Feb 25, 2020
 in 
Wandler

Verrechnungsmessung elektrischer Energie in Deutschland - Ein komplizierter Sachverhalt

H

ERZlich Willkommen liebe Freunde der elektrischen Schutz- und Leittechnik. In unserem brandneuen Gastbeitrag spricht Herr Roland Bürger von der MBS AG über praktische Probleme bei der Verrechnungsmessung. Los geht's!

Für Verrechnungsmessung von elektrischer Energie in Deutschland werden bei höheren Strömen und Spannungen, die von dem Energiezähler nicht mehr beherrscht werden, ausnahmslos induktive Strom- und Spannungswandler eingesetzt. Diese Geräte unterliegen dem transformatorischen Prinzip. Während Stromwandler einen Transformator nahezu im Kurzschlussbetrieb darstellen, handelt es sich bei Spannungswandlern um einen Transformator, der im Sekundärbereich hochohmig beschaltet wird (Leerlaufbetrieb). Sollen diese Geräte für Verrechnungsmessungen in Deutschland eingesetzt werden, so benötigt der Wandlerhersteller eine Baumusterprüfbescheinigung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Nach der Produktion und Prüfung des Verrechnungswandlers kann der von der PTB zertifizierte Wandlerhersteller die zugelassenen Produkte mit einer Konformitätserklärung versehen. Trotz diesem Nachweis ergeben sich in der Praxis Probleme im Zusammenspiel mit elektronischen Messgeräten.

Stromwandler

Um die Wandler korrekt zu betreiben, ist einiges an Hintergrundwissen nötig. So ist für Stromwandler aktuell die IEC 61869-1 und -2 gültig. Hier werden die folgenden Genauigkeitsklassen für Messzwecke aufgeführt:

Stromwandler Spannungswandler Übersetzungsmessabweichung Phasenfehler Genauigkeitsklasse  IEC 61869 IEC61869

Die Bezeichnung der Genauigkeitsklasse gibt den prozentualen Amplitudenfehler des Stromwandlers bei dem primären Nennstrom an. Wandler für Verrechnungsmessungen verlangen mindestens Klasse 0,5. Da bei kleinerer Aussteuerung der Stromwandler ein größerer Amplitudenfehler toleriert wird, wird oft bei Verrechnungsstellen, in denen der Stromwandler nur selten bei Nennbetrieb gefahren wird, ein noch engeres Fehlerfenster benötigt. Die Norm bietet hier die Klassen 0,2 S und 0,5 S. Im Gegensatz zu den normalen Messklassen wird der erste Genauigkeitswert bei einem statt bei fünf Prozent des Nennstromes definiert. Auch sind die erlaubten Fehlerwerte im unteren Aussteuerbereich des Stromwandlers deutlich enger definiert.

Stromwandler Spannungswandler Übersetzungsmessabweichung Phasenfehler Genauigkeitsklasse  IEC 61869 IEC61869

In der Wahl der Bemessungsleistung ist der Messstellenbetreiber an die von der PTB standardisierten Bemessungsleistungen gebunden. (1)

Stromwandler Spannungswandler Übersetzungsmessabweichung Phasenfehler Genauigkeitsklasse  IEC 61869 IEC61869

Gemäß geltender Normung, sowie in Übereinstimmung mit den PTB-Prüfregeln, müssen Verrechnungswandler die an sie gestellten Genauigkeitsanforderungen bei einer äußeren Bebürdung zwischen 25 %...100 % ihrer Nennbürde einhalten. Als kleinste Prüfbürde von Verrechnungswandlern wurde jedoch der Wert 1 VA festgelegt. Überdies ist zu beachten, dass der Leistungsfaktor bei allen Messpunkten unter 5 VA 1,0 beträgt. Alle Leistungen ab 5 VA werden mit einem Leistungsfaktor von 0,8 gemessen. Nur diese Messpunkte müssen sich in der auf dem Leistungsschild festgelegten Klasse befinden. Wird ein 10 VA Klasse 0,5 Stromwandler jetzt mit nur 0,5 VA bebürdet, bedeutet dies, dass dieser Messpunkt nicht in der genannten Genauigkeitsklasse verortet sein muss. Ein größerer und damit unzulässiger Fehlerwert für das Gesamtmesssystem wäre möglich. Dieses Szenario ist in Deutschland allgegenwärtig, da die digitalen Messgeräte kaum noch Leistung benötigen. Gängige Zähler in der Mittelspannung belasten den Stromwandler nur noch mit ca. 4 bis 100 mVA. Auch bei der kleinsten zulässigen Bemessungsbürde von 1 VA würden diese Werte nicht abgeprüft. Dieser Sachverhalt führt uns zu der Frage, wie sich der Stromwandler bei einer Unterbürdung verhält.

Stromwandler Spannungswandler Übersetzungsmessabweichung Phasenfehler Genauigkeitsklasse  IEC 61869 IEC61869
Stromwandler Spannungswandler Übersetzungsmessabweichung Phasenfehler Genauigkeitsklasse  IEC 61869 IEC61869

In der Abbildung oben sind die Fehlerkurven des Stromwandlers EASK 31.3 aufgetragen. Der Wandler ist mit 5 VA in Klasse 0,5 S spezifiziert. Wird der Wandler jetzt mit nicht unüblichen 0,010 VA bebürdet „rutscht“ die Fehlerkurve im positiven Amplitudenfehlerbereich leicht aus der Klasse. Der Fehler liegt zwischen 0,5 und 0,6 Prozent. Es wird dementsprechend zwischen 0,5 und 0,6 Prozent mehr Strom mitverrechnet, als in der Kupferschiene tatsächlich fließt. Wird hingegen der Wandler mit 7,5 VA überbürdet, liegt die Fehlerkurve unterhalb der 5 VA Fehlerkurve im negativen Prozentfehlerbereich. Hier werden zwischen 0,2 und 0,5 Prozent weniger Strom in der Leistungsberechnung einbezogen.

Um ein Gefühl für die monetären Auswirkungen zu bekommen, werden folgende Annahmen festgelegt:

🌐 600 Arms Nennstrom Kupferschiene
🌐 230 Vrms zwischen Leiter-Erde
🌐 Betriebsdauer: 8.760 Stunden im Jahr
🌐 Energiepreis: 0,2 EUR pro kWh

Bei diesen Randbedingungen werden bei einer Verschiebung von 0,1 Prozentpunkten (z.B. 0,3 Prozent statt 0,2 Prozent Amplitudenfehler) jährlich 1.214 kWh pro Phase mehr abgerechnet. Bei einem angenommenen Preis von 0,2 EUR/kWh ergeben sich 728 EUR pro Jahr im drei Phasen-System. In 20 Jahren sind es bereits 14.566 EUR. Bei einem generellen Fehler von 0,4 % ergeben sich in 20 Jahren bereits 58.263 EUR.

Kommen wir von der Niederspannungsebene in die Mittelspannungsebene. Hier sind die Auswirkungen noch dramatischer, da die häufige Spannung deutscher Wandler bei 20.000/√3 Volt zwischen Leiter und Erde liegt. Hier führt die Verschiebung von 0,1 Prozentpunkten beim Stromwandlersignal bei gleichen Randbedingungen zu 36.415 EUR jährlich in den drei Phasen. Nach 20 Jahren kumulieren sich die Kosten bereits auf 728.293 EUR.

Spannungswandler

Stromwandler Spannungswandler Übersetzungsmessabweichung Phasenfehler Genauigkeitsklasse  IEC 61869 IEC61869

Die in der Mittelspannung erforderlichen Spannungswandler müssen wie Stromwandler ebenfalls in der IEC 61869-1 / -3 definierte Genauigkeitsklassen erfüllen. Auch gibt es von der PTB festgelegte Bemessungsleistungen.

Stromwandler Spannungswandler Übersetzungsmessabweichung Phasenfehler Genauigkeitsklasse  IEC 61869 IEC61869

Wie bei den Stromwandlern liegt der untere Messpunkt bei 25 Prozent der Nenn-Bemessungsleistung. Werte unterhalb der 25 Prozent müssen nicht in den definierten Klassengrenzen liegen. Eine Unterbürdung ist auch hier nicht unwahrscheinlich, da die aktuellen digitalen Energiezähler mit einer externen Energieversorgung den Spannungswandler lediglich bis maximal 100 mVA belasten. Dementsprechend wird die regelgerecht kleinste Bürde von 1,25 VA (25 % von 5 VA Bemessungsleistung) nicht annähernd erreicht.

Obwohl es in der aktuellen Norm für induktive Spannungswandler (IEC 61869-1/-3) bereits einen neu definierten Bürdenbereich I gibt, der die hochohmigen Eingangsimpedanzen der Energiezähler und die damit verbundenen niedrigen Bemessungsleistungen am Sekundärausgang der Spannungswandler berücksichtigt, wird für Verrechnungswandler mit Konformitätsbewertung lediglich der Bürdenbereich II berücksichtigt. Dieser definiert neben dem unteren 25 Prozent-Messpunkt einen Leistungsfaktor von 0,8. Der für hochohmige Messgeräte vorgesehene Bürdenbereich I definiert zwar den praxisgerechten Leistungsfaktor bei 1,0 und den unteren Messpunkt bei 0 VA, doch dieser neue Bürdenbereich ist für Verrechnungswandler gem. den PTB-Regeln nicht zugelassen. Als Resultat ergibt sich auch hier wieder eine wahrscheinliche Unterbürdung der Wandler in der Praxis. Neben der Problematik der Unterbürdung gibt es aber noch einen weiteren Sachverhalt, den es zu beachten gilt.

Neben der Fremdversorgung des digitalen Zählers, kann der Zähler über den Spannungspfad mit der nötigen Energie versorgt werden. Hierbei ergeben sich weitere Probleme. Denn üblicherweise werden die Energiezähler vor allem in der Mittelspannung mit verschiedenen Kommunikationsschnittstellen betrieben. Hierbei können durchaus Leistungen von bis zu 10 VA vom Spannungswandler abgerufen werden. Dies ist wahrscheinlich auch der Grund, warum in der neuen TAR Mittelspannung generell Spannungswandler mit 15 VA in Klasse 0,5 spezifiziert werden. Die Kommunikationseinheiten wie GPRS- oder LTE-Funkmodule senden aber nur in bestimmten Zeitfenstern die Daten an die entsprechenden Server. Der Leistungsbedarf der Zähleinrichtung ist daher als stark schwankend zu bezeichnen. Übliche Werte liegen zwischen 1 bis 10 VA. Wie in Abbildung 4 erkennbar, sorgt das Modemmodul nun dafür, dass das komplette Fehlerband des Spannungswandlers von ca. 0,65 bis -0,15 % Übersetzungsfehler durchfahren wird. Wir konstatieren, dass der Betriebszustand des Modems die Bebürdung des Spannungswandlers maßgeblich beeinflusst. Somit wird auch die verrechnete Leistung maßgeblich beeinflusst. Dieser Sachverhalt führt zu irrwitzigen Zusammenhängen. So führt beispielsweise ein länger andauernder Starkregen, der die Funkverbindung des LTE-Modems beeinträchtigt, dazu, dass der Energieversorger weniger Geld für die gleiche elektrische Energie erhält. Der Grund dafür ist, dass das LTE-Modem bei schlechter Funkverbindung eventuell keine Verbindung aufbauen kann. Wie bei einem Handy werden immer wieder Einwahlversuche durchgeführt. Das LTE-Modem benötigt dafür Energie und belastet damit den Spannungswandler mit der definierten Maximalbürde von vielleicht 10 VA. Wie oben beschrieben ergibt sich ein Amplitudenfehler des Spannungswandlers bei 10 VA Bebürdung von ca. -0,15 % bei Spitzenlast. Befindet sich das LTE-Modem dagegen im Standby-Modus kann mit einem Amplitudenfehler von ca. 0,65 % gerechnet werden.

Um die unterschiedlichen Bebürdungsszenarien besser nachvollziehen zu können, ist in Abbildung 4 ein typisches Fehlerdiagramm eines Spannungswandlers dargestellt. Das analysierte Gerät besitzt eine Messwicklung und ist mit 15 VA in Klasse 0,5 spezifiziert.

Stromwandler Spannungswandler Übersetzungsmessabweichung Phasenfehler Genauigkeitsklasse  IEC 61869 IEC61869

Es ist bewusst eine Auslegung gewählt worden, bei der lediglich der 25 Prozentmesspunkt und der 100 Prozentmesspunkt der 15 VA in der Klasse 0,5 liegen. Die blaue Gerade zeigt den Fehlergang von 0 bis 15 VA mit einem Leistungsfaktor von 1. Der Amplitudenfehler liegt bei der Nenn-Bemessungsleistung von 15 VA bei -0,33 Prozent. Da bei Verrechnungswandlern aber der Bürdenbereich II gilt, wird die Fehlergerade auf den Leistungsfaktor 0,8 gedreht. Weiterhin sind die Messklassen bei einem Spannungswandler von 80 bis 120 Prozent der Nennspannung definiert. Es sind somit die beiden Fehlergeraden in Orange und Grau relevant. Man erkennt, dass der Wandler im Leerlauf (0 % Bürde) im positiven Prozentfehlerbereich nicht in der Klasse ist. Nehmen wir jetzt beispielsweise ein Messgerät mit einer nicht unüblichen Eingangsimpedanz von einem Megaohm. Hier ergibt sich eine Leistung von 3,4 mVA. Dieser Punkt liegt jetzt abhängig von der Nennspannung zwischen 0,6 und 0,7 Prozent. Wir erkennen, wie beim Stromwandler, dass eine Unterbürdung einen größeren positiven Spannungsfehler erzeugt. Es wird mehr Spannung in die Leistungsberechnung eingebracht als tatsächlich vorhanden ist.

Nehmen wir jetzt die vorhandenen fixen Randbedingungen aus dem Stromwandlerbereich und ändern die Versorgungsspannung auf 20.000/√3 Volt, so ergeben sich in drei Phasen pro 0,1 Prozentpunkt Messabweichung beim Spannungswandler ebenfalls pro Jahr 36.415 EUR und bei 20 Jahren 728.293 EUR. Wird jetzt davon ausgegangen, dass Strom- und Spannungswandler durch eine Unterbürdung um 0,1 Prozentpunkte in Richtung 0 VA Belastung „geschoben“ werden, dann ergibt das pro Verrechnungsstelle eine zusätzliche Abrechnung von 72.829 EUR in einem Jahr. Bei 20 Jahren Laufzeit ergeben sich bereits 1.456.585 EUR.

Fazit

Für den Messstellenbetreiber ist es deshalb wichtig, die Verrechnungswandler korrekt zu bebürden. Beim Spannungswandler ist es ratsam bei der Bestellung den Wandlerhersteller zu bitten, den 0 VA-Messpunkt zusätzlich in die gewünschten Klassengrenzen zu legen. In der Praxis wird der Wandler bei einer Eingangsimpedanz des Messgerätes von einem Megaohm zwar deutlich unterbürdet, doch der Fehler befindet sich noch in der gewünschten Genauigkeitsklasse. Daneben würde die PTB den Messstellenverantwortlichen helfen, wenn der normativ schon gültige Bürdenbereich I in die PTB-Prüfregeln mit aufgenommen werden würde.

Bei den Stromwandlern sollte bei einer drohenden Unterbürdung ein Wandler mit 5 A Ausgang und kleiner Bürde gewählt werden. Mit dem Zuleitungskabel kann relativ einfach eine Zusatzbürde geschaffen werden (𝑃 = 𝐼² × 𝑅), um über die 25 Prozent der Nenn- Bemessungsleistung zu kommen.

Um den Eigenverbrauch von Kupfer-Leitungen zu berechnen ist folgende Formel anzuwenden.

Stromwandler Spannungswandler Übersetzungsmessabweichung Phasenfehler Genauigkeitsklasse  IEC 61869 IEC61869

Für eine schnelle Übersicht sind in der folgenden Tabelle die Verlustleistungen in VA bei einem Sekundärstrom von 5 A in Abhängigkeit von der Länge und dem Kupferquerschnitt der Zuleitung aufgelistet.

Stromwandler Spannungswandler Übersetzungsmessabweichung Phasenfehler Genauigkeitsklasse  IEC 61869 IEC61869

Für die 1 A Stromwandler gibt die folgende Tabelle Auskunft.

Stromwandler Spannungswandler Übersetzungsmessabweichung Phasenfehler Genauigkeitsklasse  IEC 61869 IEC61869

Durch die richtige Bebürdung im Zusammenspiel mit dem Messprotokoll des Wandlerherstellers ist eine recht genaue Strommessung zu realisieren. Auch beim Spannungswandler kann in Absprache mit dem Hersteller die Fehlergerade auf die zu erwartende Bebürdung optimiert werden.

HERZliche Grüsse

Literaturverzeichnis
1. DIN EN 61869-2. [Hrsg.] VDE Verlag.
2. Physikalisch-Technische Bundesanstalt. www.ptb.de. [Online] 12 2009. [Zitat vom: 11. 09 2019.] https://oar.ptb.de/files/download/56d6a9e3ab9f3f76468b461b.
3. DIN EN 61869-3. [Hrsg.] VDE Verlag

OmicronOmicron