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Energiemanagement: Netzqualität sytematisch überwacht

Nicht-lineare Betriebsmittel wie Frequenzumrichter, Schaltnetzteile, USV-Anlagen oder elektronische Vorschaltgeräte sind häufig Ursache von Netzstörungen in Stromversorgungsnetzen. Mit welchen Mitteln lässt sich die Netzqualität systematisch überwachen?

Energiemanagement Bildquelle: © Fotolia, urbans78

Nicht-lineare Betriebsmittel verzerren die typische Sinus-Kurve des Stroms und beaufschlagen ihn mit unterschiedlichen Frequenzen, sodass der Strom ‚verschmutzt‘. Die sich daraus ergebenden Netzrückwirkungen können auch benachbarte Verbraucher in ihrem Betrieb auf unterschiedliche Weise stören – dies reicht von eingeschränkter Funktionalität oder verkürzter Lebensdauer der Geräte über erhöhten Energieverbrauch von Antrieben bis hin zum Netzausfall oder zu Brandgefahr im Leitungsnetz. 

Grafiken zum Stromverlauf Bildquelle: © Bender

Oben: Stark verzerrter Stromverlauf (angelehnt an typischen Stromverlauf einer Energiesparlampe). Mitte: Zerlegung des Signals in die harmonischen Anteile (bis zur 7. Oberschwingung). Unten: Oberschwingungsspektrum des Signals.

Auch klassische Verbraucher können Qualitätsprobleme im Stromversorgungsnetz verursachen – die häufigsten Probleme entstehen jedoch durch Oberschwingungsanteile im Betriebsstrom elektronischer Geräte. Neben Oberschwingungen gibt es weitere Schadensphänomene:

  • Werden Geräte genutzt, die kurzfristig eine besonders hohe Spannung erfordern (beispielsweise industrielle Schweißanlagen, Lichtbogenöfen oder Antriebe mit stoßartiger Belastung), kann dies zu Lichtschwankungen führen, sogenannten Flickern. Sie sind in erster Linie nur störend, können aber beim Menschen zu schnellerer Ermüdung oder Schwindel führen.
  • Bestimmte industrielle Maschinen und Anlagen weisen oft starke Lastschwankungen auf. Werden diese an Netzen mit geringer Kurzschlussleistung betrieben, besteht die Gefahr von Spannungsschwankungen. Selbst wenn diese nur einige Millisekunden andauern und damit für den Menschen kaum wahrnehmbar sind, stellen sie für elektrische Verbraucher eine Belastung dar.
  • Große Antriebsmotoren in der Industrie anlaufen zu lassen, erfordert hohe Anlaufströme – insbesondere dann, wenn sie unter hoher Last anlaufen müssen. Dabei kann der Spannungseffektivwert kurzzeitig um bis zu 90 % der Nennspannung zurückgehen.
  • Blitzeinschlag oder Kurzschluss sind häufige Ursachen für Schäden in Form von Transienten. Sie dauern in der Regel nur wenige Millisekunden und sorgen dabei für Überspannungen mit Spannungsspitzen von einigen kV.
  • Die ungleiche Verteilung einphasiger Verbraucher sowie der Betrieb zweiphasiger Verbraucher können in einer unsymmetrischen Belastung der Transformatoren resultieren. Die Wirklast der Verbraucher ist dabei für ungleichmäßige Phasenspannungen verantwortlich. 

Bei Oberschwingungen handelt es sich um sinusförmige Anteile, die die Grundschwingung der Spannung oder des Stroms überlagern. Sie entstehen durch nicht lineare Verbraucher im Netz. Das Verhältnis von Oberschwingungsfrequenz zur Netzfrequenz kennzeichnet die Ordnungszahl h. Hohe Oberschwingungsanteile im Betriebsstrom können eine Überlastung von Kabel- und Leitungsanlagen verursachen: Typischerweise treten bei vielen elektronischen Geräten Oberschwingungen dritter Ordnung verstärkt auf. Diese (und alle weiteren 3n-Harmonischen, also Vielfachen von 3) addieren sich im Neutralleiter. Im Extremfall kann der resultierende Strom im Neutralleiter größer werden als die einzelnen Außenleiterströme. Eine unbemerkte Überlastung des Neutralleiters ist somit die Folge und es entsteht Brandgefahr.