Oberschwingungen: Ursache, Analyse, Abhilfe

URSACHEN VON OBERSCHWINGUNGEN

Oberschwingungen (Harmonische) sind ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz. Sie entstehen durch nichtlineare Lasten, wie Entladungslampen (z. B. Energiesparlampen), überlastete Transformatoren, Netzteile mit Spitzenwertgleichrichtern und durch den Einsatz von Stromrichterventilen, z. B. Gleichrichter, Frequenzumrichter, Steller, USV-Anlagen. Das Kennzeichen dieser Verbraucher und Betriebsmittel ist ein nichtsinusförmiger Strom bzw. ein periodisch ein- und ausgeschalteter Stromfluss. Generatoren, deren Wicklungstechnik die Entstehung von Oberschwingungsspannungen (Oberfelder) zulässt, verursachen bei entsprechender Anschaltung an das Netz ebenfalls Oberschwingungsströme. Diese nichtsinusförmigen Größen lassen sich durch geeignete mathematische Verfahren (Fourieranalyse) auf sinusförmige Größen zurückführen. Sie enthalten zur Grundschwingung (in Europa: 50 Hz) noch ganzzahlige Vielfache, die vorgenannten Oberschwingungen. An den Netzimpedanzen oder an der Generatorimpedanz verursachen diese Oberschwingungsströme Spannungsfälle. Diese Spannungsfälle (Oberschwingungsspannungen) überlagern sich der Grundschwingung (50 Hz) und verzerren die Sinusform der Netzspannung. Als Folge daraus kann der störungsfreie Betrieb anderer Verbraucher (z. B. Motoren, Generatoren, Kondensatoren) beeinträchtigt werden.


Auswirkungen von Oberschwingungen

Oberschwingungsspannungen aus dem vorgelagerten Mittel- und Hochspannungsnetz verursachen in der nachgeordneten Verbraucheranlage Oberschwingungsströme und es wirken Oberschwingungsströme aus der Verbraucheranlagen zurück auf das vorgelagerte Netz und verursachen hier Oberschwingungsspannungen.

Kabel

Entsprechend dem Ersatzschaltbild eines Kabels für niederfrequente Vorgänge verursachen Verbraucherströme Spannungsfälle. Die dabei auftretenden Übertragungsverluste sind proportional dem Wirkwiderstand des Kabels und dem Quadrat des Effektivwertes des Stromes. Oberschwingungsströme der Ordnungszahl 3n, die z. B. durch Wechselstromverbraucher mit Schaltnetzteilen erzeugt werden, addieren sich im 4Leiter-Drehstromsystem arithmetisch im Neutralleiter (oder PEN-Leiter) und können zu unzulässigen thermischen Beanspruchungen des Neutralleiters (oder PEN-Leiters) und zu unerwünschten magnetischen Feldern führen. Diese Magnetfelder können sich der Bildwiederholfrequenz von Monitoren überlagern und haben dann das unangenehme und auch gesundheitsschädliche "Monitorflackern" zur Folge.

Transformatoren, Drosselspulen

In Transformatoren und Drosselspulen mit Eisenkern verursachen Oberschwingungsströme zusätzliche Eisenverluste (Leerlaufverluste), bestehend aus Hysterese- und Wirbelstromverlusten. Hysteresverluste sind proportional der Frequenz, Wirbelstromverluste sind quadratisch proportional der Frequenz und der magnetischen Flussdichte. Im Wirkwiderstand der Wicklungen verursachen Oberschwingungsströme zusätzliche Erwärmung (Kupferverluste). Diese Verluste sind quadratisch proportional dem Effektivwert des primären/sekundären Laststromes. An den Impedanzen der Primär-/Sekundärspulen verursachen Oberschwingungsströme Spannungsfälle, die sich der jeweiligen Grundschwingung überlagern und zu Verzerrungen führen. Der auf einen bestimmten Oberschwingungsstrom bezogene Spannungsfall ist proportional dem Wirkwiderstand und dem ganzzahligen Vielfachen des zugehörigen Blindwiderstandes. Oberschwingungsströme übertragen sich dabei umgekehrt proportional dem Übersetzungsverhältnis. Bei Transformatoren mit Dreieckswicklung (Schaltgruppe Dy, Dz) können bei symmetrischer Belastung keine Oberschwingungsströme der Ordnungszahl 3n übertragen werden, da diese durch die Dreieckswicklung kurzgeschlossen werden.

Kondensatoren

Kondensatoren erzeugen selbst keine Oberschwingungen, sie können jedoch durch den zusätzlichen Stromfluss, der durch Oberschwingungsspannungen verursacht wird, thermisch überlastet werden und tragen durch den Dualismus mit Spulen zur Entstehung von Resonanzen bei. Den Zusammenhang zwischen Oberschwingungsspannungen und den daraus folgenden Oberschwingungsströmen eines Kondensators beschreibt folgende Gleichung:

Die dielektrischen Verluste P_DK steigen quadratisch proportional zum Effektivwert der Spannung und linear mit der Frequenz:

 

Generatoren, Synchronmaschinen, Asynchronmaschinen

Durch im Netz vorhandene Spannungsoberschwingungen werden in der Ständerwicklung von Motoren und Generatoren Ströme erzeugt, die zusätzliche Erwärmungen verursachen. Oberschwingungen der Ordnungszahl (3? - 1), d. h. 2, 5, 8, 11 etc. verursachen dabei ein gegenläufiges Drehfeld, induzieren dadurch im Generatorläufer ein Wechselfeld, welches durch Wirbelströme im nichtlamellierten Läufer erhebliche Erwärmungen hervorrufen kann. Gemäß der Drehmomentgleichung der Synchronmaschine können Oberschwingungsspannungen, die ein Gegensystem darstellen, Pendel- und Rüttelmomente verursachen.

 

Bei Asynchronmaschinen verursachen Oberschwingungsspannungen in der Ständerwicklung ebenfalls zusätzliche Ströme, die zu erhöhter Erwärmung führen. Gegenmomente mit den zuvor beschriebenen Auswirkungen können ebenfalls entstehen.

ANALYSEN, MESSUNGEN VON OBERSCHWINGUNGEN

Analysen dienen während der Planung zur Abstimmung der Verträglichkeit der einzelnen Betriebsmittel und Verbrauchsmittel untereinander und zur Ermittlung der möglichen Rückwirkungen einzelner Verbraucher oder von Verbrauchergruppen auf das versorgende Netz. Messungen, insbesondere Dauermessungen, sollen bei in Betrieb befindlichen Anlagen das Ansteigen kritischer Oberschwingungspegel rechtzeitig aufdecken. Durch kombinierte Messungen von Oberschwingungsspannung und Oberschwingungsstrom ist es möglich, den Oberschwingungslastfluss nachzuvollziehen und so zu ermitteln, ob die Ursache im eigenen Netz vorhanden ist oder ob Störungen durch Beeinflussungen aus dem vorgelagerten Netz verursacht werden.

Theoretische Analysen

Prinzipielle Vorgehensweise

In den meisten Fällen werden Oberschwingungsanalysen im Frequenzbereich durchgeführt. Dazu werden die einzelnen Betriebsmittel gemäß ihren Ersatzschaltbildern als komplexe Widerstands- oder Leitwertzeiger dargestellt. Je nach Betrachtungsweise (Erzeuger, Verbraucher) wird das entsprechende Netzersatzschaltbild entworfen und anhand dieses Bildes für den interessierenden Frequenzbereich der Verlauf des Gesamtwiderstandes (Gesamtleitwertes) berechnet. Mit den eingeprägten Strömen des Oberschwingungserzeugers kann nun der Pegel der Oberschwingungsspannungen ermittelt werden. Enthält bereits das speisende Netz Oberschwingungsspannungen, so werden diese als eingeprägte Spannungen betrachtet und es kann der Pegel der durch diese Spannungen verursachten Oberschwingungsströme ermittelt werden. In beiden Fällen werden die errechneten Ergebnisse mit zulässigen Grenzwerten verglichen und bei Überschreiten geeignete Abhilfemaßnahmen ergriffen. Zur Analyse transienter Vorgänge werden die Berechnungen im Zeitbereich durchgeführt. Da hierbei der Aufwand - insbesondere zur Beschaffung verwertbarer Betriebsmitteldaten (Sättigung elektrischer Maschinen, Frequenz- und Spannungsregler) - beträchtlich ist, beschränkt sich dieses Verfahren auf Sonderprobleme, wie z. B. leistungsstarker Oberschwingungserzeuger im Inselnetz.

Ersatzschaltbilder

Folgende Ersatzschaltbilder eignen sich zur Beschreibung der Auswirkungen von Oberschwingungen:

Netzeinspeisung

 

Transformator

 

Leitung

 

Kondensator

 

Asynchronmotor

 

Synchronmaschine

 

Anmerkung:
Alle Vorgänge mit Frequenzen größer ca. 2 f_N, bewirken transiente Vorgänge oder bei Vorhandensein einer Dämpferwicklung subtransiente Vorgänge in Stator und Rotor.

Ohmsche Last

Ohmsche Lasten werden als Wirkwiderstände nachgebildet und parallel zum betrachteten Netz angeschlossen.

Oberschwingungserzeuger

Verbraucher mit nichtlinearer Spannungs-Stromkennlinie stellen eine Art "Oberschwingungsgenerator" dar und erzwingen dadurch Oberschwingungsströme (eingeprägter Strom). Das theoretische Frequenzspektrum ergibt sich aus der Schaltung des Oberschwingungserzeugers nach folgender Beziehung:

v = n ^. p +/- 1

v  Ordnungszahl
p: Pulszahl des Stromrichters

Liegen keine Herstellerangaben über die jeweiligen Oberschwingungsströme vor, so können die nachfolgenden Richtwerte herangezogen werden (Quelle: VDEW-Richtlinie "Grundsätze für die Beurteilung von Netzrückwirkungen", 3. überarbeitete Ausgabe 1992).

Stromrichter mit induktiver Glättung

 

B6:      6pulsige Brückenschaltung B6.2 / 15: 12pulsige Brückenschaltung, Reihenschaltung B6.2S 15: 12pulsige Brückenschaltung, Parallelschaltung

Stromrichter mit kapazitiver Glättung

 

Rückwirkungen, Resonanzen

Parallelresonanz

In den meisten Niederspannungsnetzen sind zur Reduzierung der induktiven Blindleistung Kondensatorbatterien vorhanden. Aus der Sicht des Oberschwingungserzeugers stellt diese Anordnung einen Parallelschwingkreis dar. Im Parallelschwingkreis nimmt der komplexe Gesamtwiderstand mit steigender Frequenz zu, erreicht im Resonanzfall sein Maximum, das nur durch den ohmschen Anteil bedämpft wird und sinkt danach wieder ab. Den Zusammenhang beschreiben folgende Gleichungen:

 

S_nT: Nennleistung des (der) einspeisenden Transformatoren
U_k:    Kurzschlussspannung des (der) einspeisenden Transformatoren in p.u.
Q_C:  Blindleistung der Kondensatorbatterie (oder einer eingeschalteten Stufe)

Sind mehrere Transformatoren mit unterschiedlichen Kurzschlussspannungen parallel geschaltet, so kann der Mittelwert folgendermaßen ermittelt werden:

 

Wenn der durch Oberschwingungserzeuger erzwungene Stromfluss einen Frequenzanteil enthält, der mit der Resonanzfrequenz zusammenfällt, so entsteht an diesem Schwingkreis eine hohe Spannung. Diese Spannung überlagert sich der Grundschwingungsspannung und kann zu den bereits beschriebenen Rückwirkungen führen.

Reihenresonanz

In vielen Fällen enthält bereits das vorgelagerte Netz Oberschwingungsspannungen. Aus der Sicht des einspeisenden Netzes stellt die Anordnung Transformator <-> Kondensatorbatterie einen Reihenschwingkreis dar. Im Reihenschwingkreis nimmt der komplexe Gesamtwiderstand mit steigender Frequenz ab, erreicht im Resonanzfall sein Minimum, das nur durch den ohmschen Anteil bedämpft wird und steigt danach wieder an. Den Zusammenhang beschreiben folgende Gleichungen:

 

Bereits kleine Oberschwingungsspannungen können so einen hohen Stromfluss in den Kondensator erzwingen und diesen thermisch überlasten.

Messtechnische Analysen

Messungen des Oberschwingungsgehaltes sollten vorbeugend im Zuge von regelmäßigen Prüfungen durchgeführt werden. Auf dem Markt sind preiswerte Geräte, deren Bedienung keine besondere Einarbeitungszeit erfordert.
Bei bestehenden Anlagen werden beim Auftreten von Störungen Messungen der Oberschwingungsspannungen und der Oberschwingungsströme durchgeführt. Es empfiehlt sich, die relativen Werte (Verzerrungsfaktor) kontinuierlich zu erfassen und nur bei Überschreitung festgelegter Grenzwerte eine Messung der Augenblickswerte durchzuführen. Bei der Verwendung von digitalen Messgeräten ist zur Analyse höherfrequenter Anteile eine Messfrequenz von mindestens 15 kHz erforderlich (10mal zu messende Frequenz). Spannungs- und Stromwandler müssen hierbei für die Übertragung höherer Frequenzen geeignet sein. Bei komplexeren Problemen sollten zeitgleich an verschiedenen Orten Spannungs- und Stromoberschwingungsmessungen, versehen mit einem Zeitstempel, erfolgen.

Grenzwerte

Durch die Definition von Grenzwerten soll einerseits die Störaussendung eines oberschwingungserzeugenden Betriebsmittels in erträglichen Grenzen gehalten und andererseits die Störfestigkeit der Betriebsmittel in oberschwingungsbehafteten Netzen festgelegt werden.

Normen

Störaussendung

• VDE 0838 Teil 2 / DIN EN 61000-3-2:
  Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 3-2: Grenzwerte - Grenzwerte für Oberschwingungsströme (Geräte-Eingangsstrom <= 16 A je Leiter) (IEC 61000-3-2:2000, modifiziert); Ausgabe: 2001-12

• VDE 0838 Teil 3 / DIN EN 61000-3-3:
  Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 3-3: Grenzwerte; Begrenzung von Spannungsänderungen, Spannungsschwankungen und Flicker in öffentlichen Niederspannungs-Versorgungsnetzen für Geräte mit einem Bemessungsstrom <= 16 A je Leiter, die keiner Sonderanschlussbedingung unterliegen (IEC 61000-3-3:1994 + A1:2001); Ausgabe: 2002-05

• VDE 0838 Teil 11 / DIN EN 61000-3-11:
  Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 3-11: Grenzwerte; Begrenzung von Spannungsänderungen, Spannungsschwankungen und Flicker in öffentlichen Niederspannungs-Versorgungsnetzen ­ Geräte und Einrichtungen mit einem Bemessungsstrom ? 75 A, die einer Sonderanschlussbedingung unterliegen (IEC 61000-3-11:2000); Ausgabe: 2002-04

Verträglichkeit

• VDE 0839 Teil 2-2 / DIN V EN V 61000-2-2:
  Elektromagnetische Verträglichkeit, Teil 2: Umgebungsbedingungen, Hauptabschnitt 2: Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen und Signalübertragung in öffentlichen Niederspannungsnetzen, Ausgabe 1994-05

• VDE 0839 Teil 2-2 / DIN V EN V 61000-2-2:
  Elektromagnetische Verträglichkeit, Teil 2: Umgebungsbedingungen, Hauptabschnitt 2: Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen und Signalübertragung in öffentlichen Niederspannungsnetzen, Ausgabe 1994-05

• VDE 0839 Teil 2-2 / DIN V EN V 61000-2-2:
  Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Teil 6-2: Fachgrundnorm - Störfestigkeit Industriebereich; Ausgabe 2000-03

Netzqualität

• VDEW-Richtlinie:
  Grundsätze für die Beurteilung von Netzrückwirkungen, 3. überarbeitete Ausgabe 1992

• VDEW-Richtlinie:
  Anschluss von USV-Anlagen in Drehstromtechnik im Leistungsbereich von 10 kVA bis 1 MVA an das öffentliche Netz, 1. Ausgabe 1995

• VDEW-Richtlinie:
  Anschluss von primär getakteten Schaltnetzteilen mit B6-Drehstromeingang, 1. Ausgabe 1992

• VDEW-Richtlinie:
  Anschluss und Parallelbetrieb von Eigenerzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, 2. Ausgabe 1998

• DIN EN 50160:
  Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen, Oktober 1995

Literatur

• Kloss Albert
  Oberschwingungen: Netzrückwirkungen der Leistungselektronik, 2. Auflage 1996, VDE-Verlag

• Blume, Dirk
  Spannungsqualität in elektrischen Netzen, VDE-Verlag 1999

• Wey, Benzinger
  Die Grundlagen der Wechselstromlehre, Oldenbourg Verlag 1967

Grenzwerte

Störaussendung

Pauschale Grenzwerte für Oberschwingungsströme sind nicht möglich, da die jeweiligen Rückwirkungen von der Vorbelastung des Netzes und von der Kurzschlussleistung am Anschlusspunkt abhängig sind. Für die Störaussendung von Betriebsmitteln mit Grundschwingungs-Nennströmen größer 16 A sind derzeit Grenzwerte in Beratung (IEC 61000-3-4). Die nachfolgenden Grenzwerte gelten für Oberschwingungsströme bei einem Verhältnis von Kurzschlussleistung/Gerätenennleistung S_k'' / S_rG > 33:

 

Verträglichkeit

Die Verträglichkeitspegel für Oberschwingungsspannungen werden in drei Klassen unterteilt:

• Klasse 1 a33 betrifft Betriebsmittel in industrieller Umgebung, wie Schweißmaschinen, Stromrichterantriebe etc.

Für die Verträglichkeitspegel der Klasse 1 gelten folgende Grenzwerte:


Für höhere Ordnungszahlen gilt: 0,2 + 0,5 <sup.<> 25 / v

Für die Verträglichkeitspegel der Klasse 2 gelten folgende Grenzwerte:


Für höhere Ordnungszahlen gilt: 0,2 + 0,5 <sup.<> 25 / v

Für die Verträglichkeitspegel der Klasse 3 gelten folgende Grenzwerte:




Netzqualität

Der Gesamtoberschwingungsgehalt THD (total harmonic distortion, Verzerrungsfaktor) ist das Verhältnis der Summe aller Oberschwingungen bezogen auf die Grundschwingung. Bezogen auf die Spannung dürfen die folgenden Maximalwerte nicht überschritten werden:



ABHILFEMAßNAHMEN

Da zwischen Oberschwingungsstromerzeuger und Oberschwingungsspannungsübertrager eine Wechselwirkung besteht, sind an verschiedenen Stellen unterschiedliche Abhilfemaßnahmen möglich.

Verursacher (Erzeugerseite)

• Verwendung von Stromrichtern mit höheren Pulszahlen (12-pulsig statt 6-pulsig)
• Einsatz von Transformatoren mit unterschiedlichen Schaltgruppen
• Anschluss von leistungsstarken Oberschwingungserzeugern direkt an das Mittelspannungsnetz
• Saugkreise (Filterkreise) für Oberschwingungsströme

Netzeinspeisung

• Erhöhung der Kurzschlussleistung im Netz

• Versorgung über separaten Transformator

• Generatoren mit Dämpferwicklung

• Einbau von Strombegrenzungsdrosseln (Sternpunktdrossel)

• Außerbetriebnahme der Festkompensation von Transformatoren

• Aktive Oberschwingungsfilter

• Verdrosselung von Blindstromkompensationsanlagen