Definition von Oberschwingungen
Oberschwingungen, auch Harmonische, sind Wellen, deren Frequenzen um ein ganzzahliges Vielfaches höher sind als die der Grundschwingungen. Sie entstehen aufgrund von nichtlinearen Lasten im Versorgungsnetz, wenn die elektrische Spannung aufgrund unterschiedlicher Einflussfaktoren verzerrt wird. Eine Harmonische oberhalb der Grundfrequenz wird auch Oberschwingung, Oberwelle und in der Musik Oberton genannt.
Verursacher von Netzrückwirkungen/Harmonischer im Stromnetz
der Wandel der Energietechnik
Um die Energie effizienter nutzen zu können, steuern wir heute vieles über Leistungselektronik. So tauscht man einen Asynchronmotor häufig gegen einen Frequenzumrichter geregelten Antrieb aus oder ein Gerät erhält ein Schaltnetzteil anstelle von einem Transformator.
Die neue Gerätetechnik bezieht in der Regel im Gegensatz zur alten Technik keinen sinusförmigen Strom mehr aus dem Netz. Power Quality Messgeräte zerlegen diesen Strom in das Spektrum aller Frequenzen. In der Netzqualitätsmessung unterteilen wir heute Netzrückwirkungen in Harmonische, Zwischenharmonische und neuerdings in Supraharmonische.
Wir definieren Harmonische als Vielfache der Grundschwingung (Beispiel 250Hz = 5. Harmonische bei einer 50Hz Grundschwingung). Liegen Frequenzen zwischen zwei ganzzahligen Vielfachen der Grundschwingung, so bezeichnen wir diese als Zwischen- oder Interharmonische. In der Power Quality Messtechnik sowie in den Normen fasst man in der Regel alle Interharmonischen von einem Bereich zu einem Wert zusammen (Beispiel alle Frequenzen zwischen >350Hz und <400Hz gehen in die 7. Interharmonische ein).
Synonyme Begriffe
In der Elektrotechnik begegnet man immer wieder Begriffen, welche synonym verwendet werden, um Harmonische/Oberschwingungen zu beschreiben:
- Oberschwingung
- Oberwelle
- Netzoberwelle
- Oberschwingungsströme
Bedeutung von Oberschwingungen in Verbindung zu EMV
Oberschwingungen sind unerwünschte höhere Frequenzen, die die Grundwellenform überlagern und ein verzerrtes Wellenmuster erzeugen. Diese Verzerrungen können zu elektromagnetischen Störungen (EMV) führen und somit die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beeinträchtigen. Dies ist besonders im Kontext der Energieversorgung von Bedeutung, da Oberschwingungen die Effizienz und Lebensdauer von elektrischen Geräten und Anlagen negativ beeinflussen.
Die Spielregeln für das öffentliche Netz legt heute die EMV Norm IEC61000-2-2 fest und regelt mit ihren Grenzwerten bis 150kHz, ob ein Verbraucher zu hohe Störpegel am Anschluss in das Netz einbringt, oder ob ein gestörtes Gerät eine zu geringe Störfestigkeit aufweist. Die Messtechnik kann dies beweisen. Liegt der Störpegel noch unter den Grenzwerten und ein Verbraucher wird negativ beeinflusst, so ist hier die Störfestigkeit wahrscheinlich zu gering ausgelegt. Wird der Grenzwert der Norm überschritten, so liefert mit ziemlicher Sicherheit der Verursacher zu hohe Rückwirkungen in das Netz.
Ursachen und Auswirkungen
Oberschwingungen im Wechselspannungsnetz sind Wellen mit Frequenzen, die höher sind als die der Grundschwingungen der Netzfrequenz. Sie führen zu einer Verzerrung des Sinusverlaufs von Strom und Spannung und sind eine elektromagnetische Verschmutzung des Stromnetzes. Diese Verzerrungen werden in Prozentwerten angegeben und auch als gesamte harmonische Verzerrung (Total Harmonic Distortion, THD oder THDi), Oberschwingungsgehalt oder Oberschwingungsanteil bezeichnet. Der Wert bezieht sich auf das Verhältnis aller Strom- oder Spannungsoberschwingungen zur Grundschwingung – meist also die Grundfrequenz von 50 Hertz.
Typische Verursacher und deren Taktfrequenzen/Frequenzbereiche für Netzrückwirkungen mit denen wir heutzutage in modernen Elektrizitätsversorgungsnetzen rechnen müssen:
- Frequenzumrichter Antrieb: 4kHz bis 20kHz
- Solar-Wechselrichter (400V): 16kHz bis 22kHz
- WK-Anlage (MS-Netz): 2kHz bis 6kHz
- E-Mobil: 10kHz bis 80kHz
- Aktive Netzfilter: 8kHz bis 20kHz
- USV-Anlagen: 15kHz bis 25kHz
- EVG Leuchten: 20kHz bis 200kHz
- Schaltnetzteile: 30kHz bis 300kHz
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass harmonische wie Oberschwingungen ein kritischer Faktor in der Energieversorgung sind, der die elektromagnetische Verträglichkeit beeinflusst. Sie entstehen durch Verbraucher und Einspeiser, welche Netzrückwirkungen in Form von Verzerrungen der elektrischen Spannung verursachen. Oberschwingungen bezeichnen Harmonische, welche oberhalb der Grundfrequenz der Spannungs-Sinuskurve auftreten und können auch durch verschiedene Synonyme wie Oberwellen und Netzoberwellen beschrieben werden. Ihre Auswirkungen auf die Effizienz und Stabilität von Stromnetzen und elektrischen Geräten sind erheblich und sollten daher nicht unterschätzt werden.
Aktuelle Video-Serie
Rund um das Thema Power Quality Messung und Analyse zur Detektierung von Harmonischen und weiteren Netzrückwirkungen wie Transienten, Flickern und Spannungsasymetrien
Wandel in der Energietechnik mit Blick auf Power Quality – Teil 1
In diesem Beitrag, der gemeinsam mit dem Portal Schutztechnik.com entstanden ist, wird der aktuelle Wandel in der Energietechnik diskutiert. Zusätzlich sollen die Auswirkungen der Netzrückwirkungen betrachtet werden und welchen Einfluss diese auf Messgeräte haben, mit denen wir heute Fehler im Netz detektieren.
Wandel in der Energietechnik mit Blick auf Power Quality – Teil 2
Normen spielen für Messungen der Spannungsqualität eine große Rolle. Dementsprechend ist es essentiell, dass auch diese an die neuen Gegebenheiten im Zuge des Wandels in der Energietechnik angepasst werden. Im zweiten Beitrag unserer Reihe befassen wir uns mit den gängigen Normen im Bereich der Spannungsqualität und wie diese mit Bezug auf die hohen Schaltfrequenzen auszulegen sind.
Power Quality Messungen:
Der N-Leiter & Harmonische Oberschwingungen
In Power Quality Messungen werden häufig ungeradzahlige harmonische Oberschwingungen wie die 15., 21. & 27. verletzt. Doch was sind Harmonische überhaupt, wie kommt dieser Umstand zustande und welchen Einfluss haben Sie auf den Neutralleiter. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit diesen Fragen und soll Licht ins Dunkle führen.
Spannungsqualität messen:
Die 3. Harmonische in der Praxis
Im Bericht „Der N-Leiter & Harmonische Oberschwingungen“ wurde bereits erklärt, was die Besonderheiten der durch 3 teilbaren Harmonischen sind und wieso diese sich auf dem Neutralleiter addieren. Dieser Applikationsbericht soll dies noch einmal anhand einer typischen Messung im Netz veranschaulichen und aufzeigen, was bei Power Quality Messungen zu beachten ist. Beim geschilderten Fall geht es um Probleme bei der Spannungsqualität in einem Bürogebäude.
Vier Wege, um Strom zu messen
In diesem Video werden verschiedene Methoden zur Messung von Strom untersucht. Es wird darauf eingegangen, wie Ströme mithilfe von Netzanalysatoren und Stromzangen erfasst werden. Es werden die jeweiligen Vorteile und Nachteile verschiedener Technologien wie Shunts, normale Stromzangen, Hall-Effect-Sensoren und Rogowskispulen betrachtet. Außerdem werden die möglichen Messfehler angesprochen.
Winkelbestimmung von Spannungs- und Stromharmonischen
Wer verursacht die Oberschwingungen, der Kunde oder das EVU? Und ist es überhaupt möglich, die Richtung von Oberschwingungen zu ermitteln? Antwort auf diese Fragen gibt Ihnen Jürgen Blum, Produktmanager «PQMobil» und Erfinder der A. Eberle PQ-Box in diesem Video.
Cos ϕ vs. Leistungsfaktor λ – Theorie
In diesem Fachbericht wird die Unterscheidung zwischen dem Leistungsfaktor und dem Cosinus Phi diskutiert. Der Cosinus Phi, früher häufig als das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung bekannt, hat jedoch heute bei vielen Verbrauchern eine andere Bedeutung. Es gibt einen markanten Unterschied in der Definition, wie der Leistungsfaktor oder der Cosinus Phi berechnet wird.
Cos ϕ vs. Leistungsfaktor λ – Praxis
Dieser zweite Fachbericht zum Thema Blindleistung und insbesondere der Verzerrungsblindleistung ergänzt den ersten Beitrag Cos ϕ vs. Leistungsfaktor Theorie. In diesem Beitrag wird mit einem Netzanalysator (PQ-Box 200) die Spannung und der Strom einer Glühlampe in einer Onlinemessung gemessen, welche über eine Phasenanschnittsteuerung geregelt wird. Anhand dieses Messbeispiels wird die Entstehung der verschiedenen Blindleistungsarten veranschaulicht.
Tipps & Tricks 1 – Umgang mit Power Quality Messgeräten und typische Anwendungsfehler
In diesem Beitrag erhalten Sie wertvolle Tipps und Tricks zur Durchführung von Power-Quality-Messungen. Es wird erläutert, welche Anschlussfehler gemacht werden können und welche Vorüberlegungen vor dem Einsatz eines Messgeräts getroffen werden sollten. In Bezug auf die Wahl des Messgeräts wird die Entscheidung zwischen einem mobilen Messgerät und einem festinstallierten Netzanalysator erörtert.
Tipps & Trick 2 – Umgang mit Power Quality Messgeräten und typische Anwendungsfehler
Dieses Thema ist in zwei Beiträge aufgeteilt (Tipps und Tricks, Teil 1 und Teil 2). Dies ist der Teil 2.
Arten von Oberschwingungen
Wann ist eine Oberschwingung harmonisch und wann nicht?
Als Oberschwingung werden Harmonische genannt, welche oberhalb der Grundfrequenz auftreten. Eine harmonische Schwingung liegt vor, wenn die Bewegung des schwingenden Körpers mit der Projektion einer gleichförmigen Kreisbewegung übereinstimmt und durch eine Sinus- oder Kosinusfunktion beschrieben werden kann. Alternativ kann eine Schwingung als harmonisch bezeichnet werden, wenn die rücktreibende Kraft auf den schwingenden Körper entgegengesetzt gerichtet und proportional zur Auslenkung des Körpers aus der Ruhelage ist. Diese Bedingungen definieren, wann eine Schwingung physikalisch betrachtet als harmonisch bezeichnet wird ist.
Nicht harmonische Schwingungen hingegen erfüllen diese Bedingungen nicht. Sie weisen keine gleichförmige Kreisbewegung auf und die rücktreibende Kraft ist nicht proportional zur Auslenkung. Neben Harmonischen gibt es aber noch weitere Arten der Netzverschmutzung, welche mit geeigneter Messtechnik detektiert werden können.
Transienten sind kurzzeitige, plötzliche Spannungs- oder Stromspitzen, die durch schnelle Änderungen im Netz, wie Blitzeinschläge, Schaltvorgänge oder plötzliche Laständerungen, verursacht werden. Sie können elektronische Geräte stören oder beschädigen.
Flicker bezeichnen schnelle, wiederholte Schwankungen der Netzspannung, die das Flackern von Beleuchtung verursachen. Diese Schwankungen entstehen oft durch periodisch schwankende Lasten, wie Schweißgeräte, große Motoren oder Windkraftanlagen.
Spannungsasymmetrien treten auf, wenn die Spannung in einem dreiphasigen Netz ungleichmäßig verteilt ist, was zu einer ungleichmäßigen Belastung der Phasen und möglichen Überhitzungen führen kann. Ursachen hierfür können ungleichmäßig verteilte Lasten, defekte Transformatoren oder fehlerhafte Verkabelung sein.
Erste, zweite, dritte und n-te Oberschwingung
Die Grundwellenform wird als 1. Harmonische bezeichnet. Die erste Harmonische hat die gleiche Frequenz wie die Grundschwingung. Die zweite Harmonische hat eine Frequenz, die doppelt so hoch ist wie die der Grundschwingung, und die dritte Harmonische hat eine Frequenz, die dreimal so hoch ist wie die Grundfrequenz. Dies setzt sich für die n-te Harmonische fort, wobei die Frequenz das n-fache der Grundfrequenz beträgt.
Zwischenharmonische und supraharmonische Oberschwingungen
Zwischenharmonische Oberschwingungen treten auf, wenn die Frequenzen der Schwingungen zwischen den ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz liegen. Diese können durch nichtlineare Lasten verursacht werden und führen zu zusätzlichen Störungen im Stromnetz.
Supraharmonische Oberschwingungen sind Oberschwingungen, deren Frequenzen über den typischen harmonischen Frequenzen liegen und ebenfalls zu elektromagnetischen Störungen führen können.
Harmonische Schwingungen sind zusammenfassend also durch ihre Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind, gekennzeichnet. Nicht harmonische Schwingungen erfüllen diese Bedingung nicht und können ebenfalls zu Störungen im Stromnetz führen. Die erste, zweite, dritte und n-te Harmonische haben Frequenzen, die ein-, zwei-, drei- oder n-mal so hoch sind wie die Grundfrequenz. Zwischenharmonische und supraharmonische Oberschwingungen umfassen Frequenzen, die zwischen oder über den harmonischen Frequenzen liegen und können ebenfalls die Netzqualität beeinflussen.
Entstehung und Auswirkungen von Oberschwingungen
Wie und wo entstehen Oberschwingungen?
Oberschwingungen entstehen in elektrischen Netzen durch nichtlineare Betriebsmittel und Geräte, die den sinusförmigen Verlauf der Strom- und Spannungskurven verzerren. Im Idealfall verläuft die elektrische Spannung in einer perfekten Sinuskurve, auf der die Polarität gleichmäßig zwischen positiven und negativen Werten hin- und herwechselt. Dieser gleichförmige Verlauf ist jedoch nur theoretisch und in der heutigen Zeit so gut wie unmöglich in der Realität anzutreffen.
Ursachen für Oberschwingungen
- Nichtlineare Betriebsmittel: Geräte wie Transformatoren und Leuchtstofflampen haben eine nichtlineare Kennlinie, die zu harmonischen Schwingungen führt.
- Leistungselektronische Betriebsmittel: Gleichrichter, Triacs und Thyristoren erzeugen nicht harmonische Schwingungen, die das Netz stören.
- Schaltnetzteile: Diese sind in Geräten wie Fernsehern, Computern und Halogenbeleuchtungen verbreitet und erzeugen Ströme, die zu Oberschwingungsströmen und damit zu Spannungsverzerrungen führen.
Diese Faktoren stören die lineare Stromaufnahme und führen zur Entstehung von Oberschwingungen. Bereits seit den Anfängen elektrischer Stromverteilernetze sind Oberschwingungen ein bekanntes Problem. Mit der Weiterentwicklung und dem rasant steigenden Einsatz von Frequenzumrichtern in modernen Geräte/Verbrauchern nehmen diese Verzerrungen jedoch stark zu.
Wie wirken sich Oberschwingungen negativ aus? Welche Risiken entstehen?
Oberschwingungen können erhebliche negative Auswirkungen auf elektrische Netze und die daran angeschlossenen Geräte haben. Hier sind einige der wichtigsten Probleme und Risiken:
Zusätzliche Erwärmung
Oberschwingungen führen zu einer zusätzlichen Erwärmung von Dreh- und Wechselstrommotoren sowie Generatoren. Diese erhöhte Erwärmung beeinträchtigt die Lebensdauer und Effizienz elektronischer Geräte.
Verkürzung der Lebensdauer
Geräte wie Glühlampen können durch die erhöhte Glühfadentemperatur schneller verschleißen. Harmonische Schwingungen können die Lebensdauer elektrischer Geräte erheblich verkürzen.
Gerätestörungen und -überlastungen
Leuchtstofflampen und die dazugehörigen Kondensatoren können durch Oberschwingungen gestört oder überlastet werden, was zu Ausfällen und Störungen führen kann.
Zerstörung von Geräten
Hohe Einschaltspitzen, die durch Oberschwingungen verursacht werden, können zu einer sogenannten Sternpunktverschiebung führen, die Geräte beschädigen oder zerstören kann, insbesondere in Dreiphasen-Wechselstromsystemen.
Fehlfunktionen und Beeinträchtigungen
Oberschwingungen können zu Fehlfunktionen durch eine Verschiebung der Nulldurchgänge und das Auftreten von Mehrfachnulldurchgängen führen. Dies betrifft Stromrichter, Synchronisationseinrichtungen und Parallelschaltgeräte.
Beeinträchtigung von Schutz- und Messgeräten
Schutzgeräte wie Distanzschutz, Überstromschutz oder Differentialschutz können durch Oberschwingungen beeinträchtigt werden. Auch die Genauigkeit von Induktionszählern kann darunter leiden.
Funktionsbeeinträchtigungen bei Rundsteuerempfängern
Oberschwingungen können die Funktionsweise von Rundsteuerempfängern beeinträchtigen, was zu Fehlfunktionen und Ausfällen führen kann.
Störung von IT-Anlagen
Oberschwingungen können massive Störungen in IT-Anlagen verursachen, einschließlich Betriebsausfälle, Systemabstürze, Baugruppenausfälle, Schnittstellendefekte, Performanceverluste, Datenprobleme und Bildschirmflackern.
Zusammengefasst stellen Oberschwingungen ein erhebliches Risiko für die Stabilität und Effizienz elektrischer Netze und Geräte dar. Sie können zu zusätzlicher Erwärmung, verkürzter Lebensdauer, Gerätestörungen und erheblichen Funktionsbeeinträchtigungen führen. Daher ist es wichtig, Maßnahmen zur Reduktion und Kontrolle von Oberschwingungen zu ergreifen, um die Netzqualität und Betriebssicherheit zu gewährleisten.
Harmonische/Oberschwingungen messen mit Klasse A Messgeräten (IEC61000-4-30 Ed.3) von A. Eberle
PQMobil – unsere mobilen Netzanalysatoren
Oberschwingungen und Netzverschmutzungen wie Flicker, Transienten und Spannungsasysmetrien zuverlässig detektieren
Die PQ-Box Familie besteht aus leistungsstarken, tragbaren Netz-, Frequenzanalysatoren, Leistungsmessern und Transientenrekordern zur Spannungsüberwachung und Power Quality Messung.
Die Bedienerfreundlichkeit wie auch der praxistaugliche Einsatz stand bei der Entwicklung im Vordergrund. Um einen Verursacher von Netzstörungen schnell zu lokalisieren, sind die Geräte mit einer Vielzahl von Triggermöglichkeiten ausgestattet.
Alle mobilen Power Quality Analysatoren erfüllen die hohe Schutzklasse IP65 und können auch im Freien installiert und betrieben werden. Außerdem verfügen die PQ-Boxen über einen sehr großen Temperaturbereich von – 20°C bis + 60°C.
Zudem erfüllen sie alle Anforderungen der Messgerätenormen IEC61000-4-30 Ed.3, IEC62586-1 und IEC62586-2 Ed.2 für Klasse A Geräte.
PQSys – unsere festinstallierten Power Quality Netzanalysatoren und Störschreiber
Bereits heute für die Anforderungen von morgen gewappnet sein
Die festinstallierten Störschreiber und Power Quality Netzanalysatoren PQI-LV, PQI-DA smart, PQI-DE und PQI-D sind die zentralen Komponenten in einem System, mit dem alle Messaufgaben in einem Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetz gelöst werden können. Die Analysatoren können als Störschreiber mit bis zu 41kHz Abtastrate, als Power Quality Messgeräte nach EN50160 / IEC 61000-2-2/4 oder als Leistungsanalysator eingesetzt werden.
Vor allem sind die Komponenten dafür geeignet, spezielle Bezugsqualitäten oder Qualitätsvereinbarungen zwischen dem Energieversorger und seinem Kunden zu überwachen, zu registrieren und zur Auswertung bzw. Speicherung bereitzustellen.
Moderne Spannungsqualitäts-Messgeräte arbeiten nach der Norm IEC 61000-4-30 Ed. 3. Diese Norm definiert Messmethoden, um für den Anwender eine vergleichbare Basis zu schaffen.
Power Quality Dienstleistungen – Spannungsüberwachung & Störungssuche als Dienstleistung direkt vom Messgeräte-Hersteller
Wir unterstützen Sie mit unserer langjährigen Erfahrung und Expertise bei Ihrer Netzanalyse
Als renommierter Hersteller für mobile High-End-Netzanalysatoren und führender Anbieter für festinstallierte Power Quality Messgeräte in Deutschland, verfügen wir über technisches Know-how, langjährige Erfahrung und fortschrittliche Messtechnologie.
Wir stehen Ihnen als zuverlässiger und kompetenter Partner für alle Herausforderungen im Bereich der Netzanalyse zur Seite. Von der Projektdefinition bis zum Abschlussbericht. Für weitere Informationen zu unserem Power Quality Dienstleistungsangebot klicken Sie bitte hier und erfahren Sie, wie wir Sie bestmöglich unterstützen können:
Power Quality
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