Einflüsse durch induktive Einkopplung und schlecht entstörte Geräte, Messung und Maßnahmen zur Reduzierung

Wie bereits im ersten Teil dieses Beitrags erläutert, liegt eine prinzipielle Ursache für die unbeabsichtigte Entstehung und Verbreitung von Strömen auf dem Potentialausgleichsystem in Gebäuden oder elektrischen Anlagen darin begründet, dass PE- und PA-Systeme nicht streng trennbar sind.

Ursachen für Ströme auf PE/PA-Leitern

Die Ströme auf den PE/PA-Leitern bei Anlagen mit frequenzgeregelten Antrieben können hierbei zahlreiche Ursachen haben. Sie sind dabei auch, aber nicht ausschließlich, dem Einsatz des leistungselektronischen Gerätes und seines EMV-Filters selbst geschuldet. Diese Ursachen können im Einzelnen sein: Kapazitiv

• Ausbildung von Gleichtaktspannungen durch leistungselektronische Verbraucher, was in Folge von kapazitiver Kopplung von Leitungen und Betriebsmitteln gegen Erde Gleichtaktströme anregt.
• Unnötig stark kapazitiv gegen Erde wirkende Leistungskabeltypen. Unnötig lange Motorkabel.

Induktiv

• Induktive Einkopplungen innerhalb der Kabel (zwischen Phasen- und PE/PA-Leitern), speziell bei mittleren und großen Leistungen.

Versorgungsspannung/Netzvorbelastungen

• Niederfrequente Netzoberschwingungen, Harmonische der Netzfrequenz.
• Unsymmetrische Belastung der EMV-Filter durch unterschiedliche Phasenspannungen (z. B. ungleiche Aufteilung einphasiger Lasten, unsymmetrische Aufteilung von Stromschienen).
• PE/PA-Strom-„Vorbelastung“ durch nicht oder unzureichend entstörte Geräte innerhalb derselben Installation. Der vorhandene EMV-Filter filtert diese Vorbelastung mit, wodurch ein zusätzlicher PE/PA-Strom am ordentlich entstörten Gerät entsteht.

Installation/ungünstige Ausbreitungspfade

• Unerwünschte Ausbreitungspfade von Gleichtaktströmen durch nicht isolierte Motor/Lastkupplung oder Lastmaschine/Prozessankopplung sowie schlechtem Potentialausgleich zwischen Umrichter und Motor.
• Kreisströme zwischen dem leistungselektronischen System, dessen Komponenten und dem Netz, hervorgerufen durch den Aufbau/die Schaltung der EMV-Filter.Zusätzlich können auch falsch dimensionierte EMV-Filter dazu beitragen.
• Kreisströme durch mehrere „zentrale“ Erdungspunkte in der Anlage (nicht zulässig).
• Unentdeckte (schleichende) Isolationsfehler.

Nachdem im ersten Teil in der vorherigen Ausgabe die kapazitiven Phänomene bereits angesprochen wurden, sollen im Folgenden die Einflüsse durch induktive Kopplungen, Netzspannungsqualität und schlecht entstörte Geräte im Mittelpunkt des Beitrags stehen.

Induktive Kopplung in Leitungen und Schienensystemen

Ab einer Bemessungsleistung von etwa 30 kW tritt bei elektrischen Antrieben verstärkt ein induktiver Effekt in den Versorgungsleitungen auf, der insbesondere durch eine asymmetrische Anordnung der Leiter in Kabeln oder Schienensystemen hervorgerufen wird. Dadurch bildet sich innerhalb des Kabels ein Spannungspotential Außenleiter zu Schutzleiter/Potentialausgleichsleiter, welches einen Kreisstrom innerhalb des Potentialausgleichsystems treiben kann. Dieser Effekt hat nichts mit der Leistungselektronik selbst zu tun. Vielmehr resultiert er aus den verwendeten Leistungskabeltypen oder Stromschienen-Übertragungssystemen im Zusammenspiel mit der Potentialausgleichsanlage und deren Vermaschung, worauf u.a. auch in der einschlägigen Fachliteratur hingewiesen wird. Folglich ist es auch unerheblich, ob der Motor über einen Frequenzumrichter oder Softstarter geregelt wird, da auch direkt am Netz betriebene Motoren gleichermaßen von dieser Problematik betroffen sind. Speziell bei langen Kabeln und/oder langen Leitungen kann sich der Effekt sehr deutlich ausbilden. Bei mehreren hundert kW Antriebsleistung erreichen die Ströme leicht den zweistelligen Amperebereich. Vermeiden lässt sich der Effekt durch räumliche Trennung der drei Phasen zum Potentialausgleichsleiter oder mithilfe einer symmetrischen Aufteilung des PE/PA-Leiters innerhalb des Kabels. Solche Kabel sind mittlerweile bei praktisch allen namhaften Herstellern im Programm verfügbar.