Wie Normen die Probleme mit Oberschwingungen nicht lösen

Seit langer Zeit schon wirbt eine Firma für den Einsatz ihrer Produkte, der größtenteils von keiner Norm gefordert wird, mit folgendem Vergleich: »Stellen Sie sich ein Auto vor, in dem alles enthalten ist, was die StVZO verlangt; mehr aber auch nicht…« – ein solches Fahrzeug wäre billig (weder preiswert noch kostengünstig, aber billig), nur marktfähig wäre es nicht, denn kaum jemand würde es kaufen. Nicht einmal eine heizbare Heckscheibe wäre darin enthalten, Bremskraftverstärker und Servolenkung schon mal gar nicht. Airbags und ABS vorzuschreiben hat sich ebenfalls erübrigt – denn die Kunden wollten dies sowieso haben. »Und beim Eigenheim bis hin zum größten Bürogebäude reicht das in den Normen vorgegebene Minimum?« Das ist in der Tat befremdlich. Also noch einmal: Normen

  • können nur den »Durchschnittsfall« abdecken und
  • richten ihr Augenmerk in erster Linie auf die Sicherheit.

Aspekte wie Funktionalität, Komfort, Verfügbarkeit, Nutzerfreundlichkeit, Umweltschutz, Energie- und Kosteneffizienz finden gerade erst Einzug in den Betrachtungsbereich. Auch können besondere Anwendungen durchaus höhere Ansprüche stellen – oder aber, ganz im Gegenteil, durch ihre spezifischen Eigenschaften die allgemeinen Anforderungen der allgemein gültigen Normen außer Kraft setzen, weil sie diese schlicht und ergreifend überbieten oder erübrigen. Man kann sich nicht gleichzeitig darüber beklagen, dass die Normen

  • immer umfangreicher und entsprechend unübersichtlich werden,
  • der eigene, spezielle Spezialfall aber nicht abgedeckt ist.

Da Normung vom Staat weder gelenkt noch finanziert wird, muss sie »sehen, wo sie bleibt«, ist also auf freiwillige Helfer bzw. solche angewiesen, die von ihren Firmen in die betreffenden Gremien entsandt werden. Dabei kommt es manchmal zu widersprüchlichen Forderungen, wenn sich in Grenzbereichen Normen verschiedener Sachgebiete mit demselben Gegenstand beschäftigen, oder sogar zu grotesken Forderungen. Weniger häufig als gemeinhin angenommen kann man von Lobbyismus derjenigen Firmen und Verbände reden, die die Arbeitszeit ihrer Mitarbeiter in die Normung investieren. Die Statuten der DKE verbieten solch eigennützige, kommerziell orientierte Einflussnahme. Natürlich kommt dies dennoch vor. Letztlich bleibt zu berücksichtigen, dass »Kommerz« bzw. »Wirtschaft« einen eher abwertenden bzw. einen eher aufwertenden Ausdruck für dieselbe Sache darstellen. Die Grenze zwischen Wirtschaftsförderung und Verhinderung von Wirtschaftshemmnissen wie Kartellen zu treffen ist oftmals schwierig. In der Regel jedoch sitzen in den Arbeitskreisen »Vollblut-Techniker« beisammen, denen es um die Sache geht und die im Zweifelsfall sogar zugeben können, dass der Mitbewerber eine bessere Idee oder die bessere Lösung hat. Auf diesem Hintergrund sollen hier einige Normen betrachtet werden, die im Zusammenhang mit den zuvor behandelten Themen stehen.

DIN VDE 0298-4

Da waren viele Fachleute froh, als im August 2003 die Kabel-Installationsnorm DIN VDE 0298-4 neu herausgegeben wurde, die für eine Vielzahl von Kabeln und Leitungen in einer Vielzahl von Anwendungsfällen (Verlegearten) Werte für die Strombelastbarkeit angibt – leider allerdings bis dato immer nur für 2 oder für 3 belastete Adern in einer Leitung.

Ausgabe August 2003

Doch die Ernüchterung folgte auf den Fuß: Obwohl schon lange bekannt, war wieder der Umstand ignoriert worden, dass in der heutigen Umgebung mit Oberschwingungen auch 4 Adern gleichzeitig belastet sein können, da sich eine symmetrische Belastung der 3 Außenleiter nicht mehr unbedingt gegenseitig aufhebt und den Neutralleiter überflüssig macht, sondern unter Umständen das Gegenteil bewirkt.

Ausgabe Juni 2013

Erst mit der Ausgabe Juni 2013 erschien zeitgleich das Beiblatt 3 zum Teil 520 der DIN VDE 0100, in dem beschrieben wird, wie vorzugehen ist, wenn mit erheblichem Auftreten von Oberschwingungen zu rechnen ist. Die Methode beruht auf einigen praktischen Beispielmessungen an heutigen Bürogeräten und wurde parallel in der Fachpresse ausführlich dargestellt. Dabei wurden auch die Ruhe- und Arbeitszyklen typischer Bürogeräte ermittelt, die Stromaufnahme und die damit verbundenen Oberschwingungsströme über die Zeit erfasst. So entstanden Richtwerte für eine typische Belastung. Hierauf wird in der VDE 0298 verwiesen – wenn auch nur im Text, aber leider nicht unter den normativen Verweisungen.

DIN EN 50174-2 (VDE 0800-174-2)

Diese Norm stellt ein gutes Beispiel dafür dar, wie die Problematik der Oberschwingungen allmählich Eingang in das Normenwesen fand, die Anforderungen detaillierter, konkreter und schärfer wurden. Dieser Prozess ist naturgemäß schwerfällig, weil hier eben verschiedene Interessengruppen aufeinander treffen, von denen jede zunächst einmal fürchtet, von den verschärften Bedingungen benachteiligt zu werden – und das womöglich noch ohne sachlichen Grund? Das muss verhindert werden! Mit der Zeit setzt sich dann meist wieder der Sachverstand durch.

Ausgabe Februar 2000

So hieß es erstmalig in der Ausgabe vom Februar 2000: »Es muss berücksichtigt werden, dass ein PEN-Leiter keine geeignete Erdung zur Verfügung stellen kann. Es muss auch berücksichtigt werden, dass die IT- und TT-Spannungsversorgungssysteme mehr Ausgleichsmaßnahmen erfordern.« Das war immerhin schon mal etwas. Weiter hieß es dann jedoch: »Es sollte im Gebäude keinen PEN-Leiter geben. Wann immer möglich, sollte das TN-S-System verwendet werden.« Dabei drängt sich die Frage auf, ob ein Wort wie »sollte« in einer Norm überhaupt verwendet werden sollte.

Ausgabe September 2011

In der gegenwärtigen Ausgabe lesen sich die entsprechenden Anforderungen schon viel deutlicher: »Hinsichtlich der EMV-Problematik darf ein PEN-Leiter, über den unsymmetrische Ströme sowie sich überlagernde harmonische Ströme und andere Störungen übertragen werden, nicht als geeignete Erdung angesehen werden. Zusätzlich müssen IT- und TT‑Verteilungssysteme mehr Ausgleichsmaßnahmen, insbesondere bezüglich Überspannungen, aufweisen. Daher gilt:

Das TN-S-System muss verwendet werden (siehe EN 50310). Ausnahmen bestehen aufgrund vorhandener Hochspannungs-Stromverteilungsanlagen, die als TT- oder IT-System ausgeführt sind, oder wo die Anwendung … oder örtliche Bestimmungen einen hohen unterbrechungsfreien Versorgungsgrad erfordern.«

VDE 0100-444

Nun fällt es den Vätern der Normenreihen EN 50174 und EN 50310 (Mütter leider immer noch Mangelware; vielleicht erklärt das manches) allerdings auch leicht, Forderungen nach einer TN-S-Stromversorgung aufzunehmen, denn diese europäischen Normen finden ihre deutschen Entsprechungen in der Reihe VDE 0800 »Informationstechnische Anlagen von Gebäuden«. Die »Dünnströmer« haben also sehr wohl erkannt, dass viele ihrer Störungen vom »Dickstrom« stammen. Das heißt allerdings auch, dass jene den zusätzlichen Aufwand nicht selbst planen und bezahlen müssen. In der Normenreihe VDE 0100, die der gemeine Starkstrom-Elektriker (hoffentlich) liest, hatten es solche Forderungen doch sehr schwer, Eingang zu finden. Die Thematik wurde schon früh angesprochen, doch man merkte den Formulierungen lange Zeit an, dass sie sich zwischen der prinzipiellen Einsicht zur Notwendigkeit und der Angst vor zusätzlichem Aufwand ihren Weg hindurch winden mussten.

Ausgabe Oktober 1999

So las man etwa im Oktober 1999 erstmalig etwas zu dieser Thematik, was folgendermaßen formuliert war: »In Gebäuden, die in bedeutendem Umfang Betriebsmittel der Informationstechnik aufweisen oder von denen dies für die Zukunft zu erwarten ist [was schon damals im Effekt eigentlich „alle Gebäude“ bedeutete], muss ab dem Gebäudeeintritt der Stromversorgung die Anwendung des TN-S-Systems, d.h. die Verlegung getrennter Schutzleiter PE und Neutralleiter N, in Betracht gezogen werden«. Man hatte sich also tatsächlich zu einem »muss« durchgerungen! Der EMV-orientierte Leser freut sich schon – doch zu früh. Das dünne Ende des, ach, so dick begonnenen Satzes kam hinterher. Es genügte also, das TN-S-System in Betracht zu ziehen, zu beschließen, den Gedanken gleich wieder als überflüssig zu verwerfen, und damit war die Sache erledigt und die Norm erfüllt. War das nicht schön? Jawohl, das war nicht schön.

Ausgabe Oktober 2010

Doch schon 11 Jahre später war es geschafft! Gut, das sind 3 PC-Generationen, 4 Versionen von Windows; der Aufstieg des ISDN liegt dazwischen, das heute schon längst wieder von gestern und vom DSL überholt ist, aber immerhin: Nun wird das TN-S-System wenigstens für neue Gebäude gefordert – wenn auch wieder mit Gummi. Im Absatz 444.4.3.1 heißt es: »TN-C-Systeme dürfen in neu errichteten Gebäuden, die eine wesentliche Anzahl von informationstechnischen Betriebsmitteln enthalten oder wahrscheinlich enthalten werden, nicht verwendet werden. Es wird empfohlen, in bestehenden Gebäuden TN-C-Systeme nicht beizubehalten, wenn diese Gebäude eine wesentliche Anzahl von informationstechnischen Betriebsmitteln enthalten oder wahrscheinlich enthalten werden.«

Wann die Anzahl informationstechnischer Betriebsmittel »wesentlich« ist, bleibt also eine Geschmacksfrage. Jedes Bürogebäude ist jedoch fraglos dazu zu zählen, da ohne das Netzwerk eine Büroarbeit heute gar nicht mehr möglich ist.

Der Absatz 444.4.3.2 lautet dann: »Anlagen in neu zu errichtenden Gebäuden müssen von der Einspeisung an als TN-S-Systeme errichtet werden; siehe Bild 44.R3A. In bestehenden Gebäuden, die bedeutende informations-technische Betriebsmittel enthalten oder wahrscheinlich enthalten werden und die aus einem öffentlichen Niederspannungsnetz versorgt werden, sollte ab dem Anfang der Installationsanlage ein TN-S-System errichtet werden.«

Also noch einmal das gleiche; nun aber mit der unbedingten Forderung nach dem TN-S-System in neuen Anlagen. Vermutlich wurde hier während der Erstellung der Norm vergessen, den vorherigen Entwurf zu löschen – doch welches ist die jetzt gültige Forderung? Auch das ist nicht das erste und einzige Mal, dass sich derlei Irrtümer ereignen.

DIN EN 50310 (VDE 0800-2-310)

Dies ist die erste Norm, die es wagte, das TN-S-System obligatorisch vorzuschreiben – auch wenn es sich um eine jener mutigen Bestimmungen handelt, die damit Festlegungen für die Nachbar-Disziplin treffen.

Ausgabe September 2000

Im Absatz 6.3 hieß es dort: »Die Wechselstrom-Verteilungsanlage in einem Gebäude muss die Anforderungen eines TN-S-Systems erfüllen. Dies macht es erforderlich, dass im Gebäude kein PEN-Leiter vorhanden sein darf.« So kurz, so knapp und so klar geht es – auch in einer Norm. Oder vielleicht doch nicht?

Ausgabe Oktober 2006

Im Oktober 2006 war diese eindeutige Forderung nämlich wieder verschwunden! Deren Autoren stellten dies durch Zufall (auf der Suche nach Dopplungen, Widersprüchen, Überschneidungen mit anderen Normen und somit überflüssigen Passagen) fest. Nach den Tätern wurde gefahndet, die sich dann damit rechtfertigten, diese Forderung sei in der EN 50174 niedergelegt, und auf diese werde verwiesen. Dort jedoch findet man wieder einen Verweis auf die EN 50310. Microsoft Excel hätte hier eine Zirkelbezugswarnung ausgegeben. Das VDE-Normenwerk auf DVD hat enorme Leistungsmerkmale, was die Verknüpfungen und z. B. die Suchfunktionen und anderes angeht, aber die Zirkelbezugswarnung, die fehlt noch…

Ausgabe Mai 2011

Das TN-S-System ist und bleibt hier nur eine – wenn auch dringende, wiederholte und auch begründete – Empfehlung. Allerdings sind in dieser »Dünnstrom-Norm« auch Gleichstrom-Versorgungsnetze für nachrichtentechnische Einrichtungen (einschließlich Fernspeisung) genormt. Darin entspricht das Gleichstromnetz nach dem DC-C-System dem TN-C-System beim Drehstrom und das DC-I-System dem TN-S-System in Wechsel- und Drehstromnetzen. Ein PEL- oder PEM-Leiter (Pluspol bzw. Mittelabgriff, falls vorhanden, geerdet) entspricht dem PEN-Leiter beim Drehstrom.

Im Abschnitt 8.1.2 »Anforderungen« bleibt es dabei: »Die Gleichstromverteilung, falls vorhanden, muss über eng nebeneinander verlaufende und ein DC-I-System bildende Leiter L+ und L- geführt werden. Daher darf jeder Gleichstromrückleiter für eine informationstechnische Anlage nur einmal mit dem (L+)-Ausgang der Versorgungsanlage verbunden werden«. Eigenartigerweise allerdings wird unmittelbar darüber im Abschnitt 8.1.1 »Allgemeines« gesagt: »Eine Gleichstromverteilungsanlage kann als DC-C oder DC-I ausgeführt werden (Tabelle 2).« In der Tabelle wird die Verwendung des DC-I-Systems empfohlen. Also was denn nun?

Die neuen Normen des ETSI (European Telecommunications Standardisation Institute) sind größtenteils gleich lautend mit den entsprechenden Abschnitten der EN 50310 und verlangen den konsequenten Einsatz des DC-I-Systems. Nur die Deutsche Telekom ließ sich einen Sonder-Passus genehmigen und erdet nach wie vor an beiden Enden, sowohl an der speisenden Seite als auch am Verbraucher, spart eventuell noch einen Leiter ein und schickt so viel Gleichstrom durch die Gebäudestrukturen, dass stellenweise die Stahlträger warm werden!

EN 50160

Dies bietet die optimale Überleitung zu einer der größten Unnormen unter dem Himmel. Anfangs war die Freude der Stromkunden groß, als die EVU-Leute sich im März 2000 endlich dazu hatten breit schlagen lassen, dass eine Norm verabschiedet wurde, die die Qualität elektrischer Energieversorgungen festlegt – oder was man mitunter »Festlegung« nennt. Bis zur gegenwärtigen Fassung vom Juli 2010 (deutsch Februar 2011) hat sich daran nicht viel geändert.

Großzügig: Spannungsschwankungen

Die EN 50160 gliedert sich in drei Hauptabschnitte:

4 Merkmale der Niederspannung,

5 Merkmale der Mittelspannung,

6 Merkmale der Hochspannung.

Hiervon ist jeder Abschnitt jeweils in 3 Abschnitte aufgeteilt:

4.1 Allgemeines,

4.2 Andauernde Phänomene,

4.3 Spannungsereignisse.

Verblüffend ist in diesem Zusammenhang, dass »schnelle Spannungsänderungen« hier jeweils als Andauernde Phänomene und nicht als Ereignisse eingestuft sind. Weiter heißt es in Abschnitt 4.1: »Die genormte Nennspannung Un für öffentliche Niederspannungsnetze beträgt Un = 230 V entweder zwischen Außenleiter und Neutralleiter oder zwischen den Außenleitern:

  • für Drehstromnetze mit vier Leitern: Un = 230 V zwischen Außenleiter und Neutralleiter;
  • für Drehstromnetze mit drei Leitern: Un = 230 V zwischen den Außenleitern.«

Das ist immerhin eine klare Aussage, auch wenn 5-Leiter-Netze offenbar nicht existieren. Darüber hinaus gibt es aber nur Stellungnahmen wie: »Unter normalen Betriebsbedingungen mit der Ausnahme von Intervallen mit Unterbrechungen sollten Änderungen der Versorgungsspannung ±10% der Nennspannung Un nicht überschreiten.« Für besonders entlegene Kunden sollte die Spannung nicht mehr als 15% einknicken. Wann ein Kunde entlegen ist, kann im Einzelfall auf nationaler Ebene festgelegt werden. Knickt sie noch tiefer ein, so sind die Betriebsbedingungen halt nicht normal. Fällt die Spannung ganz aus, erlischt offenbar urplötzlich auch die Verpflichtung, dass sie eigentlich vorhanden sein müsste, da bei Unterschreitung des Grenzwerts die Betriebsbedingungen nicht mehr normal sind, denn was »normal« ist, steht nirgends.

Die zulässigen Oberschwingungspegel (Tabelle 7 / Bild 66) sind so hoch gewählt, dass alles, was in den bisherigen Folgen dargebracht wurde, in dieses »Scheunentor«, wie es ein Zyniker einst nannte, spielend hinein passt. Interessanterweise wird genau die gleiche Tabelle (Tabelle 7) im Abschnitt 5 der EN 50160 wiederholt, also gelten im Mittelspannungsnetz die gleichen großzügigen Werte wie in der Niederspannung. Nur in Hochspannungsnetzen liegen sie etwas enger. Auf allen Spannungsebenen müssen »unter normalen Betriebsbedingungen« 95% der 10-Minuten-Mittelwerte einer Woche diese »Grenzen« einhalten. Dies bietet also links und rechts des Scheunentores gleich zwei Fluchttüren:

  • Entweder man hat dummerweise wieder einmal die anderen 5% erwischt,
  • oder die Betriebsbedingungen waren halt nicht »normal«,

sollten die zulässigen Pegel überschritten worden sein. Da das jedoch immer noch ein wenig knapp ist, hat man noch ein drittes Schlupfloch in Form der Einschränkung eingesetzt:

  • »Resonanzen können höhere Spannungen bei einer einzelnen Oberschwingung hervorrufen«.

Eine Obergrenze wird nicht genannt. Von etwaigen Konsequenzen steht dort auch nichts. Also ist das Auftreten einer einzelnen Oberschwingung – in beliebiger Höhe und unabhängig davon, um welche es sich handelt – »unter normalen Betriebsbedingungen« zunächst einmal als unschädlich anzusehen? Ein Mal ist kein Mal? Der erste Diebstahl bleibt straffrei – egal, wie viele Millionen erbeutet wurden? »Die Anlage ist normgemäß abgebrannt!« formuliert der Zyniker wieder. Eine Einschränkung besteht möglicherweise implizit durch die Begrenzung des THDU auf 8% (Bild 66 / Tabelle 7), wodurch natürlich auch keine Oberschwingung für sich allein einen Wert über 8% annehmen dürfte. Explizit ausgeführt ist dort aber nicht, ob dies so zu verstehen ist oder die Ausnahme dann auch für den THDU gilt.

Scheunentor: Oberschwingungen

Tabelle 7
Tabelle 7: Zulässige Oberschwingungspegel der Niederspannung nach EN 50160

Die zulässigen Oberschwingungspegel (Tabelle 7 / Bild 66) sind so hoch gewählt, dass alles, was in den bisherigen Folgen dargebracht wurde, in dieses »Scheunentor«, wie es ein Zyniker einst nannte, spielend hinein passt. Ein anderer Zyniker sprach von einem »Topf wie ein Sieb mit groben Löchern«. Interessanterweise wird genau die gleiche Tabelle (Tabelle 7) im Abschnitt 5 der EN 50160 wiederholt, also gelten im Mittelspannungsnetz die gleichen großzügigen Werte wie in der Niederspannung. Nur in Hochspannungsnetzen liegen sie etwas enger. Auf allen Spannungsebenen müssen »unter normalen Betriebsbedingungen« 95% der 10-Minuten-Mittelwerte einer Woche diese »Grenzen« einhalten. Dies bietet also links und rechts des Scheunentores gleich zwei Fluchttüren:

 

  • Entweder man hat dummerweise wieder einmal die anderen 5% erwischt,
  • oder die Betriebsbedingungen waren halt nicht »normal«,

sollten die zulässigen Pegel überschritten worden sein. Da das jedoch immer noch ein wenig knapp ist, hat man noch ein drittes Schlupfloch in Form der Einschränkung eingesetzt:

  • »Resonanzen können höhere Spannungen bei einer einzelnen Oberschwingung hervorrufen«.

Eine Obergrenze wird nicht genannt. Von etwaigen Konsequenzen steht dort auch nichts. Also ist das Auftreten einer einzelnen Oberschwingung – in beliebiger Höhe und unabhängig davon, um welche es sich handelt – »unter normalen Betriebsbedingungen« zunächst einmal als unschädlich anzusehen? Ein Mal ist kein Mal? Der erste Diebstahl bleibt straffrei – egal, wie viele Millionen erbeutet wurden? »Die Anlage ist normgemäß abgebrannt!« formuliert der Zyniker wieder. Eine Einschränkung besteht möglicherweise implizit durch die Begrenzung des THDU auf 8% (Bild 66 / Tabelle 7), wodurch natürlich auch keine Oberschwingung für sich allein einen Wert über 8% annehmen dürfte. Explizit ausgeführt ist dort aber nicht, ob dies so zu verstehen ist oder die Ausnahme dann auch für den THDU gilt.

Bild 66
Bild 66: Grafische Darstellung von Tabelle 7

Nach oben

Grotesk: Abweichungen der Frequenz

Die Augen reiben muss man sich aber insbesondere in Anbetracht der zulässigen Abweichungen der Netzfrequenz von deren Nennwert, wie bereits an anderer Stelle detailliert ausgeführt wurde.Nicht nur die Inhalte, auch die Struktur der EN 50160 könnten also eine Revision vertragen. Es möchte gute Gründe haben, dass sich keine Klassifizierung der DIN EN 50160 als VDE-Norm findet. In der Ausgabe August 2002 der VDE 0100-100 fand sich hierzu vormals der Hinweis: »Die in DIN EN 50160:2000-03 angegebenen Merkmale der Spannung geben Extrem-Situationen wieder, beschreiben aber nicht die übliche Situation im Netz. Für die Planung von elektrischen Anlagen mit einer normalen Gebrauchstauglichkeit ist es ausreichend, die mit hoher Wahrscheinlichkeit typische Situation im Netz am jeweiligen Anschlusspunkt zu berücksichtigen.« Deutlicher darf eine Norm nicht über eine Norm urteilen, und offensichtlich war auch dieser Satz schon zu scharf, da er weichen musste.

DIN IEC 61000-3-2 (VDE 0838)

Ein anderer Ansatz versucht, das Problem an der Quelle zu lösen, also bei den einzelnen Geräten, die Oberschwingungen verursachen – ein an sich sehr richtiger Ansatz. In diesem Fall jedoch ist das, gesamtwirtschaftlich betrachtet, der ungünstigere Weg, denn die Aufteilung in viele kleine Einheiten, also hier die Verteilung eines Problems auf die Wiederholung vieler kleiner Insellösungen, ist stets mit mehr Aufwand an Material und Arbeit verbunden als eine zentrale Lösung. Als Beispiel sei noch einmal auf unser Stromnetz verwiesen, das traditionell mit riesigen Kraftwerksblöcken von über 1 GW Leistung aufgebaut ist. Dies geschieht nicht aus irgendwelchem Lobbyismus und schon gar nicht, um gewissen politischen Strömungen ein Thema zu liefern, sondern ganz einfach, weil es trotz der erforderlich werdenden langen Übertragungswege bei der Errichtung Kosten und Rohstoffe einspart und im Betrieb geringere Verluste aufweist als die dezentrale Erzeugung. Analog wäre auch die zentrale »Entsorgung« der Oberschwingungen ökonomisch und ökologisch sinnvoller gewesen. Nichtsdestoweniger trat die DIN IEC 61000-3-2 im Oktober 1998 in Kraft. Die gegenwärtige deutsche Fassung stammt von März 2010.

Eng: Die Anforderungen an die Prüfbedingungen

Die zur Prüfung zu verwendende Spannung muss recht enge Kriterien erfüllen. Das ist auch notwendig, denn wie schon zuvor gezeigt wurde, kann eine kleine Verzerrung der Spannung unter Umständen schon eine große Verzerrung des Stroms verursachen (Bild 69), und hier geht es darum, die Oberschwingungsströme der einzelnen Last zu begrenzen. Die zur Messung der Prüflinge verwendete Spannung muss also folgende Grenzen einhalten:

  • 2,0% Abweichung vom Nennwert,
  • 0,9% Gehalt Oberschwingung 3. Ordnung,
  • 0,4% Gehalt Oberschwingung 5. Ordnung,
  • 0,3% Gehalt Oberschwingung 7. Ordnung,
  • 0,2% Gehalt Oberschwingung 9. Ordnung,
  • 0,2% Gehalt Oberschwingungen geradzahliger Ordnung,
  • 0,1% Gehalt Oberschwingungen 11. bis 40. Ordnung.

Und diese Werte müssen während der Prüfung, also unter Last, eingehalten werden. Durch diese zusätzliche Forderung wird implizit sichergestellt, dass die innere Impedanz der speisenden Quelle einen bestimmten Höchstwert nicht überschreitet, was explizit nicht gefordert wird, aber eigentlich erforderlich wäre. Diese engen Anforderungen an die Prüfspannung haben ihren guten Grund. Man denke nur an den Ringkern-Transformator, der auf Grund einer »Harmonischen nullter Ordnung« (Gleichspannung) in Höhe von nur 1,6 V, also weit unter 1% der Grundschwingung, einen Strom der »nullten Harmonischen« (Gleichstrom) in Höhe des 100-fachen Leerlaufstroms des Transformators verursachte! Weiterhin traten die zweite Harmonische in Höhe des 40-fachen Leerlaufstroms auf, die vierte und die sechste nicht viel weniger und so fort – obwohl auch diese in der speisenden Spannung nur zu Größenordnungen um 1% enthalten waren. Man bedenke, dass diese »Harmonischen« im Magnetisierungsstrom eines Transformators normalerweise überhaupt nicht vorkommen (sollten).

Ein anderer, im Abschnitt »THD ist nicht alles« aus Platzgründen nicht näher beschriebener Versuch hatte gezeigt, dass eine mit einem THD von 4,3% vorbelastete Netzspannung an einem älteren Laptop-Netzteil (45 W; ohne irgendwelche eingebauten Maßnahmen gegen Oberschwingungen) zu einem THDI = 72,7% geführt hatte. Gleichsam durch Umpolen der Oberschwingungen, insbesondere der hier dominierenden fünften, ließ sich der Wert auf THDI = 91,6% steigern! Die Quasi-Umpolung wurde ganz einfach erreicht, indem dieselbe Prüflast nicht mehr zwischen L und N, sondern nun über einen Steuertransformator 400 V / 230 V zwischen zwei Außenleitern betrieben wurde. Obwohl hierdurch der Wert des THDU von 4,3% auf 3,7% fiel, stieg der THDI krass an (Bild 69)! Dies zeigt, wie wichtig die Einhaltung der Sinusform der zu verwendenden Spannung ist, will man Geräte nach IEC 61000-3-2 Prüfen.

Bild 69
Bild 69: Die Beschaffenheit der zur Prüfung verwendeten Spannung hat sehr starken Einfluss auf das Ergebnis

Dennoch hat man vergessen, auch eine sehr niedrige Grenze für Gleichspannungs-Anteile in der Prüfspannung mit aufzunehmen. Noch besser wäre die Forderung gewesen, grundsätzlich einen Trenntransformator einzusetzen. Dieser hätte mit absoluter Sicherheit jeden Rest von Gleichspannung heraus gefiltert. Ein Transformator kann zwar ausgangsseitig mit einem welligen Gleichstrom belastet werden, was zu einem Gleichspannungs-Anteil an den Ausgangsklemmen führt, aber niemals eine Gleichspannung von der Primär- auf die Sekundärseite übertragen. Allerdings bringt er zusätzliche Impedanz in den Speisekreis ein und müsste deswegen entsprechend ausgelegt und stark überdimensioniert werden (der oben verwendete war dank Ringkern-Bauform extrem arm an Streufeld und 2 kVA stark, also für jenen Versuch 40-fach überdimensioniert), doch diesen Aufwand hat man gescheut.

Nach oben

Großzügig: Die Anforderungen an die Geräte

Wozu denn auch noch strengere Anforderungen an die Prüfeinrichtungen, wenn die Bedingungen, die die damit geprüften Prüflinge erfüllen müssen, dann wieder einem Scheunentor gleichen?

Die Oberschwingungs-Emission wird in der IEC 61000-3-2 relativ zur Nennleistung des Gerätes begrenzt, was eigentlich einen sinnvollen Ansatz darstellt. Besser hätte man die Scheinleistung statt der Wirkleistung gewählt, doch sei es drum. Die Geräte werden nach IEC 61000-3-2 in vier Klassen eingeteilt. Betrachten wir beispielsweise die Klasse D: Personalcomputer und Bildschirme (Monitore) für Personalcomputer; Fernseh-Rundfunkempfänger mit einer Nenn-Leistungsaufnahme von 75 W bis 600 W: Ein Computer mit sage und schreibe THDI = 68,8% kann unter Umständen die Prüfung noch bestehen! Falls in dem Eingangsstrom auch geradzahlige Oberschwingungen gefunden werden, was normalerweise nicht der Fall ist, können es sogar 72,8% sein, ohne dass der Prüfling zwangsläufig durch die Prüfung fällt – in der Lesart THDR. In der auch in Normen üblichen Lesart THDF sind es sogar 94,8% bzw. 106,2%, die noch konform sein können!

Nun wurde vor Zeiten an einem PC-Arbeitsplatz mit einem alten Pentium 166 Computer, der noch vor Inkrafttreten der IEC 61000-3-2 und somit ohne jede Minderungs-Maßnahme gebaut wurde, eine Eingangsleistung von 116 W gemessen. Bei dieser Klasse von Geräten darf beispielsweise die dritte Strom-Oberschwingung 3,4 mA/W Leistungsaufnahme des Prüflings betragen – was eine recht moderate Hürde darstellt, denn damit hätte die dritte Oberschwingung nach Norm bis zu 395 mA betragen dürfen. Gemessen wurden 411 mA. Um dieser nicht gerade dramatischen Grenzwert-Überschreitung Herr zu werden und den alten Rechner an die damals neu eingeführte Norm anzupassen, hätten sich, so dies denn gefordert worden wäre, gleich fünf verschiedene Methoden angeboten, von denen keine eine wirkliche technische Änderung an dem Gerät erfordert hätte:

Methode 1:

Entweder man betrachtet den Arbeitsplatz nicht als Ganzes, sondern als einzelne Geräte – was den Tatsachen entspricht. Dann ergibt sich, dass der Monitor etwa 60 W aufnimmt, der Rechner selbst nur etwa 40 W, und der Rest geht in einige Peripherie-Geräte. Die Norm gilt aber nur für Geräte ab 75 W – und kommt also gar nicht zur Anwendung. Diese Methode scheitert allerdings bei einem heutigen Computer, denn dessen Leistungsaufnahme ist höher als 75 W – also weiter zur

Methode 2:

Man gibt die Nennleistung 4% höher als die tatsächlich gemessene Leistung an. 10% mehr sind erlaubt (Beispielsatz 6.2.2). Damit wäre die Sache im vorstehenden Beispiel schon erledigt. Alternativ hilft

Nach oben

Bild 70
Bild 70: Mit zunehmender Belastung eines PC-Netzteils nimmt am Eingang der Leistungsfaktor (LF) zu, der THDI ab (der Grundschwingungs-Leistungsfaktor cosφ nimmt eher ab, was auf eine Drossel gemäß Bild 61 hinweist)

Methode 5:

Zur Ermittlung der einzuhaltenden Grenzwerte – in Milliampere pro Watt – muss der Mittelwert einer bestimmten Oberschwingung in einem bestimmten Zeitfenster durch den Höchstwert der in diesem Zeitfenster vorgekommenen Wirkleistungsaufnahme des Prüflings geteilt werden. Dies eröffnet bei der Messung eines Computers gleich zwei Erweiterungen des zulässigen Bereichs, denn:

  • Erstens weist ein PC-Netzteil bei voller Last einen niedrigeren relativen Oberschwingungs-Gehalt [%] auf als im Teillast-Betrieb (Bild 70), auch wenn die absoluten Oberschwingungsströme [mA] natürlich höher sind.
  • Zweitens strengt sich ein Computer eben gerade bei der Büroarbeit nur sporadisch wirklich an. Lediglich für jeweils sehr kurze Zeitabschnitte steigt die Leistung über die Grundlast von – in dieser Beispiel-Messung – etwa 80 W. In diesen Abschnitten ist der relative THDI deutlich geringer (Bild 71): 80 W betrug die minimale Leistungsaufnahme (nach Beginn des Arbeitstages, d. h. nach dem Einschalten). Das Mittel lag mit 85 W ganz dicht daran, der Spitzenwert dagegen mit 146 W weit darüber (Sekundenwert – die Werte ändern sich so schnell, dass im Diagramm nur Minuten-Mittelwerte dargestellt werden konnten, da ansonsten nur eine farbig verschmierte Fläche zu sehen gewesen wäre).
Bild 71
Bild 71: Ein Arbeitsalltag eines Büro-PC: Die Leistungsaufnahme (als Bemessungsbasis der Grenzwerte) schwankt stark, der relative Wert des THDI sinkt, wenn die Leistungsaufnahme (durch hohe Beanspruchung des Prozessors) steigt

Abschließend ist zur Klasse D noch anzumerken, dass die Grenzwerte der Oberschwingungsströme zwar proportional zur Leistungsaufnahme, jedoch gedeckelt sind. Mit 3,4 mA/W z. B. für die dritte Oberschwingung errechnet sich für die Obergrenze des Gültigkeitsbereichs mit 600 W ein Höchstwert von 2,04 A. »Höchstens aber«, heißt es weiter, dürfe der Wert »2,3 A betragen«. Wie es zu diesem Deckel kommt, der ein paar Zentimeter über dem Topf schwebt, ist unklar. Bei der siebten, neunten und elften Harmonischen beobachtet man ähnliche Flugversuche. Bei der fünften sind die Werte genau gleich (1,9 mA/W * 600 W = 1,14 A; »höchstens aber 1,14 A«). Wahrscheinlich handelt es sich wieder um einen der Hektik geschuldeten redaktionellen Fehler. Normen in Hektik zu erstellen hat sich noch nie bewährt.