Netzrückwirkungen

Im Idealfall wird die elektrische Energie im Generator sinusförmig mit einer Frequenz von 50 Hz erzeugt. Das Übertragungsnetz gibt die Energie verzerrungsfrei weiter, und die Verbraucher entnehmen dem Netz nur gleichmäßigen sinusförmigen Strom. Die Realität sieht jedoch etwas anders aus. Bei der Erzeugung und Übertragung werden die Idealbedingungen noch ganz gut erfüllt, aber die heutigen Verbrauchsgeräte erfüllen fast nie die Idealanforderungen.
In einem elektrischen Energieversorgungsnetz sind alle Verbraucher miteinander gekoppelt. Diese Verbraucher haben unterschiedliche Lastgangskennlinien und somit verschiedene Rückwirkungen auf das Energieversorgungsnetz.

zu den Rückwirkungen gehören:

Flicker

Flicker werden durch Anstieg oder Absinken der Stromstärke in der lokalen Installation und der damit verbundenen Spannungsänderungen hervorgerufen.

Sie werden durch:

  • Zu- oder Abschaltvorgänge von größeren elektrischen Verbrauchern,
  • Anlaufen von Motoren,
  • Schweisanlagen,
  • gepulste Leistungen und
  • Lichtbogenschmelzöfen

  • hervorgerufen.

    Flicker äußern sich als wiederholte Änderung der Lichtstärke einer Beleuchtung.
    Die offizielle Definition laut DIN VDE 0838 lautet: "Subjektiver Eindruck einer Instabilität der visuellen Wahrnehmung, hervorgerufen durch einen Lichtreiz, dessen Leuchtdichte oder Spektralverteilung mit der Zeit schwankt." Damit ist doch alles klar oder?

    Um die Flicker zu minimieren stehen folgende Möglichkeiten zur Verfügung:
  • Netzverstärkung,
  • anderer Anschlusspunkt der Flickererzeuger an ein Netz mit höherer Kurzschlussleistung,
  • Einsatz einer dynamischen Blindstromkompensationseinrichtung oder
  • bei Motoren - Anlaufstrombegrenzung
  • Unsymmetrien

    Unsymmetrien sind Abweichungen der Spannungen vom Nennwert und treten in Drehstromsystemen auf. Endweder weichen die drei Leiter-Erd-Spannungen von ihrer Höhe (Amplitude) oder von ihrem Nennwinkel (Phasenlage) von 120 zueinander ab.

    Sie werden durch:

  • den Anschluss von unterschiedlichen einphasigen Verbrauchern,
  • Kurzschlüssen oder
  • Erdschlüssen

  • hervorgerufen und führen zu Leistungsschwankungen der angeschlossenen Verbraucher und zu Überschreitungen der Nennspannungen (im ungünstigsten Fall eine Anhebung der Leiter-Erd-Spannung auf den √3 fachen Wert).

    Oberschwingungen

    Oberschwingungen sind sinusförmige Schwingungen, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Netz-Grundfrequenz von 50 Hz sind (z.B. 100, 150, 200, 250 Hz etc.) und sich mit dieser überlagern.
    In der Musik gibt es Parallelen dazu, dort spricht man von Obertönen. In der Elektroakustik wird der Anteil der Oberschwingungen (Verzerrungen) an der Gesamtschwingung prozentual durch den Klirrfaktor (Klirrgrad) angegeben.
    In der Elektrotechnik entsteht durch Oberschwingungen eine Abweichung der Netzspannung von der Sinusform und damit eine Spannungsverzerrung. Oberschwingungen werden auch als Harmonische bezeichnet.
    Sie werden von Geräten mit nicht sinusförmiger Stromaufnahme verursacht.

    die wesentlichsten sind:
  • elektronische Netzteile (Fernseher, Computer, Rundfunkgeräte...),
  • Frequenzumformer, z.B. für geregelte Motorantriebe,
  • stark ausgelastete Eisenkerne (Sättigung) von Motoren, Drosseln oder Transformatoren,
  • Stromrichter (leistungselektronische Gleich- oder Wechselrichter),
  • Umrichter (leistungselektronische Frequenzumformer),
  • Induktions- und Lichtbogenöfen und
  • verschiedene andere Geräte mit nichtlinearer Strom- / Spannungscharakteristik.


  • Oberschwingungen sind der Preis für die Vorzüge der modernen Leistungselektronik, mit ihrer verlustarmen Umwandlung der elektrischen Energie.
    Hohe Oberschwingungsanteile an der Spannung im elektrischen Netz stellen eine zusätzliche Belastung für Betriebsmittel dar, und können zu Beeinträchtigungen von Geräten und Anlagen des Kunden, wie auch des Netzbetreibers führen. Es werden beispielsweise Kondensatoren, Drosselspulen und Motoren (erhöhte Wirbelstromverluste) stark beansprucht und Rundsteueranlagen negativ beeinflusst. Da sich der kapazitive Blindwiderstand eines Kondensators umgekehrt proportional zur Frequenz verhält (XC = 1 / w  C), ergibt sich, dass bei höheren Frequenzen der für 50 Hz dimensionierte Kondensator einen kleineren Widerstand darstellt als bei 50 Hz. Daher bilden die durch Oberschwingungen hervorgerufenen Ströme zusammen mit dem 50 Hz-Strom eine zu hohe Belastung für den Kondensator, und er kann einen Hitzefehler erleiden.
    Auswirkungen der Strom- und Spannungsoberschwingungen können auch die wiederholt vorkommende Zerstörungen von Sicherungseinrichtungen wie Sicherungselementen oder Überspannungsableitern sein. Auch das unregelmäßige und nicht erklärbare Auslösen von Leistungsschaltern hat oftmals seine Ursache in den Oberschwingungen des entsprechenden Netzabschnittes. Bei nicht erklärbaren Ausfällen von SPS-Steuerungen liegt der Verdacht von zu hohen Oberschwingungen ebenfalls nahe. Weiterhin können Oberschwingungsströme die Erdschlusslöschung beeinträchtigen, da die Erdschlusskompensationsspulen auf die Frequenz von 50 Hz abgestimmt sind. Dadurch werden Stromanteile mit einer anderen Frequenz nicht ausreichend kompensiert, und somit wird die Erdschlusslöschung erschwert.

    Das Versorgungsnetz besteht bedingt durch seine Induktivitäten und Kapazitäten aus einer Vielzahl von Parallel- und Reihenschwingkreisen. Die Güte dieser Schwingkreise ist um so größer, je geringer die dämpfende Wirklast ist. Für jedes Netz gibt es demnach eine Resonanzfrequenz. Liegt nun diese Resonanzfrequenz in der Nähe einer Oberschwingungsfrequenz, so wird diese Oberschwingung noch verstärkt.
    Die Resonanzfrequenz eines Netzes wird im Wesentlichen durch die einspeisenden Transformatoren und die Kondensatoren sowie Kabel-/Leitungskapazitäten bestimmt.

    Zur Reduzierung von Oberschwingungen werden in der Praxis u.a. passive und aktive Filter eingesetzt. Die passiven Filter nennt man auch Saugkreise, weil sie den Oberschwingungspegel durch Absaugen von Oberschwingungsströmen vermindern. Im Gegensatz zu Saugkreisen, die für die entsprechenden Oberschwingungsströme einen möglichst kleinen Widerstand darstellen, können die Verbraucher auch nur vor Oberschwingungen abgeschirmt werden. Dazu werden Sperrkreise eingesetzt, die für die Oberschwingungsströme einen hohen Widerstandswert darstellen und dadurch eine Bariere für die Oberschwingungsstöme bilden.
    Von Vorteil in den Übertragungsnetzen ist, dass die durch 3 teilbaren Oberschwingungsströme schlecht über Transformatoren mit Dy-Schaltgruppe übertragen werden. In einem symmetrischen Drehstromsystem sind die Oberschwingungen mit durch drei teilbarer Ordnungszahl in allen drei Phasen gleichphasig. In einem symmetrischen Drehstromsystem können Leiterströme mit durch drei teilbarer Ordnungszahl nur fließen, wenn für sie ein vierter Leiter (Sternpunktleiter) als Rückleiter zur Verfügung steht. Oberschwingungsspannungen dritter Ordnung machen sich bei symmetrischen Drehstromsystemen nur in der Sternspannung bemerkbar, da sie sich infolge der Differenzbildung in den Leiterspannungen gegenseitig aufheben. Dadurch stellen diese Oberschwingungen meist nur ein Problem in der Niederspannung dar.

    Zwischenharmonische

    Zwischenharmonische sind sinusförmige Schwingungen, deren Frequenz kein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz von 50 Hz sind. Nach "Grundsätze für die Beurteilung von Netzrückwirkungen" des VDEW-Verlages von 1987 entstehen sie dadurch, dass die 50 Hz-Grundschwingung bzw. die Oberschwingungen eines Laststromes modelliert werden, weil sich die Amplitude, Form oder Phasenlage des Laststromes ändert.

    Ursachen bzw. Verursacher sind z.B.:
  • periodische Laständerungen durch Exzenterantriebe (Gattersägen), Schmiedepressen, Schweißmaschinen,
  • stochastische Laständerungen durch Lichtbogenöfen,
  • Frequenzumrichter wie Zwischenkreisumrichter mit Gleichstrom- oder Gleichspannungszwischenkreis oder Direktumrichter


  • Nicht-stationäre Zwischenharmonische, die z.B. in der Hochlaufphase eines Motors entstehen, können dadurch in ihrer Wirkung minimiert werden, dass die Laständerungen möglichst langsam vollzogen werden. Dies geschieht z.B. durch die Begrenzung des Anzugsstromes.
    Stationäre Zwischenharmonische kann man bei Zwischenkreisumrichtern vermindern, indem die Glättung im Zwischenkreis verbessert wird.
    Höherpulsige Stromrichter, die bestimmte Oberschwingungen verkleinern, führen dazu, dass auch die Amplituden der Modulationsfrequenzen dieser Oberschwingungen kleiner werden.
    Die Amplituden mechanisch erzeugter stationärer Zwischenharmonischer, die durch periodische Lastwechsel verursacht werden, können ggf. dadurch reduziert werden, dass die resultierenden Lastwechsel z.B. durch Gegengewichte oder Schwungmassen vermindert werden.
    Durch die Wahl eines Verknüpfungspunktes mit hoher Kurzschlussleistung reduzieren sich die Spannungen der Zwischenharmonischen im umgekehrten Verhältnis zur Kurzschlussleistung.
    Bei Störungen von Tonfrequenzrundsteuersendeanlagen können TRA-Sperren eingesetzt werden.

    Links

    Eine spezielle Betrachtung ist bei Netzrückwirkungen im Notstrombetrieb zu machen.

    Einen kleinen Ausflug in die Geschichte der Oberschwingungen kann man hier machen.

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