Büro für Stromversorgung, Maschinen und Thermografie

Netzparameter - Parameter elektrischer Netze

Oberschwingungen (harmonisch/interharmonisch)

• OS sind periodische Verzerrungen des Sinussignals (U, I oder P), sie werden durch nichtlineare Lasten verursacht und entstehen auch dort. OS fließen in Richtung Transformator, wenn man so will „stromaufwärts“.
  Nichtlineare Komponenten sind z.B. Bauteile wie Tyristoren, Varistoren, Dioden. Eingebaut u.a. in Gleichstromversorgungen (Schaltnetzteile), Computern, elektron. Vorschaltgeräten (EVG) und Dimmern/Gleichstromsteller, sowie Stromrichter und Frequenzumrichter in Motorantrieben mit regelbarer Drehzahl.

• Oberschwingungsströme haben ähnliche Eigenschaften wie Blindströme. Sie erhöhen den Gesamtstrom - damit die Netzbelastung - ohne eine effektiv am Verbraucher wirksamen Leistung zu bewirken.
  Verringerung des Leistungsfaktor cos φ bzw. λ.
  Mit steigenden OS-„Blindleistungsanteil“ werden die Eisenverluste in Trafos und Motoren sowie die Neutralleiterbelastung in die Höhe getrieben. Eine Überhitzung der Komponenten sind die Folge, auch Kondensatoren (z.B. in Kompensationsanlagen) und Drosseln. Eine besondere Bedeutung gilt hier für den Neutralleiter - hohe Brandgefahr in z.T. unzugänglichen Gebäudeteilen.
  Weiterhin verursachen OS Laufunruhe von Motoren (Drehfelder mit anderer Frequenz und/oder Richtung), schlechter Wirkungsgrad (Blindleistung), Überspannung (Resonanzerscheinungen) oder Fehlauslösungen von Schutzschaltern (Beeinflussung der Abschaltcharakteristik). OS werden ebenfalls über Transformatoren in darunter liegende Spannungsebenen übertragen. Die Störwirkung des magnetischen Feldes von oberschwingungsbehafteten Betriebsmitteln ist wegen der höheren Frequenzen größer.
  Die unentbehrlichen Glättungskondensatoren in Netzteilen und dgl. treiben die Oberschwingungsströme sehr in die Höhe, insbesondere die 3. OS. Der Anteil dieser liegt wiederum bei 6-pulsigen Drehstrombrückenschaltungen oft im unkritischen Bereich.
  Beachtung der 20. bis 30 OS bei Störungen der Sprachübertragung von Telefonleitungen, welche mit kleinem Abstand z.B. zu Freileitungen verlegt wurden.

• Als Harmonische bezeichnet man eine Überlagerung der 50 Hz-Grundwelle - Welle 1. Ordnung - mit Signalen, deren Frequenz einem ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz entspricht. Welle 2. Ordnung (100 Hz), 3. (150 Hz), 4. (200 Hz), 5. (250 Hz), 6. (300 Hz), 7. (350 Hz) usw. Siehe auch Fourier Analyse FFT (Fast Fourier Transf.) zur mathematischen Betrachtung.

• Inter- oder Zwischenharmonische sind ebenfalls Überlagerungen der 50 Hz-Grundwelle, jedoch deren Frequenzen einem nichtganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz entsprechen.

• THD (Total Harmonic Distortion) - Verzerrungs- oder Gesamtklirrfaktor - Verhältnis oder Anteil des Gesamteffektivwert aller Oberschwingungen zum Effektivwert der Grundschwingung (d= I _O /I ₁ *100).
  Gesamtanteil an Oberschwingungen und Störung der reinen Sinuswelle in % bzw. Verhältnis vom nutzbaren Grundschwingungsstrom zu den nicht nutzbaren Oberschwingungsströmen. Maß f. Störungen.
  d ist 0, wenn bei sinusförmiger Spannung ein sinusförmiger Strom fließt. Je größer d, um so mehr Oberschwingungen sind vorhanden. Nach EN 50160 : 1999 z.B. darf der Wert 8 % nicht überschreiten. Wenn eine Strom störung so stark ist, dass sie eine Spannungs störung (THD) von über 5 % verursacht, deutet dies auf ein Potentialproblem hin.

• K-Faktor - Klirrfaktor - Verhältnis oder Anteil des Effektivwert aller Oberschwingungen zum Gesamteffektivwert (k= I _O /I _eff ). Maß für Verlust auf Grund von OS.
  k ist 0, wenn bei sinusförmiger Spannung ein sinusförmiger Strom fließt. Je größer k, um so mehr Oberschwingungen sind vorhanden. Schwingungen höherer Ordnung beeinflussen mehr als die niedrigerer Ordnung.

• Grundschwingungsgehalt (g) - Verhältnis oder Anteil des Grundschwingungsstrom I ₁ am Gesamtstrom I _eff (g= I ₁ /I _eff ). Maß für die Effektivität des Gesamtstromes.
  Je größer g, um so geringer der Oberschwingungsanteil und um so effektiver der Nutzen des Gesamtstroms.
  1 --> bei sinusförmiger Spannung fließt ein sinusförmiger Strom. Kleiner 1 --> Oberschwingungen vorhanden.

• Formfaktor (F) Verhältnis von Effektivwert zum Gleichrichtwert (2/π * î).
  Weicht der Formfaktor (sinusförmiger Wechselstrom) von 1,11 ab, so sind Störungen vorhanden.
  (Messung Effektivwert und Scheitelwert [Spitzenwert] --> F= I _eff / 2/π * î bzw. F= U _eff / 2/π * û)

• OS mit positiver Sequenz ([1.], 4., 7., 10., ...) - auch Mitsystem - rechtes Drehfeld sind „normale“ Komponenten und in jedem symmetrischen Drehstromsystem vorhanden. Sie verursachen in Motoren ein schnelleren Anlauf als die Grundschwingung und verringertes Drehmoment.

• OS mit negativer Sequenz (2., 5., 8., 11., ...) - auch Gegensystem - linkes Drehfeld
  verursachen in Motoren ein langsameren Anlauf als die Grundschwingung, ein verringertes Drehmoment (Bremseffekt) und Hitzeentwicklung.

• OS mit Null-Sequenz (3., 6., 9., 12., ...) - auch Nullsystem - kein Drehfeld
  können bei asymmetrischer Last in einem 4-Leiter-System auftreten. Die Ströme addieren sich bis zum ca. 1,73-fachen im Neutralleiter --> Überhitzungsgefahr. Die Stromasymmetrie darf max. 2 % betragen.

Normen: (Grenzwerte für Oberschwingungsströme)

• DIN VDE 0838-2 (EN 61000-3-2) Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
  • Teil 3-2: Geräte-Eingangsstrom bis einschließlich 16 A je Leiter

• DIN VDE 0838-12 (EN 61000-3-12) Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
  • Teil 3-12: Geräte und Einrichtungen mit einem Eingangsstrom > 16 A und ^< ₌ 75 A je Leiter, die zum Anschluss an öffentliche Niederspannungsnetze vorgesehen sind

Gleichstrombelastung

• Netze mit nichtlinearen Lasten (siehe oben) beinhalten auch einen Gleichstromanteil.

Risiko der Nichtauslösung von RCD’s (FI-Schutzschalter) Typ A, für wechsel- und pulsierende Gleichströme, infolge Sättigung des Summenstromwandler (z.B. durch den Gleichstrom einer B6-Schaltung). Die Schutzschalter selbst sind auch in Ordnung und bei jeder Wiederholungsprüfung wird der Test bestanden! Ja, die gleichstromerzeugenden Betriebsmittel fehlen. Oder wird die Prüfung bei laufenden Büro- oder Maschinenbetrieb durchgeführt?

Netzasymmetrien

• Spannungsasymmetrien verursachen, z.B. in Statorwicklungen von Motoren, extrem asymmetrische Ströme
  • Phasenspannung max. 1 % Abweichung vom ø aller drei Phasen
  • Stromasymmetrie max. 10 %
• Stromasymmetrie Leiter/Neutralleiter max. 2 % (siehe OS mit Null-Sequenz)

Die Störverträglichkeit für elektrische Betriebsmittel ist gemäß VDE 0160 mit 2 % festgelegt. An Asynchronmaschinen können bei Spannungsasymmetrien von 2% jedoch bereits Schäden auftreten.

 

Flicker, Spannungsschwankungen und Crestfaktor

• Flicker (Pst, Plt, PF5) beziffert Helligkeitsschwankungen/Lichtflimmern von Leuchten, die durch Spannungsschwankungen mit einer Frequenz von etwa 0,005 bis 35 Hz verursacht werden. Messung nach EN 61000-4-15
  Nicht nur die menschliche Psyche kann negativ durch das Flickern der Beleuchtung beeinflusst werden, sondern auch zu folgenden Störungen führen, bei:
  • Regelvorgängen für spannungswinkelgeführte Regelungen
  • Brems- oder Beschleunigungsmomenten von direkt ans Netz angeschlossenen Motoren
  • Elektrischen Geräten, bei denen die Schwankung der Versorgungsspannung über das Netzgerät eingeschleppt wird, wie z.B. Komponenten der EDV- und Kommunikationstechnik, sowie Steuereinheiten
• Als Spannungsschwankungen versteht man allgemein unter Veränderungen der Amplitude einer Spannung für einen Zeitraum, der länger als die Periodendauer der betrachteten Spannung ist. Unterscheidung in Spannungseinbrüche (Absinken [Dip] des Effektivwertes auf 90 % der Nennspannung mit einem nachfolgenden Wiederanstieg über den Grenzwert [return to band], in der Regel zwischen 10 ms und 60 s), Spannungsüberhöhungen (Anstieg [Sweel] des Effektivwertes auf über 110 % der Nennspannung), Spannungsunterbrechungen (Einbruch [Interruption] auf 1 % der Nennspannung) und Flicker.

• Crestfaktor CF - auch Scheitelfaktor genannt - Verhältnis von Spitzenwert zum Effektivwert
  (ζ (Zeta) = û/U bzw. = î/I )
  Je größer dieser Faktor ist, um so höher ist der Scheitelwert zum effektiven Nutzen (Effektivwert) - auch Störungsanteil - bei Spannung oder Strom.
  1 --> Gleichstrom (keine Störung), 1,414 (√2) --> Sinuswechselstrom, größer 1,8 --> kurzer Impuls, kleiner Effektivwert (hoher Störungsanteil).
  Ein CF von 2 - 5 ist ein Zeichen von extremen Störungen und kommt vor, wenn z. B. der von Gleichrichtern nur an der Spitze der Sinuskurve abgenommenen Strom gemessen wird.

Alle diese Erscheinungen können auf verschiedene Ursachen zurückgeführt und nennenswerte Spannungsschwankungen von folgenden Lasten hervorgerufen werden, die sich nicht in der eigenen elektrischen Anlage befinden müssen:

• Lichtbogenöfen und Widerstands-Schweißgeräte
• Anlaufende Antriebe und Antriebe mit stark wechselnder Belastung
• Gepulste Leistung bei Schwingungspaket- oder Thermostatsteuerungen
• Fehler in elektrischen Netzen (Kurz- oder Erdschlüsse)

Die Auswirkungen sind nicht nur flimmernde Leuchten, sondern vor allem bei elektronischen Geräten ist mit Problemen zu rechnen. Insbesondere das Auslösen unkontrollierter Neustarts an Computern, Telefon- und Netzwerkstörungen und Reglerprobleme.

Normen: (Grenzwerte für Spannungsschwankungen und Flicker in Niederspannungsnetzen)

• DIN VDE 0838-3 (EN 61000-3-3) Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
  • Grenzwerte für Geräte mit einem Bemessungsstrom <= 16 A je Leiter, die keiner Sonderanschlussbedingung unterliegen
• DIN VDE 0838-5 (Entwurf) Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
  • Grenzwerte für Geräte und Einrichtungen mit einem Eingangsstrom > 16 A
• DIN VDE 0838-11 (EN 61000-3-11) Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
  • Grenzwerte für Geräte und Einrichtungen mit einem Bemessungsstrom < 75 A, die einer Sonderanschlussbedingung unterliegen

Transienten

Schnelle Spitzen im Spannungs- bzw. Stromsignal. Können über eine so hohe Energie verfügen, dass empfindliche elektronische Geräte gestört oder sogar beschädigt werden. Sie treten u.a. bei Schalthandlungen und beim Auslösen von Schmelzsicherungen (Löschung strombegrenzend) auf. Die Steilheit des Stromabrisses ist für Transienten bis zu mehreren kV die Ursache.
Geräte die häufig Transienten ausgesetzt sind, besitzen ein hohes Ausfallrisiko. Auswirkungen sind verfälschte oder fehlende Speicherinhalte in Prozessorgesteuerten Anlagen (Telefon- / Einbruchmeldeanlagen usw.), Festplattencrashs, Datendurchsatzschwankungen, Netzteilausfälle usw..

Netzqualität

• EN 50160 – Festlegung der Merkmale in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen auf Basis statistischer Bewertung.
  • Parameter:
    • Effektivspannungen
    • Oberschwingungen
    • Flicker, Einbrüche und Unterbrechungen
    • Schnelle Spannungsschwankungen und Spitzen
    • Symmetrie
    • Frequenz
• Beispiele weiterer relevanter Normen
  • VDE 0160 Teil 100 – Drehzahlveränderbare elektrische Antriebe
  • VDE 0558 Teil 1 - Halbleiter-Stromrichter
  • DIN VDE 0838-1 - Rückwirkungen in Stromversorgungsnetzen, die durch Haushaltgeräte und durch ähnliche elektrische Einrichtungen verursacht werden

Energie

Überprüfung von Wirk-, Schein- und Blindleistung mit Feststellung des Leistungsfaktor λ (PF, Verhältnis zwischen Wirk- und Scheinleistung für die gesamte Effektivleistung einschließlich Oberschwingungen), und den Verschiebungs-Leistungsfaktor cos φ der Grundschwingung.
Weiterhin die Wirk- (kWh), Schein- (kVAh) und Blindenergie (kVARh) - Zählerkontrolle.

Literaturquellen:

• DIN EN 50160
• EMV-Sachverständiger (Kapitel OS)
• Fluke und Beha Messfibel
• Applikationshinweise zu IGBT-Umrichtern