Elektromagnetische Verträglichkeit - Teil 4

6.1 Normen
Schon seit geraumer Zeit regeln normative Texte die elektromagnetische Verträglichkeit von Betriebsmitteln. Die ersten Bestimmungen sind vom Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) herausgegeben worden. Sie begrenzten im wesentlichen das Emissionsvermögen der einzelnen Geräte, um in erster Linie das Senden und den Empfang von Radiowellen zu schützen.

Die nationalen Komitees und die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) haben normative Texte herausgegeben, welche die gesamte EMV, Emission und Störfestigkeit, auf dem zivilen Sektor umfassen.

Normative Texte über die EMV im Militärsektor befinden sich in GAM EG 13, was Frankreich anbetrifft, und in den MIL-STD-Normen für die USA. Die stürmische Entwicklung der elektromagnetischen Verträglichkeit und der Zusammenschluss Europas haben die zivile normative Landschaft verändert.

Zu diesem Thema hat der Rat der Europäischen Gemeinschaften im Mai 1989 eine Europäische Richtlinie mit der Bezeichnung 89/336/EWG herausgegeben. Sie betrifft die Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten in bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit. Die Europäische Richtlinie befasst sich nicht nur mit der Begrenzung der Störungen auf der Emissionsseite, sondern auch mit dem Mindestverhalten gegenüber elektromagnetischen Störungen bzw. der Störfestigkeit. Somit bezieht sich diese Richtlinie auf Normen, welche die maximalen Störpegel festlegen.

Das Europäische Komitee für Elektrotechnische Normung (CENELEC) hat technische Komitees gebildet. Diese haben die bestehenden Normen gesammelt, die der Anwendung der Richtlinie entsprechen, und jene redigiert, die fehlten. Die Arbeiten des TC 210 stützten sich auf die Praktiken in der Industrie.

Zum Thema der Emissionmessungen waren während einiger Zeit die deutschen Normen VDE 871 und VDE 875 massgebend. Heute haben sich die neueren europäischen normativen Texte EN 55011 und EN 55022 durchgesetzt. Für die EMV ist die Norm IEC 61000 (früher IEC 1000) massgebend. Sie umfasst mehrere Teile:
• 61000-1: Anwendung – Definitionen
• 61000-2: Umgebung – Verträglichkeitsstufen
• 61000-3: Störschwelle
• 61000-4: Prüfung der Störfestigkeit

Der letztere Teil umfasst mehrere Abschnitte:
• 1 – Allgemeines
• 2 – Entladung statischer Elektrizität
• 3 – Hochfrequente elektromagnetische Felder
• 4 – Schnelle transiente elektrische Störgrössen
• 5 – Blitzstossspannungen
• 6 – Leitungsgeführte Störgrössen > 9 kHz
• 7 – Oberschwingungen und Zwischenharmonische
• 8 – Magnetfelder bei 50 Hz
• 9 – Impulsförmige Magnetfelder
• 10 – Gedämpft schwingende Magnetfelder
• 11 – Spannungseinbrüche, Kurzzeitunterbrechungen und Spannungsschwankungen
• 12 – Gedämpfte Schwingungen
• usw.

Diese entsprechen genau den in der elektrotechnischen Welt von heute auftretenden typischen Störungen. Die entsprechenden Prüfungen sind auf der ganzen Welt anerkannt und werden von Schneider für ihre Produkte angewendet. Der folgende Abschnitt beschreibt die den normativen Texten entsprechenden Prüfungen etwas eingehender.

6.2 Prüfeinrichtungen
Wie bereits erklärt, verlangt die Einhaltung der Vorschriften Messungen und Prüfungen, die ihrerseits in den Normen festgelegt sind. Die elektromagnetische Verträglichkeit ist in der Schneider-Gruppe schon vom Fachgebiet her seit langem ein wichtiges Thema. Seit den 70er Jahren stehen spezielle Einrichtungen wie zum Beispiel ein Faradaykäfig im Einsatz. Das Versuchszentrum von Schneider verfügt seit vielen Jahren über zwei EMV-Laboratorien.

Diese Laboratorien sind die unerlässlichen Instrumente für die praktische Umsetzung und Verbreitung der Kompetenz auf diesem Gebiet. Sie bieten auch Kunden ausserhalb des Unternehmens ihre Dienstleistungen an.

Dabei führen sie Prüfungen auf allen Gebieten der EMV durch:
• Elektrostatische Entladungen
• Unempfindlichkeit gegen leitungsgeführte oder gestrahlte Störgrössen
• Emission von leitungsgeführten oder gestrahlten Störgrössen

Wie jede Messung müssen die Messungen der elektromagnetischen Verträglichkeit sowohl zeitlich als auch räumlich reproduzierbar sein, was bedeutet, dass zwei in zwei verschiedenen Labors durchgeführte Messungen dieselben Resultate ergeben müssen.

Auf diesem Fachgebiet bedeutet dies sehr ausgedehnte Einrichtungen und somit hohe Investitionen, und ein strenges Qualitätsmanagement. Das Qualitätsmanagement der EMV-Laboratorien von Schneider beruht auf Qualitätsmanagement- Handbüchern und auf einer Reihe von Verfahrensanweisungen. Diese Verfahrensanweisungen betreffen sowohl die Kalibrierung und den Anschluss an die Normale als auch die einzelnen Messungsarten. Die Liste der normativen Prüfungen, welche die Laboratorien durchführen können, befindet sich im Anhang 3.

Zur Konkretisierung dieses Qualitätsmanagements:
• Das Laboratorium von Grenoble ist vom COFRAC (COmité FRançais d'ACcreditation) akkreditiert.
• Das Laboratorium von Nanterre ist von der ASFEA (Association des Stations d'Essais Françaises d'Appareils électriques) akkreditiert.

6.3 Prüfungen
Elektrostatische Entladungen
Diese Prüfungen sind dazu bestimmt, die Störfestigkeit von Karten, Geräten und Systemen gegenüber elektrostatischen Entladungen zu testen.

Die Ursache von elektrostatische Entladungen ist eine Ansammlungen von elektrischen Ladungen durch eine Person, zum Beispiel wenn sie über einen isolierenden Bodenbelag geht. Wenn diese Person einen Leiter berührt, der über eine Impedanz mit einem elektrischen Körper verbunden ist, entlädt sie sich innert Sekundenbruchteilen über diese Impedanz. Mehrere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Wellenform dieser Entladung von den Eigenschaften der Quelle und den Entladstromkreisen abhängt, jedoch auch von anderen Parametern, wie zum Beispiel der relativen Luftfeuchtigkeit (siehe Abb. 23) und der Annäherungsgeschwindigkeit des geladenen Körperteils, hier die Hand der Person, usw.

Diese Untersuchungen haben zu typischen Entladungsprüfungen geführt. Sie werden mit Hilfe einer Quelle (Pistole), die den Menschen simuliert, in verschiedenen Konfigurationen durchgeführt (siehe Abb. 24). Die Entladungen erfolgen gegen alle zugänglichen Teilen des zu prüfenden Gerätes und gegen seine unmittelbare Umgebung und werden genügend oft wiederholt, um ein statistisches Verhalten zu sicherzustellen. Diese Messungen erfordern somit eine spezielle Messbank.

Alle diese Prüfungen werden in der Norm IEC 61000-4-2 für die Stärkegrade der Tabelle der Abbildung 25 eingehend beschrieben.

Unempfindlichkeit gegen leitungsgeführte Störgrössen
Diese Prüfungen bieten die Möglichkeit, das Verhalten eines Gerätes gegenüber Störungen zu bestimmen, die über die externe Verdrahtung dieses Gerätes (Eingänge, Ausgänge und Speisung) zugeführt werden. Wie bereits erklärt, sind diese Störungen je nach der Art und Verlegung der Kabel verschieden.

Die in diesen Prüfungen verwendeten elektromagnetischen oder transitorischen Signale haben typische Werte (Amplitude, Wellenform, Frequenz usw.).

An verschiedenen Orten durchgeführte Störungsmessungen haben im wesentlichen zu drei typischen Prüfungen geführt:
• Die erste Prüfung, nach IEC 61000-4-4, ist für Störungen charakteristisch, die von der Betätigung von Steuergeräten erzeugt werden.

Sie berücksichtigt die schnellen elektrischen Transienten. Diese Impulse wiederholen sich mit einer Frequenz von 3 Hz. Jeder Impuls besteht aus rund hundert Transienten im Abstand von etwa 100 ms. Jede Transiente hat eine sehr steile Front von 5 ns und eine Amplitude von mehreren kV, die vom verlangten Stärkegrad abhängt (siehe Abb. 26 und 27). Alle Kabel können schnellen Transienten unterworfen werden. Störungen dieser Art lassen sich effekti
• sehr leicht koppeln, zum Beispiel durch Nebensprechen (siehe Kapitel «Kopplung»), weshalb es genügt, dass ein Kabel diese Störung erzeugt, damit alle Kabel, die parallel verlaufen, dieser unterworfen sind.

Die Prüfung erfolgt somit an allen Kabeln. Im äusseren Modus an den Kabeln, bei denen die Störung sowieso induziert wird (d.h. den anderen Kabeln als die Speisekabel), im äusseren und im inneren Modus an den Kabeln, die an das Netz angeschlossen sind. Die Störungen werden entweder durch direkte kapazitive Kopplung in die geprüften Kabel eingespeist, wenn es sich um Speisekabel handelt, oder mit Hilfe einer Kopplungszange, wobei zwei Metallplatten die Sekundärkabel umschliessen.

Das geprüfte Gerät darf während einer bestimmten Zeit (1 min) keine Funktionsstörungen aufweisen. Diese Prüfung ist die aussagekräftigste Prüfung der Störfestigkeit eines Betriebsmittels, da schnelle Transienten am häufigsten auftreten.
• Die zweite durchgeführte Prüfung ist für die sekundären Auswirkungen eines Blitzschlages charakteristisch. Sie stellt die nach einem Blitzschlag in eine Leitung im NS-Netz fliessenden leitungsgeführten Störgrössen dar (Norm IEC 61000-4-5).

Für diese Störungen ist eine Energie charakteristisch, und sie äussern sich zudem als
• Spannungswelle 1,2/50 μs, wenn die vom geprüften Gerät dargestellte Impedanz hoch ist, wobei die Amplitude mehrere kv erreichen kann. Siehe Abbildung 29 für die von der Norm vorgesehenen Prüfspannungen.
• Stromwelle 8/20 μs, wenn diese Impedanz niedrig ist, wobei die Amplitude mehrere kA erreicht. Die Anstiegszeit dieser Störungen ist tausendmal länger als diejenige der schnellen transienten Störgrössen (siehe Abb. 26) und von der Grössenordnung einer Mikrosekunde. Die Prüfkopplung erfolgt kapazitiv im inneren und äusseren Modus mit den entsprechenden Stärken. Das Vorgehen ist ähnlich wie bei der Prüfung der schnellen Transienten.

Das Gerät darf keine Funktionsstörungen aufweisen.
• Die dritte, nach der Norm IEC 61000-4-6 durchgeführte Prüfung bezieht sich auf die Vorschriften in bezug auf die Unempfindlichkeit der Betriebsmittel gegen HF-Störungen in Kabeln im Bereich von 150 kHz bis 80 MHz (oder sogar 230 MHz).

Die Störungsquellen sind elektromagnetische Felder, welche die gesamte Länge der an diese Betriebsmittel angeschlossenen Kabel beeinflussen und dort Spannungen und Ströme induzieren können.

Bei der Prüfung werden die Störungen über Kopplungs- Entkopplungs-Schaltungen, deren Impedanz im äusseren Modus gleich 150 Ω ist und somit dem Wellenwiderstand der meisten Kabel ent- spricht, auf die Kabel gekoppelt. Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass bei der Prüfung die Störungen nur auf ein Kabel auf einmal angewendet werden, während in Wirklichkeit das elektromagnetische Feld alle angeschlossenen Kabel erfasst. Dies ist ein wesentlicher Unterschied, der nicht zu vermeiden ist. Denn es würde die Prüfung sehr kompliziert und äusserst teuer machen, wenn man alle HF-Signale gleichzeitig auf alle Kabel zu koppeln wollte.

Wenn sich Kopplungs-Entkopplungs-Schaltungen nicht eignen, zum Beispiel wenn die Stromstärke zu hoch ist, werden Kopplungszangen verwendet.

Die von der Norm IEC 61000-4-6 vorgesehenen HF-Störungen haben Pegel von 1, 3 oder 10 Volt. Sie sind mit einem Modulationsgrad von 80% mit einer Sinuswelle von 1 kHz amplitudenmoduliert. Vor der Prüfung wird das einzuspeisende Signal, um den gewünschten Störpegel zu erhalten, kalibriert und gespeichert, und hierauf auf die normal an die geprüfte Einrichtung angeschlossenen Kabel angewendet.

Unempfindlichkeit gegen gestrahlte Störgrössen
Die Prüfungen der Unempfindlichkeit gegen gestrahlte Störgrössen dienen dazu, Gewähr für das richtige Funktionieren der Geräte zu bieten, wenn sie elektromagnetischen Feldern ausgesetzt werden.

Da diese Prüfungen besonders umgebungsempfindlich sind, sind die für zuverlässige und reproduzierbare Messwerte erforderlichen Einrichtungen und Fachkenntnisse sehr umfangreich. Die Umgebung muss genügend «sauber» sein, damit keine Beeinflussungen durch Wellen aller Art auftreten, denn (wie im Kapitel «Quelle» gezeigt worden ist) sind elektromagnetische Felder von mehreren V/m, wie sie zum Beispiel von tragbaren Funkgeräten erzeugt werden, häufig vorhanden, oder impulsförmige Felder von noch grösserer Amplitude in industrieller Umgebung. Deshalb werden diese Prüfungen in einem Faradaykäfig durchgeführt, dessen Wände mit Hyperfrequenzdämpfern bedeckt sind. Solche Räume werden als reflexfrei bezeichnet, wenn sämtliche Wände unter Einschluss des Bodens bedeckt sind, und halb-reflexfrei, wenn der Boden nicht bedeckt ist.

In diesen Käfigen werden die Felder je nach der Art des Feldes, den Frequenzbereichen und der Polarisation durch verschiedene Antennen erzeugt (siehe Abb. 30). Diese Antennen werden von einem Wobbelgenerator gespeist, dessen Signal über einen Breitband-Leistungsverstärker läuft.

Die erzeugten Felder werden mit isotrophen Breitband-Sensoren kalibriert. Die schematische Darstellung der Abbildung 31 zeigt eine typische Prüfanordnung.

Die Normen geben die Störschwellen an, wobei die Norm IEC 61000-4-3 Prüfungen im Fre- quenzband 80 MHz – 1000 MHz und drei Stärkegrade (1, 3 und 10 V/m) vorsieht.

Zur allgemeinen Information muss darauf hingewiesen werden, dass die in den Laboratorien von Schneider möglichen Prüfbedingungen wesentlich strenger sind. Der überdeckte Frequenzbereich geht von 10 kHz bis 2 GHz. Zudem können zwischen 27 MHz und 2 GHz Geräte mit Feldern von bis zu 30 V/m mit einem Modulationsgrad von 80% geprüft werden. Was die Störfestigkeit in impulsförmigen elektromagnetischen Feldern anbetrifft, wie sie in der Nähe von Hochspannungsanlagen auftreten können, gibt es noch keine normierte Messverfahren. Entsprechende Prüfungen an Ausrüstungen von Schneider erfolgen deshalb nach internen Verfahrensanweisungen. Emission von leitungsgeführten Störgrössen Die Messungen der Emission von leitungsgeführten Störgrössen quantifizieren den Pegel der vom geprüften Gerät in die angeschlossenen Kabel gespeisten Störungen. Der Pegel dieser Störungen hängt eng mit der an die Kabel angeschlossenen Hochfrequenzlast zusammen, wobei das geprüfte Gerät als Quelle betrachtet wird (siehe Abb. 32).

Um reproduzierbare Messungen durchzuführen und vor allem Probleme im Zusammenhang mit dem Wellenwiderstand des Netzes zu vermeiden, erfolgen die Messungen der Emission von leitungsgeführten Störgrössen mit Hilfe einer Leitungsimpedanz- Stabilisierungsschaltung. Ein Messgerät, effektiv ein Hochfrequenzempfänger, wird an diese Leitungsimpedanz-Stabilisierungsschaltung angeschlossen und dient zur Quantifizierung des Pegels für jede Frequenz. Der Pegel der eingespeisten Störungen darf die in den Normen festgelegten Grenzwerte, die vom und von der Umgebung abhängen, nicht übersteigen. Die Aufnahme der Abbildung 33 zeigt das an einem Niederspannungs-Hauptverteiler erhalte- ne Resultat und dessen Vergleich mit der Norm EN 55 022.

Emission von gestrahlten Störgrössen Die Messungen der Emission von gestrahlten Störgrössen quantifizieren den Pegel der von einem Gerät als elektromagnetische Wellen emittierten Störungen. Wie bei der Prüfung der Unempfindlichkeit gegen gestrahlte Störgrössen dürfen die Messwerte der Emission von gestrahlten Störgrössen nicht durch bereits bestehende Wellen (Mobilfunk, Radio usw.) verfälscht werden. Ebenso dürfen diese Messwerte nicht durch Reflexion der Wellen an Hindernissen in der Umgebung verändert werden. Diese beiden Bedingungen widersprechen sich, weshalb zwei Messmethoden angewendet werden.

Die erste Methode besteht darin, sich in ein Freifeld zu begeben, das heisst in ein Feld ohne irgendwelches Hindernis innerhalb eines bestimmtem Umkreises. Das Umfeld ist also so, wie es ist.

Die zweite Methode besteht darin, sich in einen Faradaykäfig zu begeben. Die Reflexionen an den Wänden des Käfigs werden absichtlich durch Hyperfrequenzdämpfer reduziert (siehe Abb. 30).

Das Umfeld wird also absolut beherrscht. Die Laboratorien von Schneider wenden die zweite Methode an. Sie hat den grossen Vorteil, eine Automatisierung der Messung zu ermöglichen und die Anzahl der Verschiebungen eines Gerätes zu reduzieren, denn die Emissions- und Störfestigkeitsmessungen können im gleichen Raum mit wenigen Umstellungen durchgeführt werden. Wie bei der Emission von leitungsgeführten Störgrössen müssen auch hier die Pegel niedriger sein als die in einem Pflichtenheft oder in den Normen festgelegten Grenzwerte.

Messung von impulsförmigen Feldern
Die normativen Prüfungen gestatten das Messen der Emission und Prüfen der Störfestigkeit von Geräten und Systemen in bezug auf die wichtigsten in industrieller Umgebung vorkommenden elektromagnetischen Störungen. Die Betriebsumgebungen der von der Schneider-Gruppe entwickelten Betriebsmittel können jedoch gewisse Merkmale aufweisen, die in den normativen Texten noch nicht richtig berücksichtigt werden. So gibt es zum Beispiel noch keine EMV-Prüfvorschriften speziell für Betriebsmittel, die in Mittelspannungsschaltanlagen zum Einsatz gelangen.

Deshalb hat Schneider Messreihen durchgeführt, um die für die Umgebung dieser Betriebseinrichtungen typischen Störungen, vor allem in der Nähe von Nieder-, Mittel- und Höchstspannungsgeräten, besser kennenzulernen.

In einer zweiten Phase sind interne Prüfungen mit spezifischen Prüfmitteln entwickelt worden. Diese gestatten das Testen der elektromagnetischen Verträglichkeit von Betriebsmitteln, ohne Prüfungen im Massstab 1:1 durchführen zu müssen. Diese Prüfungen sind besser reproduzierbar und kosten weniger. Sie werden deshalb möglichst früh in der Entwicklungsphase durchgeführt, was eine Optimierung des EMV-Schutzes zu niedrigeren Kosten gestattet.