die Lebensdauer für T > 50 °C mit je 7 °C
Temperaturerhöhung halbiert.
Quelle:Von Benutzer:Quark48, CC BY-SA 2.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17679270
Auswirkungen Oberschwingungen
10Beispiele für wirtschaftliche Auswirkungen: http://de.electrical-installation.org/dewiki/Wirtschaftliche_Auswirkungen
Beispiele
Rechenzentrum eines VersicherungsunternehmensAls Kosten für die die fehlerhafte Auslösung eines Leistungsschalters in einem Rechenzentrum wurden ca. 100.000 Euro pro Stunde Ausfallzeit errechnet.
Pharmazeutisches LaboratoriumFür den durch Oberschwingungen verursachten Ausfall eines Generatorsatzes und die Unterbrechung von Langzeittests eines neuen Medikamentes resultierte ein Verlust in Höhe von etwa 17 Mio. Euro.
Metallverarbeitendes WerkEine Reihe von Induktionsöfen verursachte die Überlastung und Zerstörung von drei Transformatoren von 1500 bis 2500 kVA innerhalb eines Jahres. Die Kosten für die Produktionsausfälle wurden auf 20.000 Euro pro Stunde geschätzt.
Fertigungswerk für GartenmöbelDer Ausfall von Frequenzumrichtern führte zu Produktionsausfällen, deren Kosten auf 10.000 Euro pro Stunde geschätzt wurden.
Stromoberschwingungen Windpark
Achtung: Copyright Maschinenfabrik Rheinhausen – Power Qualityhttp://www.reinhausen.com/de/desktopdefault.aspx/tabid-42/16_read-8497/
Oberschwingungsfilteranlage (Strom) 2 bis 9 kHz
Investitionsvolumen ca. 300.000 EUR
XCTB – Serie für raue Umgebungsbedingungen
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XKBU und XKBR
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PQI-DA-smart (a-eberle)
Strom- vs. Spannungsharmonische
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Stromverzerrungen
Ursache
Spannungsverzerrungen
1. Messungen bis 9 kHz gem. TAR in der NS + MS!
2. BDEW 2008 (9 kHz)
Messung gem. IEC 61000-4-7
Messungen?
MBS Wandler im PQ-Einsatz
=~
Mittelspannung von 1 – 35 kV (EN 50160 2 kHz / IEC 61000-2-12 2,5 kHz)
Höchstspannung 220 oder 380 kV
Hochspannung 110 kV
Mittlere Kraftwerke
Atomkraftwerke
Kohlekraftwerke
Industrielle Abnehmer
Wasserkraftwerke
Industrielle Abnehmer
Industrielle Abnehmer
Industrielle Abnehmer
Solarenergie
Trafostation
Höchstspannung
Hochspannung
Mittelspannung
Niederspannung
=
~
Windenergie
=
~
=
~
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Niederspannung bis 1 kVEN 50160 2 kHzIEC 61000-2-2 150 kHz
Einpoliger SpannungswandlerPrinzipieller Aufbau
Aufbau Spannungswandler
Spannungswandler einpolig in der MS
Primärspule
Eisenkern
da-dn Wicklung Sekundäre Messwicklung
Primärspulenträger
Jeder Spannungswandler ist ein schwingungsfähiges Gebilde!
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10 kV Spannungswandler (im Leerlauf)
höhere Primärspannung kleinere Primärspannung
Resonanzstelle
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30 kV Spannungswandler
20
Resonanzstelle
6.2.1.2 Inductive VTs for voltages over 1 kV and up to 52 kV
6.2.1.2.2 Frequency Response BehaviourThe frequency response becomes unacceptable at about 1 kHz (or even
lower), well below the frequency limit established in the relevant standards. The achievable frequency limit increases for lower voltage class units but worsens for higher voltage class units.According to IEC 61000-4-30:2008, frequency response for a common metering class voltage transformer depends on its type and on burden. With
a high impedance burden, the response is usually adequate to at least 2 kHz but it can be less.
Oberschwingungsmessungen VT
Techical Brochure 596: Harmonic measurement limitations caused by VT‘sSuitability of inductive transformers for harmonic measurements**
**Source: CIGRE / CIRED Guidelines for Power Quality Monitoring WG C4.112 TECHNICAL BROCHURE 596
EN 50160: THDu bis 2 kHz (40. Harmonische)
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SpannungsebeneOrdnung der Oberschwingung
2. bis 7. 8. bis 20. 21. bis 50.
Mittelspannung
10 kV Ja Ja Ja
20 kV Ja Ja Unsicher
30 kV Ja Nein Nein
Hochspannung60 kV Ja Ja (?) Unsicher
110 kV Ja Ja Nein
Höchstspannung ≥ 220 kV Unsicher Nein Nein
IEC/TR 61869-103
Instrument transformers – The use of instrument transformers for power quality measurement
Das Übertragungsverhalten der Spannungswandler muss beachtet werden. Taktfrequenzen liegen bei 2,5kHz (alte WEA) und 4kHz (neue WEA) – Dämpfung durch 50 Hz VT
WEA Messung im 20 kV Netz (a-eberle)
Aktuelle Zähler in der Mittelspannung
Landis & Gyr ZxQ Qualigrid
Quelle: https://www.landisgyr.de/product/landisgyr-zxq-qualigrid-2/
EMH LZQJ-XC
Quelle: http://www.emh-metering.de/de/produkte/lzqj-xc1/
Wirkleistungsberechnung bis:1,5 kHz / h = 30
Wirkleistungsberechnung bis:1,6 kHz / h = 32
MBS Professional (Niederspannung)Wirkleistungsberechnung bis:350 Hz / h = 7 mit Klasse 0,2SIntegrierter Filter greift ab h = 7
20 kV Mittelspannungswandler ab der 21. Harmonischen mit potenzieller Resonanzstelle!
23
Verrechnung Windenergie
Annahme:
- 5 MW Windenergieanlage
- 1.500 Vollaststunden pro Jahr
- 7,49 ct/kWh Einspeisevergütung
(WEA betriebsbereit 01.01.2018 / 100 %)
- THD-Faktor bis zur 50. Oberschwingung
(U und I) 5 % gem. DIN EN 61400-21
0,95 � � � 0,95 � � = 0,9025 � � = , !" #$
Bei o.g. Annahmen ca. 54.770 EUR pro Jahr im undefinierten Bereich > 50 Hz!
Leistung bei 50 Hz gem. Annahme
Wie verhalten sich die Zähler und Wandler?24
Spannungs- und Stromsensoren
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Der ohmsch-kapazitive Spannungsteiler
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R1
R2
Primärkapazität C1
Primäranschluss
Unterspannung
Hochspannung
Sekundär-impedanz
Abgleichnetzwerk
C2
Luftisolierter Spannungssensor von MBS
R1
R2
Primärkapazität C1%&
Primäranschluss
Unterspannung
Hochspannung
Sekundär-impedanz
Abgleichnetzwerk
C2
Luftisolierter Spannungssensor im T-Stecker von MBS
Sekundär-spannung
Sekundär-spannung
Spannungsverläufe im MS- und NS-Netz
10 kV
400 V
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Bei 50 Hz bleibt aber alles beim Alten? – Nein! -
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Spannungswandler20.000/√3 auf 100/√3 - 100 VA Kl. 0,520.000/√3 auf 100 3 - 100 VA Kl. 3P
Stromwandler für 20 kV Netz200 auf 5 A - 30 VA Kl. 0,5 FS5200 auf 1 A - 60 VA Kl. 5P20
VT Pfad: ca. 0,02 VACT Pfad: ca. 0,004 bis 0,1 VA
Ca. 4 VA
VT-Unterbürdung im Bürdenbereich 2
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25S
pa
nn
un
gs
feh
ler
(in
%)
Fehlwinkel (in Minuten)
Möllinger-Diagramm
0,8 Un mit cos(ß) = 1 (0,698; -0,33)
0,8 Un mit cos(ß)= 0,85 (0,698; 0,447; -0,304)
1,2 Un mit cos(ß)= 0,85 (0,62; 0,37; -0,382)
Klassengrenzen für Klasse 0,5
25 % Bürde
100 % Bürde
0 % Bürde
cosß = 0,8
- 20 VA Kl. 0,5
- Messgerät mit 1 MOhmEingangsimpedanz
- 0,0034 VA
0,0034 VA
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VT mit Bürdenbereich 1
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
Sp
an
nu
ng
sfe
hle
r (i
n %
)
Fehlwinkel (in Minuten)
0,8 Un mit cos(ß)=1 (0,3; -0,25)
0,8 Un mit cos(ß)=1 (0,3; 0,16; -0,25)
1,2 Un mit cos(ß)=1 (0,3; 0,16; -0,25)
Klassengrenzen für Klasse 0,5
25 % Bürde
0 % Bürde
- 5 VA Kl. 0,5
- Messgerät mit 1 MOhmEingangsimpedanz
- 0,0034 VA
0,0034 VA
100 % Bürde
30
Fehlerkurven Stromwandler
31
-1,50-1,40-1,30-1,20-1,10-1,00-0,90-0,80-0,70-0,60-0,50-0,40-0,30-0,20-0,100,000,100,200,300,400,500,600,700,800,901,001,101,201,301,401,50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150
Stro
mfe
hle
r [%
]
Primärstrom [%Ipn]
Stromfehlerverlauf EASK 31.3 250/5A 5VA Kl.0,5SDarstellung der Bürdenabhängigkeit
Fehlerverlauf 0,5VA
Fehlerverlauf 1,25VA
Fehlerverlauf 5VA (Bemessungsbürde)
Fehlerverlauf 7,5VA
Fehlergrenze [+] IEC
Fehlergrenze [-] IEC
0,01VA
0,01 VA
5 VA
7,5 VA
1,25 VA
0,5 VA
Unterbürdung (+ Bereich)
Überbürdung (- Bereich)
Klasse 0,5S
Überstrombegrenzung FS – nur bei voller Bürde
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0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
7,5VA
5VA
2,5VA
1,5VA
1,25VA
1VA
0,5VA
0,01VA
Möglicher Überstrom Primär [A]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
7,5VA
5VA
2,5VA
1,5VA
1,25VA
1VA
0,5VA
0,01VA
Möglicher Überstrom Sekundär [A]
Übertragung Primärstrom (Ipr = 250 A) Übertragung Sekndärstrom (Isr = 5 A)
FS 5 FS 5
Windpark (MS)
Wer bezahlt den ganzen Aufwand?
Übertragungsnetzbetreiber (Deutschland) / Utility Company (USA)
Industrie-kunde (MS)
PCC 1 PCC 2
PCC 4
HV
MV
LV
PCC 3
LV
Übergabe
Einkaufs-zentrum
Haushalte (NS)
SammelschieneSammelschiene
Viel Erfolg beim Messen!
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Wir setzen bereits heute um, woran andere erst morgen denken!
Prof. Dr. h.c. Wolfgang Gilgen
Aktuelle Genauigkeitsanforderungen an LPIT
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IEC FDIS 61869-6 – IEC 2016Instrument transformers - Part 6: Additional general requirements for low-power instrument transformers