Ein Zähler zeigt negative Wirkleistung, wenn der gemessene Strom zur ihm zugeordneten Spannung einen Phasenwinkel von mehr als 90° hat. Das kann durch Einspeisung entstehen, aber auch durch einen umgekehrt oder auf der falschen Phase montierten Stromsensor. Andere Verdrahtungsfehler lassen die Gesamtleistung positiv erscheinen, obwohl sie falsch ist, im häufigsten schwerwiegenden Fall um zwei Drittel. Finden Sie die Ursache, bevor Sie Daten verändern.
Dieser Leitfaden gehört zur Reihe über elektrische Leistungsgrundlagen.
Einspeisung und Vorzeichenkonvention
Ein Standort mit Solaranlage speist ein, wenn die Erzeugung den Verbrauch übersteigt, häufig um die Mittagszeit. Eine Batterie oder ein Blockheizkraftwerk kann die Flussrichtung innerhalb weniger Minuten umkehren. In einem einzigen 15-Minuten-Intervall können daher sowohl Bezug als auch Einspeisung auftreten. Am Hauptanschluss eines solchen Standorts kann eine negative Gesamtleistung korrekt sein.
Die meisten Zähler verwenden die Verbraucherzählweise: Bezug ist positiv. Ein Zähler an einem Generator- oder Batteriestrang ist häufig auf die Erzeugerzählweise eingestellt, damit seine Abgabe positiv erscheint. Ein Vierquadrantenzähler führt Bezug und Einspeisung in getrennten Registern. IEC 62056-6-1 bezeichnet diese als OBIS 1.8.0 (Wirkenergiebezug) und 2.8.0 (Wirkenergieeinspeisung). Die Nettoenergie eines Intervalls ist Bezug minus Einspeisung. Wenn ein Standort im selben Intervall bezieht und einspeist, sind Nettoenergie und Bruttobezug verschiedene Größen. Dokumentieren Sie, welche davon ein Bericht verwendet.
Drei Einstellungen können das Vorzeichen verbergen:
- Ein Zielsystem, das den Absolutwert der Leistung speichert, verbirgt tatsächliche Einspeisung.
- Ein System, das Bezugs- und Einspeiseregister addiert, liefert einen Wert, der zu keinem von beiden passt.
- Ein Zähler mit absoluter Energieaufsummierung zählt Rückfluss als Verbrauch. Schneider Electric dokumentiert absolute und vorzeichenbehaftete Modi für seine Zähler. An einem so eingestellten Zähler können vertauschte Stromwandler negative kW anzeigen, während das kWh-Zählwerk trotzdem mit der richtigen Geschwindigkeit steigt. Eine Prüfung allein anhand der Energie würde den Fehler übersehen.
Prüfen Sie die Konvention mit einer bekannten Last. Schalten Sie ohne laufende Erzeugung eine ohmsche Last ein, etwa eine Heizung. Auf jeder versorgenden Phase muss die Wirkleistung mit positivem Vorzeichen und einem Leistungsfaktor nahe 1 steigen. Halten Sie die Konvention des Zählers und jedes speichernden Systems in der Punktliste fest.
Jede Phase vor der Summe prüfen
Bei symmetrischer Last führt ein umgekehrt montierter Stromwandler zu +1, +1 und −1 auf den drei Phasen. Der Zähler zeigt dann nur etwa ein Drittel der tatsächlichen Gesamtleistung. Das kann wie ein verbrauchsarmer Tag wirken. Lesen Sie bei normaler Last und ohne Einspeisung Spannung, Strom, Leistungsfaktor und Wirkleistung auf jeder Phase:
| Beobachtung auf einer Phase | Wahrscheinliche Ursache |
|---|---|
| Negative Leistung; Leistungsfaktor betragsmäßig wie auf den anderen Phasen, aber negativ | Stromwandler zeigt in die falsche Richtung oder S1 und S2 sind am Zähler vertauscht |
| Leistungsfaktor nahe null oder negativ, bei normalem Strom | Stromwandler sitzt auf einer anderen Phase; sein Strom wird der falschen Spannung zugeordnet |
| Positiver, aber von den anderen Phasen deutlich abweichender Leistungsfaktor bei normalem Strom | Stromwandler sitzt auf einer anderen Phase und ist zusätzlich umgekehrt montiert |
| Strom passt nicht zur Stromzangenmessung am selben Leiter | Falsches Stromwandlerverhältnis oder falscher Sekundärnennwert im Zähler, oder Sensor sitzt an einem anderen Leiter |
| Null oder sehr wenig Strom bei eingeschalteter Last | Stromwandler ist nicht verbunden oder umfasst ein ganzes mehradriges Kabel, dessen Phasenströme sich aufheben |
Ein Stromwandler auf der falschen Phase verschiebt den Winkel zwischen seinem Strom und der zugeordneten Spannung um 120°. Eine Last mit tatsächlichem PF 0,9 (φ = 25,8°) erscheint dann als cos 145,8° = −0,83 oder cos −94,2° = −0,07, je nachdem, von welcher Phase der Strom stammt. Bei PF 1 erscheint −0,5. Ist der Stromwandler zusätzlich umgekehrt montiert, ergibt sich eine Verschiebung um 60°; dieselbe Last mit PF 0,9 erscheint als +0,83 oder +0,07. Der Fall +0,83 ist schwer zu erkennen: Die Leistung dieser Phase ist positiv und nur etwa 8 % zu niedrig, und 0,83 wirkt wie ein gewöhnlicher Leistungsfaktor. Bei symmetrischer Last liegen die drei Faktoren nahe beieinander. Untersuchen Sie jede Phase, die deutlich abweicht. Der Leitfaden zur Drehstromleistung erklärt die Zuordnung.
IEC 61869-2 bezeichnet die Primärklemmen mit P1 und P2 und die Sekundärklemmen mit S1 und S2; P1 und S1 haben dieselbe Polarität. Montieren Sie jeden Stromwandler so, dass P1 zur Versorgung zeigt. Verbinden Sie S1 und S2 mit den in der Zähleranleitung angegebenen Klemmen der jeweiligen Phase. Manche Zähler können einen Kanal per Software umkehren. Das korrigiert die Daten, lässt den Stromwandler aber entgegen seiner Markierung montiert. Kennzeichnen Sie die Umkehrung deshalb im Schaltplan und in der Punktliste.
Dokumentieren Sie vor der Korrektur die ursprüngliche Kanalzuordnung und die Messwerte, damit der Fehler nachvollziehbar bleibt.
Zwei-Elemente-Messung an einem Dreileiterkreis
Die Phasenprüfungen oben setzen einen Vierleiterkreis mit drei Messelementen voraus. Ein Dreileiterkreis lässt sich mit zwei Elementen messen: Nach dem Satz von Blondel benötigen n Leiter n − 1 Messelemente. Jedes Element misst dann eine Außenleiterspannung zusammen mit einem Außenleiterstrom. Seine Leistung ist deshalb keine Phasenleistung. Bei symmetrischer Last zeigen die beiden Elemente V × I × cos(30° + φ) beziehungsweise V × I × cos(30° − φ), wobei V die Außenleiterspannung und I der Außenleiterstrom ist. Sinkt der Leistungsfaktor unter 0,5 (φ > 60°), zeigt das erste Element einen negativen Wert. Dieser Wert ist korrekt; die Summe beider Elemente ergibt weiterhin die tatsächliche Gesamtleistung. Drehen Sie keinen Stromwandler um, nur um diesen Wert positiv zu machen.
Hauptzähler und Unterzähler abgleichen
Zeichnen Sie vor dem Vergleich den Zählerbaum. Tragen Sie Hauptzähler, jeden darunterliegenden Unterzähler, Stromkreise ohne Unterzähler und jede Erzeugungs- oder Speicherquelle ein. Markieren Sie Zähler auf der anderen Seite eines Transformators. Das US-amerikanische Federal Energy Management Program gliedert Zähler nach Gebäude, Verteilung und Endverbrauch; das ist eine hilfreiche Struktur für den Baum.
Vergleichen Sie dann die Energie im selben Zeitraum:
| Zähler | Energie im Zeitraum |
|---|---|
| Hauptzähler | 1.000 kWh |
| Unterzähler A | 400 kWh |
| Unterzähler B | 350 kWh |
| Nicht zugeordnet | 250 kWh |
Die 250 kWh bleiben nicht zugeordnete Energie, bis Sie ihre Bestandteile kennen: Stromkreise ohne Unterzähler, gemeinsame Verbraucher, Transformatorverluste oder eine andere Messgrenze. Bezeichnen Sie die Differenz nicht als Zählerfehler. Kennzeichnen Sie sie in der Punktliste und verfolgen Sie sie Stromkreis für Stromkreis.
Toleranz vor dem Vergleich festlegen
Vereinbaren Sie die Toleranz der gesamten Messkette vor dem Vergleich. Für den ungünstigsten Fall addieren Sie die Genauigkeitsgrenzen jedes Zählers und seiner Stromwandler.
Diese Grenzen gelten unter Referenzbedingungen; bei niedrigem Strom werden sie weiter. IEC 61869-2 erlaubt für einen Stromwandler der Klasse 1 bei 5 % des Nennstroms einen Übersetzungsfehler von ±3 %. Ein Unterzähler mit überwiegend geringer Monatslast braucht daher einen größeren Toleranzbereich. Die Grenzen zu addieren ist konservativ. Die Wurzel der Summe der Quadrate ergibt einen engeren Bereich, setzt aber ein begründetes Unsicherheitsmodell voraus. Der Leitfaden zur hochgenauen Messung erklärt den Unterschied.
Zeit, Einheiten und Zählwerke abgleichen
Prüfen Sie diese Punkte, bevor Sie einen Zählerfehler vermuten:
| Prüfung | Häufige Ursache einer Differenz |
|---|---|
| Beginn und Ende | Mitternacht in einem System, Ablesezeit der Rechnung in einem anderen |
| Zeitzone | Ortszeit gegen UTC oder eine Zeitumstellung im Zeitraum |
| Intervallbeschriftung | Ein System bezeichnet den Intervallanfang, ein anderes das Ende |
| Messgröße | Mittlere kW statt kWh-Differenz |
| Skalierung | Wh als kWh gelesen oder Stromwandlerverhältnis doppelt angewandt |
| Vorzeichen | Nettoenergie mit Bruttobezug verglichen oder Absolutwertregister verwendet |
| Verlauf des Zählwerks | Rücksetzung, Überlauf oder Zählerwechsel |
| Vollständigkeit | Fehlende, doppelte oder veraltete Intervalle |
Bei kumulativen Zählwerken subtrahieren Sie Stände, die zu denselben Zeitpunkten aufgenommen wurden. Der Rechner für mittlere Intervallleistung wandelt eine Zählwerksdifferenz in mittlere kW um. Kennzeichnen Sie einen interpolierten Grenzwert als interpoliert, damit ihn niemand für einen gemessenen Wert hält.
Eine negative Differenz zwischen zwei Zählerständen bedeutet Rücksetzung, Überlauf, Zählerwechsel oder Datenfehler. Kennzeichnen Sie das Intervall und finden Sie das Ereignis, bevor Sie die Daten nutzen. Die Inbetriebnahme-Checkliste zeigt die Überlaufrechnung für ein 16-Bit-Register.
Korrektur dokumentieren
Prüfen Sie nach einer Korrektur erneut bei normaler Last und einem weiteren Betriebszustand, etwa einer ein- und ausgeschalteten Maschine. Bewahren Sie das fehlgeschlagene Ergebnis, die Änderung und den erfolgreichen Nachtest im Inbetriebnahmeprotokoll auf. Wenn nur ein Teil der Differenz erklärt ist, dokumentieren Sie den Rest als offen. Skalieren oder korrigieren Sie historische Daten nicht ohne Beleg für die Ursache.
Phasenwerte mit einem ZEM
Der ZEM Strommonitor wird mit angeschlossenen und auf das Messgerät kalibrierten Stromsensoren geliefert; Sensortyp und Übersetzungsverhältnis stehen damit vor der Installation fest. Die installierende Fachkraft muss dennoch jeden Sensor auf der richtigen Phase und in der richtigen Richtung anbringen. Der ZEM meldet Spannung, Strom, Wirkleistung, Leistungsfaktor und Energie für jede Phase. Die Prüfungen aus der Phasentabelle sind daher ab dem ersten Messwert möglich. Wenn Haupt- und Unterzähler ihre Werte an dasselbe Gateway melden, speichert Edge sie dort auf einer gemeinsamen Zeitbasis. So stimmen die Intervalle für den Vergleich überein. Die Checkliste für die Inbetriebnahme des Energiemonitorings nennt die bei der Übergabe aufzubewahrenden Unterlagen.
Häufige Fragen
Warum zeigt mein Energiezähler negative Leistung?
Entweder fließt Leistung am Zähler nach außen, Zähler oder Software verwenden die umgekehrte Vorzeichenkonvention, oder ein Stromsensor ist verkehrt herum montiert beziehungsweise der Spannung einer anderen Phase zugeordnet. An einem Vierleiterkreis ohne Erzeugung weist eine einzelne negative Phase fast immer auf einen Verdrahtungsfehler dieser Phase hin. Bei einem Dreileiterkreis mit zwei Messelementen zeigt eines unter Leistungsfaktor 0,5 einen korrekten negativen Wert.
Woran erkenne ich einen falsch herum montierten Stromwandler?
Bei normaler Last ohne Einspeisung ist die Wirkleistung dieser Phase negativ. Der Leistungsfaktor hat denselben Betrag wie auf den anderen Phasen, aber das umgekehrte Vorzeichen; der Strom ist normal. Eine qualifizierte Person dreht den Stromwandler so, dass P1 zur Versorgung zeigt, oder vertauscht S1 und S2 am Zähler. Dabei muss der Stromkreis freigeschaltet oder der Sekundärkreis nach Herstelleranweisung kurzgeschlossen sein.
Warum ergeben meine Unterzähler nicht den Wert des Hauptzählers?
Prüfen Sie zuerst, ob Zeiträume, Einheiten und Zeitzonen übereinstimmen. Zeichnen Sie dann den Zählerbaum. Stromkreise ohne Unterzähler, gemeinsame Verbraucher, Transformatorverluste und Erzeugung hinter einem Unterzähler verursachen Differenzen. Vergleichen Sie die Differenz mit den kombinierten Genauigkeitsgrenzen. Was darüber liegt, ist tatsächliche Energie, die der Zählerbaum noch nicht erklärt.