Messungen zu Anstiegs- und Abfallzeiten bei Kurzschlüssen

Autor / Redakteur: Peter Mock * / Kristin Rinortner

Für Spannungseinbrüche und Kurzzeitunterbrechungen fordert die IEC/EN 61000-4-11 Anstiegs- und Abfallzeiten der Prüfspannungsquelle von 1 bis 5 μs bei 100 W Last. Sind diese Angaben realitätsnah?

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Immunitätsprüfung: Technologischer Vorsprung des Linearverstärkers beim normgerechten Prüfen –Anstiegszeit in der IEC/EN 61000-4-11
Immunitätsprüfung: Technologischer Vorsprung des Linearverstärkers beim normgerechten Prüfen –Anstiegszeit in der IEC/EN 61000-4-11
(Bild: Spitzenberger & Spies)

Die IEC/EN 61000-4-11 definiert Immunitätsprüfungen für Geräte, die an das öffentliche Niederspannungsverteilnetz angeschlossen werden. Es soll dabei die Immunität von Geräten gegenüber Spanungseinbrüchen und Kurzzeitunterbrechungen geprüft werden.

Die Definition von Spanungseinbrüchen und Kurzzeitunterbrechungen sowie deren Ursachen finden sich in der EN 61000-2-8. Generell werden beim Bewerten von diesen Phänomenen immer Effektivwerte der Spannung herangezogen, die über die Dauer einer Periode gemittelt werden. Wesentlicher Unterschied zwischen Spannungseinbrüchen und Kurzzeitunterbrechungen ist die Höhe der Spannungsveränderung und deren Dauer. Spannungseinbrüche sind Veränderungen der Spannung bis zu einem bestimmten Wert in Kombination mit einer bestimmten Dauer (Tabelle 1).

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Kurzzeitunterbrechungen sind Ausfälle der Spannung in allen Leitern auf einen Wert von 0% der Nennspannung für eine Zeitdauer von 250 Perioden (5 s). Wodurch werden solche Phänomene hervorgerufen?

Die EN 61000-2-8 enthält umfangreiches statistisch ermitteltes Material über die Häufigkeit und die Ursachen von Spannungseinbrüchen und Kurzzeitunterbrechungen. Eine der Hauptursachen sind durch Blitzschlag hervorgerufene Überspannungen im öffentlichen Verteilungssystem, sowie Kurzschlüsse innerhalb von Geräten und in der Verteilung. Eine Folge dieser Phänomene ist unter anderem das Auslösen von Sicherungen.

Bevor eine Sicherung auslöst, wird ein dramatischer Anstieg des Stromes bis hin zum Kurzschlussstrom hervorgerufen (Bild 1). Dieser verursacht an der Impedanz des Versorgungsnetzes jenen real auftretenden Spannungseinbruch, der in den IEC/EN Normen diskutiert wird. Der zeitliche Verlauf eines solchen Kurzschlusses lässt sich sowohl rechnerisch als auch messtechnisch überprüfen.

Die für die Simulation zugrundeliegende Netzimpedanz ist die in der EN 61000-3-3 definierte Referenzimpedanz mit 0,4+j0,25 Ohm. Simuliert wurde das Verhalten einer reellen Last mit einem Nennstrom von 16 A bei einem in der Nähe (20 m Leitung) auftretendem Kurzschluss bei einem Kabelquerschnitt von 1,5 mm².

Die Anstiegs- und Abfallzeiten der Versorgungsspannung bei einem solchen Kurzschluss zeigen die Bilder 2 und 3.

Im zeitlich höher aufgelösten Diagramm in Bild 3 erkennt man deutlich eine Abfallzeit der Spannung in der Größenordnung von 5 µs. Sollen diese Spannungseinbrüche mit einer Prüfquelle nachgebildet werden, muss die verwendete Quelle schnell genug sein, um diese Anstiegs- und Abfallzeiten reproduzieren zu können.

Kurzschluss-Messungen in der Praxis

Um die in der Realität vorkommenden Anstiegs- und Abfallzeiten zu untersuchen, wurden mehrere praktische Kurzschluss- Messungen durchgeführt. Die Messergebnisse wurden dann mit den vorher errechneten Simulationsergebnissen verglichen.

Als Versuchsanordnung stand dazu eine Gebäudeinstallation zur Verfügung, an der zwei Labortischgruppen angeschlossen sind. Die Gebäudeinstallation kann durch das Ersatzschaltbild in Bild 4 dargestellt werden: Im Ersatzschaltbild sind drei Leitungsteilstücke sowie zwei Abzweigungen zu Labortischen zu sehen. Anfangs ist eine ideale Quelle mit 230 V und 50 Hz zu sehen. Die Teilstücke 0 bis 2 repräsentieren die Abschnitte einer Stromschiene.

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An diese angeschlossen sind zwei Labortischgruppen mit je ca. 5 m Anschlussleitung. Am Ende des Teilstückes 2 wurde ein 35 m langes Kabel angeschlossen und am Kabelende das jeweilige EUT. Beim Auftreten eines Kurzschlusses an Labortisch 2 wurden die Spannungsverläufe an Labortisch 1, an Labortisch 2 und am EUT gemessen.

Im Messdiagramm in Bild 5 ist anschaulich erkennbar, dass in unmittelbarer Nähe des Kurzschlusses (blaue Kurve) die Abfallzeit der Spannung kleiner 1 µs ist.

In einiger Entfernung vom Kurzschluss (15 m = rote Kurve, 40 m = grüne Kurve) erhöht sich die Abfallzeit auf bis zu 5 µs. Diese Versuche wurden für Kurzschlüsse zwischen L2 und N und für Kurzschlüsse zwischen L1 und L2 durchgeführt. Gemessen wurde sowohl zwischen L1 und N als auch zwischen L2 und N. Alle Messungen lieferten vergleichbare Ergebnisse für die Anstiegs- und Abfallzeiten, die in Abhängigkeit von der Entfernung zum Kurzschluss immer zwischen 1 und 5 µs lagen. Die entsprechende Simulation lieferte ein gleichwertiges Ergebnis.

Die Realität von Kurzschlüssen in der IEC/EN 61000-4-11

Die in der IEC/EN 61000-4-11 definierten Anforderungen an Prüfeinrichtungen bezüglich der Anstiegszeit kleiner 5 µs sind also sehr realitätsnah. Spannungsquellen, wie viele getaktete Verstärkersysteme (Anstiegszeiten im ms-Bereich), können weder zur normgerechten Prüfung noch zur realitätsnahen Prüfung verwendet werden. Die Wiederholgenauigkeit von normgerechten Prüfungen ist dabei nicht gegeben.

Die in diesem Beitrag gezeigte gute Übereinstimmung von Simulation und Messung lässt den Schluss zu, dass die Realität von Kurzschlüssen und den damit verbundenen Spannungseinbrüchen hier sehr gut aufgezeigt wurde.

Technologischer Vorsprung des Linearverstärkers

Dies kann außer mit elektronischen Schaltern in der Praxis nur mit linearen Transistorverstärkern wie beispielsweise der Leistungsverstärkerserie PAS von Spitzenberger & Spies realisiert werden. Die Applikationsschrift „Praktische Messungen zu Anstiegs- und Abfallzeiten bei Kurzschlüssen“ kann über die Internetseite heruntergeladen werden.

* Peter Mock arbeitet im Produktmanagement und PR-Bereich bei Spitzenberger & Spies in Viechtach.

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