SPS-Ausfälle ohne Fehlercode: Spannungseinbrüche als Ursache finden

Spannungseinbruch nach DIN EN 50160: unter 90 Prozent, 10 ms bis 1 min

Die Linie steht, die SPS ist neu gestartet, der Frequenzumrichter meldet Unterspannung im Zwischenkreis, nach dem Quittieren läuft alles wieder. Solche SPS-Ausfälle ohne Fehlercode, der die Ursache benennt, können auf kurze Netzstörungen zurückgehen. Die Meldungen beschreiben das Symptom, nicht die Herkunft. Laut dem Messgerätehersteller Janitza kommen Spannungseinbrüche relativ häufig vor und werden nicht immer erkannt.

Nach DIN EN 50160 beginnt ein Spannungseinbruch, sobald der Effektivwert unter 90 Prozent der Bezugsspannung fällt. Er dauert von 10 ms bis einschließlich einer Minute. Unter 5 Prozent liegt eine Versorgungsunterbrechung vor, bis einschließlich drei Minuten gilt sie als kurz. Der Leitfaden von BDEW und VDE FNN vom 27. November 2025 ordnet Ereignisse bis zu einer Sekunde den Spannungseinbrüchen zu, längere bis drei Minuten den Kurzunterbrechungen.

Für Statistiken teilt die Norm Einbrüche nach Restspannung in die Bänder 90 bis 80, 80 bis 70, 70 bis 40 und 40 bis 5 Prozent ein, nach Dauer in 10 bis 200 ms, 200 bis 500 ms, 500 ms bis 1 s, 1 bis 5 s und 5 bis 60 s. Der Leitfaden empfiehlt, Ereignisse systematisch nach dieser Klassifizierung zu erfassen.

Laut Janitza entstehen etwa 75 Prozent der Spannungseinbrüche im Mittelspannungsnetz, die meisten durch Kurzschlüsse. Bis der Schutz abschaltet, bricht die Spannung trichterförmig um die Fehlerstelle ein und trifft viele Anschlüsse zugleich. In der eigenen Anlage wirken Einschaltströme von Motoren, Kondensatoren und Aufzügen sowie Schweißströme.

Die Dauer bestimmt der Netzschutz. Nach einem Hinweis des VDE FNN von 2016 nehmen alle Kunden eines Mittelspannungsnetzes einen Kurzschluss auf einem Strang in der Regel 0,2 bis 1 s lang als Einbruch wahr, in Einzelfällen bis 3 s. Bei einer automatischen Wiedereinschaltung spüren Anlagen an der betroffenen Leitung den Vorgang üblicherweise 500 ms lang, Anschlüsse an Nachbarleitungen rund 100 ms.

Wie oft das passiert, hängt vom Standort ab. Der Leitfaden nennt für die Niederspannung einige 10 bis 100 Spannungseinbrüche und einige 10 bis mehrere 100 kurze Unterbrechungen pro Jahr. Im SAIDI-Wert der Bundesnetzagentur, zuletzt 11,7 Minuten für 2024, fehlen sie, weil er nur Unterbrechungen über drei Minuten zählt.

Störfestigkeit nach DIN EN 61000-6-2: Wann ein Ausfall normkonform ist

Die Empfindlichkeit erklärt der Leitfaden mit der Gerätetechnik: Moderne leistungselektronische Geräte verzichten zunehmend auf Transformatoren und große Glättungskondensatoren und speichern daher weniger Energie. So können schon Einbrüche im Millisekundenbereich den Betrieb beeinträchtigen. Janitza nennt Computersysteme, SPS-Anlagen, Relais und Frequenzumrichter als Geräte, die dabei ausfallen können.

Für Industriegeräte legt DIN EN 61000-6-2 die Prüfpegel fest, geprüft wird nach DIN EN 61000-4-11 bis 16 A je Leiter oder nach DIN EN 61000-4-34 darüber. Einen Totalausfall von einer Periode muss das Gerät ohne Änderung des Betriebszustands überstehen. Bei 40 Prozent Restspannung für 200 ms, 70 Prozent für 500 ms und einer Unterbrechung von 5 s gilt Bewertungskriterium C.

Kriterium C erlaubt einen vorübergehenden Funktionsverlust, wenn sich das Gerät selbst erholt oder per Bedienung wieder anläuft. Ein Steuerungsneustart nach 200 ms auf 40 Prozent kann also normkonform sein. Der Leitfaden hält fest, dass Normen Störfestigkeit gegen tiefe Einbrüche nur bis 10 ms bei IT-Produkten und 20 ms bei sonstigen Geräten fordern und eine CE-Kennzeichnung allein nicht ausreicht.

Nicht immer versagt das Gerät selbst. Laut Leitfaden sprechen bei Einbrüchen unter Umständen eingebaute Spannungsüberwachungen an, und falsch eingestellte Schutzparameter führen zu vermeidbaren Abschaltungen. Geräte sollten deshalb nicht ungeprüft mit Werkseinstellung in Betrieb gehen; wichtig ist auch, nach welcher Norm und mit welchen Parametern sie geprüft wurden. In einem Praxisbeispiel des VDE FNN erhielten Frequenzumrichter, die zuvor mit Standardparametern liefen, festgelegte Spannungsanforderungsprofile.

Manche Branchen gehen weiter. SEMI legt für Halbleiteranlagen Restspannungen fest, die ohne Ausfall zu überstehen sind; laut VDE FNN entsprechen sie zwischen 200 und 500 ms der DIN EN 61000-6-2 und reichen über 500 ms hinaus. Nach der ITIC-Kurve für IT-Geräte an 120-V-Netzen mit 60 Hz sollen Aussetzer bis 20 ms folgenlos bleiben. Die nach EN 50160 möglichen Einbrüche sind laut European Copper Institute weit schärfer, als die Störfestigkeit der meisten Geräte abdeckt.

Oberschwingungen, Transienten und TN-C als weitere Störquellen

Nicht jeder sporadische Maschinenstillstand ist ein Einbruch. Oberschwingungen entstehen unter anderem durch Gleichrichter, Frequenzumrichter und Wechselrichter und verzerren die Sinusform der Spannung. DIN EN 50160 legt für den Gesamtoberschwingungsgehalt THD der Versorgungsspannung höchstens 8 Prozent fest, gerechnet bis zur 40. Ordnung. Stromrichter bei Endkunden verursachen laut Leitfaden zudem Kommutierungseinbrüche im Bereich weniger Millisekunden.

Die dritte Harmonische hebt sich im Drehstromsystem nicht auf, sondern addiert sich im Neutralleiter. Ist dieser nur für den Normalbetrieb bemessen, kann das zu Problemen führen. Spannungsunsymmetrien durch einphasig angeschlossene leistungsstarke Verbraucher oder Erzeuger können laut Leitfaden Motoren überhitzen.

Transiente Überspannungen dauern wenige Millisekunden oder kürzer, ihre Anstiegszeit reicht von unter einer Mikrosekunde bis zu wenigen Millisekunden. Neben Blitzen erzeugen Schalthandlungen solche Spitzen, etwa beim Schalten von Motoren. Schaltüberspannungen sind laut Leitfaden weniger hoch als Blitzüberspannungen, dauern aber länger, tragen mehr Energie und sind für elektrische und elektronische Geräte gefährlicher.

Auch die Netzform zählt. Vagabundierende Ströme sind Teilströme des Betriebsstroms, die außerhalb des vorgesehenen Stromkreises fließen, etwa über Erdungs- und Potentialausgleichsleiter. Anfällig sind vor allem TN-C-, aber auch TN-C-S-Systeme, weil Neutral- und Erdungsleiter dort nicht durchgängig getrennt geführt sind. Folgen können eingekoppelte Störfelder, Korrosion und abbrennende Schirme von Signalleitungen sein. Der Leitfaden rät zu vollständigem Potentialausgleich und ausschließlich TN-S-Netzen.

Zur Gegenprobe gehört die eigene Anlage. Als Störungsursachen in Kundenanlagen nennt der Leitfaden unter anderem fehlerhafte Bauteile, Montagefehler, nicht bedarfsgerecht geplante Anlagen mit hohen Einschaltströmen und plötzlichen Lastabwurf durch defekte Geräte.

Diagnose: Klasse-A-Logger nach DIN EN 61000-4-30 an zwei Messpunkten

Der Leitfaden beschreibt vier Schritte: Störungsdaten erfassen, die Daten von Netzbetreiber und Netzkunde abgleichen, bei Bedarf zeitgleich messen und das weitere Vorgehen abstimmen. Zu jedem Stillstand gehören Ort, Datum, Uhrzeit und betroffene Geräte. Einbrüche sollen möglichst als digitale Messreihe dokumentiert werden, damit sich Dauer, Tiefe und ausgefallenes Betriebsmittel zuordnen lassen.

Gemessen wird zeitgleich am Kundenanschluss auf Netzspannungsebene und auf der Spannungsebene der gestörten Verbraucher. DIN EN 61000-4-30 kennt die Messklassen A, S und B. Klasse A ist laut European Copper Institute für präzise Messungen gedacht, etwa für vertragliche Anwendungen und Streitfälle: Zwei Klasse-A-Geräte liefern am selben Signal übereinstimmende Ergebnisse innerhalb der festgelegten Unsicherheit.

Zeigen Einspeisung und Maschine denselben Einbruch, kommt er aus dem vorgelagerten Netz oder von einer Last, die den ganzen Anschluss belastet. Sieht nur die Maschinenmessung einen tiefen Einbruch, liegt die Ursache eher in der eigenen Verteilung. Janitza beschreibt dieses Muster beim Motoranlauf: kleiner Einbruch am Niederspannungsverteiler, größerer hinter der zusätzlichen Leitungsimpedanz.

Um die Ursache zu finden, müssen die Uhren von Messgerät, Steuerung und Leitsystem synchron laufen. Für den Messzeitraum nennt der Leitfaden mit Verweis auf DIN EN 50160 einen Produktionszyklus. Bei seltenen Stillständen sollte der Logger laufen, bis mehrere Ausfälle mit Messwerten und Schichtbuch-Einträgen verglichen werden können.

Parallel lohnt die Anfrage beim Verteilnetzbetreiber: Einbrüche im Hoch- und Mittelspannungsnetz registriert die Netzleitstelle unmittelbar, das Niederspannungsnetz ist in der Regel nicht fernüberwacht. Gab es zu den Zeitpunkten Netzereignisse oder Beschwerden anderer Kunden? Für Gutachten schlägt der Leitfaden eine Vereinbarung vorab vor: Liegt der Fehler in der Kundenanlage, zahlt der Kunde, sonst der Netzbetreiber.

Gegenmaßnahmen: 24-V-Puffer, Parameter und USV nach IEC 62040-3

Die passende Maßnahme richtet sich nach der Ereignisdauer. Der Leitfaden ordnet zu: Unter 500 ms helfen Netzteile mit geräteinterner Pufferung, von 0,5 s bis 30 min dynamische USV ab 200 kVA für 0 bis 15 s oder USV-Anlagen von 5 bis 200 kVA für 0 bis 15 min. Längere Ausfälle deckt ein Ersatzstromaggregat ab.

Für die 24-V-Steuerspannung heißt das: Kondensator-Puffermodule oder batteriegestützte DC-USV halten die SPS über den Einbruch; wie lange, hängt vom Laststrom ab und steht im Datenblatt. Neben der SPS lassen sich laut Leitfaden auch sensible Sensoren und Aktoren puffern. Oft helfen außerdem Totzeiten, Umschaltungen oder Wiederanlaufprozeduren in der Leittechnik.

Parameter helfen, Ausfälle zu vermeiden. Für Unterspannungsauslösungen nennt der Leitfaden 150 bis 200 ms Verzögerung als oft ausreichend, abhängig von der Ursache; die Anlagensicherheit darf dadurch nicht gefährdet werden. Schutzeinstellungen an der Übergabestelle und nachgeschaltete USV-Anlagen müssen zusammenpassen, damit entweder der Leistungsschalter am Netz bleibt oder die USV übernimmt.

Für SPS und Leitsysteme empfiehlt der Leitfaden eine USV. IEC 62040-3 unterscheidet VFI mit netzunabhängigem Ausgang, VI mit ausgeregelter Spannung bei netzabhängiger Frequenz und VFD, deren Ausgang dem Netz folgt. Laut VDE FNN ist es grundsätzlich kostengünstiger, nur sensible Bereiche mit USV auszurüsten. Wer Antriebe nach Netzwiederkehr automatisch anlaufen lässt, muss mögliche Gefährdungen vorher bewerten.

Anlagenweit nennt der Leitfaden Dynamic Voltage Restorer, aktive Filter oder einen Anschluss mit höherer Kurzschlussleistung. Mehr Kurzschlussleistung hilft laut VDE FNN bei entfernten Fehlern, nicht aber bei Fehlern auf der direkten Zuleitung oder im vorgelagerten Netz, und ist mit hohen Kosten verbunden. Die Kosten lassen sich laut Leitfaden nicht pauschal abschätzen; er empfiehlt eine Risikomatrix aus Häufigkeit, Dauer und Schaden.

Rechenbeispiel mit Annahmen: 6 stillstandsrelevante Ereignisse pro Jahr zu je 3.500 Euro Ausschuss und Anlaufzeit ergeben 21.000 Euro. Verhindert eine Lösung für 40.000 Euro 80 Prozent davon, spart sie 16.800 Euro jährlich und amortisiert sich rechnerisch in knapp 2,4 Jahren. Für Planung, Messung und Abhilfe verweist der Leitfaden auf Power-Quality-Experten, etwa über den ZVEI oder das Register des BDEW.