Warum der Umgang mit Spannungsschwankungen bei der Elektronikausbildung auf den Lehrplan gehören sollte

Dieser Beitrag erschien in Auszügen im WorldSkills Germany Magazin - Ausgabe 17 (September 2020). Lernen Sie unser Fachmagazin für Talentmanagement, berufliche Wettbewerbe und außerschulisches Lernen kennen >>

Seit mehr als einhundert Jahren nutzt die Menschheit elektronische Geräte. Der Vorgang ist dabei immer derselbe: Stecker einstecken und Gerät anschalten. Durch den steigenden Gebrauch von Elektronik in der Wirtschaft und im Privatleben, laufen wir allerdings Gefahr, zunehmenden Spannungsschwankungen ausgesetzt zu sein. Daher sollte der Umgang damit auch in der Ausbildung von Elektronikern berücksichtigt werden.

Spannung ist ein Produkt und wie jedes Produkt unterliegt auch diese einem Qualitätsstandard. Wird dieser Standard nicht eingehalten, kann es sowohl im Haushalt als auch im gewerblichen Bereich zu Schäden kommen. Auch wenn sich Ereignisse wie ein flächendeckender „Blackout“ beispielsweise in den USA (1965), Skandinavien (2003) oder im November 2006 hierzulande stark in unser Bewusstsein einbrennen, fühlen wir Deutsche uns recht sicher. Bei einer Verfügbarkeit von rund 99 Prozent kann man das deutsche Stromnetz als recht stabil betrachten. Aber: Unabhängig von der Verfügbarkeit bringt Spannung heute eine ganz andere Herausforderung mit sich, nämlich die der Qualitätsschwankungen. Diese Schwankungen können Schäden für Industrie, Handwerk und Handel nach sich ziehen, denn sie können elektronische Geräte beschädigen, zerstören oder deren Lebensdauer verringern. Weitere Informationen dazu lesen Sie weiter unten im Artikel.

Derzeit ist dieses Thema noch nicht umfassend in Ausbildungsberufen, die im Bereich der Elektrotechnik angesiedelt sind, berücksichtigt. „Aus Erfahrung können wir sagen, dass hier in den Lehrplänen noch Nachholbedarf besteht“, sagt Sven Bayer, Key Account Manager Education bei der Chauvin Arnoux GmbH. Das Unternehmen bietet tragbare Messtechnik für Industrie und Handwerk an. „Natürlich führen wir für unsere Geräte, vom einfachen Multimeter bis zum hochwertigen Analysator, auch entsprechende Schulungen durch. Allerdings sehen wir an der Wahrnehmung dieses Service durch Unternehmen, dass hier tatsächlich großes Interesse besteht, auch Auszubildenden von Anfang an dieses wichtige Wissen zu vermitteln.“

Warum sich junge Fachkräfte schon in der Ausbildung mit der Qualität von Spannung und auftretenden Spannungsschwankungen beschäftigen sollten? „Die Probleme in unseren Stromnetzen werden sich zwangsläufig intensivieren, da immer mehr nichtlineare Lasten, wie Netzteile, eingesetzt werden“, erklärt Bayer. „Dies wird große Auswirkungen auf Industriebetriebe haben.“ Die produzierende Industrie ist besonders von solchen Störungen betroffen. Aufgrund der hohen Investitionskosten für Maschinen und Anlagen wiegt ein Ausfall oder frühzeitiger Verschleiß hier besonders schwer. Hinzu kommen teure – weil ungeplante – Stillstandzeiten. Schätzungen zufolge entstehen der Industrie und dem Handel hierdurch jährlich etwa 2,5 Milliarden Euro Kosten.

Solche Probleme zu erkennen und Maßnahmen zur Lösung dieser Störungen zu entwickeln, wird eine Herausforderung für Unternehmen, Ausbilder/innen und Auszubildende.

Weiterführender Überblick zur Thematik

Die Grundlage zur Definition und Spezifikation der wesentlichen Merkmale der Spannung in öffentlichen Versorgungsnetzen bietet die europäische Norm EN50160. Für die Netzbetreiber (früher Energieversorgungsunternehmen) ist die EN50160 eine zentrale Richtgröße, anhand derer sie die Spannungsqualität am Übergabepunkt zum Nutzer kontrollieren. So kann es zum Beispiel durch das Zu- oder Abschalten großer Lasten zu Spannungsschwankungen im Netz kommen, sodass die geforderten Werte kurzzeitig nicht eingehalten werden.
Die Ursache für eine Qualitätsschwankung liegt erstaunlicher Weise weniger beim Anbieter, sondern bei den Verbraucherinnen und Verbrauchern selbst, also in der eigenen Netzqualität. Zentraler Grund dafür ist die zunehmende Nutzung von nichtlinearen Betriebsmitteln wie Frequenzumrichtern, Netzteilen oder Dimmern sowie elektrischen Vorschaltgeräten. Der Einsatz dieser Geräte verursacht Oberschwingungen, da das Netz schwankenden Nutzlasten ausgesetzt ist. Diese Oberschwingungen verzerren letztlich die Spannung.

Neben den Oberschwingungen als häufigste Ursache von „schmutziger Spannung“ können auch andere Abweichungen von der Norm auftreten, die bei klassischen elektrischen Geräten ganz unterschiedliche Schadensphänomene hervorrufen können. Einige davon werden in der Folge kurz beschrieben.

Spannungseinbrüche: Um große Antriebsmotoren in der Industrie anlaufen zu lassen, entstehen große Anlaufströme – insbesondere dann, wenn diese unter hoher Last anlaufen müssen. Dabei kann der Spannungseffektivwert kurzzeitig um bis zu 90 Prozent der Nennspannung einbrechen.

Unsymmetrie: Die ungleiche Verteilung von einphasigen Geräten sowie der Betrieb von zweiphasigen Lasten, wie z.B. Schweißgeräte, kann eine unsymmetrische Belastung der Transformatoren verursachen. Die Wirklast solcher Geräte ist dabei für ungleichmäßige Phasenspannungen verantwortlich. Gleichzeitig sorgt die Blindlast für Phasenverschiebungen, die von den idealen 120 Grad abweichen.

Transienten: Blitzschläge oder Kurzschlüsse sind die häufigsten Ursachen für Schäden. Transienten dauern in der Regel nur wenige Millisekunden, mit Spannungsspitzen von bis zu mehreren 1000 Volt. Allerdings hat der Verbraucher oder die Verbraucherin oft keinen Einfluss auf diese Ursachen. Er ist der „höheren Gewalt“ ausgesetzt.

Oberschwingungen: Dabei handelt es sich um sinusförmige Anteile, die die Grundschwingung der Spannung überlagern. Oberschwingungen entstehen unter anderem durch nichtlineare Geräte im Netz.

Gefahren
Beim Blitzschlag ist der Fall klar: Fernseher, Computer & Co. können durch die kurzzeitige Überspannung beschädigt und/ oder zerstört werden. Auch die anderen beschriebenen Phänomene können Schäden oder Störungen verursachen. Viele Geräte im Haushalt vertragen Oberschwingungen nicht, versagen ihren Dienst oder die Auswirkungen sind schleichend und verkürzen z.B. die Lebensdauer.

Weitere Fachbeiträge und Best-Practices finden Sie im WorldSkills Germany Magazin, dem Fachmagazin für Talentmanagement, berufliche Wettbewerbe und außerschulisches Lernen.
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Mit dem QualiStar+ C.A 8336 von Chauvin Arnoux kann man Qualitätsschwankungen frühzeitig erkennen und so Beschädigungen an elektronischen Geräten verhindern.