Sicher und richtig messen auch in Umgebungen der Kategorie IV Die Gefahren von Messungen in Umgebungen hoher Kurzschlu�energie (CAT III u. CAT IV) sind allt�glich, werden aber h�ufig untersch�tzt. Zudem verbergen sie h�ufig komplizierte Signale. - Messen Sie daher auch bei hohen Str�men und Spannungen sicher und exakt. Von Dr.-Ing. Bodo Appel, Marketing Manager Industrie- und Energieme�technik, Fluke Deutschland GmbH Warum ge�nderte Anforderungen? Fr�her waren Spannungs- und Strommessungen ganz einfach. Es gab nur 50 Hz und vielleicht einmal Gleichspannungen oder wenige Steuersignale. In der heutigen Zeit kommen jedoch weit komplexere Spannungs- und Stromformen vor und dies auch in Energiestromkreisen. Es ist die Kombination aus hoher Energie und komplexen Signalen, die besondere Anforderungen an die Sicherheit der Me�ger�te stellt. Ursache: Ge�nderte Verbraucherstruktur und neue Technologien Im 50 Hz-Netz sind heute viele Verbraucher mit Gleichrichtern angeschlossen.

Hierzu z�hlen alle Produkte f�r die die 230V bzw. 400V intern umgeformt werden mu� wie Antriebsumrichter, Fernseher, Videoger�te, PC’s, Monitore aber ebenso Halogenlampen mit elektronischen Vorschaltger�ten, Energiesparlampen und herk�mmliche Leuchtstoffr�hren.

Warum wird die Netzspannung nun gleichgerichtet? Der Grund liegt in der einfachen und hocheffizienten Umwandelbarkeit durch sogenannte Zerhacker- oder Schaltnetzteile. Der Strom, den diese Verbraucher ziehen ist pulsf�rmig. Dies kommt von der sto�artig erfolgenden Aufladung des Gl�ttungskondensators hinter dem Gleichrichter. Die Folge f�r den Verbraucherstrom ist nun, da� er nicht mehr sinusf�rmig dem Netz entnommen wird. Bei Frequenzumrichtern ist der Gleichspannungszwischenkreis ebenfalls erforderlich. Auch hier wird ein Gl�ttungskondensator eingesetzt.

Abbildung 2 zeigt die Verh�ltnisse der Oberschwingungen zur Grundschwingung, allein die dritte Oberschwingung hat hier mit 303 A bereits einen Anteil von 82%. Der gesamte Oberschwingungsgehalt betr�gt sogar mehr als die 50 Hz Grundschwingung, n�mlich 108%.

Me�ger�te und Stromzangen, die nicht f�r Echteffektivwerterfassung gebaut sind, zeigen bis 40 % zu wenig an! Dadurch k�nnen gef�hrliche �berlastungen unerkannt bleiben.

Komplexe Signale brauchen Bandbreite

Ein weiteres allt�gliches Beispiel sind Frequenzumrichter. Ein Kunde beobachtet zum Beispiel da� seine Motoren nicht richtig laufen und zu hei� werden. Die einfache Frage: "Stimmen die 400V am Motor?" wird zur me�technischen Herausforderung.

Abb. 3: So sieht ein �bliches Ausgangssignal von Frequenzumrichtern aus. Die hohe Pulsfrequenz in Verbindung mit der hohen Spannung
fordert die Sicherheitsschaltungen und Isoliermaterialien des Me�ger�tes extrem.

Selbst hochwertige Multimeter haben hier Schwierigkeiten korrekt zu messen. Erst eine hinreichend hohe Bandbreite hilft weiter. Die Bandbreite ist die h�chstm�gliche Frequenz, die ein Multimeter oder Oszilloskop noch als Spannung auswerten kann. Dies ist nicht zu verwechseln mit der Frequenzz�hlerfunktion mancher Ger�te. Die Multimeter der Fluke 180 Serie mit bis zu 100 kHz Bandbreite oder die Fluke ScopeMeter sind die richtigen Werkzeuge f�r diese Aufgabe.

Der sicherheitstechnische Aspekt mu� besonders beachtet werden, es wird in einer CAT III Umgebung gemessen, die hohen Spannungspitzen (siehe Abbildung 3 rechts) treten zudem wegen der Wechselrichterpulsfrequenz 8000 mal pro Sekunde auf!

Gefahren beim Messen

Hier sind drei Hauptgef�hrdungskreise zu nennen:

a) Bei Spannungsmessung: Durchschlag oder �berschlag im Instrument durch �berspannungsimpulse oder Mi�brauch (zu hohe Me�spannung).Diese kurze �berspannungsimpulse (sog. Transienten) werden durch betriebliche Schalthandlungen im Mittel- und Niederspannungsnetz, durch Motorsch�tze sowie durch das L�schen von Kurzschlu�str�men im Schutzorgan verursacht. Blitzeinschl�ge kommen ebenfalls als Ursache in Frage. Wenn Sie Messungen an elektrischen Systemen durchf�hren, stellen diese Transienten eine "unsichtbare" aber weitgehend vermeidbare Gefahr dar. Sie treten h�ufig auf und k�nnen erreichen oft Spitzenwerte von mehreren Tausend Volt. In diesem Fall h�ngt Ihre Sicherheit von der Durchschlagsfestigkeit Ihres Messger�tes ab.

Abb. 4: Transienten, die durch Schalthandlungen aufgetreten sind. Typisch f�r kurze Netzunterbrechungen sind die extremen
Spannungsspitzen von �ber 2000 Volt. Diese f�hren h�ufig zu Ger�tezerst�rungen und k�nnen Multimeter zur Explosion bringen.
Links gemessen mit dem Fluke 43 B Netzanalysator, rechts mit dem St�rereignisrecorder Fluke VR 101S dokumentiert.

b) Bei Strommessung: versehentliches Messen von Spannung bei gestecktem und geschaltetem Strombereich (z.B. nach Ablenkung des Benutzers) In diesem Fall helfen nur Hochenergiesicherungen mit hohem Unterbrechungsverm�gen eine Katastrophe zu verhindern. Fluke setzt Sicherungen bis 100 Kiloampere L�schverm�gen ein.

c) bei Widerstandsmessung (auch Diode/Duchgang/Kapazit�t/Temperatur): Anlegen einer hohen Spannung und bei Kapazit�tsmessung hohe Restspannung des Kondensators. Dies mu� das Multimeter problemlos vertragen k�nnen, und zwar bis zur angegebenen Arbeitsspannung (z.B. 1000 V).

Bedeutung der Kategorien

Bei der Norm IEC1010/EN61010 geht es vor allem um den Begriff der �berspannungskategorien. Die Norm definiert die Kategorien I bis IV, oft abgek�rzt als CAT I, CAT II, usw. Die Aufteilung eines Stromversorgungssystems in Kategorien basiert auf der Tatsache, dass ein gef�hrlicher Hochenergie-Transient wie zum Beispiel ein Blitzeinschlag auf seinem Weg durch die Impedanz des Systems abgeschw�cht oder ged�mpft wird. Je h�her die Zahl der Kategorie ist, desto h�her ist die in einer elektrischen Umgebung verf�gbare Leistung und desto energiereicher sind die Transienten.

Ein Multimeter, das f�r die Kategorie IV entworfen wurde, kann also wesentlich energiereichere Transienten aushalten als ein Multimeter, das f�r Umgebungen der Kategorie II konzipiert wurde. Innerhalb einer Kategorie bezeichnet eine h�here Spannungsangabe eine h�here Transienten-Spannungsfestigkeit: ein Multimeter der Kategorie III-1000V ist besser gesch�tzt als ein Multimeter, das f�r Kategorie III-600V spezifiziert ist. Zu echten Missverst�ndnissen kommt es, wenn man davon ausgeht, dass ein f�r Kategorie II-1000V spezifiziertes Multimeter dem Multimeter f�r Kategorie III-600V �berlegen ist. Grund ist die niedrigere Generatorimpedanz (2 Ohm statt 12 Ohm) die bei der Sto�spannungspr�fung zur Anwendung kommt. Der Spannungssto� ist damit gewisserma�en h�rter, obwohl der Spitzenwert gleich ist.

�berlastschutz

In den Schaltkreisen zur Strommessung m�ssen Hochenergie-Sicherungen vorgesehen werden, um das Multimeter gegen �berstr�me zu sch�tzen.

Die 10 Megaohm Eingangsimpedanz der Volt/Ohm-Anschl�sse sorgt daf�r, da� ein �berstrom nicht flie�en kann, so da� hier keine Sicherungen erforderlich sind. Ein �berspannungsschutz allerdings ist sehr wohl erforderlich, denn um Sie gegen Transienten zu sch�tzen, muss das Messger�t eine extrem hohe �berschlagsfestigkeit aufweisen. Beim Schutz der Multimeter-Schaltkreise geht es daher nicht nur um den maximalen konstanten Spannungsbereich, sondern um die Spannungsfestigkeit hinsichtlich einer Kombination aus konstanter Spannung und transienter �berspannung. Diese Schutzschaltung sichert dabei auch die Bereiche f�r Widerstands- Durchgangs- und Kapazit�tsmessung ab. In der Praxis bedeutet dies, da� der Anwender bei voller Spannung auch auf z.B. Ohm umschalten kann ohne da� das Ger�t Schaden nimmt.

Der Schutz gegen Transienten ist von entscheidender Bedeutung, da energiereiche Stromkreise, denen Transienten �berlagert sind, im Allgemeinen gef�hrlicher sind, weil sie hohe Str�me f�hren k�nnen.

Das Beispiel in Abbildung 3 zeigt wie allt�glich Transienten bei manchen Me�aufgaben sind.

Die Bedeutung von Spannungsfestigkeitsangaben

Die Testverfahren der IEC 1010 / EN61010 ber�cksichtigen drei Hauptkriterien: konstante Spannung, transiente Spitzenimpulsspannung und Quellenimpedanz. Diese drei Kriterien zusammen ergeben die echte Spannungsfestigkeit eines Multimeters.

1. Innerhalb einer Kategorie geht eine h�here erlaubte Me�spannung mit einem h�heren Transienten einher als man erwarten w�rde. Ein Multimeter der Kategorie III-600V wurde zum Beispiel mit 6000-V-Transienten getestet, w�hrend ein Multimeter der Kategorie III-1000V mit 8000-V-Transienten getestet wurde.

1. Nicht so offensichtlich ist der Unterschied zwischen dem 6000-V-Transienten f�r Kategorie III-600V und dem 6000-V-Transienten f�r Kategorie II-1000V. Sie sind nicht identisch, denn hier spielt die Quellenimpedanz eine Rolle. Die 2-W -Testquelle weist f�r CAT III den sechsfachen Strom und die sechsfache Leistung der 12-W -Testquelle f�r CAT II auf.

Das CAT III-600V Multimeter bietet daher einen �berlegenen Transientenschutz im Vergleich zum CAT II-1000V Multimeter, obwohl man aufgrund seiner "Spannungsspezifikation" davon ausgehen k�nnte, dass es weniger gut gegen Transienten gesch�tzt ist. Es ist die Kombination aus erlaubter Me�spannung und Kategorie, die ausschlaggebend f�r die Gesamtspannungsfestigkeit des Messinstruments ist, einschlie�lich der so wichtigen Transientenspannungsfestigkeit. Optimal ist daher ein Me�ger�t welches CAT III-600 V mit CAT IV-1000 V kombiniert.

Weitere �berlegungen

Die IEC 1010/EN 61010 fordert, dass die Me�ger�te nicht nur in Bezug auf einen tats�chlichen �berspannungstransientenwert getestet werden, sondern auch bestimmte minimale Kriechstrecken und Sicherheitsabst�nde zwischen den internen Bauelementen und Schaltungspunkten aufweisen m�ssen. F�r die Kriechstrecke wird der Abstand �ber eine Fl�che gemessen, f�r den Sicherheitsabstand die Entfernung durch die Luft. Je h�her die Zahl der Kategorie und die Betriebsspannung ist, desto gr��er m�ssen beide Abst�nde sein.

Bedeutung f�r die Praxis

Die erw�hnten Transienten �berspannungen treten tagt�glich in Energiesysstemen auf. Der Hauptgrund sind Schalthandlungen und Frequenzumrichter im Netz. Immer wenn Induktivit�ten geschaltet werden entstehen Spannungsspitzen, das der Strom in Induktivit�ten sich nicht Sprunghaft �ndern kann. Von der Hoch und Mittelspannungsebene werden die Spannungsspitzen �ber die Transformatoren �bertragen. Im Niederspannungsnetz entstehen Transienten unter anderem an Motorsch�tzen. Eine weitere Quelle sind Stromrichter. Sie erzeugen zwar nicht sehr hohe, daf�r aber regelm��ige Spannungsspitzen durch die Kommutierung (Strom�bergang von einem Thyristor zum n�chsten). Extrem hohe Spannungsspitzen erzeugen Schmelzsichereungen im Schaltfall. Der Grund ist, da� sie den Strom nicht im Nulldurchgang unterbrechen sondern bereits im Anstieg "abw�rgen". Das ist f�r die Kurzschlu�strombegrenzung erw�nscht, erzeugt aber Transienten bis �ber 10 kV.

Die neue IEC 1010 (bzw. EN 61010) mit ihren strengeren Pr�fvorschriften tr�gt nun den heutigen Netzgegebenheiten mit den vermehrt auftretenden Transienten Rechnung und sch�tzt damit den Anwender durch h�here Schutzschwellen.

Vereinfacht gesagt ist der Grundgedanke die Schwelle f�r den Spannungsdurchschlag so hoch wie m�glich zu legen um nie einen �berschlag auftreten zu lassen. Daher gilt als allgemeine Faustregel bei der Wahl eines Messger�tes, da� man am besten immer f�r das Messger�t mit der h�chsten Spezifikation f�r die betreffende Anwendung entscheidet. Falls etwas schief gehen sollte, hat der Benutzer dann den bestm�glichen Schutz.

Die IEC 1010 / EN61010 gilt auch f�r Messleitungen - ihre Spezifikation sollte der Kategorie und der Spannungsangabe des Messger�tes mindestens ebenb�rtig sein. Der Grund ist wieder ein praktischer: wenn ein Anwender mit einem 1000 V spezifizierten Ger�t sich Me�leitungen eines Kollegen leiht, der ein 600 V spezifiziertes Ger�t hat, w�rde der 1000 V Schutzpegel entfallen. Aus diesem Grund werden bei Fluke Multimetern ausschlie�lich 1000 V Leitungen beigef�gt. Auch die Tastk�pfer der Fluke ScopeMeter sind daher f�r 1000 V zertifiziert.

Digitalmultimeter von Fluke

Fluke bietet ein umfassendes Angebot an Handmessger�ten, die die Anforderungen der IEC 1010 (EN 61010) erf�llen. Die neuen Digitalmultimeter der Fluke-Serien 170 verf�gen �ber Lebenslange Gew�hrleistung und Sicherheitsspezifikationen nach der neuen Kategorie IV. Sie zeigen Echteffektiv-Messwerte an und wurden speziell f�r anspruchsvolle Elektriker und Elektroniker im Fronteinsatz entworfen, die die Messger�te f�r Messungen bis zu 1000 V und 10 A AC oder DC benutzen.

Auch die Digitalmultimeter der Fluke-Serie 180 haben Lebenslange Gew�hrleistung und erf�llen die Sicherheitsspezifikationen der Kategorie III 1000V und der Kategorie IV 600V. Sie sind mit einem extragro�en Doppeldisplay und einer analogen Segmentanzeige ausgestattet. Hiermit k�nnen die Messwerte verschiedener Messungen gleichzeitig angezeigt werden, zum Beispiel Echteffektiv-Messwerte von Gleich- und Wechselspannung sowie von Gleich- und Wechselstrom, Frequenzwerte, dB-Werte und vieles mehr. Dank der gr�nen LED-Hintergrundbeleuchtung kann das Display auch in dunklen Umgebungen leicht abgelesen werden. Mit der M�glichkeit zur Frequenzmessung bis 100 kHz, Kapazit�tsmessung bis 10.000 �F und Widerstandsmessung bis 50 MW eignen sich diese Multimeter Serie 187/189 sehr gut f�r komplexe Me�aufgaben. Dar�ber hinaus sind sie in der Lage, Temperaturen zu messen und sie in � C oder � F anzuzeigen.

Tragbare Oszilloskope von Fluke

Die Fluke ScopeMeter sind ebenfalls f�r Eins�tze in Hochenergieumgebungen gebaut. Stromrichtermessungen sind eine h�ufige Anwendung, zudem in Umgebungen der CAT III.

In dieser Umgebung tritt als Erschwernis nicht nur die hohe Spannung bei 50 Hz auf, sondern zus�tzlich noch mit hohen Frequenzen. Diese beanspruchen die Isoliermaterialien extrem, bei den angeschlossenen Motoren f�hrt dies oft zum Durchschlag. Die Fluke ScopeMeter sind f�r diese Messungen konzipiert, die 190 Serie weist zus�tzlich eine galvanische Potentialtrennung aller drei Eingangsmassen (Kanal A zu B sowie zu Multimetermasse) auf. Zusammenfassung F�r die Me�aufgaben in Umgebeungen hoher Kurzschlu�energie eignen sich optimal die Fluke Digitalmultimeter der Serien 170. Sind komplexe Signale vorhanden so sind die 180 Serie bzw. die ScopeMeter erste Wahl. Quellen: IEC 1010/EN 61010

Abb. 6: Messung von Wechselrichterausgangsgr��en mit dem Fluke ScopeMeter 199.