NETZSPANNUNGSQUALITÄT / POWERQUALITY

Netzspannungsqualität

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In der heutigen hochtechnisierten Welt setzt der Einsatz von elektrischen Betriebsmitteln und Komponenten einen sehr hohen Standard im Bezug auf die elektrische Störfestigkeit voraus. Mit zunehmendem Fortschritt der Technik werden diese Betriebsmittel immer kleiner und damit oft auch störanfälliger gegen elektrische und magnetische Felder und nicht definierten Vorsorgungsspannungen. (Überspannungen, hochfrequente Ströme, Oberschwingungen und Netzrückwirkungen)
Das Ziel bei dem Betrieb einer Elektroanlage, einer intelligent gesteuerten Anlage oder auch eines Netzwerksystems ist eine sehr hohe Verfügbarkeit und Sicherheit zu erreichen. Ausfälle können sehr hohe Kosten verursachen.

In den heutigen Stromversorgungsnetzen kommt es immer häufiger zu Netzstörungen.
Nicht lineare Betriebsmittel wie z.B. Schaltnetzteile, USV-Anlagen, Frequenzumrichter, Elektronische Vorschaltgeräte (EVG) oder auch zunehmend Wechselrichten von Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) "verschmutzen" in erster Linie die interne Energieversorgung eines Gebäudes und natürlich auch das öffentliche Stromversorgungsnetz.
Der Stromverlauf u.a. ist dann oft nicht mehr sinusförmig sondern "verzerrt, eingedrückt" und mit unterschiedlichsten Frequenzen beaufschlagt. Die reine Grundschwingung von 50Hz wird mit harmonischen Oberwellen belastet die beispielsweise 150, 250, 350 und 750 Hz betragen. Sie verteilen sich in der gesamten Elektroanlage. Ist diese dabei nicht als reines 5adriges System (TN-S Netz), also Schutzleiter und Neutralleiter separat aufgebaut sondern als TN-C System mit gemeinsamen PEN Leiter, verursachen zudem vagabundierende Ströme Ausgleichströme auf Datenleitungen, Korrosionsschäden an metallischen Systemen (Blitzschutz- Sprinkleranlagen, Regenrohren…). Neutralleiter werden durch die überlagerten Ströme überlastet und schmelzen im Extremfall (Brandgefahr).
Zudem laufen Elektromotore nicht mehr im günstigen Drehzahl / Drehmomentbreich, da diese durch die 5. und 11. Oberwelle gebremst werden. Die Motoren überhitzen und ein höherer Energieverbrauch stellt sich ein.

Auch Netztransienten (Überspannungen) führen immer häufiger zu Ausfällen der Elektronik in Niederspannungsanlagen. Oft betroffen sind dadurch Frequenzumrichter, SPS, EVG´s oder Netzteile. Es wird hier unterschieden zwischen energiereichen transienten Störimpulsen (Stoßspannung - Surge) und schnellen transienten Störimpulsen (Burst).
Diese transienten Spannungen sind zeitlich nicht vorhersehbar, nur von kurzer begrenzter Dauer und sie wiederholen sicht nicht periodisch.
Blindstromkompensationsanlagen können durch die verwendeten Stromrichter ebenfalls Schwingungen erzeugen, die zusätzlich die Netzspannung verzerren. Es kommt dabei zu einer erhöhten Stromaufnahme der Kondensatoren, die eine Verringerung der Lebensdauer zur Folge hat. Es können Resonanzfälle auftreten, bei denen die in der Elektroanlage vorhandenen Induktivitäten mit den Kondensatoren einen Schwingkreis bilden. Angeregt durch die harmonischen Oberwellen können erhebliche Schäden in der E-Anlage entstehen. Um die Verfügbarkeit zu verbessern ist es sinnvoll eine verdrosselte Kompensationsanlage zu installieren.

Definition und verschiedene Begriffe aus der DIN EN 50160

Niederspannung (Abkürzung NS)
In dieser Norm eine Spannung zur Stromversorgung, deren Nennwert höchstens 1000 V (Effektivwert) ist.

Mittelspannung (Abkürzung MS)
In dieser Norm eine Spannung zur Stromversorgung, deren Nennwert zwischen 1 kV und 35 kV (Effektivwert) liegt.

Leitungsgeführte Störgröße
Ein elektromagnetisches Phänomen, das sich über ein Netz längs der Leitungswege ausbreitet. In einigen Fällen gehen Ieitungsgeführte Störgrößen auch über Transformatoren hinweg und damit in Netze anderer Spannungsebenen über. Leitungsgeführte Störgrößen können die Funktionsfähigkeit von Geräten, Anlagen und Systemen mindern oder Beschädigungen hervorrufen. Langsame Spannungsänderung Eine Erhöhung oder Abnahme des Spannungseffektivwertes üblicherweise aufgrund von Änderungen der Gesamtlast in einem Verteilnetz oder in einem Teil eines Verteilnetzes.

Schnelle Spannungsänderung
Eine einzelne schnelle Änderung des Effektivwertes einer Spannung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungsniveaus mit jeweils bestimmter, aber nicht festgelegter Dauer.

Spannungsschwankung
Abfolge von Spannungsänderungen oder periodische Änderung der Einhüllenden der Spannungskurve.

Spannungseinbruch
Ein plötzlicher Rückgang der Versorgungsspannung auf einen Wert zwischen 90% und 1% der vereinbarten Versorgungsspannung U~, dem nach kurzer Zeit eine Spannungswiederkehr folgt. Die Dauer eines Spannungseinbruchs liegt vereinbarungsgemäß zwischen 10 ms und 1 min. Die Tiefe eines Spannungseinbruchs ist als Differenz zwischen dem minimalen Effektivwert der Spannung während des Einbruchs und der vereinbarten Spannung Uc definiert. Spannungsänderungen, die die Spannung nicht unter 90% der vereinbarten Spannung Uc absenken, werden nicht als Einbrüche betrachtet.

Flicker
Eindruck der Unstetigkeit visueller Empfindungen, hervorgerufen durch Lichtreize mit zeitlicher Schwankung der Leuchtdichte oder der spektralen Verteilung. Spannungsschwankungen verursachen Leuchtdichteänderungen von Lampen, die eine optisch wahrnehmbare, als Flicker bezeichnete Erscheinung hervorrufen können. Flicker wirkt oberhalb eines bestimmten Grenzwertes störend. Die Störwirkung wächst sehr schnell mit der Amplitude der Schwankung an. Bei bestimmten Wiederholraten können bereits sehr kleine Amplituden störend sein.

Versorgungsunterbrechung
Ein Zustand, in dem die Spannung an der Übergabestelle weniger als 1 % der vereinbarten Spannung Uc beträgt. Versorgungsunterbrechungen lassen sich einteilen in:
geplante Versorgungsunterbrechungen, bei denen die Kunden im Voraus benachrichtigt werden, um planmäßige Arbeiten im Versorgungsnetz ausführen zu können, oder
zufällige Versorgungsunterbrechungen. die durch andauernde oder vorübergehende Störungen verursacht werden. Sie treten meist in Zusammenhang mit äußeren Einflüssen, Anlagenausfällen oder anderen Störungen auf. Zufällige Versorgungsunterbrechungen werden eingeteilt in:
Langzeitunterbrechungen (länger als 3 min), verursacht durch einen bleibenden Fehler,
Kurzzeitunterbrechungen (bis zu einschließlich 3 min), verursacht durch einen vorübergehenden Fehler.

Zeitweilige netzfrequente Überspannung
Eine Überspannung an einem bestimmten Ort mit verhältnismäßig langer Dauer, die in der Regel durch Schalthandlungen oder Störungen (z. B. plötzlicher Lastabwurf, einpolige Fehler, Nichtlinearitäten) entstehen.

Transiente Überspannung
Eine kurzzeitige, schwingende oder nicht schwingende Überspannung, die in der Regel stark gedämpft ist und eine Dauer von einigen Millisekunden oder weniger aufweist. Transiente Überspannungen werden gewöhnlich durch Blitzeinwirkungen, Schalthandlungen oder das Auslösen von Sicherungen verursacht. Die Anstiegszeit transienter Überspannungen variiert von weniger als einer Mikrosekunde bis zu einigen Millisekunden.

Oberschwingungsspannung Eine sinusförmige Spannung mit einer Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches (Ordnungszahl) der Grundschwingungsfrequenz der Versorgungsspannung ist. Oberschwingungen in der Versorgungsspannung werden hauptsächlich durch die Oberschwingungsströme nichtlinearer Lasten der Kunden hervorgerufen, die in den verschiedenen Spannungsebenen des Netzes angeschlossen sind. Diese Oberschwingungsströme führen zu entsprechenden Oberschwingungsspannungen an den Netzimpedanzen. Oberschwingungsströme und Netzimpedanzen und damit auch die Oberschwingungsspannungen an der Übergabestelle sind zeitabhängig. 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. 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 f bzw. ?. 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.

Spannung von Zwischenharmonischen
Eine sinusförmige Spannung, deren Frequenz zwischen denen der Oberschwingungen liegt, d. h. ihre Frequenz ist kein ganzzahliges Vielfaches der Grundschwingungsfrequenz. Zwischenharmonische Spannungen nahe beieinander liegender Frequenzen können gleichzeitig auftreten und dabei ein breitbandiges Spektrum bilden.

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.

THD (Total Harmonic Distortion) - Verzerrungs- oder Gesamtklirrfaktor - Verhältnis oder Anteil des Gesamteffektivwert aller Oberschwingungen zum Effektivwert der Grundschwingung Nach EN 50160: 1999 z.B. darf der Wert 8 % nicht überschreiten. Wenn eine Stromstörung so stark ist, dass sie eine Spannungsstörung (THD) von über 5 % verursacht, deutet dies auf ein Potentialproblem hin.

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

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 einen 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.

Gleichstrombelastung
Netze mit nichtlinearen Lasten (siehe oben) beinhalten auch einen Gleichstromanteil. Risiko des nichtauslösen von RCD's (FI-Schutzschalter) Typ A, für wechsel- und pulsierende Gleichströme, infolge Sättigung des Summenstromwandler (z.B. durch den Gleichstrom einer B6-Schaltung).

Spannungsunsymetrie
Ein Zustand in einem Drehstromnetz, bei dem die Effektivwerte der Außenleiter-Neutralleiter-Spannungen oder die Winkel zwischen aufeinanderfolgenden Phasen nicht gleich sind. Spannungsasymmetrien verursachen, z.B. in Statorwicklungen von Motoren, extrem asymmetrische Ströme.