EMV-Probleme – wenn die Leuchten pfeifen

Das neu renovierte Bürogebäude war modern, hochwertig ausgestattet und technisch auf dem neusten Stand. Die Büros waren hell, die Infrastruktur sauber geplant – überall energiesparende LED-Beleuchtung. Eigentlich ein Vorzeigeprojekt.

Doch schon kurz nach dem Einzug trafen die ersten Reklamationen ein.

«Hören Sie dieses Pfeifen?»

«Vor allem am Nachmittag nervt es extrem!»

«Manchmal klingt es fast wie ein Tinnitus.»

Da hatte man eigentlich ein optisch und akustisch ansprechendes Arbeitsumfeld. Doch das Gepfeife ging gehörig auf die Nerven.

Falscher Verdacht

Die Ursache schien zunächst klar: Die Vorschaltgeräte der LED-Leuchten sind mangelhaft. Also wurde der Leuchtenhersteller herbeigezogen, um sein System in den Griff zu bekommen. Als Vorschaltgerät wurde allerdings ein namhaftes Produkt eingesetzt, welches in Ordnung schien. Der Techniker konnte nicht weiterhelfen.

Irritierend war: Nicht alle Leuchten waren betroffen. Manche Büros waren fast ruhig, andere deutlich lauter. Das Geräusch veränderte sich auch im Tagesverlauf. Schnell wurde klar: Es wird komplex.

Ein verdächtiger Peak bei 10 kHz

Die ersten Messungen durch Creafield zeigten ein auffälliges Bild. Im Gebäude war eine dominante Störung bei rund 10 kHz vorhanden. Und zwar nicht nur lokal in einzelnen Büros, sondern fast überall. Diese Störspannung konnte mit einem Hochpassfilter und Oszilloskop auf der Phase gemessen werden, aber auch direkt zwischen N und PE.

Diese Spannung zwischen Neutralleiter und Schutzleiter betrug bei 10 kHz ungefähr 3 Volt RMS. Für klassische 50-Hz-Betrachtungen erscheint das unspektakulär. Bei 10 kHz und langen Leitungen werden aber plötzlich andere Phänomene relevant.

Netzfilter werden zu Lautsprechern

Die Leuchten wurden in der Unterverteilung mal testweise kurz abgehängt – und siehe da: Die Geräusche waren dann zwar weg, die Störspannung blieb aber unverändert. 

Damit die getakteten Netzteile der Leuchten die Normen für Netzrückwirkungen einhalten können, wurden Netzfilter integriert. Diese bestehen aus Spulen und Kondensatoren – Letztere auch zwischen N und PE. Da die Normen für Beleuchtungen bereits bei 9 kHz greifen, floss bei 10 kHz schon ein Strom, der die magnetischen Kerne der Filter zum hörbaren Schwingen brachte.

Die Leuchten waren somit nicht die Ursache, sondern lediglich die Lautsprecher. Dasselbe Phänomen zeigte sich auch bei der USV in der Hauptverteilung: Diese pfiff in den gleichen Tonlagen.

Die Spur führte in den Maschinenraum

Als Nächstes wurden mit Oszilloskop und Rogowski-Stromwandlern Strommessungen in der Hauptverteilung bei den Steigleitungen durchgeführt. Da 10 kHz offensichtlich von Umrichtern stammen mussten, wurden selektiv Wärmepumpen, Lüftungssysteme, USVs usw. unter die Lupe genommen. 

Die Analyse der Störungen zeigte bald einen Zusammenhang mit der Liftanlage des Gebäudes. Die akustisch wahrnehmbaren Schwingungen konnten mit einer Smartphone-App auf 10 kHz identifiziert werden. Dies passte zur Taktfrequenz der eingesetzten Frequenzumrichter der Aufzüge. Zudem änderte sich das Störverhalten teilweise abhängig von der Liftbewegung und der Belastung der Anlage.

Normgerecht und trotzdem problematisch

Normen, welche die Netzrückwirkungen zwischen 9 und 150 kHz eindämmen, existieren nur für einzelne Produkte. Aufzüge gehören nicht dazu. Zwar soll beispielsweise die EN 50065-1 sicherstellen, dass unser Netz auch bei diesen Frequenzen genügend Störabstand für Kommunikationsprotokolle bietet, aber wie viel der Lift nun emittieren darf, bleibt unklar. Bleibt also zu hoffen, dass sich die Hersteller am Stand der Technik orientieren und freiwillig entsprechende Grenzwerte anwenden. 

Voll «verPENnt»

Die Netz-Zuleitungen zum Maschinenraum des Lifts verliefen über viele Stockwerke nach oben. Die Energieversorgung war durch vier Einzelleiter mit einem PEN ausgeführt. Diese Topologie bringt gleich zwei Probleme mit sich:

• Einzelleiter: Induzierte Ströme in den Erdleiter
• PEN: Verschleppung in metallischen Strukturen des Hauses

Im klassischen Niederfrequenz-Denken erscheint ein PEN-Leiter oft unproblematisch. Das ist allerdings schon bei 50 Hz heikel und im höheren Frequenzbereich sieht die Situation nochmals deutlich angespannter aus.

Eine Erhöhung des Leiterquerschnitts hilft dann herzlich wenig, weil bei steigender Frequenz und Leitungslänge die Induktivität überhandnimmt. Die Ströme sorgen entlang des PEN-Leiters für Spannungsabfälle, und es fliesst ein beachtlicher Teil über Armierungen, Wasserleitungen usw. zurück zum zentralen Erdungspunkt. So wird plötzlich das gesamte Gebäude Teil des EMV-Systems – und das Problem an jeder Steckdose messbar. 

Das Unsichtbare sichtbar machen

Für die Messungen war keine hochkomplexe Laborausrüstung notwendig. Ein brauchbares USB-Oszilloskop mit FFT und isolierten Eingängen sowie hochwertige Stromzangen machten das Problem schnell sichtbar.

Die Messungen zeigten deutlich:

• Dominante Störung bei rund 10 kHz
• Hochfrequente Ströme auf allen zum Maschinenraum führenden Leitungen 
• Spannungsdifferenzen zwischen N und PE im ganzen Gebäude vorhanden
• Klare Korrelation mit der Liftanlage

Summenströme messen

Besonders hilfreich war dabei die systematische Betrachtung der Stromrückwege im PEN und ausserhalb. Mit dem Rogowski oder durch Berechnungsfunktionen im Oszilloskop lässt sich der gesamte Summenstrom in den drei Phasen und PEN messen. Dies entspricht dann dem Strom, der nicht über die Leitungen fliesst, sondern bis zum zentralen Erdungspunkt über allerlei Wege vagabundiert. 

Wenn die EMV zuschlägt, wird häufig zuerst auf die «störende Komponente» fokussiert. Oft hilft jedoch die Frage: Wo fliessen die Ströme zurück? Genau diese Betrachtung führte hier zur Ursache.

Die Suche nach der Lösung

Der Lifthersteller konnte das Problem zunächst nicht unmittelbar einordnen. Das ist wenig erstaunlich, denn solche Wechselwirkungen zeigen sich häufig erst im realen Gebäudebetrieb. Erst die Kombination aus Messdaten und systematischer Ursachenanalyse brachte Bewegung in die Situation.

Schliesslich wurden folgende Massnahmen umgesetzt:

• Softwareupdate der Frequenzumrichter
• Installation neuer Elektronikkomponenten

Dadurch reduzierten sich die höherfrequenten Ströme deutlich. Der Lifthersteller kannte das Problem also offensichtlich. 

Auch entscheidend war jedoch eine Änderung an der Energieversorgung. Zusätzlich zum bestehenden PEN-Leiter wurde ein separater Neutralleiter bis in den Maschinenraum hochgezogen und N von PE getrennt. Dadurch wurden die vagabundierenden Ströme deutlich gesenkt. Auch die Spannung zwischen Neutralleiter und Schutzleiter sank im Gebäude um ungefähr den Faktor 10, und damit verschwand dann auch das störende Pfeifen der Beleuchtung weitgehend.

Was weiter zu tun wäre: Rundkabel verwenden ...

Auf Rundleiter zu wechseln wäre eine mühsame Angelegenheit gewesen. Doch ein grosser Teil des Problems stammt in solchen Fällen von der Einzelleiter-Verlegung. Was bei 50 Hz noch vertretbar ist, führt bei 10 kHz zu grossen Induktionsspannungen am Erdleiter, was wiederum zu ungewollt hohen PE-Strömen führt. 

In einem symmetrisch aufgebauten Kabel heben sich die Felder von Phasen und Neutralleiter auf, und der PE bleibt sauber. Mit dem zunehmenden Einsatz von Frequenzumrichtern jeder Grösse erhält der Vorteil von guten Kabeln immer mehr Gewicht. Die Empfehlung der EMV-Spezialisten für Neubauten ist also eindeutig.

… oder die Umrichter besser filtern

Durch den Einsatz von Netzdrosseln vor den Umrichtern könnte die Rückwirkung praktisch ganz eliminiert werden. Dies ändert zwar nichts an den Strompfaden, aber die Ableitströme werden dann wieder in den 50-Hz-Bereich verbannt.

Teure Folgen solcher Probleme

Unsere Netzverbraucher sind für 50 Hz gemacht. Übermässige Spannungsschwankungen höherer Frequenzen führen zu Vibrationen in Motoren und anderen magnetischen Komponenten sowie zu übermässigen kapazitiven Ableitströmen. Diese breiten sich über grosse Teile des Gebäudes aus und können folgende unerwarteten Wirkungen erzeugen:

• Pfeifende LED-Leuchten und USVs
• Kommunikationsstörungen / Busprobleme
• Unerklärliche Frühausfälle von Geräten
• Sporadische Fehlfunktionen

EMV ist keine «Black Magic»

Viele Elektromonteure, Planer oder Betriebselektriker erleben EMV noch immer als schwer verständliches Spezialgebiet. Natürlich existieren hochkomplexe EMV-Probleme, die sich teilweise über Jahre hinziehen. Doch zahlreiche Störungen lassen sich bereits mit vergleichsweise einfachen Mitteln sichtbar machen und systematisch eingrenzen. Entscheidend ist das Verständnis der physikalischen Zusammenhänge:

• Wo entstehen die Störströme?
• Wo fliessen sie zurück?
• Welche Leitungen werden unbeabsichtigt Teil des Systems?
• Wie weit kommt man durch das Ausschlussverfahren?
• Wie kann man es messen?

Viele EMV-Probleme entstehen durch Wechselwirkungen

«Für einen Menschen ist es unmöglich, das zu erlernen, was er bereits zu wissen meint.» Dieses Zitat des antiken Philosophen Epiktet trifft hier besonders zu. Oft reichen bereits wenige gezielte Messungen, um Zusammenhänge sichtbar zu machen und unnötige Fehlersuchen zu vermeiden. Das Wichtigste ist aber der Aufbau von Kompetenzen. Die Zeiten sind vorbei, als sich Elektromonteure «nur» mit 50 Hz auseinandersetzen mussten. Der Beruf ist komplexer geworden, und die Weiterbildung in diesem Bereich ist unverzichtbar.

Die meisten EMV-Probleme entstehen nicht durch einzelne «defekte Geräte», sondern durch Wechselwirkungen in Gesamtsystemen. Wer die grundlegenden Mechanismen versteht, erkennt Risiken oft bereits in der Planungs- oder Installationsphase. Und genau dort lassen sich die teuersten Überraschungen vermeiden.

Es wird nicht weniger

Der breitflächige Einsatz von Frequenzumrichtern – vom Smartphone-Ladegerät bis zur Windturbine – ist ein unverzichtbarer Begleiter auf dem Weg zu mehr Energieeffizienz und Dekarbonisierung. Geschichten wie diese hier zeigen: Eine gründliche Auseinandersetzung mit der elektromagnetischen Verträglichkeit ist für Fachkräfte im Elektrobereich von wegweisender Bedeutung. 

creafield.ch