Ferraris Zähler vs Digital Zähler

Analyse einer Leistungsmessung bei einem großen Industriekunden

In diesem Fachbericht wird die Analyse einer Leistungsmessung bei einem großen Industriekunden durchgeführt. Der Kunde verzeichnet sehr große Ströme und Spannungen der fünften Harmonischen während der Produktionszeit, was zu einer schlechten Spannungsqualität führt. Die fünfte Harmonische reicht bis zu 26 Volt und stellt mehr als zehn Prozent der Gesamtleistung dar.

Hintergründe

Der Hintergrund der Messung ergibt sich aus einer Situation, in der ein Energieversorger eine neue Station errichtet hatte und für die Dauer von zwei Monaten zwei Energiezähler in Reihe betrieben hatte. In der alten Station war ein Ferraris Zähler, in der neuen Station war ein elektronischer Zähler verbaut. Bei der parallelen Energiemessung fiel auf, dass der elektronische Zähler acht Prozent weniger Energie zählte als der Ferraris Zähler. Nach weiteren Tests und erneuter Eichungen der Zähler wurde festgestellt, dass diese große Abweichung bestehen blieb. Um diese Diskrepanz zu klären, wurde eine Power-Quality-Messung durchgeführt (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Fünfte Harmonische eines Industriekunden während der Produktionszeit auf 400 Ampere Strom und 26V Spannung

Netzanalysatoren ermöglichen Quantifizierung von Harmonischen

Unsere mobilen Netzanalysatoren aus der PQ Boxen-Familie ermöglichen es, die Spannung und den Strom dieser Harmonischen zu quantifizieren, wobei der Phasenwinkel Phi berücksichtigt wird. Mit diesen Informationen ist es möglich, die Wirkleistung genau zu berechnen. Die anschließende Darstellung (Abbildung 2) veranschaulicht die Berechnung der Wirkleistung anhand der gemessenen Daten. In der Grafik ist die Wirkleistung der Einzelphasen sowie die Drehstromleistung der fünften Harmonischen (250 Hz) dargestellt. Die Analyse ergibt eine Wirkleistung von -23,3 kW. Gemäß Definition entspricht ein negativer Wert einer Rückspeisung von 23 kW der Wirkleistung in das vorgelagerte Netz seitens des Industriekunden bei einer Frequenz von 250 Hz.

Abbildung 2: Berechnung der Wirkleistung, Einzelphasenleistungen und Drehstromleistung der fünften Harmonischen

Messdatenanalyse

Abbildung 3: Wirkleistung der Grundschwingung

In den vorliegenden Messdaten ist die Gesamtleistung des Kunden positiv, was die Annahme einer inkorrekten Anschlusskonfiguration widerlegt. Die visuelle Darstellung zeigt Summenwirkleistung positiv, während die fünfte Harmonische in entgegengesetzter Richtung mit einem negativen Vorzeichen verläuft (Abbildung 3).

Muss man diese Oberschwingungswirkleistung quadratisch von der Summenwirkleistung subtrahieren? In diesem Kontext bedarf es keiner quadratischen Summierung der Harmonischen für die Leistungsberechnung. Anhand der Gesamtleistung lässt sich die Leistung der fünften Oberschwingung direkt subtrahieren. Diese Herangehensweise steht in Einklang mit den Möglichkeiten, die moderne Netzanalysatoren bieten, und ermöglicht eine präzise Quantifizierung der harmonischen Einflüsse auf die Leistungsebene (Abbildung 4).

Abbildung 4: Berechnung der breitbandigen Wirkleistung

Die Grafik in Abbildung 5 illustriert ein Pegelzeitdiagramm, das den Verlauf über eine Woche hinweg darstellt. Die beiden unterschiedlichen Farben in der Grafik repräsentieren die Summenleistung. Der größere Leistungswert in Lila zeigt die Grundschwingungswirkleistung, während die kleinere Wirkleistung die breitbandig (also inkl. aller harmonischen Leistungen) ermittelte Wirkleistung anzeigt.

Abbildung 5: Bereich der Gesamtleistung mit Angabe der Summenleistung (blau) und Wirkleistung (rot)
Abbildung 6: Pegelzeitdiagramm der Gesamtleistung

Dieser Kunde bezieht aus dem Stromnetz eine größere Grundschwingungswirkleistung und führt gleichzeitig eine Wirkleistung der fünften harmonischen Komponente in entgegengesetzter Richtung ein. Diese simultane Beeinflussung führt dazu, dass die Gesamtsumme der breitbandigen Leistung geringfügig verringert wird. Die diskrete Abweichung zwischen diesen beiden Berechnungen der Leistung stellt somit die resultierende Differenz der beiden Zähler dar (Abbildung 6).

In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage nach der präzisen Funktionsweise der verschiedenen Zählertypen. Ein elektronischer Zähler erfasst nicht nur die Grundschwingung, sondern auch die harmonischen Leistungen. Er agiert vielmehr wie ein Netzanalysator, indem er die aufgetretene Leistung anhand der abgetasteten Spannungs- und Stromwerte berechnet. Diese Messwerte erzeugen eine Leistungskurve, wobei je nach Abtastrate des Messgerätes eine präzise Erfassung in der Regel bis zur Hälfte dieser Abtastrate erfolgt. Es ist erwähnenswert, dass eine korrekte Berücksichtigung der Flussrichtung einer harmonischen Komponente automatisch erfolgt, indem entsprechende Abzüge in die Berechnung einfließen, insbesondere wenn sich die Flussrichtung entgegen der Hauptkomponente orientiert.

Ein Ferraris-Zähler hingegen ist üblicherweise auf die Erfassung der Grundschwingungswirkleistung spezialisiert. Somit stellte sich heraus, dass der besagte Zähler eine geringfügig höhere Energiemessung verzeichnete. Dies ist insbesondere in den vorliegenden außergewöhnlichen Beispielen zu erkennen, in denen eine Differenz von etwa acht Prozent festgestellt wurde. Diese Diskrepanz trat trotz der Tatsache auf, dass beide Zähler erst kürzlich geeicht worden waren.

Die Ergebnisse zeigen, dass beide Zähler korrekt messen, jedoch unterschiedliche Messverfahren anwenden, was zu den beobachteten Abweichungen führt.

Autor
Jürgen Blum, Produktmanager Power Quality Mobil

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