Einfluss von Oberschwingungen auf elektrische Betriebsmittel

Oberwellenbelastung durch nicht lineare Verbraucher

Durch die steigende Zahl von nicht linearen Verbrauchern, also Verbrauchern mit elektronischen Netzteilen bzw. Regeleinheiten wird unser Versorgungsnetz immer mehr verunreinigt und belastet.

Was sind nicht lineare Verbraucher?

Nicht lineare Verbraucher sind Geräte die mit Hilfe von elektronischen Baugruppen, die sinusförmige Netzspannung von 230/ 400V, 50Hz zuerst einmal in eine Gleichspannung und dann künstlich in eine wesentlich höhere frequentere sinusförmige Spannung zum Beispiel bei Netzteilen für Computermonitore oder Fernsehgeräte in eine Frequenz circa 30kHz bis 40kHz umsetzt.

Weitere nichtlineare Verbraucher sind:

• Frequenzumrichter zur Steuerung von Elektromotoren
• Vorschaltgeräte von Leuchtstofflampen (EVG)
• Sparleuchten mit integrierten Vorschaltgeräten in E14 und E27 Ausführung
• Geräte der Unterhaltungselektronik
• Computernetzteile und Monitore

Künstliche Sinusspannung

Diese neue künstlich erzeugte Sinusspannung wird durch eine Vielzahl von Rechteckspannungen zusammen gesetzt. Durch diese Zusammensetzung werden Oberschwingungen erzeugt die der Grundschwingung überlagert und ein vielfaches dieser sein kann. Ein Teil dieser Oberschwingungen gelangen in das Versorgungsnetz und erzeugen Oberwellenströme.

Die elektronischen Verbraucher entsprechen in der Regel zwar den EN- Normen, Problem ist aber mittlerweile die Häufung der elektronischen Verbraucher (nichtlineare Verbraucher) in den Netzen.

Insbesondere die unteren ungeraden Oberwellen wirken sich problematisch aus.

Grundwelle = 50 Hz
3 Oberwelle = 150 Hz
5 Oberwelle = 250 Hz
7 Oberwelle = 350 Hz
9 Oberwelle = 450 Hz
Diese Oberwellenströme addieren sich zum Strom der Grundwelle und belasten zusätzlich die elektrische Anlage. 

Die nachfolgenden Messungen zeigen eine Gegenüberstellung einer herkömmlichen Glühbirne mit einer elektrischen Leistung von 60 Watt und einer vergleichbaren Sparleuchte mit einer elektrischen Leistung von 11 Watt.

Messung an einer Glühbirne 60 Watt (ohmscher Verbraucher) 

Das Oszillogramm zeigt die Darstellung der Sinusspannung (blau) mit dem dazu gehörenden Stromverlauf (rosa). Der sinusförmige Stromverlauf ist genau um 180° gegenüber dem Spannungsverlauf verschoben. 

Die Messung zeigt keine Oberwellenanteile. Der linke blaue Balken zeigt die Grundschwingung mit einer Frequenz von 50 Hertz. 

Messung an einer Sparleuchte 11 Watt (nichtlinearer Verbraucher) 

Das Oszillogramm zeigt die Darstellung der Sinusspannung (blau) mit dem dazu gehörenden Stromverlauf (rosa). Der Stromverlauf ist nicht mehr sinusförmig sondern sieht in der ansteigenden Flanke abgeschnitten aus.

Der Strom verläuft nicht mehr sinusförmig gegenüber seiner Spannung. Nachfolgendes Messdiagramm verdeutlicht das dadurch entstehende Problem 

Das Diagramm zeigt bei 100% die Grundwelle mit einer Frequenz von 50 Hertz. Der ganz linke Balken vor der Grundwelle zeigt sogar eine Gleichstrombelastung von 3,4% gegenüber der Grundwelle. 

Das Diagramm zeigt ebenfalls, stark ausgeprägte Oberwellen von der 3 (150Hz) bis zur 15 Oberwelle (750Hz) von 74,4% bis ca. 12% bezogen auf die Grundwelle, sowie eine Oberwellenbelastung, verursacht durch das elektronische Vorschaltgerät, bis zur 49 Oberwelle (2450Hz). 

Neutralleiter 

Besonders die Belastung im Neutralleiter, die größtenteils durch die 3. harmonische Oberwelle hervorgerufen, wird durch den stetigen Anstieg der nicht linearen Verbraucher immer größer. Sie verursachen eine Gleichspannung im Neutralleiter.

Bei Anordnung unterschiedlicher elektronisch gesteuerter Verbraucher kann der Oberwellenstrom der im Neutralleiter fließt, den bis zum 3- fachen Wert des Grundstromes erreichen.

Diese Überbelastung des Neutralleiters und der Klemmen führt bereits heute zu dessen Abbränden, was in machen Fällen zu beachtlichen wirtschaftlichen Schäden geführt hat. 

Brandgefahr

Die Obergrenzen der Oberwellenbelastung sind in nachfolgenden Normen enthalten 

• Die Norm EN 61000-2-4 (Industrienetze) schreibt einen Gesamtoberwellenpegel also einen Verzerrungsfaktor THD von maximal 8% vor. Der Verzerrungsfaktor ist eine quadratische Summe aus der 3 bis zur 40 Oberwelle.

• Die Norm EN 50160, EN 61000-2-2 (öffentliche Netze) schreibt genaue Obergrenzen in % für die einzelnen Oberwellen bis zur 40 vor.

Messung an einer Maschine mit Frequenzumrichter (Fluke Netzanalysator 43B)

Die Oberwellenströme haben aber noch eine weitere unangenehme Eigenschaft, denn Sie erzeugen in Abhängigkeit der Netzimpedanz Oberwellenspannungen. Je höher die Netzimpedanz, also der Widerstand im geschlossenen Stromkreis des Netzes, mit steigenden Oberwellenströmen je höher die Oberwellenspannung im Netz. 

Werden zum Beispiel in einer Anlage eine Vielzahl von Frequenzumrichter verwendet, so summiert sich der durch die Frequenzumrichter erzeugte Oberwellenstrom auf. In Folge wird auf Grund der Netzimpedanz eine Oberwellenspannung im Netz abfallen 

Die Größe der Oberwellenspannung hängt einerseits mit dem erzeugten Oberwellenstrom zusammen, der durch die Anlage fließt und zum anderen mit dem Widerstand im Netz also mit der Netzimpedanz. 

Wird nun der Mittelspannungstransformator am Leistungsmaximum betrieben, so erhöht der Transformator die Netzimpedanz und die Oberwellenströme lassen einen dementsprechend höhere Oberwellenspannung im Netz abfallen. Das gleiche gilt auch für den Leitungswiderstand. 

Es wird daher immer wichtiger bei Überprüfungen der elektrischen Anlagen die Oberwellenbelastung des Netzes mit zu prüfen und gegeben falls dem Kunden Maßnahmen aufzuzeigen um kommende Schäden zu vermeiden. 

Wichtig ist dabei, dass Messgeräte eingesetzt werden, die Frequenzen bis mindestens 2500 Hz messen können. 

Messung der Netzqualität an einem Hausanschluß (Fluke Netzanalysator 43B). 

Eine weitere Erzeugung von Oberwellen insbesondere von Oberwellen ab circa der 35 sind unverdrosselte Kompensationsanlagen. Diese Kapazitäten bilden in Verbindung mit dem Mittelspannungstransformator und der Kundenanlage einen Schwingkreis, der zu unerwünschten Schwingungen (Oberschwingungen) führen kann. 

In früheren Anlagen wurden unverdrosselte Kompensationsanlagen oftmals auf der Sekundärseite des Mittelspannungs-transformators angeschlossen. Diese Kompensationsanlagen sind auf den Transformator abgestimmt und haben die Aufgabe die Blindleistung des Transformators zu kompensieren. In Verbindung mit der nachfolgenden Kundenanlage kann es zu einer Schwingkreisbildung kommen. 

Wird der Transformator im Leerlauf betrieben wird sich keine negative Beeinflussung zeigen. 

Die nachfolgende Messung zeigt einen Transformator mit unverdrosselter Kompensationsanlage, gemessen auf der Sekundärseite, im Leerlauf. Es sind keine unerwünschten Schwingungen festzustellen. 

Mit zunehmender Aufschaltung von Verbrauchern insbesondere von Oberwellenerzeugern kann sich die Anlage aufschwingen. 

Nachfolgende Messung wie vorher, jedoch unter Last. Deutlich sind unerwünschte Schwingungen auf dem Oszillogramm festzustellen. 

Kompensationsanlagen sind meist in Transformatorräumen untergebracht und haben keine direkte mechanische Verbindung zum Transformator. Diese Kompensationsanlagen werden teilweise beim erneuern von Transformatoren nicht gewechselt. 

Aber auch Kompensationsanlagen in der Kundenanlage zur Kompensation von Beleuchtungsanlagen oder anderen induktiven Verbrauchern können solche Schwingkreise bilden.

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