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Betriebssicherheit im Stromnetz

Eine der wichtigsten Umgebungsbedingungen für den reibungslosen Betrieb von elektrischen Anlagen ist eine ausreichende Qualität der Versorgungsspannung. Störungen und Einflüsse die durch Einschaltvorgänge, Anlaufströme, Dimmer, Schaltnetzteile, Frequenzregler usw. verursacht werden, gefährden Geräte und Systeme in ihrer Betriebssicherheit.
1. Grundlagen der Netzqualität
Ein wesentlicher Bereich der Störungen und Einflüsse der Netzspannung stellen Netzrückwirkungen dar. Sie ergeben sich, wenn Betriebsmittel mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Kennlinie oder mit nichtstationärem Betriebsverhalten (Ein- und Ausschaltvorgänge) an einem Stromnetz betrieben werden.
Die Problematik der Netzrückwirkungen gewinnt durch den vermehrten Einsatz von Leistungselektronik mit vermehrter Störaussendung einerseits und durch die Reduzierung der Signalpegel und damit der erhöhten Störempfindlichkeit in elektronischen Geräten andererseits immer mehr an Bedeutung. Dabei können elektronische Steuergeräte sowohl als Störaussender als auch als Störempfänger arbeiten. Die einzelnen Phänomene der Netzrückwirkung werden folgendermaßen definiert:
  • Oberwellen/Oberschwingungen: Sinusförmige Schwingungen, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz ist.
  • Zwischenharmonische: Sinusförmige Schwingung, deren Frequenz kein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz ist.
  • Flicker: Subjektiver Eindruck von Leuchtdichteschwankungen von Glühlampen und Leuchtstofflampen.
  • Spannungsänderung: Änderung des Effektivwertes der Spannung.
  • Spannungsänderungsverlauf: Zeitfunktion der Differenz zwischen dem Effektivwert der Spannung zu Beginn der Spannungsänderung und den nachfolgenden Effektivwerten.
  • Spannungsschwankung: Folge von Spannungsänderungen oder Spannungsverläufen.
  • Spannungsunsymmetrie: Abweichung der drei Spannungen des Drehstromsystems in ihrer Amplitude bzw. Abweichung von der Phasendifferenz 120°.
1.1 Was sind Oberschwingungen
Oberwellen oder Oberschwingungen entstehen durch Betriebsmittel mit nichtlinearer Kennlinie wie etwa Transformatoren, Leuchtstofflampen sowie leistungselektronische Betriebsmittel wie Gleichrichter, Triacs, Thyristoren usw. Weiterhin entstehen Oberwellen in Schaltnetzteilen in Fernsehgeräten, Computer, Halogenbeleuchtungen usw. die mit zunehmendem Einsatz betrieben werden. Die nichtsinusförmigen Ströme dieser Verbraucher verursachen an der Netzimpedanz einen Spannungsfall, der die Netznennspannung verzerrt.
Oberwellen sind zusätzliche Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der Grundwelle mit 50 Hz sind. Abbildung 1 zeigt beispielhaft die Auflösung einer durch Oberwellen verzerrten Signalkurve in die Grundwelle sowie in die 3. harmonische Oberwelle.
1.2 Auswirkung von Oberschwingungen
Betriebsmittel können durch Oberschwingungen, aber auch durch andere Netzrückwirkungen so beeinflusst werden, dass die ordnungsgemäße Funktion beeinträchtigt oder das Betriebsmittel zerstört wird.
Schaltnetzteile reagieren beispielsweise im Falle von Kurzzeitunterbrechungen mit extrem hohen Einschaltspitzen, die das 20fache der Nennlast erreichen können. Werden diese einphasigen Verbraucher in einem Dreiphasen-Wechselstromsystem eingesetzt, fließt der volle Rückleiterstrom auch über den Sternpunkt des Transformators zurück. Werden viele Schaltnetzteile in einem System eingesetzt, heben sich die Rückleiterströme nicht mehr auf, sondern addieren sich. Es kommt zu einer sogenannten Sternpunktverschiebung.
Die Auswirkungen von Oberschwingungen sind:
  • Bei Dreh- oder Wechselstrommotoren und -generatoren führen Stromoberschwingungen zu zusätzlicher Erwärmung. 
  • Oberschwingungen verkürzen durch Erhöhen der Glühfadentemperatur die Lebensdauer von Glühlampen. 
  • Bei Leuchtstofflampen können Oberschwingungen zu störenden Geräuschen führen und Kondensatoren die zur Kompensation von Leuchtstofflampen eingesetzt werden, können überlastet werden.
  • Eine Kompensationsanlage bildet zusammen mit den reaktiven Netzimpedanzen einen Reihenschwingkreis. Liegt die Eigenresonanz dieses Schwingkreises in der Nähe einer vorhandenen Netzoberschwingung, so sind resonanzbedingte Anhebungen der Oberschwingungsspannungen zu erwarten. Beim Auftreten einer Resonanz erhöht sich der Effektivwert der Netzspannung nur geringfügig, der Effektivwert des Kondensatorstroms jedoch erheblich. Ist die Strombelastbarkeit der Kompensationsanlage nicht ausreichend dimensioniert, so führt dies zur Zerstörung der Kondensatoren.
  • Als Effekte von Oberschwingungen kann die Verschiebung der Nulldurchgänge und das Auftreten von Mehrfachnulldurchgängen auftreten. Diese Effekte können in elektronischen Betriebsmittel die Nulldurchgänge der Spannung erkennen müssen, also z.B. Steuerung von Stromrichter, Synchronisiereinrichtungen und Parallelschaltgeräte, zu Fehlfunktionen führen.
  • Rundsteuerempfänger können durch Oberschwingungen in ihrer Funktion beeinträchtigt werden.
  • Der Einfluss von Oberschwingungen kann Schutzgeräte wie Distanzschutz, Überstromschutz, Differentialschutz usw. beeinflussen und ist stark abhängig vom Aufbau und der Wirkungsweise der Schutzgeräte.
  • Bei Induktionszähler ist der Einfluss von Oberschwingungen auf die Genauigkeit erheblich.
  • Störungen der energietechnischen und informationstechnischen Betriebsmittel können zu Folgeschäden durch unkontrolliertes Abschalten von Betriebsmitteln und Produktionsprozessen in industrielle Anlagen führen.
  • Bei kleinen Abständen zwischen Freileitungen und Telefonleitungen kann die Sprachübertragung gestört werden. Hier sind die Oberschwingungen der 20. bis 30. Ordnung besonders zu beachten.
  • Bei symmetrischer Belastung eines Dreiphasennetzes ist die Summe der Außenleiterströme gleich null.
  • Bei Oberschwingungen der 3. harmonischen Oberwelle heben sich die Phasenströme selbst bei symmetrischer Belastung nicht auf, sondern addieren sich und fließen in Summe über den Neutralleiter zu den Erzeugern zurück. Werden in einem Netz viele Geräte betrieben, von denen die 3. Oberschwingung erzeugt wird, dann kann sich daraus eine erhebliche Strombelastung des Neutralleiters ergeben. Durch Oberschwingungen verursachte Neutralleiterströme insbesondere in TN-C Netzen vagabundieren im gesamten Potential-Ausgleich-System über Wasser- und Heizungsrohre, Sprinkleranlagen, Erdungssysteme, Schirme von Datenleitungen, Videoleitungen, Kommunikationssysteme und können an Rohrleitungen zu erhöhter Korrosion bzw. Lochfraß führen.
  • Bei IT-Anlagen können Oberschwingungen zu Systemabstürzen an Personal Computern, Schnittstellendefekte, Performanceverluste, Baugruppenausfälle, Datenprobleme und Betriebsausfälle sowie magnetische Felder die zu Bildschirmflackern führen.

2. Oberschwingungen durch Messungen nachweisen

Eine einfache Methode zur Bestimmung einzelner Oberschwingungen ist das Messen mit einem modernen hochleistungsfähigen Netzanalysator. Dabei können einzelne Oberschwingungen aus dem gemessenen Signal herausgefiltert und graphisch dargestellt werden.

3. Anforderungen an die Netzqualität
Die Anforderung an die Netzqualität wird in der Norm EN 50160 ‘Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen’ beschrieben. Zweck dieser Norm ist die Festlegung und Beschreibung der Merkmale der Versorgungsspannung hinsichtlich Frequenz, Höhe, Kurvenform und Symmetrie der drei Leiterspannungen. Diese Merkmale ändern sich während des Normalbetriebes eines Netzes durch Lastschwankungen, Störeinflüsse von bestimmten Anlagen und das Auftreten von Fehlern, die vorwiegend durch äußere Ereignisse verursacht werden.
In der Norm EN 50160 werden unter anderem die Werte der einzelnen Oberschwingungsspannungen (uh) an der Übergabestelle bis zur 25. Ordnung in Prozent der Netznennspannung (Un) beschrieben.
4. Gegenmaßnahmen bei Oberschwingungen – Verbesserungen der Netzqualität 
Vermeidung:
Die einfachste Art der Verbesserung der Netzqualität ist das Vermeiden von Störungen. 
Die gesetzliche Grundlage dafür, liefert der Gesetzgeber in der CE Richtlinie 2004/108/EWG Elektromagnetische Verträglichkeit.
Die Norm DIN EN 61000-3-2 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beschreibt die Grenzwerte für Oberschwingungsströme für Betriebsmittel mit einem Geräte-Eingangsstrom von ≤ 16 A je Leiter.
Hier ist darauf zu achten dass Betriebsmittel eingesetzt werden, die mit einem gesetzlich vorgeschriebenen CE Zeichen gekennzeichnet sind. Bei Neukonstruktion von Betriebsmitteln ist auf ein EMV-verträgliches Schaltungsdesign zu achten und im Falle von voraussichtlichen Netzrückwirkungen entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Stromnetzeigenschaften:
Durch eine Verringerung der Netzimpedanz wäre eine Reduktion der Oberschwingungen möglich. Jedoch ist es generell nicht möglich eine Netzimpedanz zu verringern, um damit die Kurzschlussleistung des Netzes beliebig zu erhöhen. Hier sind wirtschaftliche und technische Grenzen maßgebend.
In der Praxis wurden harmonische Oberschwingungen festgestellt, die die zulässigen Grenzwerte überschreiten. 
Welche Möglichkeiten gibt es nun zur Verbesserung der Netzqualität?
(Quelle: http://www.energie.ch/harmonische-oberschwingungen-netzqualitaet )
Die Lösung:
Durch die Differenz und der definierten gleichmäßigen Ausgangsspannung erzeugt der Spezialtransformator ein Magnetfeld, welches Netzrückwirkungen nicht linearer induktiver Verbraucher auffängt und als nutzbare Energie zurück an die Verbraucher gibt. Die Netzrückwirkungen durch Oberwellen, Flicker usw., (z.B. erzeugt durch Frequenzumrichter und Lastwechsel )werden zu nutzbarer Energie aufgearbeitet und als Wirkleistung in Ihrem Unternehmen wieder zur Verfügung gestellt.
Die Folge:

Bereits aufgenommene und bezahlte Wirkleistung muss nicht neu aus dem Netz aufgenommen werden.



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