Elektromagnetische Verträglichkeit - Teil 1

1.1 Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist ein Faktum, jedoch auch ein Fachgebiet
Sie ist für Betriebsmittel oder System die Eigenschaft, ihre gegenseitigen elektromagnetischen Wirkungen auszuhalten. Aufgrund des Internationalen Elektrotechnischen Wörterbuchs IEV 161-01-07 ist die EMV die Befähigung einer Einrichtung, eines Betriebsmittels oder eines Systems, in ihrer oder seiner elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren, ohne selbst unzulässige Störungen irgendwelcher Art in dieser Umgebung zu erzeugen. Die EMV ist heute ein Fachgebiet, das dazu dient, die Koexistenz von Betriebsmitteln sicherzustellen, die gestört werden und/oder Störungen verursachen können.

1.2 Die EMV ist heute unbedingt notwendig
Tatsächlich ist jedes Gerät seit jeher diversen elektromagnetischen Störungen unterworfen, und erzeugt jedes elektrische Gerät mehr oder weniger davon. Diese Störungen werden auf vielfältige Art erzeugt. Die Grundursachen sind vor allem brüske Änderungen der elektrischen Grössen Spannung oder Strom. Die häufigsten elektrischen Störungen (siehe Abb. 3) auf dem Niederspannungssektor werden im Technischen Heft Nr. 141 beschrieben. Das Technische Heft Nr. 143 behandelt zudem die Störungen infolge der Schaltvorgänge von Mittelspannungs-(MS-)Geräten. Diese Störungen können sich durch Leitung den Drähten und Kabeln entlang ausbreiten, oder durch Strahlung als elektromagnetische Wellen. Sie erzeugen unerwünschte Erscheinungen. Die Störung von Radiowellen und Interferenzen der Hochfrequenz-Emissionen in Steuerungs- und Überwachungssystemen sind zwei Beispiele In den letzten Jahren haben verschiedene Faktoren zusammen bewirkt, dass die Bedeutung der EMV zugenommen hat:

• Die Störungen werden immer grösser, da U und I zunehmen.
• Die elektronischen Schaltungen werden immer empfindlicher.
• Die Abstände zwischen empfindlichen (elektronischen) Schaltungen und störenden (Starkstrom-)Schaltungen werden immer kleiner. Merlin Gerin hat für die Entwicklung neuer Produkte dieses Fachgebiet eingehend studieren und zur Anwendung bringen müssen. In modernen elektrischen Betriebsmitteln befinden sich Stark- und Schwachstrom, Leistungs- und Steuerungselektronik, Schutzelektronik und elektrische Geräte hoher Leistung nahe beieinander.

Die EMV ist somit ein grundlegender Faktor, den es in allen Entwicklungs- und Fertigungsphasen der Produkte zu berücksichtigen gilt (siehe Abb. 4), jedoch auch in der Installations- und Verkabelungsphase. Die EMV wird übrigens jetzt in den Normen berücksichtigt und gesetzlich vorgeschrieben werden. Die Erfahrung und die Leistungen der Schneider- Gruppe beschränken sich nicht auf die Beherrschung des richtigen Funktionieren jedes elektrischen und/oder elektronischen Systems in einer normalen elektromagnetischen Umgebung. So studiert und realisiert zum Beispiel Merlin Gerin auch Ausrüstungen, die befähigt sind, den strengsten elektromagnetischen Umgebungsbedingungen - dem HEMP (Nuklearen Elektromagnetischen Impuls bei Explosionen in grosser Höhe) - zu widerstehen. Um dies zu erreichen, erfordert die Erhöhung der Störfestigkeit bzw. Verbesserung des Verhaltens der Systeme, die Nuklearen Elektromagnetischen Impulsen ausgesetzt werden, den Einsatz der leistungsfähigsten Techniken der EMV.





1.3 Die Theorie ist kompliziert
Jede Behandlung der EMV führt zum Studium eines aus drei Komponenten bestehenden Systems:

• der Quelle, dem Erzeuger der Störung,
• der Ausbreitung oder Kopplung,
• dem Opfer, das die Störung erleidet.

Obschon diese drei Komponenten nicht absolut unabhängig voneinander sind, werden sie in der Praxis als solche angenommen. Dabei ist zu bemerken, dass die im Kapitel 5 behandelte Installation eine ausschlaggebende Rolle für die Ausbreitung von Störungen spielt. Diese theoretische Studie ist schwierig, da man nicht darum herumkommt, die Theorie der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen zu studieren, die auf einer Reihe von komplizierten Differentialgleichungen - den Maxwellschen Gleichungen - beruht. Deren Auflösung ist in realen physischen Strukturen in der Regel nicht genau möglich, selbst mit sehr leistungsfähigen Computern. Auch eine angenäherte numerische Auflösung ist ebenfalls sehr schwierig. In der Praxis müssen deshalb die Probleme der elektromagnetischen Verträglichkeit unter der Annahme einer Reihe von vereinfachenden Hypothesen, unter Verwendung von Modellen und vor allem unter ständigem Rückgriff auf Versuche und Messungen behandelt werden.

2.1 Die Quelle muss gut bekannt sein
Die Kenntnis - oder besser gesagt die Ortung und Messung - der Quellen ist unerlässlich, denn sie gestattet die Festlegung der Lösungen, die anzuwenden sind, um:

• die Störung zu begrenzen (zum Beispiel durch Anordnung einer RC-Störungsschutzschaltung parallel zur WS-Spule oder einer Diode parallel zur GS-Spule eines Schützes),
• Kopplungen zu verhindern (zum Beispiel dadurch, dass zwei nicht kompatible Teile in einem Abstand voreinander angeordnet werden),
• potentielle Opfer unempfindlich zu machen (zum Beispiel durch Anordnung von Abschirmungen).

Hauptsächliche Ursachen
Jedes Gerät und jede physikalisch-elektrische Erscheinung, die eine elektromagnetische Störung durch Leitung oder Strahlung emittiert, wird als Quelle bezeichnet. Zu den hauptsächlichen Ursachen von Störungen gehören die Verteilung elektrischer Energie, die Hertzschen Wellen, die elektrostatischen Entladungen und der Blitz.

• Bei der Verteilung elektrischer Energie entsteht ein grosser Teil der Störungen beim Öffnen und Schliessen von Stromkreisen:
  • In der Niederspannung erzeugt das Öffnen von induktiven Stromkreisen wie zum Beispiel der Spulen von Schützen, Motoren, Magnetventilen usw. an den Klemmen dieser Spulen sehr hohe Überspannungen mit einem sehr hohen Gehalt an hohen Frequenzen (einige kV und mehrere zehn oder hundert MHz),
  • In der Mittel- und Hochspannung bewirkt das Öffnen und Schliessen von Trennschaltern das Auftreten von Wellen mit sehr steiler Front (von wenigen Nanosekunden). Diese Wellen stören insbesondere Systeme, die einen Mikroprozessor aufweisen.
• Die von Fernüberwachungs-, Fernsteuerungs-, Funk-, Fernseh- und Mobiltelefoniesystemen usw. herrührenden Hertzschen Wellen sind für bestimmte elektronische Ausrüstungen Störungsquellen in der Grössenordnung von einigen Volt pro Meter. Sie werden heute immer mehr verwendet und führen dazu, diese Ausrüstungen störfest zu machen (zu schützen).
• Schliesslich kann sich der Mensch elektrostatisch aufladen, zum Beispiel beim Gehen über einen Spannteppich.

Bei kaltem und trockenem Wetter kann sich sein Körper auf mehr als 25 kV aufladen! Jede Berührung einer elektronischen Ausrüstung bewirkt deshalb eine elektrische Entladung, die durch Leitung und Strahlung in das Gerät eindringen kann und deren kurze Anstiegszeit (von wenigen Nanosekunden) eine starke Störung darstellt.

Wichtigste Eigenschaften dieser Störungen
Diese Störungsquellen können beabsichtigt (Radiosender) oder unbeabsichtigt (Schweissmaschine) sein. Ganz allgemein unterscheiden sie sich jedoch durch die Merkmale der von ihnen verursachten Störungen:

• das Spektrum,
• die Wellenform, Anstiegszeit oder spektrale Hüllkurve,
• die Amplitude,
• die Energie.

Das von den Störungen überdeckte Spektrum oder Frequenzband kann sehr schmal sein, wie bei den Funktelefonen, oder im Gegenteil breit, wie zum Beispiel bei einem Lichtbogenofen. Impulsartige Störungen haben insbesondere ein sehr breites Spektrum, das bis zu etwa 100 MHz reichen kann (siehe Abb. 5). Zu dieser Kategorie gehören vor allem Störungen mit den folgenden Quellen:

• Elektrostatische Entladungen.
• Betätigung von Betriebsmitteln wie Relais, Trennschaltern, Schützen, Lastschaltern und Leistungsschaltern in der NS und MS/HS.
• Schliesslich auf dem eher speziellen Gebiet der Nuklearen Elektromagnetischen Impulse (NEMP). Da die Kopplungen direkt von der Frequenz abhängen, wird in der EMV normalerweise die Frequenzdarstellung der elektromagnetischen Störungen angewendet. Diese Darstellung ähnelt für ein sich wiederholendes Signal seiner Fourier-Zerlegung (als Summe von Oberwellen).

• Die Wellenform ist für das zeitliche Verhalten der Störung charakteristisch, zum Beispiel sinusförmig gedämpft oder biexponential. Sie kann mit Hilfe der Anstiegszeit tm, einer dieser Anstiegszeit äquivalenten Frequenz (0,35/tm) oder einfach der Frequenz, wenn die Bandbreite schmal ist, oder schliesslich als eine Wellenlänge λ ausgedrückt werden, die mit Hilfe der Beziehung λ = c/f, wobei c die Lichtgeschwindigkeit (3.108 m.s-1) ist, in die Frequenz f umgerechnet werden kann.
• Die Amplitude ist der Maximalwert, der vom Signal, von der Spannung (Volt), vom elektrischen Feld (V/m) usw. erreicht wird.
• Die Energie der Störung ist das Integral ihrer Leistung über die gesamte Dauer dieser Störung (Joule).

2.2 Ein Beispiel von permanenten Quellen von leitungsgeführten Störgrössen
In der Leistungselektronik sind die Störungsquellen vor allem Spannungstransienten, seltener Stromtransienten. Die Spannung kann sich in wenigen zehn Nanosekunden um mehrere hundert Volt ändern, was einem dU/dt von mehr als 109 V/s entspricht. So erfordert zum Beispiel das für die Bildung einer Sinuswelle aus einer Gleichspannung verwendete Impulsbreitenmodulations-(PBM-)-Verfahren (siehe Abb. 6) Spannungsänderungen zwischen O und Ucc (660-V-Drehstrom gleich-gerichtet) mit sehr kurzen Zeiten von wenigen Nanosekunden bis Mikrosekunden, je nach der Technologie.



Diese brüsken Spannungsänderungen verursachen mehrere Störungserscheinungen, wovon aus Erfahrung wahrscheinlich die lästigste der Stromfluss durch sämtliche Streukapazitäten ist. Wenn man nur die Streukapazität Cp berücksichtigt, beträgt der Strom IMC = Cp.dV/dT. Es genügt somit bei den obengenannten Frontsteilheiten eine Streukapazität von 100 pF, um Ströme von mehreren hundert mA zu erzeugen. Dieser Störstrom fliesst im Spannungsbezugsleiter der Elektronik (0-Volt-Kreis) und kann die Anweisungen (Daten oder Befehle) ändern, sich empfindlichen Messwerten überlagern oder sogar andere Anwender stören, indem er in das öffentliche Stromversorgungsnetz eingespeist wird.

Die Berücksichtigung von Erscheinungen dieser Art und damit die Beherrschung der EMV könnte darin bestehen, den Spannungsanstieg zu verlangsamen. Eine solche Lösung würde eine merkliche Erhöhung der Schaltverlustleistung in den Transistoren bewirken und wäre deshalb vom Gesichtspunkt der thermischen Beanspruchung sehr ungünstig. Eine andere wirksame Art und Weise, die Ströme zu reduzieren, besteht darin, die asymmetrische Impedanz (zwischen den metallischen Teilen des Bauwerks und dem Körper bzw. der Masse) zu erhöhen. Deshalb gelangen beispielsweise für die Montage von Leistungselektronik-Komponenten normalerweise zwei Lösungen zur Anwendung:

• Die Kühlkörper der Komponenten bleiben fliegend (ohne elektrische Verbindung), wenn dies die Personenschutzvorschriften zulassen (siehe Abb. 7).
• Die Streukapazität zwischen der Komponente und ihrem Kühlkörper wird durch eine Isolation mit niedriger Dielektrizitätskonstante herabgesetzt (siehe Abb. 8).

Alles Abhilfemassnahmen, die den Unterschied ausmachen zwischen einem störenden Stromrichter und einem Stromrichter der minimale Störungen in das Netz zurückspeist. Es muss darauf hingewiesen werden, dass die Niedrigpegel-Elektronik des Stromrichters gegen Störungen geschützt werden muss und wird, die von seinen eigenen Leistungskreisen erzeugt werden. Das Verständnis und die Beherrschung der Erscheinung an der Quelle sind für eine wirksame und wirtschaftliche Begrenzung der leitungsgeführten Störgrössen nötig. Es gibt andere Quellen von leitungsgeführten Störgrössen, die selten vorkommen, wie zum Beispiel Blitzschläge oder Schaltüberspannungen, die in der Lage sind, hohe dV/dt und dI/dt zu erzeugen. Diese Störungen erzeugen ebenfalls abgestrahlte Felder.

2.3 Ein Beispiel von Quellen von gestrahlten Störgrössen: das Schliessen von Schaltern in Mittel- und Höchstspannungsschaltanlagen
Die Umgebung in Schaltanlagen, insbesondere für Mittel- und Höchstspannungen, kann sehr intensive impulsartige elektromagnetische Felder umfassen.

Bestimmte Schaltmanöver erzeugen in äusserst kurzen Zeiten Spannungsänderungen, welche die Nennspannungen wesentlich übersteigen. Beim Schliessen eines 24-kV-Schalters bewirken die sogenannten Vorzündungs-Überschläge in wenigen Nanosekunden (10-9 s) Spannungsschwankungen von mehreren zehn kV. Einzelheiten zu diesem Thema finden sich im Technischen Heft Nr. 153 «SF6-Leistungsschalter Fluarc und MS-Motorschutz».

In den Laboratorien von Schneider durchgeführte Messungen haben ergeben, dass im Abstand von 1 m von einer schaltenden 24-kV-Mittelspannungszelle die gedämpften impulsförmigen Sinusfelder einen Spitzenwert von 7,7 kV/m und eine Frequenz von 80 MHz erreichen. Diese

Feldstärkenwerte sind extrem hoch. Zum Vergleich erzeugt ein tragbares Funkgerät (vom Typ Walkie-Talkie) von 1 W in 1 m Abstand von seiner Antenne Felder in der Grössenordnung von 3 bis 5 V/m. Diese Schwankungen breiten sich den Leitern, Sammelschienen, Kabeln und Freileitungen entlang aus. Angesichts der auftretenden Frequenzen, mit anderen Worten der Schnelligkeit der Erscheinung, sind leitende Metallkonstruktionen (wie z.B. die Sammelschienen) wahre Antennen, die Felder abstrahlen. Und die von ihnen erzeugten elektromagnetischen Felder haben Eigenschaften, die stark von der physischen Umgebung, insbesondere von den metallischen Umhüllungen (Trennwänden, Zellen) abhängen.

In gekapselten Höchstspannungsschaltanlagen sind die elektromagnetischen Felder besonders stark. SF6-isolierte Schaltanlagen sind koaxial aufgebaut und weisen deshalb einen konstanten Wellenwiderstand auf. Bei brüsken Spannungsänderungen entstehen somit im Innern der rohrförmigen Gehäuse stehende Wellen. Diese sind die Folge von Reflexionen an Impedanzsprüngen, wie sie zum Beispiel die Kapselungsdurchführungskonen darstellen. Dadurch wird die Amplitude und Dauer dieser Erscheinung erhöht.

Die elektromagnetische Umgebung der Mittelbis zur Höchstspannung verlangt somit für die Entwicklung und Installation von Relais- und Steuerungs- und Überwachungseinrichtungen eingehende Untersuchungen der elektromagnetischen Verträglichkeit. Dies um so mehr, als Schaltanlagen nicht nur gestrahlte Störgrössen erzeugen, sondern auch Quellen von leitungsgeführten Spannungstransienten sind, auf die am Anfang dieses Abschnitts hingewiesen worden ist (siehe Abb. 9).