Die Senkung des Primär-Energiebedarfs steht immer wieder im Mittelpunkt der Effizienzbetrachtung bei Produktionslinien. Im Sinne der bestmöglichen Nutzung elektrischer Energie wäre es wünschenswert, dass die Versorgungsspannung in allen drei Phasen neben konstanter Frequenz eine reine Sinusform sowie eine konstante und gleiche Amplitude aufweist. Dazu sollten alle Verbraucher am Netz einen gleichen sinusförmigen Strom mit gleicher Phasenlage wie die Netzspannungen beziehen. Soweit die Theorie. In der Praxis, sprich in den mit nichtlinearen Verbrauchern belasteten Versorgungsnetzen, ist die Situation heute allerdings eine andere: Hier ergeben sich viele Abweichungen von der idealen Netzform, die unter dem Begriff Netzrückwirkungen zusammengefasst sind.

Netzrückwirkung bezeichnet die gegenseitige Beeinflussung von Verbrauchern über das Verteilernetz und die Beeinflussung des Verteilernetzes durch eben diese Verbraucher. Denn die Stör­emission elektrischer Verbraucher wie etwa von Antrieben oder Energiesparlampen sowie Schaltnetzteilen beeinflusst Form, Höhe und Frequenz der Versorgungsspannung negativ. Bei Dreiphasensystemen kann sie darüber hinaus eine Veränderung der Spannungssymmetrie hervorrufen.

Damit haben die Netzrückwirkungen einen direkten Einfluss auf die Energie-Effizienz der gesamten Produktions­anlage sowie auf die Effizienz des elektrischen Energietransports im Versorgungsnetz. Denn unsymmetrische Belastung des Netzes, Blindleistung und Oberschwingungen verursachen Zusatzverluste, die in industriellen Niederspannungsnetzen zu deutlichen Kostensteigerungen führen können.

Die Ursachen für Netzverluste

Was heißt das nun in der Praxis? Entgegen der häufig anzutreffenden Annahme von Planern, Projektierern und Betreibern stellt das Energieversorgungsnetz keine ideale, unendlich starke Spannungsquelle dar. Vielmehr müssen sie bei der Netzbetrachtung und Anlagenplanung die Netzimpedanz berücksichtigen, die die Ursache für Netzverluste und Netzrückwirkungen darstellt.

Zwar treten Netzverluste in allen Spannungsebenen auf; mit über 60 % entstehen allerdings in Niederspannungsnetzen die höchsten Verluste des gesamten Energieversorgungsnetzes. Dabei sind nicht alle Verlustursachen in allen Bereichen von gleicher Bedeutung. Eine mögliche Einteilung der Ursachen unterscheidet lastabhängige von lastunabhängigen Netzverlusten. Die lastabhängigen Netzverluste lassen sich in ohmsche Verluste und Zusatzverluste unterteilen. Dagegen entstehen lastunabhängige Netzverluste oder Leerlaufverluste in Verteilnetzen durch Leerlaufverluste in Verteiltransformatoren und Verluste in Mess- und Sicherheitseinrichtungen.

Bild 1. Aufteilung der Netzverluste in einem Niederspannungsverteilnetz mit k als Zusatzverlustfaktor (siehe auch Bild 2).

© Danfoss

Die ohmschen, lastabhängigen Verluste (Belastungsverluste) im Niederspannungsnetz rufen Ströme einer symmetrischen Last in Phasenleitern mit der gleichen Phasenlage wie die der Netzspannungen hervor. Die Zusatz­verluste entstehen durch die Netzrückwirkungen einer unsymmetrischen beziehungsweise symmetrischen, nichtlinearen Last. Hauptverursacher dieser Zusatzverluste sind unsymmetrische Belastung, Blindleistungstransport und Oberschwingungen.

Für die Bewertung der Zusatzverluste durch unsymmetrische Belastung und Blindleistung kann der Planer/Betreiber den ohmschen Widerstandswert der Leitungen und Verteiltransformatoren verwenden. Der ohmsche Widerstandswert hängt im Wesentlichen von Leitermaterial, Querschnitt, Leitungslänge sowie Umgebungstemperatur ab.

Zur einfacheren Darstellung der Zusatznetzverluste durch Oberschwingungen können äquivalente ohmsche Widerstände zu Hilfe genommen werden. Jede Oberschwingung entspricht dabei einem ohmschen Widerstand. In der Praxis heißt dies, dass bei Berücksichtigung beispielweise aller Oberschwingungen bis zur 40. Ordnung, 39 äquivalente Widerstände zur Darstellung der Zusatznetzverluste durch Oberschwingungen mit in die Berechnung einfließen. Im Gegensatz zum physikalischen ohmschen Widerstand der Leitung sind die Werte dieser äquivalenten Widerstände nicht gleich, sondern sie variieren mit der Ordnung der Oberschwingung. Je höher die Ordnung, desto größer der Widerstandwert. Bild 1 verdeutlicht die Aufteilung der Netzverluste in einem Niederspannungsverteilnetz.

Elektrische Betriebsmittel (Verbraucher) belasten die Energieversorgungsnetze nicht nur durch ihren Wirkleistungsbedarf (in Bild 1 dargestellt durch den Widerstand R), sondern auch durch Inanspruchnahme von Blindleistung (dargestellt durch die Spule L). Im Fall eines Betriebsmittels mit nichtlinearer oder nichtstationärer Betriebs-Charakteristik, die als Paradebeispiel leitungsgebundener Vorgänge zu einer Verzerrung der sinusförmigen Netzspannung und der Verbraucherströme führt, belastet das Betriebsmittel das Netz darüber hinaus mit Oberschwingungen (dargestellt durch die Stromquelle Ik).

Die Übertragung von Wirkleistung ruft im Netz zwangsläufig ohmsche Verluste hervor. Diese sind unvermeidlich und lassen sich kaum reduzieren. Der Transport von Blindleistung zum Verbraucher verursacht im Netz allerdings zusätzliche ohmsche Verluste, die aus Kostengründen unerwünscht sind, sowie zusätzliche Spannungsfälle, die eine versorgungsgerechte Spannungshaltung im Netz erschweren. Aus diesen Gründen erfassen die Energieversorger diese Blindleistung und stellen sie dem Kunden in Rechnung. So erzeugt beispielsweise ein Verbraucher mit einem cos φ von 0,7 ohmsche Wirkleistung und Zusatzverluste durch Blindleistung gleicher Höhe. Oder anders ausgedrückt: Ein Verbraucher mit cos φ von 0,7 verdoppelt die Netzverluste!

Netzunsymmetrie und Resonanzen

Unsymmetrien erhöhen die Strombelastung des Versorgungsnetzes und sorgen somit zusätzlich für Verluste. Sie entstehen durch ungleichmäßige Belastung der drei Außenleiter. Typische Beispiele unsymmetrischer Verbraucher sind Ein- und Zweiphasenlasten, bei denen der Anschluss zwischen Außenleiter und Neutralleiter beziehungsweise zwischen zwei Außenleitern erfolgt. Bei gleicher Verbraucherleistung können die Leiterströme den zwei- bis dreifachen Wert erreichen, die Verluste in den Zuleitungen den zwei- bis sechsfachen Wert. Dementsprechend lassen sich Leitungen und Transformatoren nur zur Hälfte beziehungsweise zu einem Drittel ihrer Nennleistung auslasten. Bei gleicher Leistungsaufnahme erfordern Unsymmetrien also eine wesentlich größere Auslegung dieser Komponenten im Netz, was höhere Kosten zur Folge hat. Als Kenngroße von Unsymmetrien dient der Unsymmetriegrad der Spannung und des Stromes.

Weitere Kosten entstehen durch Resonanzerscheinungen in der Anlage. Die Belastung des Netzes mit Oberschwingungen führt nicht nur die zusätzlichen Verluste im Netz herbei, sondern bewirkt die Verzerrung der Sinusform der Versorgungsspannung. In besonderen Fällen kann der Zusammenschluss von Netzelementen (Transformatoren, Kabel, Netzleitung) mit induktiven und kapazitiven Lasten zu Resonanzerscheinungen führen, die dann die störende Wirkung der verzerrten Spannung weiter verstärken. Eine zusätzliche Verstärkung des Rückwirkungseffekts tritt ein, wenn dem störenden Verbraucher Kapazitäten zur Blindleistungskompensation parallel geschaltet sind. Diese bilden zusammen mit der Netzreaktanz einen Sperrkreis mit verminderter Resonanzfrequenz. Im Sperrkreis treten im Resonanzfall nicht nur Spannungsüberhöhungen auf, sondern auch sehr große Schwingkreisströme. Diese können – bedingt durch die Kompensationskondensatoren – in das Netz fließen und rufen weitere Verluste im Versorgungsnetz durch die Resonanz­erscheinungen hervor.

Die Bewertung der Oberschwingungsströme erfolgt durch den Gesamt­oberschwingungsgehalt THDi (Total Harmonic Distortion) beziehungsweise den Gesamtverzerrungsfaktor – wie in der EN 61000-2-2 bezeichnet. Diese Werte umfassen in vielen Fällen die Harmonischen bis zur 40. Ordnung, häufiger noch bis zur 50. Ordnung. Allerdings ist der zusätzliche Beitrag der Harmonischen der Ordnung 41 bis 50 eher gering, sieht man von Resonanz­erscheinungen ab.