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. 

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.

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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.

Die Normenlage

Power Quality and Energy Measurement (PEM) und Differenzstromüberwachung (Residual Current Monitoring, RCM) im Vergleich.

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Normativ werden diese Phänomene und deren Auswirkungen bereits behandelt. So verlangt beispielsweise die DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2010-10 eine Überlasterfassung für den Neutralleiter, wenn eine übermäßige Belastung durch Oberschwingungen zu erwarten ist. Werden die Empfehlungen der zitierten Norm umgesetzt, lassen sich Zerstörungen des Neutralleiters durch rechtzeitiges Auslösen des Schutzorgans verhindern. In der Praxis erfolgt damit jedoch nur eine Verlagerung des Problems in einen anderen Bereich: Die Brandgefahr sowie das Risiko einer Zerstörung des Neutralleiters werden durch Abschaltung aufgehoben. So ist der Betrieb der elektrischen Anlage zwar sicherer, die Verfügbarkeit jedoch nimmt durch häufige Ausfallzeiten ab.

Abhilfe schafft hier etwa eine Überwachung mit ‚Power Quality and Energy Measurement‘ (PEM) von Bender. Durch die permanente Überwachung der Netzqualität werden potenziell gefährliche Situationen frühzeitig erkannt und gemeldet, was ausreichend Zeit schafft, Abhilfemaßnahmen zu ergreifen, ohne Betriebsmittel oder die ganze Anlage abschalten zu müssen. Beim Beispiel des überwachten Neutralleiters können im Falle einer Überlastung über Schaltsignale weniger relevante Verbraucher abgeschaltet werden, bevor durch die Auslösung des Schutzorgans die gesamte Versorgung unterbrochen wird.

Auslösen von Schutzorganen verhindern

Durch eine Differenzstromüberwachung lassen sich Verschlechterungen des Isolationsniveaus einer Anlage oder bestimmter Anlagenteile erkennen, bevor ein hoher Fehlerstrom das Auslösen von Schutzorganen bewirkt. Dieser Zeitgewinn macht Gegenmaßnahmen möglich. Analog kann durch ‚Power Quality Monitoring‘ von Bender beispielsweise durch Aufspüren von Oberschwingungen eine Gefährdung der Anlage bereits frühzeitig erkannt werden, bevor das Schutzorgan auslöst.

‚Power Quality Monitoring‘ bietet für das nach DIN EN ISO 50001 geforderte Energiemanagement die Grundlage: Dieselbe Messstelle, die die Netzqualität überprüft, ist gleichzeitig auch ein Energiezähler. So lässt sich mit einem Gerät eine zweite wichtige Funktion übernehmen: die Abbildung des Energieverbrauchs je Kos­tenstelle. So werden hohe allgemeine Strom-kosten vermeidbar. Gleichzeitig lässt sich die Wirkung der eingeleiteten Maßnahmen zur Verbesserung der Netzqualität beziehungsweise zur Kostensenkung durch ‚Power Quality Monitoring‘ aus dem jeweils anderen Blickwinkel betrachten: Wie viel Energie ‚schlucken‘ umgesetzte Maßnahmen gegen Netzrückwirkungen? Welche Auswirkungen haben Energiesparmaßnahmen auf die Qualität des Stromnetzes?

Passend skaliert

In einer komplexen Anlage ist Granularität essentiell. Daher bietet Bender Geräte für unterschiedliche Aufgaben an; für das Energiemanagement ist eine kostenstellenspezifische Betrachtung unabdingbar, während für ‚Power Quality Monitoring‘ einzelne Fehler nur dann genau lokalisierbar sind, wenn der überwachte Netzbereich deutlich eingrenzbar ist.

Die digitalen Universalmess­geräte von Bender ‚Linetraxx PEM735‘, ‚PEM575‘ und ‚PEM353‘ erfassen ­elektrische Größen eines Elektrizitätsversorgungsnetzes und zeigen sie an.

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Ein Szenario könnte etwa folgendermaßen aussehen: An der Einspeisung überwacht ein ‚PEM735‘ die Spannungsqualität der Versorgung nach DIN EN 50160. Transienten, Flicker, Oberschwingungsanteile werden erfasst und Kurvenverläufe hochauflösend mitgeschrieben. Abgänge in der Niederspannungshauptverteilung (NSHV) werden durch ‚PEM575‘-Netzanalysatoren überwacht. Die Abtastrate liegt bei 12,8 kHz, wodurch auftretende Ereignisse in den mitgeschriebenen Kurvenverläufen sehr gut erkennbar sind. Energiezähler können durch ‚PEM353‘-Universalmessgeräte ersetzt werden. Auf diese Weise lässt sich die Grundlage für ein Energiemanagementsystem nach DIN EN ISO 50001 bilden, hohe allgemeine Stromkosten werden vermieden. Darüber hinaus bietet ein PEM353 Informationen über den Gesamtoberschwingungsgehalt des überwachten Anlagenteils.

Ein derartiger Aufbau des Monitoring Systems ermöglicht eine schnelle und unkomplizierte Analyse und Lokalisierung, sollten ‚Power Quality‘-Phänomene auftreten und die Verfügbarkeit der Anlage gefährdet sein. Alle Messdaten werden an zentraler Stelle gesammelt, gefiltert und ausgewertet. Um diese Menge an Informationen zielgruppenorientiert darzustellen, bietet Bender zum Beispiel den ‚Condition Monitor CP700‘ an.

Der Artikel entstand nach Unterlagen der Firma Bender, Grünberg.