DIN EN 61000-6-5 (2016) Neue EMV-Anforderungen im Energiesektor

Autor / Redakteur: Matthias Wirth* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Bezüglich EMV-Anforderungen in der Energieerzeugung erschien 2015 die neue IEC 61000-6-5, 2016 auch die entsprechende DIN EN-Norm. Hersteller von Geräten und Komponenten für Kraftwerk und Schaltanlagen müssen sich intensiv mit den hohen Anforderungen auseinandersetzen, um diese bereits in der Entwicklung berücksichtigen zu können.

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EMV im Energiesektor: Anforderungen für einen reibungslosen Anlagenbetrieb sind einzuhalten; konstruktive EMV-Schutzmaßnahmen lassen sich aber auf den wirklich benötigten technischen Aufwand reduzieren.
EMV im Energiesektor: Anforderungen für einen reibungslosen Anlagenbetrieb sind einzuhalten; konstruktive EMV-Schutzmaßnahmen lassen sich aber auf den wirklich benötigten technischen Aufwand reduzieren.
(Bild: Phoenix Testlab)

Die Kraftwerks- und Schaltanlagenumgebung stellt eine besondere Herausforderung an die Störfestigkeit der eingesetzten Geräte und Komponenten dar. Der Anwendungsbereich der DIN EN 61000-6-5 umfasst alle Geräte, die nicht direkt mit der Energieerzeugung bzw. -verteilung zu tun haben, sondern vorrangig der Steuerung, Überwachung, Messung und Kommunikation usw. dienen. Auch Geräte mit einer Funkschnittstelle fallen unter diese Norm, wenn sie im Kraftwerksbereich eingesetzt werden. Hohe Ströme und Spannungen sowie Schalthandlungen in Hoch- und Mittelspannungsanlagen, führen zu einer elektromagnetischen Umgebung mit verschärften Anforderungen als die übliche Industrieumgebung. Die DIN EN 61000-6-5 sorgt durch höhere Prüfpegel, spezielle EMV-Prüfungen und eine detaillierte Einordnung des Prüflingsverhaltens, für einen zuverlässigen Betrieb von Geräten in diesem speziellen Umfeld. Hersteller von Geräten und Komponenten für diese sensitive Betriebsumgebung müssen sich intensiv mit den Anforderungen auseinandersetzen, um die hohen Anforderungen bereits in der Entwicklung berücksichtigen zu können.

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Neue Norm Einteilung in 4 Zonen

Nicht alle Bereiche in einem Kraftwerk oder in einer Energieverteilung sind dem gleichen elektromagnetischen Störniveau ausgesetzt. Die Spanne reicht hier von den elektromagnetisch „sauberen“ geschützten Kontrollräumen bis hin zu extremen Störungen in unmittelbarer Nähe der Hochspannungsschalter im Außenbereich. Die DIN EN 61000-6-5 macht daher eine Einteilung in Zonen mit entsprechend angepassten Prüfungen und Prüfpegeln.

Einteilung von Bereichen in Einrichtungen der Energieerzeugung und -Verteilung.
Einteilung von Bereichen in Einrichtungen der Energieerzeugung und -Verteilung.
(Bild: DIN EN 61000-6-5)

Neben der Einteilung in vier Zonen erfolgt auch eine Eingruppierung der angeschlossenen Leitungen, die innerhalb einer Zone verlaufen können oder Zonengrenzen überschreiten. Die Prüfanforderungen werden gemäß der Eingruppierung der Leitungen festgelegt. Für Leitungen der Kategorie 1, die innerhalb des geschützten Bereichs liegen, sind keine Prüfungen vorgesehen. Für die Prüfung gegen gedämpft schwingende Wellen, die typischerweise durch Hochspannungsschalter verursacht werden, sind beispielsweise Signalleitungen der Kategorie 2 nicht zu prüfen, Leitungen der Kategorie 3 werden mit 1,0 kV und Leitungen der Kategorie 4 mit 2,5 kV geprüft.

Der Hersteller muss sich daher sehr gut überlegen, in welchem Bereich sein Gerät/Komponente nachher eingesetzt werden soll, denn davon hängen der Prüfumfang und die Auswahl der Prüfschärfegrade ab. Angaben zum möglichen Einsatzbereich müssen in den Begleitunterlagen zum Gerät/zu der Komponente enthalten sein.

Charakterisierung von elektromagnetischen Phänomenen

Im Hinblick auf die Beurteilung des Prüflingsverhaltens unter dem Einfluss elektromagnetischer Störungen, definiert die EN 61000-6-5 drei Klassen von elektromagnetischen Phänomenen:

  • Andauernde Phänomene: z.B. Spannungsschwankungen, Oberschwingungen, gestrahlte hochfrequente elektromagnetische Felder, Magnetfelder, leitungsgeführte Störgrößen, die durch hochfrequente Felder induziert werden
  • Kurzzeitige (transiente) Phänomene mit hoher Auftrittswahrscheinlichkeit: z.B. kurze Spannungseinbrüche, schnelle transiente Störgrößen (Burst), gedämpft schwingende Wellen bzw. Magnetfeld, Entladung statischer Elektrizität (ESD)
  • Kurzzeitige (transiente) Phänomene mit geringer Auftrittswahrscheinlichkeit: z.B. lange Spannungseinbrüche, Spannungsunterbrechungen, Stoßspannungen (Surge), Magnetfelder von kurzer Dauer

Kategorisierung von elektromagnetischen Störphänomenen
Kategorisierung von elektromagnetischen Störphänomenen
(Bild: Phoenix Testlab)

In Abhängigkeit von der Art der Störung muss das Prüflingsverhalten beurteilt werden. Es ist sinnvoll, dass bei andauernden Phänomenen nur eine geringe bzw. keine Beeinflussung des Prüflings stattfinden darf, während bei kurzzeitigen Phänomenen mit geringer Auftrittswahrscheinlichkeit eine stärkere Beeinflussung akzeptiert werden kann.

Bewertungskriterien für das Prüflingsverhalten

Die DIN EN 61000-6-5 definiert Bewertungskriterien für das Prüflingsverhalten wie jede andere EMV-Störfestigkeitsnorm. Aber hier geht man einen Schritt weiter: Geräte können eine Vielzahl von Funktionen haben. Diese haben aber häufig eine unterschiedliche „Wertigkeit“, so dass mögliche Fehlfunktionen aufgrund von EMV-Einflüssen unterschiedlich starke Auswirkungen haben. Die Auswahl der Prüfung mit dem entsprechenden Schärfegrad und dem jeweiligen Bewertungskriterium für jede Funktion des Prüflings erscheint auf den ersten Blick kompliziert. Auf der anderen Seite ist es aber sinnvoll, Schärfegrad und Bewertungskriterium an die Auftrittswahrscheinlichkeit der Störung bzw. der Funktion des Gerätes anzupassen. Es wird damit sichergestellt, dass wichtige Funktionen des Gerätes entsprechend geschützt sind, aber andererseits der technische Aufwand dort beschränkt wird, wo nur ein geringer Schutz notwendig ist.

Ein Beispiel für das Bewertungskriterium und die Funktion soll dies verdeutlichen:

Eine Mensch-Maschine Schnittstelle, etwa ein Bedienterminal, darf bei andauernden Phänomenen und bei Phänomenen mit hoher Auftrittswahrscheinlichkeit keine Ausfälle zeigen, weil dies für den Bediener eine dauerhafte Beeinträchtigung darstellt. Beispielweise könnte dies eine dauerhafte Einschränkung der Bildqualität auf dem Terminal sein. Für Störungen mit geringer Auftrittswahrscheinlichkeit ist aber Kriterium C (vorübergehende Störbeeinflussung, Eingriff des Bedieners notwendig) zulässig. Das heißt, das Terminal darf so stark gestört werden, dass das Bedienpersonal den vorhergehenden Betriebszustand wieder einstellen muss. In diesem Fall stellt das keine wesentliche Funktionseinschränkung dar, weil das Bedienpersonal direkt am Terminal arbeitet und die Störung nur selten auftritt. Wenn das Terminal allerdings sicherheitsrelevante Funktionen ausführt, gelten die besonderen Anforderungen an Sicherheitstechnik.

Spezielle EMV-Prüfungen im Bereich der Energieerzeugung und Verteilung

Neben den üblichen EMV-Störfestigkeitsprüfungen, wie sie z.B. in der Fachgrundnorm für den Industriebereich (DIN EN 61000-6-2) gefordert werden, enthält die DIN EN 61000-6-5 weitere Prüfverfahren. Dies ist dem speziellen elektromagnetischen Umfeld im Kraftwerk geschuldet. Schalthandlungen mit hohen Spannungen verursachen erhebliche Störungen auf den angeschlossenen Leitungen, hohe Ströme haben entsprechende Magnetfelder mit energietechnischen Frequenzen zur Folge.

Eines dieser speziellen Prüfverfahren ist die Prüfung gegen leitungsgeführte asymmetrische Störgrößen im Frequenzbereich von 0 Hz bis 150 kHz nach DIN EN 61000-4-16. Diese Art von Störung wird verursacht durch Ströme in Versorgungsleitungen und durch rückfließende Leckströme in Erdungs- und Massesystemen. Die Prüfung erfolgt auf den energietechnischen Frequenzen 0 Hz, 16⅔ Hz, 50 Hz und 60 Hz, sowie mit einem Frequenzdurchlauf von 15 Hz bis 150 kHz (einschließlich der Netzfrequenz und deren Oberschwingungen). Die Prüfspannungen reichen von 1 V bis 300 V, die Einkopplung der Störung erfolgt mittels Koppelnetzwerken. Eine besondere Herausforderung bei dieser Prüfung stellt die Entkopplung der Hilfsgeräte dar. Hierbei ist es notwendig, Entkoppelnetzwerke mit hoher asymmetrischer Dämpfung einzusetzen. Dies ist aber bei den sehr niedrigen Prüffrequenzen mit erheblichem Aufwand verbunden.

Besondere Betrachtung finden in der DIN EN 61000-6-5 auch Geräte mit einer DC-Versorgung. Hier ist es notwendig die Spannungsvariationen nach DIN EN 61000-4-29 durchzuführen. Weiterhin wird gefordert, die Prüfung der Störfestigkeit gegen Wechselanteile der Spannung an Gleichstrom Netzanschlüssen gemäß DIN EN 61000-4-17 durchzuführen. Verursacht werden diese Wechselanteile auf einer Gleichstromversorgung durch Gleichrichtersysteme oder Ladegeräten von zusätzlichen Versorgungsbatterien. Das Prüfsignal ist daher nicht einfach eine Sinusspannung, sondern eine spezielle Kurvenform, die typischerweise bei der Gleichrichtung von Wechselspannung entsteht. Dazu wird ein Generator benötigt, der die von der Norm geforderten Parameter einhält und in der Lage ist, diese spezielle Kurvenform zu erzeugen.

Spezielle Kurvenform zur Prüfung von Wechselanteilen der Spannung an Gelichstrom-Netzanschlüssen.
Spezielle Kurvenform zur Prüfung von Wechselanteilen der Spannung an Gelichstrom-Netzanschlüssen.
(Bild: Phoenix Testlab)

Fazit: Die Auswahl der Prüfungen und der Prüfpegel, sowie die Kategorisierung der EMV-Phänomene und die Auswirkung auf einzelne Funktionen des Gerätes scheinen auf den ersten Blick kompliziert. Der Vorteil liegt aber klar auf der Hand: durch diese detaillierte Vorgehensweise werden die Prüfungen maßgeschneidert an den Prüfling mit seinen unterschiedlichen Funktionen und dem späteren Einsatzgebiet angepasst. Das Ziel ist klar: Anforderungen sind einzuhalten, um einen reibungslosen Betrieb der gesamten Anlage zu gewährleisten. Auf der anderen Seite können konstruktive EMV-Schutzmaßnahmen auf den wirklich benötigten technischen Aufwand reduziert werden.

* Dipl.-Ing. Matthias Wirth, Section Manager Test Laboratory EMC Industrial, Phoenix Testlab GmbH

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