EMV: Elektromagnetische Verträglichkeit · 1000 60 Abb. 1: Positionierung der Pegel in bezug auf die ... Merlin Gerin hat für die Entwicklung neuer ... bare Schutz- und Steuereinheit

Technisches Heft Nr. 149

EMV: ElektromagnetischeVerträglichkeit

J. DelaballeF. Vaillant

Die Technischen Hefte umfassen eine Sammlung von rund hundert Titeln,die für die Ingenieure und Techniker bestimmt sind, die weitergehendeInformationen suchen, als sie in den Leitfäden, Katalogen und Datenblätternenthalten sind.

Die Technischen Hefte vermitteln Kenntnisse über die neuen elektro-technischen und elektronischen Methoden und Verfahren. Sie ermöglichenferner ein besseres Verständnis der in den Anlagen, Systemen undBetriebsmitteln auftretenden Erscheinungen.

Jedes Technische Heft behandelt eingehend ein bestimmtes Thema auf denGebieten Stromversorgungsnetze, Schutzeinrichtungen, Leittechnik undProzesssteuerung.

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Rubrik: Dokumentation / Technisches Heft

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Die Sammlung der Technischen Hefte ist Bestandteil der «TechnischenReihe» der Schneider-Gruppe.

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CT 149 Ausgabe Juli 1998

Jacques DELABALLE

Jacques Delaballe hat als Initiator des EMV-Kompetenznetzesder Schneider-Gruppe und Leiter der EMV-Versuchslabors an derAktualisierung dieses Technischen Heftes im August 1996 und Juli1998 teilgenommen.

Frédéric VAILLANT

Dr. Vaillant hat 1984 an der Ecole Polytechnique diplomiert (X81)und 1987 den Titel eines Doktors der Mikroelektronik erworben(Dissertation unter CIFRE-Vertrag mit der Firma Saint Gobain).Eintritt bei Merlin Gerin im Jahr 1987.Von 1988 bis 1991 war er für die EMV-Aktivitäten des Elektronik-Kompetenzzentrums der Technischen Direktion verantwortlich.

Technisches Heft Schneider Nr. 149 / S.2

Lexikon

Elektromagnetische Verträglichkeit, EMV(Abkürzung) (IEV 161-01-07)Befähigung eines Gerätes oder Systems, inseiner elektromagnetischen Umgebungzufriedenstellend zu funktionieren, ohne selbstunzulässige elektromagnetische Störungenirgendwelcher Geräte und Systeme in dieserUmgebung zu erzeugen.(Elektromagnetische) Störung (IEV 161-01-05)Elektromagnetische Erscheinung, dieFunktionsstörungen einer Einrichtung, einesGerätes oder eines Systems bewirken oderlebende oder tote Materie nachteiligbeeinflussen kann.Anmerkung: Eine elektromagnetische Störungkann ein Rauschen, ein unerwünschtes Signaloder eine Änderung des Verbreitungsmilieusselbst sein.(Elektromagnetischer) Verträglichkeitspegel(IEV 161-03-10)Maximaler Störungspegel, dem eine Einrichtung,ein Gerät oder ein System unterworfen werdenkann, das unter bestimmten Bedingungenfunktioniert.Anmerkung: In der Praxis ist derelektromagnetische Verträglichkeitspegelunbedingt der absolut maximale Pegel, denn erkann mit einer niedrigen Wahrscheinlichkeitüberschritten werden.Störpegel (in IEV 161 nicht definiert)Unter bestimmten Bedingungen gemessenerWert einer elektromagnetischen Störung voneiner bestimmten Form.Störschwelle (IEV 161-03.14)Maximaler Pegel einer elektromagnetischenStörung von einer bestimmten Form, die auf einebestimmte Einrichtung, ein bestimmtes Gerätoder ein bestimmtes System einwirken kann,ohne dass diese Einrichtung, dieses Gerät oderdieses System nicht mehr mit der gewünschtenQualität funktioniert.(Elektromagnetische)Störungsempfindlichkeit (IEV 161-01-21)Unfähigkeit einer Einrichtung, eines Gerätesoder eines Systems, bei Vorhandensein einerelektromagnetischen Störung ohneQualitätseinbusse zu funktionieren.Die Abbildung 1 zeigt die Positionierung derverschiedenen obigen Begriffe als Pegel.

DezibelEinheit für den Schallpegel, die auch verwendetwird, um Amplitudenverhältnisse aufgrund derfolgenden Beziehung auszudrücken:X/Xo (dB @) = 20 . log10 X/Xo, wobeiX = Gemessene AmplitudeXo = Bezugsamplitude@ = Masseinheit für X und Xo.Einige Beispiele sind in der untenstehendenTabelle enthalten (siehe Abb. 2 ).

Störungsempfindlichkeit der Betriebsmittel(Statistische Verteilung)

Störschwelle(Vorgeschriebener Prüfwert)

Verträglichkeitspegel(Bezugswert)

Emissionspegel(Statistische Verteilung)

Pegel

Statistische Verteilung

Amplituden- dBverhältnisse X/Xo1 01,12 11,25 21,41 32 63,2 104 125 1410 20100 401000 60

Abb. 1: Positionierung der Pegel in bezug auf dieelektromagnetische Verträglichkeit.

Abb. 2: In dB ausgedrückte Amplitudenverhältnisse.


Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 1.1 Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist ein Faktum,jedoch auch ein Fachgebiet S. 4

1.2 Die EMV ist heute unbedingt notwendig S. 4

1.3 Die Theorie ist kompliziert S. 5

2. Quellen 2.1 Die Quelle muss gut bekannt sein S. 6

2.2 Ein Beispiel von permanenten Quellen von leitungsgeführtenStörgrössen S. 7

2.3 Ein Beispiel von Quellen von gestrahlten Störgrössen S. 8

3. Kopplung 3.1 Verschiedene Kopplungsarten S. 10

3.2 Kopplung Feld-Kabel im äusseren oder inneren Modus S. 10

3.3 Kopplung durch gemeinsame Impedanz S. 12

3.4 Kopplung Kabel-Kabel im inneren Modus oder durchNebensprechen S. 12

4. Opfer 4.1 Funktionsstörungen S. 14

4.2 Lösungen S. 14

5. Installation 5.1 Die Installation ist ein wichtiger Faktor innerhalb

der Gesamt-EMV eines Systems S. 17

5.2 Auslegung S. 17

5.3 Ausführung S. 18

5.4 Praktische Beispiele S. 18

6. Normen, Prüfeinrichtungen und Prüfungen 6.1 Normen S. 20

6.2 Prüfeinrichtungen S. 20

6.3 Prüfungen S. 21

7. Schlussfolgerung S. 27

Anhang 1: Impedanz eines Leiters bei hoher Frequenz S. 28

Anhang 2: Die einzelnen Teile eines Kabels S. 29

Anhang 3: In den EMV-Labors der Schneider-Gruppe durchgeführte Prüfungen S. 30

Anhang 4: Literaturverzeichnis S. 32


Die EMV wird bereits vom Stadium der Fabrikationsstudien fürelektrotechnische Betriebsmittel berücksichtigt. Sie muss auch bei derenHerstellung angewendet werden. Deshalb sind vom projektierendenArchitekten bis zum Schaltschrankverdrahter und vom Netzstudieningenieurbis zum Installateur alle von diesem dem «Frieden» dienenden Fachgebietbetroffen, welches das Ziel hat, die harmonische Koexistenz vonBetriebsmitteln sicherzustellen, die gestört werden und/oder Störungenverursachen können.Das vorliegende, auf der langjährigen Erfahrung von Schneider Electricberuhende Technische Heft beschreibt die angetroffenen Störungen undeinige praktische Lösungen.


Abb. 3: Häufigste elektrische Störungen.

1. Einleitung

1.1 Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist ein Faktum,jedoch auch ein Fachgebiet

Sie ist für Betriebsmittel oder System dieEigenschaft, ihre gegenseitigen elektromagneti-schen Wirkungen auszuhalten.Aufgrund des Internationalen ElektrotechnischenWörterbuchs IEV 161-01-07 ist die EMV dieBefähigung einer Einrichtung, eines Betriebsmit-tels oder eines Systems, in ihrer oder seinerelektromagnetischen Umgebung zufriedenstel-lend zu funktionieren, ohne selbst unzulässigeStörungen irgendwelcher Art in dieser Umge-bung zu erzeugen.

Die EMV ist heute ein Fachgebiet, das dazudient, die Koexistenz von Betriebsmittelnsicherzustellen, die gestört werden und/oderStörungen verursachen können.

1.2 Die EMV ist heute unbedingt notwendigTatsächlich ist jedes Gerät seit jeher diversenelektromagnetischen Störungen unterworfen,und erzeugt jedes elektrische Gerät mehr oderweniger davon.Diese Störungen werden auf vielfältige Arterzeugt. Die Grundursachen sind vor allembrüske Änderungen der elektrischen GrössenSpannung oder Strom.Die häufigsten elektrischen Störungen (sieheAbb. 3 ) auf dem Niederspannungssektor werdenim Technischen Heft Nr. 141 beschrieben. DasTechnische Heft Nr. 143 behandelt zudem dieStörungen infolge der Schaltvorgänge vonMittelspannungs-(MS-)Geräten.Diese Störungen können sich durch Leitung denDrähten und Kabeln entlang ausbreiten, oderdurch Strahlung als elektromagnetische Wellen.Sie erzeugen unerwünschte Erscheinungen. DieStörung von Radiowellen und Interferenzen derHochfrequenz-Emissionen in Steuerungs- und

Überwachungssystemen sind zwei Beispiele.In den letzten Jahren haben verschiedeneFaktoren zusammen bewirkt, dass die Bedeu-tung der EMV zugenommen hat:c Die Störungen werden immer grösser, da Uund I zunehmen.c Die elektronischen Schaltungen werdenimmer empfindlicher.c Die Abstände zwischen empfindlichen(elektronischen) Schaltungen und störenden(Starkstrom-)Schaltungen werden immer kleiner.Merlin Gerin hat für die Entwicklung neuerProdukte dieses Fachgebiet eingehend studie-ren und zur Anwendung bringen müssen. Inmodernen elektrischen Betriebsmitteln befindensich Stark- und Schwachstrom, Leistungs- undSteuerungselektronik, Schutzelektronik undelektrische Geräte hoher Leistung nahe beiein-ander.

Klasse Art UrsprungNetzfrequenz Spannungseinbrüche c Speisungsumschaltung

c Kurzschlussc Anlaufen von Motoren hoher Leistung

Mittelfrequenz Oberwellen c Leistungshalbleitersystemec Lichtbogenöfen

Hochfrequenz Überspannungen c Direkte oder indirekte Blitzschlägec Betätigung von Steuergerätenc Unterbrechung von Kurzschlussströmendurch Schutzgeräte

Elektrostatische Entladungen Entladung der von einer Person angesammeltenstatischen Elektrizität


Die EMV ist somit ein grundlegender Faktor, den esin allen Entwicklungs- und Fertigungsphasen derProdukte zu berücksichtigen gilt (siehe Abb. 4 ),jedoch auch in der Installations- und Verkabelungs-phase.Die EMV wird übrigens jetzt in den Normenberücksichtigt und gesetzlich vorgeschriebenwerden.Die Erfahrung und die Leistungen der Schnei-der-Gruppe beschränken sich nicht auf dieBeherrschung des richtigen Funktionieren jedeselektrischen und/oder elektronischen Systems ineiner normalen elektromagnetischen Umgebung.So studiert und realisiert zum Beispiel MerlinGerin auch Ausrüstungen, die befähigt sind, denstrengsten elektromagnetischen Umgebungsbe-dingungen - dem HEMP (Nuklearen Elektroma-gnetischen Impuls bei Explosionen in grosserHöhe) - zu widerstehen.Um dies zu erreichen, erfordert die Erhöhung derStörfestigkeit bzw. Verbesserung des Verhaltensder Systeme, die Nuklearen Elektromagneti-schen Impulsen ausgesetzt werden, den Einsatzder leistungsfähigsten Techniken der EMV.

1.3 Die Theorie ist kompliziert

Jede Behandlung der EMV führt zum Studiumeines aus drei Komponenten bestehendenSystems:c der Quelle, dem Erzeuger der Störung,c der Ausbreitung oder Kopplung,c dem Opfer, das die Störung erleidet.Obschon diese drei Komponenten nicht absolutunabhängig voneinander sind, werden sie in derPraxis als solche angenommen.Dabei ist zu bemerken, dass die im Kapitel 5behandelte Installation eine ausschlaggebendeRolle für die Ausbreitung von Störungen spielt.Diese theoretische Studie ist schwierig, da mannicht darum herumkommt, die Theorie der

Ausbreitung elektromagnetischer Wellen zustudieren, die auf einer Reihe von kompliziertenDifferentialgleichungen - den MaxwellschenGleichungen - beruht. Deren Auflösung ist inrealen physischen Strukturen in der Regel nichtgenau möglich, selbst mit sehr leistungsfähigenComputern. Auch eine angenäherte numerischeAuflösung ist ebenfalls sehr schwierig.

In der Praxis müssen deshalb die Probleme derelektromagnetischen Verträglichkeit unter derAnnahme einer Reihe von vereinfachendenHypothesen, unter Verwendung von Modellenund vor allem unter ständigem Rückgriff aufVersuche und Messungen behandelt werden.

Abb. 4: Ein Beispiel für die Anwendung der EMV:Eine MS-Zelle «SM6» enthält einen Leistungsschalter,der Hunderte von Ampere unter mehreren zehnKilovolt unterbrechen kann, sowie eine programmier-bare Schutz- und Steuereinheit SEPAM. Das Ganzemuss jederzeit absolut betriebsbereit sein.


2. Quellen

2.1 Die Quelle muss gut bekannt sein

Die Kenntnis - oder besser gesagt die Ortung undMessung - der Quellen ist unerlässlich, denn siegestattet die Festlegung der Lösungen, die anzu-wenden sind, um:

c die Störung zu begrenzen (zum Beispiel durchAnordnung einer RC-Störungsschutzschaltungparallel zur WS-Spule oder einer Diode parallel zurGS-Spule eines Schützes),

c Kopplungen zu verhindern (zum Beispieldadurch, dass zwei nicht kompatible Teile in einemAbstand voreinander angeordnet werden),

c potentielle Opfer unempfindlich zu machen (zumBeispiel durch Anordnung von Abschirmungen).

Hauptsächliche Ursachen

Jedes Gerät und jede physikalisch-elektrischeErscheinung, die eine elektromagnetische Störungdurch Leitung oder Strahlung emittiert, wird alsQuelle bezeichnet. Zu den hauptsächlichenUrsachen von Störungen gehören die Verteilungelektrischer Energie, die Hertzschen Wellen, dieelektrostatischen Entladungen und der Blitz.

c Bei der Verteilung elektrischer Energie entstehtein grosser Teil der Störungen beim Öffnen undSchliessen von Stromkreisen:

v In der Niederspannung erzeugt das Öffnen voninduktiven Stromkreisen wie zum Beispiel derSpulen von Schützen, Motoren, Magnetventilenusw. an den Klemmen dieser Spulen sehr hoheÜberspannungen mit einem sehr hohen Gehalt anhohen Frequenzen (einige kV und mehrere zehnoder hundert MHz),

v In der Mittel- und Hochspannung bewirkt dasÖffnen und Schliessen von Trennschaltern dasAuftreten von Wellen mit sehr steiler Front (vonwenigen Nanosekunden). Diese Wellen störeninsbesondere Systeme, die einen Mikroprozessoraufweisen.

c Die von Fernüberwachungs-, Fernsteuerungs-,Funk-, Fernseh- und Mobiltelefoniesystemen usw.herrührenden Hertzschen Wellen sind für bestimm-te elektronische Ausrüstungen Störungsquellen inder Grössenordnung von einigen Volt pro Meter.Sie werden heute immer mehr verwendet undführen dazu, diese Ausrüstungen störfest zumachen (zu schützen).

c Schliesslich kann sich der Mensch elektrosta-tisch aufladen, zum Beispiel beim Gehen übereinen Spannteppich.

Bei kaltem und trockenem Wetter kann sich seinKörper auf mehr als 25 kV aufladen! Jede Berüh-

rung einer elektronischen Ausrüstung bewirktdeshalb eine elektrische Entladung, die durchLeitung und Strahlung in das Gerät eindringen kannund deren kurze Anstiegszeit (von wenigenNanosekunden) eine starke Störung darstellt.

Wichtigste Eigenschaften dieser Störungen

Diese Störungsquellen können beabsichtigt(Radiosender) oder unbeabsichtigt (Schweissma-schine) sein. Ganz allgemein unterscheiden siesich jedoch durch die Merkmale der von ihnenverursachten Störungen:

v das Spektrum,

v die Wellenform, Anstiegszeit oder spektraleHüllkurve,

v die Amplitude,

v die Energie.

c Das von den Störungen überdeckte Spektrumoder Frequenzband kann sehr schmal sein, wie beiden Funktelefonen, oder im Gegenteil breit, wiezum Beispiel bei einem Lichtbogenofen.

Impulsartige Störungen haben insbesondere einsehr breites Spektrum, das bis zu etwa 100 MHzreichen kann (siehe Abb. 5 ). Zu dieser Kategoriegehören vor allem Störungen mit den folgendenQuellen:

v Elektrostatische Entladungen.

v Betätigung von Betriebsmitteln wie Relais,Trennschaltern, Schützen, Lastschaltern undLeistungsschaltern in der NS und MS/HS.

v Schliesslich auf dem eher speziellen Gebiet derNuklearen Elektromagnetischen Impulse (NEMP).

Da die Kopplungen direkt von der Frequenzabhängen, wird in der EMV normalerweise dieFrequenzdarstellung der elektromagnetischenStörungen angewendet.

Diese Darstellung ähnelt für ein sich wiederholen-des Signal seiner Fourier-Zerlegung (als Summevon Oberwellen).

c Die Wellenform ist für das zeitliche Verhalten derStörung charakteristisch, zum Beispiel sinusförmiggedämpft oder biexponential. Sie kann mit Hilfe derAnstiegszeit tm, einer dieser Anstiegszeit äquiva-lenten Frequenz (0,35/tm) oder einfach derFrequenz, wenn die Bandbreite schmal ist, oderschliesslich als eine Wellenlänge λ ausgedrücktwerden, die mit Hilfe der Beziehung λ = c/f, wobei cdie Lichtgeschwindigkeit (3.108 m.s-1) ist, in dieFrequenz f umgerechnet werden kann.


Amplitude der Störung

0Zeit

T

Schmale Bandbreite

Frequenz1/T0

Spektral-dichte

Amplitude der Störung

0Zeit

Grosse Bandbreite

Spektral-dichte

00,35 / tm

tm Frequenz

Abb. 5: Beispiele für die spektralen Eigenschaften von Störungen.

Fall der indirekten Wirkung eines Blitzschlages

Fall eines Funksignals

2.2 Ein Beispiel von permanenten Quellen von leitungsgeführten Störgrössen

U

Ucc

Ucat

Ucc

tm td

t

Kurve Uca

(Teil der Sinuskurve)

Abb. 6: Eine Störungsquelle in Leistungselektronik-Ausrüstungen: die Impulsbreitenmodulation.a) Prinzip,b) stark vergrösserter Impuls (Massstab von t in die Länge gezogen). Der Teil der Sinuskurve ist disproportioniert,da er sich über 20 ms erstreckt. tm ≈ 2 bis 3 td (10 ns bis 1 µs).

a) b)

In der Leistungselektronik sind die Störungs-quellen vor allem Spannungstransienten,seltener Stromtransienten. Die Spannung kannsich in wenigen zehn Nanosekunden ummehrere hundert Volt ändern, was einem dU/dtvon mehr als 109 V/s entspricht. So erfordertzum Beispiel das für die Bildung einer Sinus-

welle aus einer Gleichspannung verwendeteImpulsbreitenmodulations-(PBM-)-Verfahren(siehe Abb. 6 ) Spannungsänderungen zwischenO und Ucc (660-V-Drehstrom gleich-gerichtet)mit sehr kurzen Zeiten von wenigen Nano-sekunden bis Mikrosekunden, je nach derTechnologie.

c Die Amplitude ist der Maximalwert, der vomSignal, von der Spannung (Volt), vom elektrischenFeld (V/m) usw. erreicht wird.

c Die Energie der Störung ist das Integral ihrerLeistung über die gesamte Dauer dieser Störung(Joule).


Diese brüsken Spannungsänderungen verursa-chen mehrere Störungserscheinungen, wovonaus Erfahrung wahrscheinlich die lästigste derStromfluss durch sämtliche Streukapazitäten ist.Wenn man nur die Streukapazität Cp berück-sichtigt, beträgt der Strom IMC = Cp.dV/dT.Es genügt somit bei den obengenanntenFrontsteilheiten eine Streukapazität von 100 pF,um Ströme von mehreren hundert mA zuerzeugen. Dieser Störstrom fliesst im Span-nungsbezugsleiter der Elektronik (0-Volt-Kreis)und kann die Anweisungen (Daten oder Befehle)ändern, sich empfindlichen Messwerten überla-gern oder sogar andere Anwender stören, indemer in das öffentliche Stromversorgungsnetzeingespeist wird.Die Berücksichtigung von Erscheinungen dieserArt und damit die Beherrschung der EMV könntedarin bestehen, den Spannungsanstieg zuverlangsamen. Eine solche Lösung würde einemerkliche Erhöhung der Schaltverlustleistung inden Transistoren bewirken und wäre deshalbvom Gesichtspunkt der thermischen Beanspru-chung sehr ungünstig. Eine andere wirksame Artund Weise, die Ströme zu reduzieren, bestehtdarin, die asymmetrische Impedanz (zwischenden metallischen Teilen des Bauwerks und demKörper bzw. der Masse) zu erhöhen. Deshalbgelangen beispielsweise für die Montage vonLeistungselektronik-Komponenten normalerwei-se zwei Lösungen zur Anwendung:c Die Kühlkörper der Komponenten bleibenfliegend (ohne elektrische Verbindung), wenndies die Personenschutzvorschriften zulassen(siehe Abb. 7 ).c Die Streukapazität zwischen der Komponenteund ihrem Kühlkörper wird durch eine Isolationmit niedriger Dielektrizitätskonstante herabge-setzt (siehe Abb. 8 ).Alles Abhilfemassnahmen, die den Unterschiedausmachen zwischen einem störenden Strom-richter und einem Stromrichter der minimaleStörungen in das Netz zurückspeist.Es muss darauf hingewiesen werden, dass dieNiedrigpegel-Elektronik des Stromrichters gegenStörungen geschützt werden muss und wird, die

von seinen eigenen Leistungskreisen erzeugtwerden.Das Verständnis und die Beherrschung derErscheinung an der Quelle sind für eine wirksa-me und wirtschaftliche Begrenzung der leitungs-geführten Störgrössen nötig. Es gibt andereQuellen von leitungsgeführten Störgrössen, dieselten vorkommen, wie zum Beispiel Blitzschlägeoder Schaltüberspannungen, die in der Lagesind, hohe dV/dt und dI/dt zu erzeugen. DieseStörungen erzeugen ebenfalls abgestrahlteFelder.

Abb. 7: Die Streukapazität des Kühlkörpers elektronis-cher Komponenten, ein bei der Auslegung der«Wechselrichterzweige» zu berücksichtigender Faktor.

Körper bzw. Masse

HalbleiterIsolierstoff Kühlkörper

Cp IMC

V

Isolierscheibe Dicke Streukapazitätfür Gehäuse T03 (mm) (pF)

Glimmer 0,1 160

Kunststoff 0,2 95

Aluminiumoxid 2 22

Abb. 8: Typische Streukapazitäten der wichtigsten,für die Montage von elektronischen Komponentenverwendeten Isolierstoffe.

2.3 Ein Beispiel von Quellen von gestrahltenStörgrössen: das Schliessen von Schaltern inMittel- und Höchstspannungsschaltanlagen

Die Umgebung in Schaltanlagen, insbesonderefür Mittel- und Höchstspannungen, kann sehrintensive impulsartige elektromagnetische Felderumfassen.Bestimmte Schaltmanöver erzeugen in äusserstkurzen Zeiten Spannungsänderungen, welchedie Nennspannungen wesentlich übersteigen.Beim Schliessen eines 24-kV-Schalters bewirkendie sogenannten Vorzündungs-Überschläge inwenigen Nanosekunden (10-9 s) Spannungs-

schwankungen von mehreren zehn kV. Einzel-heiten zu diesem Thema finden sich im Techni-schen Heft Nr. 153 «SF6-LeistungsschalterFluarc und MS-Motorschutz».In den Laboratorien von Schneider durchgeführ-te Messungen haben ergeben, dass im Abstandvon 1 m von einer schaltenden 24-kV-Mittel-spannungszelle die gedämpften impulsförmigenSinusfelder einen Spitzenwert von 7,7 kV/m undeine Frequenz von 80 MHz erreichen. Diese


Feldstärkenwerte sind extrem hoch. ZumVergleich erzeugt ein tragbares Funkgerät (vomTyp Walkie-Talkie) von 1 W in 1 m Abstand vonseiner Antenne Felder in der Grössenordnungvon 3 bis 5 V/m. Diese Schwankungen breitensich den Leitern, Sammelschienen, Kabeln undFreileitungen entlang aus. Angesichts derauftretenden Frequenzen, mit anderen Wortender Schnelligkeit der Erscheinung, sind leitendeMetallkonstruktionen (wie z.B. die Sammelschie-nen) wahre Antennen, die Felder abstrahlen.Und die von ihnen erzeugten elektromagneti-schen Felder haben Eigenschaften, die stark vonder physischen Umgebung, insbesondere vonden metallischen Umhüllungen (Trennwänden,Zellen) abhängen.

In gekapselten Höchstspannungsschaltanlagensind die elektromagnetischen Felder besondersstark. SF6-isolierte Schaltanlagen sind koaxialaufgebaut und weisen deshalb einen konstanten

Wellenwiderstand auf. Bei brüsken Spannungs-änderungen entstehen somit im Innern derrohrförmigen Gehäuse stehende Wellen. Diesesind die Folge von Reflexionen an Impedanz-sprüngen, wie sie zum Beispiel die Kapselungs-durchführungskonen darstellen. Dadurch wirddie Amplitude und Dauer dieser Erscheinungerhöht.

Die elektromagnetische Umgebung der Mittel-bis zur Höchstspannung verlangt somit für dieEntwicklung und Installation von Relais- undSteuerungs- und Überwachungseinrichtungeneingehende Untersuchungen der elektromagne-tischen Verträglichkeit. Dies um so mehr, alsSchaltanlagen nicht nur gestrahlte Störgrössenerzeugen, sondern auch Quellen von leitungsge-führten Spannungstransienten sind, auf die amAnfang dieses Abschnitts hingewiesen wordenist (siehe Abb. 9 ).

Abb. 9: SEPAM und Masterpact-Steuereinheit, von Schneider entwickelte und aufgrund von EMV-Studiengebaute MS- und NS-Schutz-, Steuer- und Überwachungsgeräte mit digitaler Elektronik.


3. Kopplung

Unter Kopplung muss man Verbindung, Durch-gang oder Übertragung von elektromagneti-schen Störungen von der Quelle zum Opferverstehen.Die Kopplung wird durch den sog. Kopplungs-faktor kf gekennzeichnet, der in dB (zum Beispiel-75 dB) ausgedrückt wird und als Wirkungsgradder Übertragung einer Störung von der Quellezum potentiellen Opfer definiert werden kann(kf = 20 log A empfangen/A gesendet, wobei Adie Amplitude der Störung ist).Die Definition dieses Faktors ist für die Kenntnisder EMV wichtig, denn je niedriger er ist (d.h. je

grösser sein Absolutwert in Dezibel ist), destoschwächer ist die vom Opfer effektiv empfange-ne Störung und desto besser ist somit die EMV.Normalerweise werden die folgenden dreiKopplungsarten unterschieden:c Kopplung Feld-Kabel im äusseren undinneren Modus.c Kopplung durch gemeinsame Impedanz.c Kopplung Kabel-Kabel im inneren Modus oderdurch Nebensprechen

3.2 Kopplung Feld-Kabel im äusseren und inneren Modus

Ein elektromagnetisches Feld kann durch Kopplungauf jede drahtförmige Struktur und somit auf jedesKabel übertragen werden und dort im äusserenModus (d.h. zwischen den Leitern und dem Körper)oder im inneren Modus (d.h. zwischen den Leitern)Spannungen erzeugen. Diese Kopplungen werdenFeld-Kabel-Kopplungen genannt, wobei es sich umdie Antennenwirkung der drahtförmigen Strukturenbzw. der Leiterbahnen gedruckter Schaltungenusw. handelt.

c Kopplungen im äusseren Modus sind somitsolche, die Störungen vom Spannungs- oderStromtyp im äusseren Modus bewirken.Eine im äusseren Modus durch Leitung übertrage-ne Spannung (UMC) ist eine Spannung. die an alleaktiven Leiter angelegt wird. Sie wird auf denKörper oder die Erde (in der Elektrotechnik derNormalfall) angegeben. Deshalb erfolgen dieIsolationsfestigkeitsprüfungen im äusseren Modusder Niederspannungs-Leistungsschalter zwischen

Störungs-quelle

PE

UMC

IMC

IMC

CpCp

Abb. 10: Spannung und Strom im äusseren Modus zwischen zwei Relais eines Niederspannungsgeräte-Abteilseiner Mittelspannungszelle.

3.1 Verschiedene Kopplungsarten


den miteinander verbundenen Phasen und Erde.Ein im äusseren Modus fliessender Strom (IMC) ist einStrom, der alle aktiven Leiter in der gleichen Richtungdurchfliesst (siehe Abb. 10 ). Der von einem Blitzschlagin eine NS-Leitung erzeugte Strom ist ein im äusserenModus fliessender Strom.

c Kopplungen im inneren Modus betreffen Span-nungen und Ströme im klassischen Sinn, zumBeispiel zwischen zwei Phasen eines Leistungs-schalters oder zwischen zwei Drähten, die einMesssignal zur Elektronik leiten.

Die Gleichungen, welche die Kopplung zwischeneinem elektromagnetischen Feld mit beliebigerWellenimpedanz und einer drahtförmigen Struktur– die ebenfalls beliebig sein kann – bestimmen, sindsehr kompliziert.

In den meisten Fällen können sie weder analytischnoch numerisch gelöst werden.

Eine dieser Kopplungen, die einfach ist und zu denam häufigsten vorkommenden gehört, kann jedochanalytisch ausgedrückt werden. Es handelt sich umdie Kopplung zwischen der magnetischen Kompo-nente eines elektromagnetischen Feldes und eineraus Leitern gebildeten Schleife mit der Fläche S(siehe Abb. 11 ).

Die magnetische Komponente H des Feldesinduziert in Serie in der Schleife eine Spannung vone = µ0 S dH/dt, wobei m0 die magnetische Feldkon-stante (4 π 10-7 H/m) ist.

So tritt zum Beispiel in einer Mittelspannungsschalt-anlage in einer Schleife (eines Drahtes oderKabels) mit einer Fläche von 100 cm2 im Abstand

Abb. 12: Beispiel einer Körperschleife in einem Niederspannungsgeräte-Abteil einer Mittelspannungszelle.

von 1 m von einer Zelle (siehe Abb. 12 ), die einemImpuls-Feld von 5,5 kVeff/m (im Labor gemessenerWert) ausgesetzt wird, transitorisch eine in Serieinduzierte Spannung von 15 V auf.

Diese Gesetzmässigkeit wird als gültig erachtet,solange die grösste Abmessung der Schleife nichtgrösser ist als ein Zehntel der Wellenlänge derStörung.

Es muss darauf hingewiesen werden, dass einesolche Schleife (siehe Abb. 12 ) im «Relais-Abteil»mit den gelb/grünen Drähten sehr schnell erreichtwird, wenn diese sternförmig mit dem Körperverbunden sind.

0 Volt

Körper der Zelle

0 Volt

Abb. 11: Beispiel einer Kopplung Feld-Kabel iminneren Modus.

Elektro-magnetisches Feld

e = vom elektromagnetischen Feld induzierte Spannung

E

H

e

Dem elektro-magnetischen Feld unterworfene Fläche


3.3 Kopplung durch gemeinsame Impedanz

Wie der Name besagt, ist die Kopplung durchgemeinsame Impedanz das Ergebnis desVorhandenseins einer gemeinsamen Impedanzvon zwei oder mehr Stromkreisen. Diese gemein-same Impedanz kann die Körperverbindung, dasErdungsnetz, das Stromverteilungsnetz oder derRückleiter von mehreren Signalen in derselbenSchwachstromverbindung usw. sein.Das Beispiel der Abb. 13 soll dazu dienen, dieBedeutung dieser Kopplungsart zu verstehen.Ein Störstrom im Stromkreis A in der Grössen-ordnung von einigen zehn mA genügt, um imStromkreis B Störspannungen von mehrerenVolt zu erzeugen. Der Messkreis sollte alsBezugspunkt den Punkt M haben und nicht denPunkt A. Dies kann bei einer Elektronik mitintegrierten Schaltungen, die mit Spannungenderselben Grössenordnung arbeiten, sicherstörend sein.In diesem Beispiel kann die gemeinsame Impe-danz die wenigen Meter eines den beidenStromkreisen A und B gemeinsamen Kabels sein.Die Störspannung hat dabei den Wert Uc = IaZc, wobei:c Ia: Störstromc Zc: Gemeinsame Impedanz (siehe Abb. 14 )Der Wert der gemeinsamen Impedanz ist in derNiederfrequenz in der Regel sehr niedrig. Für ein

Abb. 13: Die vom Operationsverstärker durchgeführten Messungen sind mit einem Fehler behaftet, weil einStörstrom im (Speisungs-) Stromkreis A genügt, um im (Mess-) Stromkreis B Störspannungen zu erzeugen.

Erdungsnetz erfordert zum Beispiel die Sicher-heit einen Mindestquerschnitt der Schutzleiter jenach Sternpunktbehandlung. Somit ist der Wertder Impedanz bei 50 Hz zwischen zwei Punktendes Körpernetzes immer niedriger als 1 Ω.Es muss jedoch hier auf den Wert derselbenImpedanz bei den charakteristischen Frequen-zen der weiter oben beschriebenen Störungser-scheinungen hingewiesen werden. In diesemFall nimmt diese Impedanz wesentlich höhereWerte von mehreren kΩ oder noch mehr an(siehe Anhang 1).

Z gemeinsam

+

-

0 Volt

Eingang

I Speisung + I Messung

Stromkreis B Messung

Stromkreis A Speisung

A

Fig. 14 : Allgemeines Impedanz-Schema.

3.4 Kopplung Kabel-Kabel im inneren Modus oder durch Nebensprechen

Das Nebensprechen ist eine Kopplungsart, dieder Kopplung Feld-Kabel gleicht. Und je nach-dem, ob sie eine Spannungs- oder eine Strom-änderung zur Ursache hat, wird sie kapazitivesNebensprechen oder induktives Nebensprechengenannt.

Eine brüske Spannungsänderung zwischeneinem Draht und einem Körper oder zwischenzwei Drähten (siehe Abb. 15 ) erzeugt ein Feld,das auf kurze Distanz mit bestimmten Vereinfa-chungen als ein im wesentlichen elektrischesFeld betrachtet werden kann. Dieses Feld kann

Stromkreis Speisung

Stromkreis Messung

Ia = i1 + i2

E1 E2

Uc

Z1 Zc Z2

i1 i2


durch Kopplung auf eine andere drahtförmigeStruktur übertragen werden, die parallel dazu ist.Das ist kapazitives Nebensprechen.Auf dieselbe Weise erzeugt eine Stromänderungin einem Draht oder Kabel ein elektromagneti-sches Feld, das mit denselben Vereinfachungenals ein rein magnetisches Feld betrachtetwerden kann. Dieses Feld kann durch Kopplungauf ein Aderpaar übertragen werden und dorteine Störspannung induzieren. Das ist induktivesNebensprechen (siehe Abb. 16 ).

Das kapazitive und induktive Nebensprechenerfolgt effektiv, sobald Leiter nahe beieinanderparallel verlaufen. Deshalb ist es in allen Kabel-trögen oder -kanälen möglich, und dort insbe-sondere zwischen Leistungskabeln, die iminneren Modus HF-Störungen übertragen, undAderpaaren eines Netzes, das digitale Signaleüberträgt. Zudem ist es je wirkungsvoller, destolänger die Strecke ist, über welche die Adernparallel verlaufen, desto näher die Adern oderAderpaare beieinander liegen und desto höherdie Frequenz der Störungserscheinungen ist.Zum Beispiel für das kapazitive Übersprechenund mit den Begriffen der Abbildung 15, kannder Spannungskopplungsfaktor wie folgt ausge-drückt werden:

Abb. 15: Eine plötzliche Änderung der Spannung U1zwischen zwei Drähten erzeugt ein Feld, das auf kurzeDistanz als vorwiegend elektrisch erachtet werdenkann und in der Lage ist, in einem parallelen Drahtpaareine Spannung UN zu induzieren. Diese Kopplungsartwird kapazitives Nebensprechen genannt.

e

U1

h

h

R

UNC20

C12

H

I

Kabel (Starkstrom

Drahtpaar (Schwachstrom)

e

Abb. 16: Eine Änderung des Stroms in einem Kabelerzeugt ein Feld, das auf kurze Distanz als rein mag-netisch erachtet werden kann und somit in einerDrahtschleife eine Störspannung induziert. DieseKopplungsart wird induktives Nebensprechen genannt.

In Wirklichkeit werden kapazitive und induktiveKopplungen dieser Art durch die Verwendungvon verdrillten oder sogar abgeschirmten Paarenwesentlich reduziert.

wobei:c U1 Quellenspannung.c UN durch Kopplung induzierte Störspannung.c C12 Übertragungskapazität zwischen denbeiden Drähten, proportional zur Länge derDrähte und zu einem angenäherten Koeffizien-ten gleich log[1+(h/e)2] worin h der Abstandzwischen den beiden Drähten des Paares und eder Abstand zwischen den Paaren ist.c C20 Streukapazität zwischen zwei Drähtendes gestörten Paares.c R Lastimpedanz des gestörten Paares.In dieser Formel ist der erste Ausdruck imNenner in der Regel gegenüber dem zweitenAusdruck vernachlässigbar. Man kann deshalbin erster Näherung schreiben:

Um ein praktisches Beispiel zu rechnen, nehmenwir zwei über 10 m parallel verlaufende Aderpaa-re mit h = 1 cm, e = 2 cm und R = 1 kΩ. DieBerechnung ergibt für ein 1-MHz-Signal einenKopplungsfaktor von -22 dB, d.h.:

UU

j 2 f C

C C

j 2 f1

R C C

N

1

12

12 20

12 20

=+

++( )

π

π

UU

f

CC C

R C C

f R C

R C

N

1

12

12 20

12 20

12

12

2 1

2

≈+

+

==

π

πω

( )

UN

U1 =

112


4. Opfer

4.1 FunktionsstörungenDiese zerfallen in vier Klassen:c Permanent und messbar,c Zufällig, sich nicht wiederholend und sich beimAuftreten von Störungen ereignend,c Zufällig, sich nicht wiederholend und nachdem Auftreten der Störung bestehen bleibend,c Ausfall der Ausrüstung (Zerstörung vonKomponenten).Diese vier Typen sind für die Dauerhaftigkeiteines Fehlers kennzeichnend, charakterisierenjedoch seine Schwere nicht.Die Schwere eines Fehlers ist ein Kriterium, das

von der Funktionalität und der Kritikalität jedereinzelnen Ausrüstung abhängt.Bestimmte Fehler können temporär zulässigsein, wie zum Beispiel der vorübergehendeVerlust einer Anzeige, andere sind unzulässig,zum Beispiel wenn Sicherheitseinrichtungen ihreAufgabe nicht mehr erfüllen.

4.2 LösungenDiverse konstruktive Massnahmen bieten dieMöglichkeit reduzierter Kosten für Betriebsmittel,die ein gutes Verhalten gegenüber elektroma-gnetischen Störungen zeigen. Diese Massnah-men betreffen:c die Gestaltung der gedruckten Schaltungen(ihre funktionale Aufteilung, ihre Auslegung, ihreKonnektik),c die Auswahl der elektronischen Komponen-ten,c die Verbindung der Massen,c die Verkabelung.Diese Optionen betreffen zahlreiche Beteiligteund müssen deshalb im Stadium des Studiumsgewählt werden, um Mehrkosten zu vermeiden,die bei Änderungen nach der Auslegung odersogar nach der Markteinführung immer sehrhoch sind.Die Anwendung aller dieses Massnahmenverlangt ein Know-how, das über die Filterungund Abschirmung hinausgeht, die oft zurnachträglichen Erhöhung der Störfestigkeitvorgesehen werden, auch wenn deren Wirksam-keit in keiner Weise in Zweifel gezogen wird.

Gestaltung der gedruckten Schaltungen

Bei der Auslegung der Karten sind einige Regelnzu beachten. Diese Regeln betreffen die funktio-nelle Aufteilung der Karte und den Verlauf derLeiterbahnen.

Bereits bei der Anordnung ist es möglich, dieKopplungen zwischen den Komponenten infolgeihrer Nähe zu reduzieren. So reduziert zumBeispiel die Gruppierung der Schaltungen nachihrer Art wie z.B. digital, analog und Starkstromin Funktion ihrer Störungsempfindlichkeit derenInterferenzen.Andererseits hat der Verlauf der Leiterbahneneiner gedruckten Schaltung einen grossenEinfluss auf die Störungsempfindlichkeit einerKarte. Ein auf verschiedene Weise verwirklichteselektrisches Schema hat eine Störungsunemp-findlichkeit, die um einen Faktor zwischen 1 undbis zu 100 schwanken kann. Ein Verlauf derLeiterbahnen nach englischem Muster (sieheAbb. 17 ) mit minimalem Kupferverbrauchreduziert deren Abstrahlung und Empfindlichkeit.

Auswahl der elektronischen Komponenten

Zahlreiche Komponenten ermöglichen einenwirksamen Schutz gegen leitungsgeführteStörgrössen. Die Wahl dieser Komponentenhängt von der Leistung der zu schützendenStromkreise (Speisung, Steuerung usw.) undvon der Art der Störungen ab. Deshalb wirdgegen Störungen im äusseren Modus einesLeistungskreises ein Transformator eingesetzt,wenn diese Störungen niederfrequent (<1 kHz)sind, während bei hohen Frequenzen ein Filtervorgezogen wird.

Das Opfer innerhalb der «Trilogie» Quelle/Kopplung/Opfer stellt alle Betriebsmittel dar, diegestört werden können.Es handelt sich im allgemeinen um Ausrüstun-gen, die einen elektronischen Teil enthalten, der

wegen des Vorhandenseins von elektromagneti-schen Störungen, die in der Regel von ausser-halb der Ausrüstung kommen, nicht richtigfunktioniert.


Die Tabelle der Abbildung 18 enthält eine nichterschöpfende Liste von Schutzkomponenten.Nicht alle sind gleichwertig. Ein Filter schütztnicht gegen Überspannungen und ein Überspan-nungsableiter beseitigt keine HF-Störungen.

Realisierung von Umhüllungen

Die Realisierung einer leitenden Umhüllung(Abschirmung) um empfindliche Betriebsmittelherum ist eine Möglichkeit, um sie gegenelektromagnetische Felder zu schützen.

Abb. 17: Der Verlauf der Leiterbahnen kann die Störungsempfindlichkeit einer Karte reduzieren, sei es durchMinimierung der Impedanzen (Verlauf nach englischem Muster) oder durch Reduktion der Kopplungen infolge deselektromagnetischen Feldes (Verlauf mit Masse).

0 Volt

Feiner Verlauf Verlauf nach englischem Muster Verlauf mit Masse

Typ Beispiele Anwendungen

Überspannungsableiter Funkenstrecke, Biltzableiter, Installation, Speisung, SteuerungÜberspannungssicherung

Varistor, Zener-Diode Elektronische Schaltungen

Filterungs-Komponenten Transformatoren, Induktivitäten, Speisung, SteuerungKondensatoren, Filter (Installationen und elektronische Schaltungen)

Abschirmungs- Geflechte, Körper, Masse, Informationsübertragungkomponenten abgeschirmte Kabel, Höchstfre- (Schrank in gestörter Umgebung)

quenzverbindungen, Kontaktfinger

Abb. 18: Liste von Schutzkomponenten.

Abb. 19: Abschirmwirkung einer Metallumhüllung


Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen,muss die Dicke des verwendeten leitendenMaterials grösser sein als die Eindringtiefe beiden betreffenden Störfrequenzen (siehe Abb. 19 ).Angesichts einer Störung sehr hoher Frequenzoder eines elektrischen Feldes kann mit Erfolg einLeitlack verwendet werden. Aber nur eineUmhüllung aus Werkstoffen mit hoher Permeabili-tät kann in der Niederspannung Magnetfelderzurückhalten.

Verbindung der Körper

Auf diesem Gebiet ist die elektrische Verbindungzwischen den einzelnen Teilen des Gehäusesäusserst wichtig. Diese Verbindung musssorgfältig durchgeführt werden, zum Beispielindem die Kontaktbereiche von jeglichemAnstrich freigehalten werden, jedoch auch durchVerwendung von breiten und kurzen Litzen (umderen Impedanz möglichst niedrig zu halten).

Verkabelung

Zudem ist die Abschirmung der Kabel (sieheKabel-Vokabular) eine Verlängerung der leiten-den Umhüllung von empfindlichen Betriebsmit-teln. Deshalb wird sie möglichst kurz mit dieserverbunden, und dies wenn möglich über dengesamten Umfang als Schutz gegen hochfre-quente Störungen.Genau wie die Kopplung zwischen einemelektromagnetischen Feld und einer drahtförmi-

gen Struktur (siehe Abschnitt 3) ist es sehrschwierig, die sehr komplizierte Theorie derAbschirmung von Kabeln im Rahmen desvorliegenden Dokumentes zu behandeln. ImLiteraturverzeichnis sind einige diesbezüglicheNachschlagewerke aufgeführt.Die Berücksichtigung aller dieser Auslegungs-und Ausführungsregeln bietet die Möglichkeit,dass ein Produkt oder System eine unterBerücksichtigung seines Einsatzortes genügen-de Unempfindlichkeit gegen elektromagnetischeStörungen aufweist.Diese Störfestigkeit kann jedoch nur experimen-tell durch Messungen nachgewiesen werden, mitderen Hilfe die Wirksamkeit der einzelnenLösungen quantifiziert werden kann. So werdenzum Beispiel bei Merlin Gerin die Prototypen derelektronischen Auslöser für Leistungsschaltereiner Reihe von strengen Prüfungen unterwor-fen, die den maximalen Störungen entsprechen,denen sie unterworfen werden können.Das Ziel dieser Prüfungen ist die Überprüfung,ob die Auslöser nicht ungewollt auslösen und obder Leistungsschalter im richtigen Momentsicher öffnet. Die Produkte-Normen umfassenheute diese Anforderungen, wie zum Beispiel diefolgenden Normen:c IEC 947-2 für industrielle Leistungsschalterc IEC 1131-2 für speicherprogrammierbareSteuerungen.


Niederspannung «Werkstätten»Verteiler

MS/NS-TransformatorstationNiederspannungs-Hauptverteiler

Niederspannung «Maschinen» Verteiler mit Trenntransformator

Laboratorium

Fabrikation

Niederspannung «Büros»Verteiler und unterbrechungsfreie Stromversorgung

VerkaufsabteilungEDV-Abteilung[

Schweiss-maschinen

5. Installation

5.1 Die Installation ist ein wichtiger Faktor innerhalbder Gesamt-EMV eines Systems

Die beiden vorhergehenden Kapitel haben dieBedeutung aufgezeigt, welche die Installationsowohl in bezug auf ihre Auslegung als auch inbezug auf ihre Ausführung für die Erscheinun-gen der EMV haben kann.

Bei der Projektierung und Implementierungkönnen insbesondere zwei Faktoren die EMVbeeinflussen: die Wahl der Betriebsmittel undderen Anordnung (siehe Abb. 20 ).Denn der erste Faktor betrifft zugleich die Wahlder Quellen und der Opfer. Ein für eine bestimm-te Funktion gewähltes Gerät kann eine mehroder weniger starke Quelle von Störungen und/oder diesen unterworfen sein.Wenn zum Beispiel zwei Geräte nahe beieinan-der in Betrieb stehen müssen, müssen sie:c entweder eine schwach störende Quelle miteinem «gewöhnlichen» (mittelmässig empfindli-chen) Opfer kombinieren,

c oder im Gegenteil eine «gewöhnliche»(mittelmässig störende) Quelle mit einem wenigempfindlichen Opfer kombinieren,c oder mindestens einen Kompromiss zwischendiesen beiden Extremen bilden.Und der direkt vom ersten Faktor abhängigezweite Faktor besteht darin, die festgelegtenBetriebsmittel je nach ihren entsprechendenEigenschaften so zu positionieren, dass sie dieBedürfnisse der EMV erfüllen.Es ist leicht zu verstehen, dass diese Auswahldann die Kosten der Betriebsmittel sowie ihrerInstallation berücksichtigen muss.

Abb. 20: Beispiel für die Anordnung elektrischer Betriebsmittel unter Berücksichtigung der EMV.

5.2 Auslegung


5.3 Ausführung

Hierzu müssen verschiedene Lösungen oderVerfahren eingesetzt werden:c Vermaschung der Körper- und Erdungskreiseund Erdungsnetze.c Elektrische Trennung der Stromkreise.c Wohldurchdachte Verkabelung.

Die Ausführung der verschiedenen Teile einerelektrischen oder elektronischen Anlage unter-liegt den bereits in den vorangehenden Kapitelngenannten Prinzipien. In der Praxis müssen dieverschiedenen nebeneinander existierendenKopplungsarten studiert werden, um sie zu redu-zieren, um die Ziele der EMV zu erreichen.

5.4 Praktische Beispiele

Vermaschung der Körper- undErdungskreise und Erdungsnetze

Heute reagieren Betriebsmittel empfindlich aufsehr schwache Energien. Sie enthalten eine fürhohe Frequenzen empfindliche Elektronik undsind miteinander verbunden. Kopplung durchgemeinsame Impedanz können deshalb sehrhäufig auftreten. Um diese zu verhindern, ist einErdungsnetz mit möglichst gutem Potentialaus-gleich, genauer gesagt ein vermaschtes Er-dungsnetz, unerlässlich.Diese Lösung ist eine der ersten Schutzmass-nahmen, die gegen Störungen zu ergreifen sind.Somit sind in einem Fabriknetz alle Schutzleiter(PE) untereinander und mit den bestehendenMetallkonstruktionen zu verbinden (sieheAbb. 21 ).Ebenso sind in einer Ausrüstung alle Körperbzw. Massen und Gehäuse der Geräte mit brei-ten und kurzen, bei HF eine möglichst niedrigeImpedanz aufweisenden Anschlüssen (Drähtenoder Litzen) möglichst direkt mit einem ver-maschten Körpernetz zu verbinden.Die Verdrahtung eines elektrischen Schalt-schrankes ist ein typisches Beispiel dafür. AlleKörper müssen miteinander verbunden werden.Zu diesem Thema ist eine Änderung zu vermer-ken: Das Prinzip der sternförmig verbundenen

Körper, das manchmal für gegenüber dem«50-Hz-Summer» empfindliche analoge elektri-sche Ausrüstungen angewendet worden ist, wur-de zugunsten der vermaschten Netze, die gegenStörungen der heutigen digitalen Einrichtungen,Schutzrelais und Steuerungs- und Überwa-chungssysteme wesentlich wirksamer sind, auf-gegeben.

Elektrische Trennung der Stromkreise

Diese Technik besteht darin, die Energiequellen(in der Regel 50 Hz oder 60 Hz) voneinander zutrennen. Das Ziel ist die Verhinderung der Stö-rung einer auf leitungsgeführte Störgrössenempfindliche Ausrüstung durch andere Ausrü-stungen, die an dieselbe Stromversorgung ange-schlossen sind. Das Prinzip: eine auf Störungenempfindliche und eine störende Ausrüstung ha-ben zwei Stromversorgungen, die durch für dieStörfrequenzen hohe Impedanzen voneinandergetrennt sind.Transformatoren (nicht jedoch Autotransformato-ren) sind wirksame Trennglieder, insbesonderefür niedrige Frequenzen. MS/NS-Transformato-ren, Trenntransformatoren und alle Eingangs-übertrager elektronischer Schaltungen begren-zen die Ausbreitung von leitungsgeführten Stör-grössen.

Abb. 21: Die Vermaschung der Körper- und Erdungskreise und Erdungsnetze ist oft vermischt.

PEPE

M


Manchmal ist es nötig, ein Trennfilter anzuord-nen, um HF-Störungen herauszusieben. Wennzudem die empfindliche Ausrüstung eine gesi-cherte Stromversorgung bei einem Netzausfallbenötigt, kann sie durch eine unterbrechungs-freie Stromversorgung (USV) gespeist werden,insofern diese USV die notwendigen Trenntrans-formatoren umfasst.

Wohldurchdachte Verkabelung

Schliesslich werden die drei weiter oben genann-ten Kopplungsmechanismen begrenzt, wenn dieVerkabelung nach den folgenden Regeln ausge-führt wird:c Da natürlich aus wirtschaftlichen Gründennicht alle Stromkreise voneinander getrennt wer-den können, müssen die Kabel nach Kategorienzusammengefasst werden. Die Führung der ein-zelnen Kategorien muss physisch getrennt erfol-gen. Vor allem müssen auf der einen Seite dieStarkstromkabel zusammengefasst werden, undauf der anderen Seite die Schwachstromkabel(Telefon, Steuerung usw.).Wenn es die Anzahl Kabelgräben, -roste oder -ka-näle zulässt, sollten Starkstromkabel, deren Strombei 230 V einige Ampere übersteigt, und Schwach-stromkabel über zwei getrennte Wege geführt wer-den. Andernfalls muss zwischen den beiden Kate-gorien ein Mindestabstand von rund 20 Zentime-tern eingehalten werden (siehe Abb. 22 ). Zwi-schen diesen beiden Kategorien muss jedes ge-meinsame Teil sorgfältig vermieden werden.Stromkreise, die Niedrigpegel-Informationen zuübertragen haben, müssen soweit wie möglicheinen eigenen Rückleiter (O Volt) haben, umKopplungen durch gemeinsame Impedanz zuvermeiden. Insbesondere brauchen die meistenBus-Kommunikationssysteme ein ausschliesslichfür den Informationsaustausch reserviertes Ader-paar.

c In jedem Fall muss die Gesamtfläche einerSchleife und damit der Abstand zwischen einemLeiter und seinem Rückleiter möglichst klein ge-halten werden. Für die Informationsübertragungermöglicht die Verdrillung der Leitungen eineweitere Verminderung der Anfälligkeit für Kopp-lungen im inneren Modus. Deshalb sind verdrilltePaare gegenüber nicht-verdrillten Paaren vorzu-ziehen.c Messkabel und Kabel, die Niedrigpegel-Infor-mationen übertragen, müssen wenn möglich ab-geschirmt sein, wobei die Abschirmung, wennder Lieferant nichts anderes angibt, an möglichstvielen Stellen mit dem Körper verbunden werdenmuss.c Kabelkanäle müssen wenn immer möglichaus Metall bestehen. Diese Kabelkanäle sind mitsicherem elektrischem Kontakt, zum Beispielmittels Schrauben, untereinander und mit demvermaschten Körpernetz zu verbinden.c Die empfindlichsten Kabel, wie zum BeispielMesskabel, sind in einer Ecke anzuordnen. Da-durch erhalten sie einen erhöhten Schutz gegenelektromagnetische Strahlungen. Ihre Abschir-mung, falls vorhanden, ist in kurzen Abständenmit dem Kabelkanal zu verbinden.Die Verwendung von vorfabrizierten Stromschie-nen und -verteilungen, in denen die Kabel richtigangeordnet und angeschlossen sind, wie zumBeispiel das Produkt Canalis von Telemeca-nique mit eingebautem Fernsteuerkabel, ist des-halb in jeder Beziehung zu empfehlen.Alle diese für die Vermeidung von EMV-Proble-men sehr wirksamen Massnahmen erfordern imProjektierungsstadium einen kleinen Mehrauf-wand. Spätere Änderungen einer bereits beste-henden Installation wegen zu starken elektroma-gnetischen Kopplungen kosten hingegen we-sentlich mehr.

Abb. 22: Beispiel einer Kabelführung.

d

Starkstromkabel Abgeschirmte Messleitungen

Steuerkabel

d

d = einige Zentimeter


6. Normen, Prüfeinrichtungen und Prüfungen

6.1 NormenSchon seit geraumer Zeit regeln normative Textedie elektromagnetische Verträglichkeit von Be-triebsmitteln.Die ersten Bestimmungen sind vom Comité In-ternational Spécial des Perturbations Radioélec-triques (CISPR) herausgegeben worden. Sie be-grenzten im wesentlichen das Emissionsvermö-gen der einzelnen Geräte, um in erster Linie dasSenden und den Empfang von Radiowellen zuschützen.Die nationalen Komitees und die InternationaleElektrotechnische Kommission (IEC) habennormative Texte herausgegeben, welche diegesamte EMV, Emission und Störfestigkeit, aufdem zivilen Sektor umfassen.Normative Texte über die EMV im Militärsektor be-finden sich in GAM EG 13, was Frankreich anbe-trifft, und in den MIL-STD-Normen für die USA.Die stürmische Entwicklung der elektromagneti-schen Verträglichkeit und der ZusammenschlussEuropas haben die zivile normative Landschaftverändert.Zu diesem Thema hat der Rat der EuropäischenGemeinschaften im Mai 1989 eine EuropäischeRichtlinie mit der Bezeichnung 89/336/EWG her-ausgegeben. Sie betrifft die Angleichung derRechtsvorschriften der Mitgliedstaaten in bezugauf die elektromagnetische Verträglichkeit.Die Europäische Richtlinie befasst sich nicht nurmit der Begrenzung der Störungen auf der Emis-sionsseite, sondern auch mit dem Mindestverhal-ten gegenüber elektromagnetischen Störungenbzw. der Störfestigkeit. Somit bezieht sich dieseRichtlinie auf Normen, welche die maximalenStörpegel festlegen.Das Europäische Komitee für ElektrotechnischeNormung (CENELEC) hat technische Komiteesgebildet. Diese haben die bestehenden Normengesammelt, die der Anwendung der Richtlinieentsprechen, und jene redigiert, die fehlten.Die Arbeiten des TC 210 stützten sich auf die

Praktiken in der Industrie.Zum Thema der Emissionmessungen warenwährend einiger Zeit die deutschen Normen VDE871 und VDE 875 massgebend. Heute habensich die neueren europäischen normativen TexteEN 55011 und EN 55022 durchgesetzt. Für dieEMV ist die Norm IEC 61000 (früher IEC 1000)massgebend. Sie umfasst mehrere Teile:c 61000-1: Anwendung - Definitionenc 61000-2: Umgebung - Verträglichkeitsstufenc 61000-3: Störschwellec 61000-4: Prüfung der StörfestigkeitDer letztere Teil umfasst mehrere Abschnitte:v 1 - Allgemeinesv 2 - Entladung statischer Elektrizitätv 3 - Hochfrequente elektromagnetische Felderv 4 - Schnelle transiente elektrische Stör-grössenv 5 - Blitzstossspannungenv 6 - Leitungsgeführte Störgrössen > 9 kHzv 7 - Oberschwingungen und Zwischen-harmonischev 8 - Magnetfelder bei 50 Hzv 9 - Impulsförmige Magnetfelderv 10 - Gedämpft schwingende Magnetfelderv 11 - Spannungseinbrüche, Kurzzeitunter-brechungen und Spannungsschwankungenv 12 - Gedämpfte Schwingungenv usw.

Diese entsprechen genau den in der elektrotech-nischen Welt von heute auftretenden typischenStörungen. Die entsprechenden Prüfungen sindauf der ganzen Welt anerkannt und werden vonSchneider für ihre Produkte angewendet. Der fol-gende Abschnitt beschreibt die den normativenTexten entsprechenden Prüfungen etwas einge-hender.

6.2 PrüfeinrichtungenWie bereits erklärt, verlangt die Einhaltung derVorschriften Messungen und Prüfungen, dieihrerseits in den Normen festgelegt sind.Die elektromagnetische Verträglichkeit ist in derSchneider-Gruppe schon vom Fachgebiet herseit langem ein wichtiges Thema. Seit den 70erJahren stehen spezielle Einrichtungen wie zumBeispiel ein Faradaykäfig im Einsatz. Das Ver-suchszentrum von Schneider verfügt seit vielenJahren über zwei EMV-Laboratorien.Diese Laboratorien sind die unerlässlichen

Instrumente für die praktische Umsetzung undVerbreitung der Kompetenz auf diesem Gebiet.Sie bieten auch Kunden ausserhalb des Unter-nehmens ihre Dienstleistungen an.Dabei führen sie Prüfungen auf allen Gebietender EMV durch:c Elektrostatische Entladungenc Unempfindlichkeit gegen leitungsgeführteoder gestrahlte Störgrössenc Emission von leitungsgeführten oder gestrahl-ten Störgrössen


Wie jede Messung müssen die Messungen derelektromagnetischen Verträglichkeit sowohl zeit-lich als auch räumlich reproduzierbar sein, wasbedeutet, dass zwei in zwei verschiedenen La-bors durchgeführte Messungen dieselben Resul-tate ergeben müssen.Auf diesem Fachgebiet bedeutet dies sehr aus-gedehnte Einrichtungen und somit hohe Investi-tionen, und ein strenges Qualitätsmanagement.Das Qualitätsmanagement der EMV-Laboratori-en von Schneider beruht auf Qualitätsmanage-ment-Handbüchern und auf einer Reihe vonVerfahrensanweisungen. Diese Verfahrensan-

weisungen betreffen sowohl die Kalibrierung undden Anschluss an die Normale als auch die ein-zelnen Messungsarten. Die Liste der normativenPrüfungen, welche die Laboratorien durchführenkönnen, befindet sich im Anhang 3.Zur Konkretisierung dieses Qualitätsmanage-ments:c Das Laboratorium von Grenoble ist vom CO-FRAC (COmité FRançais d'ACcreditation) akkre-ditiert.c Das Laboratorium von Nanterre ist von derASFEA (Association des Stations d'Essais Fran-çaises d'Appareils électriques) akkreditiert.

6.3 PrüfungenElektrostatische Entladungen

Diese Prüfungen sind dazu bestimmt, die Störfestig-keit von Karten, Geräten und Systemen gegenüberelektrostatischen Entladungen zu testen.Die Ursache von elektrostatische Entladungenist eine Ansammlungen von elektrischen Ladun-gen durch eine Person, zum Beispiel wenn sieüber einen isolierenden Bodenbelag geht. Wenndiese Person einen Leiter berührt, der über eineImpedanz mit einem elektrischen Körper verbun-den ist, entlädt sie sich innert Sekundenbruchtei-len über diese Impedanz. Mehrere Untersuchun-gen haben gezeigt, dass die Wellenform dieserEntladung von den Eigenschaften der Quelleund den Entladstromkreisen abhängt, jedochauch von anderen Parametern, wie zum Beispielder relativen Luftfeuchtigkeit (siehe Abb. 23 ) undder Annäherungsgeschwindigkeit des geladenenKörperteils, hier die Hand der Person, usw.Diese Untersuchungen haben zu typischen Ent-ladungsprüfungen geführt. Sie werden mit Hilfeeiner Quelle (Pistole), die den Menschen simu-liert, in verschiedenen Konfigurationen durchge-führt (siehe Abb. 24 ). Die Entladungen erfolgen

Abb. 23: Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit auf dieelektrostatische Entladungsspannung in Funktion desBodenbelages.

Leitende Oberflächen

Widerstände 470 k

Bezugskörper

Tisch aus isolierendem Material

Speisung

Netz

Isolator

Prüfling

Ω

Pistole

Abb. 24: Messbank für elektrostatische Entladungsmessungen gemäss Festlegung in der Norm IEC 61000-4-2.

161514131211109876543210

Spannung (kV)

Relative Luftfeuchtigkeit (%)

Synthetisch

Wolle

Antistatisch

5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100


gegen alle zugänglichen Teilen des zu prüfendenGerätes und gegen seine unmittelbare Umge-bung und werden genügend oft wiederholt, umein statistisches Verhalten zu sicherzustellen.Diese Messungen erfordern somit eine spezielleMessbank.Alle diese Prüfungen werden in der Norm IEC61000-4-2 für die Stärkegrade der Tabelle derAbbildung 25 eingehend beschrieben.

Unempfindlichkeit gegen leitungsgeführteStörgrössen

Diese Prüfungen bieten die Möglichkeit, dasVerhalten eines Gerätes gegenüber Störungenzu bestimmen, die über die externe Verdrahtungdieses Gerätes (Eingänge, Ausgänge und Spei-sung) zugeführt werden. Wie bereits erklärt, sinddiese Störungen je nach der Art und Verlegungder Kabel verschieden.Die in diesen Prüfungen verwendeten elektro-magnetischen oder transitorischen Signalehaben typische Werte (Amplitude, Wellenform,Frequenz usw.).An verschiedenen Orten durchgeführte Stö-rungsmessungen haben im wesentlichen zu dreitypischen Prüfungen geführt:c Die erste Prüfung, nach IEC 61000-4-4, ist fürStörungen charakteristisch, die von der Betäti-gung von Steuergeräten erzeugt werden.Sie berücksichtigt die schnellen elektrischenTransienten. Diese Impulse wiederholen sich miteiner Frequenz von 3 Hz. Jeder Impuls bestehtaus rund hundert Transienten im Abstand vonetwa 100 ms. Jede Transiente hat eine sehr stei-le Front von 5 ns und eine Amplitude von mehre-ren kV, die vom verlangten Stärkegrad abhängt(siehe Abb. 26 und 27 ).Alle Kabel können schnellen Transienten unter-worfen werden. Störungen dieser Art lassen sicheffektiv sehr leicht koppeln, zum Beispiel durchNebensprechen (siehe Kapitel «Kopplung»),weshalb es genügt, dass ein Kabel diese Stö-rung erzeugt, damit alle Kabel, die parallel ver-laufen, dieser unterworfen sind.Die Prüfung erfolgt somit an allen Kabeln. Imäusseren Modus an den Kabeln, bei denen die

Stärkegrad gemäss Norm Angewendete Prüfspannung (± 10%) in kV ohne Funktionsstörung(Ausgang mit offenem Stromkreis).

Speisung Ein- und Ausgangsleitungen(Signal-, Daten- und Steuerleitungen)

1 0,5 0,252 1 0,53 2 14 4 2

x Spezial Spezial

Der Stärkegrad x wird zwischen dem Hersteller und Kunden vertraglich vereinbart.

Stärkegrad Prüfspannung in kVgemäss Norm ± 10 %

Entladung Entladungin Luft durch Berührung

1 2 22 4 43 8 64 15 8

Abb. 27: Tabelle der in IEC 61000-4-4 festgelegten Stärkegrade.

Abb. 25: Elektrostatische Entladungsspannungen, dievon den Betriebsmitteln gemäss IEC 61000-4-2ausgehalten werden müssen.

15 ms

300 ms

u

t

5 ns

100 sµ

u

t

b)

a)

Abb. 26: Verlauf der Impulse (a) und der schnellenTransienten, aus denen sie bestehen (b).

Störung sowieso induziert wird (d.h. den ande-ren Kabeln als die Speisekabel), im äusserenund im inneren Modus an den Kabeln, die andas Netz angeschlossen sind. Die Störungenwerden entweder durch direkte kapazitive Kopp-lung in die geprüften Kabel eingespeist, wenn es


sich um Speisekabel handelt, oder mit Hilfe einerKopplungszange, wobei zwei Metallplatten dieSekundärkabel umschliessen (siehe Abb. 28).Das geprüfte Gerät darf während einer bestimm-ten Zeit (1 min) keine Funktionsstörungen auf-weisen.Diese Prüfung ist die aussagekräftigste Prüfungder Störfestigkeit eines Betriebsmittels, daschnelle Transienten am häufigsten auftreten.c Die zweite durchgeführte Prüfung ist für diesekundären Auswirkungen eines Blitzschlagescharakteristisch. Sie stellt die nach einem Blitz-schlag in eine Leitung im NS-Netz fliessendenleitungsgeführten Störgrössen dar (Norm IEC61000-4-5).Für diese Störungen ist eine Energie charakteri-stisch, und sie äussern sich zudem alsv Spannungswelle 1,2/50 µs, wenn die vom ge-prüften Gerät dargestellte Impedanz hoch ist,wobei die Amplitude mehrere kV erreichen kann.Siehe Abbildung 29 für die von der Norm vorge-sehenen Prüfspannungen.v Stromwelle 8/20 µs, wenn diese Impedanzniedrig ist, wobei die Amplitude mehrere kA er-reicht.Die Anstiegszeit dieser Störungen ist tausend-mal länger als diejenige der schnellen transien-ten Störgrössen (siehe Abb. 26 ) und von derGrössenordnung einer Mikrosekunde. Die Prüf-kopplung erfolgt kapazitiv im inneren und äusse-ren Modus mit den entsprechenden Stärken.Das Vorgehen ist ähnlich wie bei der Prüfung derschnellen Transienten.

Fig. 28 : Messung der Unempfindlichkeit einer Isis-Zentrale gegen schnelle Transienten (Test IEC 61000-4-4) ineinem Faradaykäfig. Im Bild sichtbar sind: der vom Laboranten bediente Störungsgenerator, der Holzkoffer mit derKopplungszange und die an das Batibus-Netz angeschlossene Isis-Zentrale (links).

Das Gerät darf keine Funktionsstörungen auf-weisen.c Die dritte, nach der Norm IEC 61000-4-6durchgeführte Prüfung bezieht sich auf die Vor-schriften in bezug auf die Unempfindlichkeit derBetriebsmittel gegen HF-Störungen in Kabeln imBereich von 150 kHz bis 80 MHz (oder sogar230 MHz).Die Störungsquellen sind elektromagnetischeFelder, welche die gesamte Länge der an dieseBetriebsmittel angeschlossenen Kabel beeinflus-sen und dort Spannungen und Ströme induzie-ren können.Bei der Prüfung werden die Störungen über Kopp-lungs-Entkopplungs-Schaltungen, deren Impedanzim äusseren Modus gleich 150 Ω ist und somitdem Wellenwiderstand der meisten Kabel ent-

Stärkegrad Prüfspannung (kV) mitgemäss Norm Ausgang mit offenem

Stromkreis1 0,52 13 24 4

x Spezial

Der Stärkegrad x wird zwischen dem Hersteller undKunden vertraglich vereinbart.

Abb. 29: Pegel in Funktion des in der NormIEC 61000-4-5 festgelegten Stärkegrades(Impedanz der Quelle = 2 Ω).


spricht, auf die Kabel gekoppelt. Es muss jedochdarauf hingewiesen werden, dass bei der Prüfungdie Störungen nur auf ein Kabel auf einmal ange-wendet werden, während in Wirklichkeit das elek-tromagnetische Feld alle angeschlossenen Kabelerfasst. Dies ist ein wesentlicher Unterschied, dernicht zu vermeiden ist. Denn es würde die Prüfungsehr kompliziert und äusserst teuer machen, wennman alle HF-Signale gleichzeitig auf alle Kabel zukoppeln wollte.Wenn sich Kopplungs-Entkopplungs-Schaltun-gen nicht eignen, zum Beispiel wenn die Strom-stärke zu hoch ist, werden Kopplungszangenverwendet.Die von der Norm IEC 61000-4-6 vorgesehenenHF-Störungen haben Pegel von 1, 3 oder10 Volt. Sie sind mit einem Modulationsgradvon 80% mit einer Sinuswelle von 1 kHz ampli-tudenmoduliert.Vor der Prüfung wird das einzuspeisende Signal,um den gewünschten Störpegel zu erhalten, kali-briert und gespeichert, und hierauf auf die nor-mal an die geprüfte Einrichtung angeschlosse-nen Kabel angewendet.

Unempfindlichkeit gegen gestrahlteStörgrössen

Die Prüfungen der Unempfindlichkeit gegen ge-strahlte Störgrössen dienen dazu, Gewähr fürdas richtige Funktionieren der Geräte zu bieten,wenn sie elektromagnetischen Feldern ausge-setzt werden.

Da diese Prüfungen besonders umgebungsemp-findlich sind, sind die für zuverlässige und repro-duzierbare Messwerte erforderlichen Einrichtungenund Fachkenntnisse sehr umfangreich.Die Umgebung muss genügend «sauber» sein,damit keine Beeinflussungen durch Wellen allerArt auftreten, denn (wie im Kapitel «Quelle» ge-zeigt worden ist) sind elektromagnetische Feldervon mehreren V/m, wie sie zum Beispiel vontragbaren Funkgeräten erzeugt werden, häufigvorhanden, oder impulsförmige Felder von nochgrösserer Amplitude in industrieller Umgebung.Deshalb werden diese Prüfungen in einem Fara-daykäfig durchgeführt, dessen Wände mit Hyper-frequenzdämpfern bedeckt sind. Solche Räumewerden als reflexfrei bezeichnet, wenn sämtlicheWände unter Einschluss des Bodens bedecktsind, und halb-reflexfrei, wenn der Boden nichtbedeckt ist.In diesen Käfigen werden die Felder je nach derArt des Feldes, den Frequenzbereichen und derPolarisation durch verschiedene Antennen er-zeugt (siehe Abb. 30 ). Diese Antennen werdenvon einem Wobbelgenerator gespeist, dessenSignal über einen Breitband-Leistungsverstärkerläuft.Die erzeugten Felder werden mit isotrophenBreitband-Sensoren kalibriert. Die schematischeDarstellung der Abbildung 31 zeigt eine typi-sche Prüfanordnung.Die Normen geben die Störschwellen an, wobeidie Norm IEC 61000-4-3 Prüfungen im Fre-

Abb. 30: Halb-reflexfreier Faradaykäfig und einige Antennen eines EMV-Laboratoriums von Schneider.


quenzband 80 MHz - 1000 MHz und drei Stärke-grade (1, 3 und 10 V/m) vorsieht.Zur allgemeinen Information muss darauf hinge-wiesen werden, dass die in den Laboratorienvon Schneider möglichen Prüfbedingungen we-sentlich strenger sind. Der überdeckte Frequenz-bereich geht von 10 kHz bis 2 GHz. Zudem kön-nen zwischen 27 MHz und 2 GHz Geräte mitFeldern von bis zu 30 V/m mit einem Modulati-onsgrad von 80% geprüft werden. Was die Stör-festigkeit in impulsförmigen elektromagnetischenFeldern anbetrifft, wie sie in der Nähe von Hoch-spannungsanlagen auftreten können, gibt esnoch keine normierte Messverfahren. Entspre-chende Prüfungen an Ausrüstungen von Schnei-der erfolgen deshalb nach internen Verfahrens-anweisungen.

Emission von leitungsgeführten Störgrössen

Die Messungen der Emission von leitungsge-führten Störgrössen quantifizieren den Pegel der

vom geprüften Gerät in die angeschlossenenKabel gespeisten Störungen. Der Pegel dieserStörungen hängt eng mit der an die Kabel ange-schlossenen Hochfrequenzlast zusammen, wo-bei das geprüfte Gerät als Quelle betrachtet wird(siehe Abb. 32 ).Um reproduzierbare Messungen durchzuführenund vor allem Probleme im Zusammenhang mitdem Wellenwiderstand des Netzes zu vermei-den, erfolgen die Messungen der Emission vonleitungsgeführten Störgrössen mit Hilfe einer Lei-tungsimpedanz-Stabilisierungsschaltung. EinMessgerät, effektiv ein Hochfrequenzempfänger,wird an diese Leitungsimpedanz-Stabilisierungs-schaltung angeschlossen und dient zur Quantifi-zierung des Pegels für jede Frequenz. Der Pegelder eingespeisten Störungen darf die in den Nor-men festgelegten Grenzwerte, die vom und vonder Umgebung abhängen, nicht übersteigen.Die Aufnahme der Abbildung 33 zeigt das aneinem Niederspannungs-Hauptverteiler erhalte-

Geprüfte Einrichtung (Opfer)

Netz

Filter

1 kW

10 kHzbis2 GHz

Breitband-verstärker

HF-Generator

Halb-reflexfreier Faradaykäfig

Antenne

Abb. 31: Typische Versuchsanordnung in einem Faradaykäfig. Die Messungen erfolgen in zwei Stufen:1 - Kalibrierung des Feldes für einen bestimmten Frequenzbereich und ohne Prüfling,2 - Prüfung der Störfestigkeit des Prüflings.

Abb. 32: Anordnung für die Messung der Emission von leitungsgeführten Störgrössen. Der Prüfling wird alsQuelle erachtet und die Leitungsimpedanz-Stabilisierungsschaltung als eine Last.

Netz

Filter

Halb-reflexfreier Faradaykäfig

Mess-gerät

Leitungsimpedanz-Stabilisierungsschaltung

Geprüfte Einrichtung (Quelle)


Raum mit wenigen Umstellungen durchgeführtwerden. Wie bei der Emission von leitungsge-führten Störgrössen müssen auch hier die Pegelniedriger sein als die in einem Pflichtenheft oderin den Normen festgelegten Grenzwerte.

Messung von impulsförmigen Feldern

Die normativen Prüfungen gestatten das Messender Emission und Prüfen der Störfestigkeit vonGeräten und Systemen in bezug auf die wichtig-sten in industrieller Umgebung vorkommendenelektromagnetischen Störungen. Die Betriebs-umgebungen der von der Schneider-Gruppe ent-wickelten Betriebsmittel können jedoch gewisseMerkmale aufweisen, die in den normativen Tex-ten noch nicht richtig berücksichtigt werden.So gibt es zum Beispiel noch keine EMV-Prüfvor-schriften speziell für Betriebsmittel, die in Mittel-spannungsschaltanlagen zum Einsatz gelangen.Deshalb hat Schneider Messreihen durchgeführt,um die für die Umgebung dieser Betriebseinrich-tungen typischen Störungen, vor allem in derNähe von Nieder-, Mittel- und Höchstspannungs-geräten, besser kennenzulernen.In einer zweiten Phase sind interne Prüfungenmit spezifischen Prüfmitteln entwickelt worden.Diese gestatten das Testen der elektromagneti-schen Verträglichkeit von Betriebsmitteln, ohnePrüfungen im Massstab 1:1 durchführen zu müs-sen. Diese Prüfungen sind besser reproduzier-bar und kosten weniger. Sie werden deshalbmöglichst früh in der Entwicklungsphase durch-geführt, was eine Optimierung des EMV-Schut-zes zu niedrigeren Kosten gestattet.

Abb. 34: Messwerte der Hochfrequenzemissionen einer Informationsverarbeitungszentrale eines Niederspan-nungs-Hauptverteilers.

Sensor: Leitungsimpedanz-StabilisierungsschaltungVorverstärker-Teilung: HPEmpfänger: ESH3Detektor: ScheitelwertLineare Teilung: .0050 MHzMessdauer: .1000 sImpulsbegrenzerX : EN55022 A QC

Y : EN55022 A AV

0,34

20

40

60

80

100

0,73 1,1 1,5 5,4 9,2 13 30EMV-Labor Schneider

Gem

esse

ne S

pann

ung

(dB

µV)

Frequenz (MHz)

ne Resultat und dessen Vergleich mit der NormEN 55 022.

Emission von gestrahlten StörgrössenDie Messungen der Emission von gestrahltenStörgrössen quantifizieren den Pegel der von ei-nem Gerät als elektromagnetische Wellen emit-tierten Störungen. Wie bei der Prüfung der Un-empfindlichkeit gegen gestrahlte Störgrössendürfen die Messwerte der Emission von gestrahl-ten Störgrössen nicht durch bereits bestehendeWellen (Mobilfunk, Radio usw.) verfälscht wer-den. Ebenso dürfen diese Messwerte nicht durchReflexion der Wellen an Hindernissen in der Um-gebung verändert werden. Diese beiden Bedin-gungen widersprechen sich, weshalb zwei Mess-methoden angewendet werden.Die erste Methode besteht darin, sich in ein Frei-feld zu begeben, das heisst in ein Feld ohne ir-gendwelches Hindernis innerhalb eines be-stimmtem Umkreises. Das Umfeld ist also so,wie es ist.Die zweite Methode besteht darin, sich in einenFaradaykäfig zu begeben. Die Reflexionen anden Wänden des Käfigs werden absichtlichdurch Hyperfrequenzdämpfer reduziert (sieheAbb. 30 ).Das Umfeld wird also absolut beherrscht.Die Laboratorien von Schneider wenden diezweite Methode an. Sie hat den grossen Vorteil,eine Automatisierung der Messung zu ermögli-chen und die Anzahl der Verschiebungen einesGerätes zu reduzieren, denn die Emissions- undStörfestigkeitsmessungen können im gleichen


Die Einführung der Elektronik in eine grosse An-zahl von Anwendungen, insbesondere auf demGebiet der elektrischen Betriebsmittel, zwingtdazu, einen neuen Faktor zu berücksichtigen,die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).Die Gewährleistung eines einwandfreien Funk-tionierens in gestörter Umgebung ohne selberStörquelle zu sein, das sind die Qualitätsanfor-derungen an diese Produkte.Um diese beiden Anforderungen erfüllen zu kön-nen, wird das Verständnis von komplizierten Er-scheinungen auf der Ebene der Störungsquelle,der Kopplungen und des Störungsopfers ver-langt. Ferner müssen bei der Entwicklung, Kon-struktion und Fabrikation bestimmte Regeln ein-gehalten werden. Der Standort und die Anord-

nung spielen für die EMV ebenfalls eine grosseRolle. Deshalb ist es erforderlich, bereits bei denersten Studien an die Anordnung der Stark-stromkomponenten, an den Verlauf der Kabelund an die Abschirmungen usw. zu denken. Zu-dem kann man mit Betriebsmitteln, die eine hoheEMV aufweisen, Anlagen mit hoher Verträglich-keit bauen.Nur Massnahmen, die auf besonderen Fach-kenntnissen beruhen, und spezielle Einrichtun-gen gestatten eine Quantifizierung der EMV ver-schiedener Betriebsmittel.Die Einhaltung der Normen gestattet somit dieSicherstellung des einwandfreien Funktionierenseines Gerätes in seiner elektromagnetischenUmgebung.

7. Schlussfolgerung


Anhang 1: Impedanz eines Leitersbei hoher Frequenz

Der EMV-Pegel eines Betriebsmittels hängt vonden Kopplungen zwischen den Stromkreisen ab,wobei diese Kopplungen ihrerseits insbesonderebei hohen Frequenzen direkt von den Impedan-zen zwischen diesen Stromkreisen abhängen.Um die EMV zu verbessern, müssen deshalbdiese Impedanzen bekannt sein und hierauf re-duziert werden.Es gibt eine Reihe von Näherungsformeln, mitdenen die Hochfrequenz-Impedanz der wichtig-sten verwendeten Leiter bestimmt werden kann.Diese Formeln sind kompliziert und zudem unge-nau, wenn die genaue Position jedes einzelnenTeils nicht genau bekannt ist. Denn wer kenntschon die genaue Position eines Leiters gegen-über einem anderen in einem Kabelkanal? DieAntwort liegt in der Erfahrung mit diesen Erschei-nungen, verbunden mit der Kenntnis der theore-tischen Grundlagen der Elektrotechnik.Zuerst darf nicht vergessen werden, dass die Im-pedanz eines Leiters in erster Linie eine Funkti-on ihres induktiven Anteils ist, der bei einemStandardkabel von einem kHz an vorliegt. So-mit ändert sich für ein fiktives, unendlich langesKabel in Luft die Selbstinduktivität pro Längen-einheit logarithmisch mit dem Durchmesser, unddeshalb nur sehr wenig. Für Kabel, deren Längeein Viertel der Wellenlänge der entsprechendenStörung nicht übersteigt, kann unabhängig vom

Durchmesser ein Wert von einem mH pro Meterangenommen werden (siehe Abb. 34 ).Wenn das Kabel flach auf eine leitende Plattegelegt wird, vermindert sich dieser Wert stark.Er hängt nun vom Abstand zwischen dem Kabelund der Platte ab. Auf diese Weise lassen sichohne weiteres Gewinne von 10 dB gegenüberdem Wert der Selbstinduktivität erreichen. Beiden höchsten Frequenzen muss das Kabel alsÜbertragungsleitung betrachtet werden, wobeisein Wellenwiderstand die wichtigste Grösse ist(und grössenordnungsmässig 100 Ohm beträgt).Aufgrund dieser Überlegungen kann zum Bei-spiel mit wenigen Metern von gelb/grünem Drahtohne weiteres eine gemeinsame Selbstinduktivi-tät von mehreren µH erreicht werden. Das sindbei 1 MHz mehrere Ohm und bei 100 MHz meh-rere hundert Ohm.Schlussfolgerung : Die leitende Metallplatte bie-tet die Möglichkeit, zwei Punkte mit möglichstkleiner Impedanz miteinander zu verbinden. Unddies unabhängig von ihrer Dicke, sofern diesegrösser ist als die Eindringtiefe (415 µm für Kup-fer bei 10 kHz).Somit bietet eine Kupferplatte eine Selbstindukti-vität von 0,6 nH bei 10 kHz, d.h. eine Impedanzvon 37 µΩ pro Quadrat (die Impedanz ist unab-hängig vom der Fläche des betrachteten Qua-drates konstant).

Abb. 34: Je nach Fall:a: Kabel in Luft (L ≈1 µH/m),b: Kabel flach auf Metallplatte,c: Metallgitter mit Kontakt an jedem Knoten (zum Beispiel geschweisstes Betoneisen),d: Metallplatteund für dieselbe Länge betragen die Impedanzen pro Längeneinheit Z1 > Z2 > Z3 > Z4.

Z1Z2

Z3

Z4

a)

c)

b)

d)


Die Bedeutung der zur Unterscheidung der ein-zelnen Teile eines Kabels verwendeten Begriffeändert sich je nach Verwendungszweck des Ka-bels (Starkstromkabel, Telefonkabel oder Steu-erkabel) ein wenig (siehe Abb. 35 ).Die kursiven Definitionen entsprechen denjeni-gen der IEC.

Armierung

Diese dient im wesentlichen zum mechanischenSchutz des Kabels und besteht deshalb in derRegel aus zwei schraubenförmig aufgewickeltenWeichstahlbändern.Bei Kabeln, die zur Informationsübertragung die-nen, kann sie auch eine elektrische Funktion ha-ben und als elektrostatische Abschirmung undmehr noch als elektromagnetische Abschirmungdienen.Schirm , gleichbedeutend mit Abschirmung; Ein-richtung, die dazu bestimmt ist, die in einen Be-reich eindringende Strahlungsintensität zu redu-zieren.Die Armierung oder der Schirm eines Kabelskönnen unabhängig davon, ob dieses für die En-ergie- oder Informationsübertragung bestimmtist, als Abschirmung dienen.Abschirmung ; Einrichtung, die dazu dient, dasEindringen eines Feldes in einen bestimmtenBereich zu reduzieren.

Dieser Teil hat mehrere Funktionen:c Bildung einer Äquipotentialfläche um die Isola-tion,c Verhinderung der Auswirkungen innerer undäusserer elektrischer Felder,c Sicherstellung des Abflusses kapazitiver Strö-me sowie eines Erdschlussstroms (unsymmetri-scher Kurzschluss),c Sicherstellung des Schutzes von Personenund Sachwerten bei einem Durchschlag. Des-halb ist sie in der Regel metallisch und kontinu-ierlich (Bleirohr, Drahtumwicklung oder -geflechtoder schraubenförmig aufgewickelte Bänder).Für Informationsübertragungskabel besteht dieAbschirmung aus Bändern oder Drähten ausKupfer oder Aluminium zum Schutz gegen elek-trische und magnetische Einflüsse.Die Abschirmung kann gemeinsam für alle Leiterdes Kabels sein, wenn die Störeinflüsse externsind.Sie kann einzeln für eine bestimmte Anzahl Ka-belleiter sein, um diese gegen Beeinflussungendurch andere Leiter desselben Kabels zu schüt-zen.Mantel , eine Schutzhülle, welche die Aufgabehat, die Dichtigkeit des Kabels sicherzustellen.

Abb. 35

Aussenmantel (PVC)

Armierung(2 Stahlbänder)

Innenmantel (PVC)

Metallisierter Schirm (Aluminium)

Isolation (PVC)

Ader (Kupferdraht)

Mantel (PVC)

Armierung(2 Stahlbänder)

Innere Schutzhülle (Papier)

Metallisierter Schirm (Kupfer)

Leitendes Band

Zwickelausfüllung und gemeinsame Isolierhülle

Leiterisolation (PVC)

Leiter (Kupferdrähte)

Beispiel eines Telefonkabels Beispiel eines Mittelspannungs-Energiekabels

Anhang 2: Die einzelnen Teile eines Kabels


Anhang 3: In den EMV-Labors der Schneider Gruppedurchgeführte Prüfungen

Die EMV-Labors der Schneider-Gruppe verfügenüber die Fachkenntnisse und Einrichtungen, umPrüfungen in Übereinstimmung mit zahlreichenNormen und besonderen Spezifikationen durch-zuführen.Der unternehmensinterne oder externe Kundewird bei der Suche nach den für seine Betriebs-mittel anwendbaren Normen und Stärkegraden

nach Wunsch von Spezialisten der Laboratorienunterstützt. Er legt ferner die funktionalen An-nahmekriterien fest, sei es in bezug auf die fürsein Produkt geltenden Normen oder andernfallsaufgrund von Normen in Abhängigkeit vom Ver-wendungszweck des Produktes (Sicherheit, Kon-tinuität der Versorgung, Komfort usw.).

Normative Prüfungen

Es ginge zu weit, alle zu nennen. Dies um somehr, als die sich die normative Landschaft inbezug auf die Produktenormen in ständigemUmbruch befindet. Nachstehend werden diewichtigsten Bezugstexte für die Durchführungder Prüfungen aufgeführt.

Störfestigkeit

c IEC 61000-4-2Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)Teil 4: Prüf- und MessverfahrenAbschnitt 2: Prüfung der Störfestigkeit gegen dieEntladung statischer Elektrizitätc IEC 61000-4-3Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)Teil 4: Prüf- und MessverfahrenAbschnitt 3: Prüfung der Störfestigkeit gegenhochfrequente elektromagnetische Felderc IEC 61000-4-4Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)Teil 4: Prüf- und MessverfahrenAbschnitt 4: Prüfung der Störfestigkeit gegenschnelle transiente elektrischeStörgrössen/Burstc IEC 61000-4-5Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)Teil 4: Prüf- und MessverfahrenAbschnitt 5: Prüfung der Störfestigkeit gegenStossspannungenc IEC 61000-4-6Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)Teil 4: Prüf- und MessverfahrenAbschnitt 6: Prüfung der Störfestigkeit gegen lei-tungsgeführte Störgrössen, induziert durchhochfrequente Felder

c IEC 61000-4-8Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)Teil 4: Prüf- und MessverfahrenAbschnitt 8: Prüfung der Störfestigkeit gegenMagnetfelder mit energietechnischenFrequenzenc IEC 61000-4-11Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)Teil 4: Prüf- und MessverfahrenAbschnitt 11: Prüfung der Störfestigkeit gegenSpannungseinbrüche, Kurzzeitunter-brechungen und Spannungsschwankungenc IEC 61000-6-3Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)Teil 6: FachgrundnormenAbschnitt 3: Für die Emission im Wohn-,Geschäfts- und Leichtindustriebereichc IEC 61000-6-4Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)Teil 6: FachgrundnormenAbschnitt 4: Für die Emission im Industriebereichc EN 500082-1Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)Fachgrundnorm StörfestigkeitTeil 1: Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbe-bereich sowie Kleinbetriebec EN 500082-2Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)Fachgrundnorm StörfestigkeitTeil 2: Industriebereich


Emissionc CISPR 11 EN 55011Grenzwerte und Messverfahren für Funkstörun-gen von industriellen, wissenschaftlichen undmedizinischen Hochfrequenzgeräten (ISM-Gerä-ten)c CISPR 14 EN 55014Grenzwerte und Messverfahren für Funkstörun-gen von Geräten mit elektromotorischem Antriebund Elektrowärmegeräten für den Hausgebrauchund ähnliche Zwecke, Elektrowerkzeugen undähnlichen Elektrogeräten (Teil Störaussendung)c CISPR 22 EN 55022Grenzwerte und Messverfahren für Funkstörun-gen von Einrichtungen der Informationstechnik

Prüfungen ausserhalb der Normen

Die Labors können im Rahmen ihrer materiellenund fachlichen Möglichkeiten auch Prüfungennach anderen Vorschriften durchführen.

c EN 50081-1Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)Fachgrundnorm StöraussendungTeil 1: Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbe-bereich sowie Kleinbetriebec EN 50081-2Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)Fachgrundnorm StöraussendungTeil 2: Industriebereich


Anhang 4: Literaturverzeichnis

Normen

c IEC 61000-2-1c IEC 61000-2-2c IEC 61000-4c IEC 61000-6c EN 55011, CISPR 11c EN 55022, CISPR 22

Technische Hefte Merlin Gerin

c Elektrische Störungen in der NSTechnisches Heft Nr. 141R. Calvasc SF6-Leistungsschalter Fluarc und MS-Motor-schutz,Technisches Heft Nr. 143J. Hennebert und D. Gibbs

Diverse Veröffentlichungen

c Elektromagnetische Verträglichkeit - Hoch-frequenz-Rauschen und -StörungenP. Degauque und J. HamelinDunod, Herausgeberc Elektromagnetische VerträglichkeitM. Ianovici und J.-J. MorfPresses Polytechniques Romandesc Die elektromagnetische VerträglichkeitA. Kouyoumdjan, mit R. Calvas und J. DelaballeInstitut Schneider Formationc RGE Nr. 10, Sondernummer Elektromagneti-sche VerträglichkeitNovember 1986

Schneider Electric Hauptverwaltung Deutschland:

Schneider Electric GmbHGothaer Strasse 29 • D-40880 RatingenPostfach 10 12 61 • D-40832 RatingenTelefon (0 21 02) 4 04-0Telefax (0 21 02) 4 04 92 56www.schneiderelectric.de w

ww

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Art. CT149D

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