Vagabundierende Gleichströme in Neutralleitern und ... - EuE24.net

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Anwendungsfelder
Gebäudetechnik
Vagabundierende Gleichströme in
Neutralleitern und Gebäudeerdungen
Eine unsichtbare Gefahr aus der Praxis eines Luftfahrzeugherstellers –
beispielhaft erläutert
S
chon bei der Produktion von Flugzeugen
kommt es auf höchste
Präzision an. Falsche Messwerte beim
Produktionsprozess stellen daher eine
Gefahr dar. Das im folgenden Beitrag
beschriebene Beispiel aus der Praxis
eines Luftfahrzeugherstellers zeigt,
wie mit der richtigen Messtechnik Fehlerquellen
identifiziert und beseitigt
werden können.
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Moderne Flugzeuge sind mit einem steigenden
Anteil von Elektronik ausgerüstet. Diese
Avionik sowie die zum Betrieb gehörende
Steuerungs-, Regel- und Versorgungstechnik
werden über eine Vielzahl von Leitungen miteinander
verbunden. Die in der Luftfahrt verwendeten
Kabel verfügen über spezielle Isolationsmaterialien.
Anders als am Boden sind
bei Luftfahrtkabeln Vibrationsfestigkeit, Widerstandsfestigkeit
gegen Durchscheuern, Re-
Abb. 2: Typischer Strom in der Verbindung zwischen N und PE. Gut zu erkennen ist der mit 98,1 dominierende
Anteil der dritten Oberschwingung im Effektivwert
sistenz gegen Feuchtigkeit und Hydrauliköle
sicherheitsbestimmende Faktoren. Luftfahrthydrauliköle
unterliegen ebenfalls besonderen
Anforderungen, PVC-Isolierungen
wie sie am Boden oder in der Kraftfahrzeugtechnik
zum Einsatz kommen sind dabei gegen
diese Öle nicht resistent.
Ein weiterer Faktor sind die extremen
Temperatur- und Feuchteschwankungen, z.B.
am Boden in einer tropischen Stadt sind
+40 Grad bei 100% Luftfeuchte, auf Reisehöhe
in 10000 m -55 Grad und 5% Luftfeuchte
typische Werte.
Die tausende Einzelmessungen werden rechnergesteuert
durchgeführt. Der Prüfaufbau
besteht dabei aus einem steuernden PC mit
dem Hochspannungsprüfsystem sowie einem
nachgeschaltetem Relaisarray. Das Array ist
dabei vom Steuerrechner entfernt untergebracht
und über Signalleitungen verbunden.
Dieser Aufbau ergibt sich aus der Notwendigkeit,
je ein Relaisarray nahe bei jedem Prüfplatz
zu haben.
Problemstellung
Abb. 1: Spannung und Strom des Prüfstandes, das
Netz ist unkritisch belastet. Ein Gleichanteil tritt
nicht auf
Autor
Dr.-Ing. BODO APPEL ist Sachverständiger
für Netz- und Energieversorgungsstörungen
und Marketing Manager Industrie- und
Energiemesstechnik bei der Fluke Deutschland
GmbH;
Heinrich-Hertz-Straße 11, D-34123 Kassel
Fon: 069/222220200, Fax: 069/222220201
E-Mail: info@de.fluke.nl
Isolationsprüfung in der
Luftfahrt
Die gesamte Verkabelung eines Luftfahrzeuges
wird deshalb während der Produktion einer
sehr intensiven Prüfung der Isolations- und
Verbindungswiderstände unterzogen. Nach
dem Einbau aller Kabelbäume und Verbindungen
werden sämtliche Leitungsadern
mit einem Prüfstand verbunden. In einem
automatischen Prüfablauf wird jede Ader gegen
jede sowie gegen Flugzeugmasse mit gestuften
Prüfspannungen bis über 1000 V in Hinblick auf
die erreichte Isolation gemessen. Ebenso werden
die Durchgangswiderstände jeder Verbindung
geprüft. Diese Prüfung wird zyklisch bei den
großen Hauptuntersuchungen wiederholt.
Während des Prüfablaufs wird durch den
Hochspannungsgenerator die Prüfspannung
erzeugt und über das Relaisarray nacheinander
auf die einzelnen Leitungsadern gelegt. Die
Auswertung des Widerstandswertes erfolgt
dann in einem Analog-Digital-Konverter auf
einer Einsteckplatine im Steuerrechner.
Vor dem Beginn eines neuen Messdurchgangs
wird das Prüfsystem kalibriert. Hierzu
wird eine Widerstandsmatrix mit dem Relaisarray
verbunden und eine Versuchsmessreihe
durchgeführt.
Hierbei fiel dem Kunden auf, dass die
Messergebnisse deutlich von den Sollwerten
abwichen. Diese Abweichung war aber nicht
konstant, sondern schwankte mit einem
zunächst nicht identifizierbaren Muster. Es
wurde dann bemerkt, dass die Abweichung
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immer dann auftrat, wenn der Prüfstand für die
Hydraulikleitungen in Betrieb war. Dieser
enthält Steuerungssysteme und Hochdruckpumpen.
Die spannende Frage war nun: Wie kann
ein Zusammenhang zwischen einer Gleichstrommessung
mit Hochspannung und dem
Betrieb eines Hydraulikprüfstands mit Drehstromantrieben
bestehen? Zumal der Hydraulikprüfstand
nicht in der Nähe des Isolationsprüfstandes
gelegen ist. Rätselhafterweise
waren die Abweichungen der Isolationsmessung
auch nicht lastabhängig zum Pumpenstrom
des Prüfstands.
Abb. 3:
Strom im Potentialausgleich.
Durch das Display
gut zu erkennen ist
der dem Wechselstrom
unterlagerte Gleichanteil
Identifikation der Ursache
Zunächst liegt die Vermutung nahe, dass die
Störung über die Stromversorgung netzseitig
verschleppt wird. Mit dem Netz- und Stromversorgungsanalysator
‚Fluke 43 B‘ wurde daher
die Netzqualität gemessen.
Der Strom war durch Stromrichterantriebe
leicht verzerrt, die Spannung stellte sich aber
als einwandfrei dar (Abb. 1). Diese Ursache
schied also aus.
Der nächste Verdacht fiel auf die Neutralleiterströme.
Idealerweise soll ein Netz als
TN-S ausgeführt sein, also 5-adrig und mit
durchgehend separiertem Neutral- und PE-
Leiter. TN-C-Netze, also kombinierter Neutral-
und PE-Leiter, sind bei großen Querschnitten
erlaubt, aber nicht sinnvoll. Die
durch drei teilbare Oberschwingungen summieren
sich im Neutralleiter. Hinzu kommen
natürlich die unsymmetrischen Anteile von
Grund- und Oberschwingungen im N-Leiter. Im
TN-S-Netz darf es nur eine Verbindung zwischen
Neutral und PE geben. Diese ist in der
Einspeisung zwischen den zugehörigen Sammelschienen
vorzunehmen. Leider werden im
Zuge weiterer Installationen oft in entfernten
Unterverteilungen zusätzliche PE-N Verbindungen
vorgenommen. Dieses ist verboten,
weil es zu unkontrollierten Stromflüssen im
PE führt. Gleiches gilt für TN-C-S-Netze mit
kombiniertem N und PE, obwohl diese noch
erlaubt sind.
Die Doppelerdung verursacht nämlich
Ströme im Gebäudeerdungssystem. In Industrieanlagen
fließen diese Ströme in den Metallteilen
und Gerüsten. Gehen sie auf Abschirmungen
über, so werden Daten und Signale
beeinträchtigt.
Als nächstes wurde daher mit dem Messgerät
der Stromfluss in der PE-N Verbindung untersucht.
Oberschwingungen sind hier im Strom
zwar stark vorhanden, aber kein Gleichanteil
(Abb. 2). Für den hier auftretenden Fehler
kam diese Möglichkeit also ebenfalls nicht in Betracht.
Abb. 4:
Strom auf der Abschirmung
des Verbindungskabels
zwischen
Prüfstand und Steuerrechner
Die nächsten logischen Messpunkte in der Installation
nach den N-Leitern waren die Potentialausgleichsverbindungen.
Und an einer
Potentialausgleichsschiene trat ein Gleichanteil
auf (Abb. 3).
Nun wurde die Ursachenrichtung bestimmt.
Bald stellte sich heraus, dass der
Minuspol der 24-Volt-Versorgung der Prüfstandsteuerung
an zwei Stellen mit Erdpotential
verbunden war. Damit war die Herkunft des
Gleichstromanteils geklärt. Das Rätsel der Lastunabhängigkeit
der Fehlmessung vom Pumpenstrom
war damit auch gelöst.
Allerdings blieb die Frage zu klären, wie
der Gleichstrom in der Gebäudeerdung eine
Abweichung in der Isolationsmessung hervorrufen
konnte. Die den Kreisstrom treibende
Spannung ist sehr klein (ca. 100 mV), die
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Prüfspannung mit über 1200 Volt sehr hoch.
Eine messbare Rückwirkung kann so nicht
entstehen. Was aber war dann der Angriffspunkt
des Gleichstromes?
Um maximale Sicherheit auch bei anderweitig
vielleicht einmal auftretenden Potentialausgleichsströmen
zu gewährleisten, wurde
die Wirkungskette der Fehlmessung untersucht.
Der steuernde PC ist über den PE-Leiter
seines Stromanschlusses mit dem Potentialausgleichssystem
verbunden. Gleichzeitig
sind Signal- und Steuerleitungen zum Relaisarray
vorhanden. Diese führen eine Masseverbindung
sowie Abschirmung mit, die beidseitig
aufgelegt sein muss. Am Relaisarray ist ebenfalls
eine PE-Verbindung erforderlich.
Um die Signal- und Datenleitungen zu
überprüfen, wurde mit der empfindlichen
Präzisionszange ‚Fluke 80i-110s‘ der gesamte Leiter
umfasst, um den Summenstrom zu messen
(Abb. 4). Auf einem dieser Verbindungska-
bel wurde ein Strom von 365 mA gefunden.
Dieser erscheint als Zahl nicht hoch, ist aber für
eine Datenleitung viel zu groß. Selbst bei einem
entfernten Kurzschluss kann dieser so weit
ansteigen, dass das Rechnersystem beschädigt
wird. Dies gilt im übrigen für alle vergleichbaren
Fälle, also auch in einer Büro- und sogar
Heimumgebung!
Die Auswertung der Isolationsmessung
erfolgt im Steuerrechner über eine Analog/
Digitalwandlerkarte. Der Angriffspunkt des
Gleichstroms auf das Messergebnis war dann in
der Referenzspannung des A/D-Konverters zu
finden. Die 365 mA flossen nämlich über die
internen Masseverbindungen so ab, dass ein
kleiner Spannungs-Offset zu dieser Referenzspannung
hinzukam.
Somit war die Ursache der Fehlmessung
aufgeklärt. Es wurden anschließend Abhilfemaßnahmen
eingeleitet, somit ist die genaue
Isolationsmessung für die Zukunft gesichert.
Die elektrische Sicherheit der Flugzeuge bleibt
gewährleistet.
Zusammenfassung
Generell sollten die Ströme in Potentialausgleichs-
und Erdungssystemen regelmäßig
überprüft werden. Hierbei gilt es, nicht nur
den Effektivwert, sondern auch das Spektrum
zu betrachten. So können Schäden durch
Fehlmessungen oder Korrosion von Gebäude-
und Anlagenteilen bereits vorbeugend
vermieden werden. Sicherheit und Kostenersparnis
sind damit gemeinsam erreicht.
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