Netzrückwirkungen
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Die Spannungsqualität wird durch verschiedene Größen beeinflusst, die durch Verbrauchs- und Erzeugungsanlagen bedingt sind. Diese Größen bezeichnet man im Allgemeinen als Netzrückwirkungen. Sie treten auf als Oberschwingungsspannungen, Spannungen bei zwischenharmonischen Frequenzen, Flicker, Spannungsänderungen, Spannungsänderungsverläufen, Spannungsschwankungen, die den Sinuspegel beeinflussen, sowie als Spannungsunsymmetrien. Geregelt und genormt sind die maximal zulässigen Verträglichkeitspegel der einzelnen Netzrückwirkungen (unter anderem) in der DIN EN 61000-2-4 ‚Umgebungsbedingungen – Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen in Industrieanlagen‘. Diese Norm ist das belastbare Fundament, auf welches wir, mit Hilfe unseres Know-How’s und unseres strukturierten Produktportfolios, Ihre Spannungsversorgung sicher und normkonform stellen. Lassen Sie sich auf dieser Seite informativ von der jeweiligen Netzrückwirkung bzw. dem Spannungsphänomen bis hin zum wirksamen Power Quality-Werkzeug leiten, um unsere mögliche Lösung oder den jeweiligen Ansprechpartner zu finden.
Spannungen konditionieren
In den weltweiten Energieversorgungsnetzen treten willkürliche Störungen von Spannungspegeln auf, die zu kurzzeitigen Unterbrechungen in Fertigungsprozessen oder zu langen Ausfallzeiten von Produktionsanlagen führen.
In Normen und Standards wie der EN 50160 resp. EN 61000-2-4 sind die Spannungsgrenzen und jeweils zulässigen Abweichungen definiert. Im Bereich ‚Spannungen konditionieren‘ stehen diese immer in Abhängigkeit von Spannungsniveau zu Zeitdauer. Aufgrund dieser Einteilung unterscheiden wir zwischen Spannungseinbrüchen, Über- / Unterspannungen, Flicker und Unsymmetrien. Für jedes dieser Phänomene besitzen wir ein passendes Tool, um speziell in ihren sensiblen Produktionsprozessen, stetig für eine optimale Spannung zu sorgen.
Einteilung der Oberschwingungsbereiche über ein gesamtes Frequenzband.
Aufgrund der physikalischen Gemeinsamkeiten von Oberschwingungen in der Elektrotechnik und Obertönen in der Musik haben wir versucht, mit diesem kurzen Beispiel-Video die Überlagerung von Oberschwingungen eines 50 Hz-Sinus audiovisuell etwas aufzubereiten. Weitere Infos erhalten Sie durch unsere Kleine Oberschwingungs-Harmonielehre.
- Sub-Harmonische Oberschwingungen
(Frequenzen < 50 Hz): Subharmonische Schwingungen in Stromversorgungsnetzen sind kein unbekanntes Phänomen. Es handelt sich dabei um natürliche Frequenzen, die in allen schwingfähigen Systemen vorkommen. Im elektrischen Versorgungsnetz beschreiben sie die Amplitudenänderung der Spannung, beeinflusst durch beispielsweise Laständerung, Spannungsregler oder Torsionsschwingungen von großen Maschinen. In der Vergangenheit haben sie vorwiegend im Übertragungsnetz zum Erreichen von Systemgrenzen und gar zur Verursachung von kostspieligen Schäden geführt. In den gegenwärtigen Energienetzen spielen Sub-Harmonische keine Rolle mehr. - Harmonische Oberschwingungen
(vor allem ungerade, natürliche Vielfache der Grundschwingung bis 2 kHz): Harmonische sind Schwingungen, deren Frequenzen um ein ganzzahliges Vielfaches höher sind als die der Grundschwingung. Sie entstehen, wenn die elektrische Spannung aufgrund unterschiedlicher Einflussfaktoren verzerrt wird. Weitere Infos erhalten Sie durch unsere Kleine Oberschwingungs-Harmonielehre.
Oberschwingungen allgemein
Netzrückwirkungen in Form von Oberschwingungen (Schwingungen mit einem Vielfachen der Grundfrequenz) stellen heutzutage einen wesentlichen Bestandteil der Beeinflussung der Spannungsqualität dar. Betriebsmittel mit nichtlinearen U-I-Kennlinien oder nicht stationärem Betriebsverhalten führen zur Aufnahme eines nicht sinusförmigen Stroms welcher wiederrum durch dessen Einspeisung gegen die vorhandene Netzimpedanz zu entsprechend nicht sinusförmigen Spannungsfällen und damit zur Verzerrung der Spannungsversorgung führt. Zu den Folgen gehören unter anderem die Zerstörung von Betriebsmitteln, die Beeinflussung der korrekten Funktion von elektronischen Steuerungen oder auch die Anregung von kritischen Resonanzen. Zwar können durch geeignete Maßnahmen die Aussendungen von Oberschwingungen verringert werden, vollständig eliminieren lassen sich diese jedoch nicht. Die IEC 61000-2-4 als Produktleitnorm gibt fest definierte Grenzwerte für die maximal zulässige Spannungsverzerrung vor. Bei Überschreitung dieser Grenzwerte dürfen Betriebsmittel und Prozesse gestört werden ohne dass deren Hersteller in die Haftung genommen werden kann, es entfällt also der Gewährleistungsanspruch. Der Kunde muss in solchen Fällen selbst für die entstehenden Kosten von beispielsweise Reparaturen und Produktionsausfällen aufkommen. Hierbei können sich gerade beim Ausfall von gesamten Produktionsprozessen die entstehenden Kosten schnell auf ein Vielfaches dessen summieren, das geeignete Maßnahmen zur Reduzierung der verursachenden Spannungsverzerrung im Vorfeld gekostet hätten. Es obliegt also der Verantwortung des Kunden sicherzustellen das die vorhandenen Spannungsverzerrungen in seinem Netz auf ein mit der Norm verträgliches Maß reduziert werden.
Auf dem gesamten Frequenzband – von nieder- bis zu den hochfrequenten Schwingungen – werden die unterschiedlichen Arten der Oberschwingungen in Ihre physikalische Charaktere eingeteilt. Mit Hilfe dieser Einteilung werden die Verzerrungen voneinander getrennt, analysiert und jeweils das beste Werkzeug aus unserer PQ-Toolbox dem jeweiligen Störphänomen zugewiesen.
- Inter-Harmonische Oberschwingungen
(Frequenzen zwischen den Harmonischen): Inter- oder Zwischenharmonische sind ebenfalls Überlagerungen der 50 Hz-Grundwelle, jedoch deren Frequenzen einem nichtganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz entsprechen. Spannungsverzerrungen in diesen Frequenzbereichen sind oftmals Anzeichen für eine bestehende Netzresonanz. - Supra-Harmonische – hochfrequente – Oberschwingungen
(Frequenzen ab 2 kHz): Der Anteil an Leistungselektronik in unseren Energienetzen steigt – durch die technologischen Weiterentwicklungen – stetig an. Die physikalischen Größen der heutzutage verbauten Power Electronics-Komponenten – wie z.B. Platinen für Wechsel- und Gleichrichter – werden weiter reduziert. Damit ist es möglich Strom und Spannung schneller und in vielen unterschiedlichen Stufen zu schalten. Das vermehrt allerdings auch auftretende Spannungsphänomene die, speziell im hochfrequenten / supraharmonischen Frequenzbereich (> 2 kHz), Energie-, Versorgungs- und Industrienetze sowie regenerative Energieparks, immens belasten.
Blindströme kompensieren – kurz gefasst
Die Blindleistung entsteht durch induktive und kapazitive Betriebsmittel im Energienetz. In induktiven Lasten, wie zum Beispiel Motoren, erzeugen die Wicklungen in jeder Sinushalbschwingung ein magnetisches Feld. In kapazitiven Betriebsmitteln, wie zum Beispiel Kabeln, wird ein elektrisches Feld erzeugt. Für diese Vorgänge ist Strom notwendig, der als Energie im Feld gespeichert wird und beim Wechsel der Halbschwingung wieder abgegeben wird. Damit ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und der Strom pendelt zwischen Last und Erzeuger ohne verbraucht zu werden (abgesehen von Leitungsverlusten). Dieser sogenannte Blindstrom muss also vom Energieversorger bereitgestellt werden und erzeugt Kosten. Aus wirtschaftlicher Sicht ergibt es für Unternehmen ab einer gewissen Menge bezogener Blindleistung Sinn, diese vor Ort an der Last zu kompensieren, um Kosten zu sparen.
Frequenzstörungen
Der Strom aus der Steckdose hat nicht immer die gleiche Qualität. Das merkt ein Nutzer von Elektrogeräten normalerweise nicht. Für ihn gibt es nur die zwei Zustände: Strom da oder Strom nicht da, also Stromausfall. Doch mit einem Messgerät lässt sich die Stromqualität leicht erkennen. Sie verrät sich nämlich durch die Frequenz der Wechselspannung. Im Normalfall ändert die elektrische Spannung ihre Richtung mit einer Frequenz von 50 Hertz. Die zeitliche Veränderung der Spannungshöhe entspricht dabei einer wohlgeformten Sinuskurve. In ganz Deutschland, ja ganz Europa – zumindest im europäischen UCTE-Verbundnetz – arbeiten alle Kraftwerke, Überlandleitungen und elektrischen Geräte schön synchron im Takt mit eben diesen 50 Hertz (Amerika = 60 Hertz), zumindest theoretisch. In der Praxis ist die Netzfrequenz nicht völlig stabil, sondern schwankt ein wenig. Diese leichten Abweichungen haben keinen Qualitätseinfluss auf den Strom. Was passiert ist, dass Erzeugung und Last nicht gleich groß sind.
Ist die erzeugte Leistung > verbrauchte Leistung = Überfrequenz
Ist die erzeugte Leistung < verbrauchte Leistung = Unterfrequenz
Für die Systemdienstleistung Frequenzhaltung sind die Übertragungsnetzbetreiber zuständig. Sie haben die Aufgabe, Stromerzeugung und -verbrauch jederzeit exakt im Gleichgewicht zu halten und somit für die unabdingbare Voraussetzung eines stabilen Netzbetriebes zu sorgen.
Stellungnahme von Geschäftsführer Dr. Dresel zu dem oftmals diskutierten Thema Blackout: „Selbst bei einer möglichen Gasmangellage in Kraftwerken ist ein vollständiger Blackout unseres europaweiten Energienetzes sehr unwahrscheinlich. Bevor dieses Worst-Case-Szenario eintrifft, stabilisieren die Übertragungsnetzbetreiber mit Hilfe eines Lastabwurf-5-Stufen-Plans und geregelten Netzauftrennungen das gesamte Netz. Dazu bleibt zu erwähnen, dass Netzauftrennungen und Lastabwürfe in unserem EU-Verbundnetz nur zwei Mal wirklich spürbar akut waren. Aber auch in dieser Situation waren wir weit von einem Blackout entfernt.“
Siehe dazu auch: Europäisches Verbundsystem, Störungen und Unterfrequenz.