Immer mehr und größere Probleme durch Oberschwingungsbelastung

Oberschwingungsbelastung: ein Meuchelmörder in Elektroinstallationen

Zu einer Oberschwingungsbelastung kommt es in geringerem oder stärkerem Umfang in fast jeder elektrischen Anlage. Je größer die Oberschwingungsbelastung, desto mehr Risiken ist Ihre Anlage ausgesetzt. Besonders in Anlagen mit viel Leistungselektronik (anderen als linearen Lasten) ist das Risiko von Problemen aufgrund einer Oberschwingungsbelastung hoch. Darüber hinaus führen die Harmonischen zu einer zusätzlichen Blindleistung, d. h. Verzerrungsleistung oder harmonischen Leistung. Aufgrund von Oberschwingungen können geschaltete Geräte (z. B. Frequenzumrichter) manchmal mehr als 50 % Blindleistung verbrauchen.

Burned cable caused by harmonic pollution

Risiken durch Oberschwingungsbelastung:

  • Ausfall von Geräten
  • Unerwartetes Abschalten von Sicherheitsvorrichtungen
  • Probleme beim Einschalten von Generatoren
  • Entzündung korrekt dimensionierter Kabel und Verteilerschränke
  • Unnötige Energie- und Leistungsverluste
  • Kürzere Lebensdauer von Geräten
  • Unnötige Kosten für Wartung und Instandhaltung

Igniting distribution box due to poor Power Quality

 

Ursachen der Oberschwingungsbelastung

Die Oberschwingungsbelastung wird durch nicht lineare Lasten verursacht. Dabei geht es um elektrische Geräte, die kein lineares Verhalten zeigen; die Form des aufgenommenen Stroms entspricht nicht der Form der angebotenen Spannung. Der resultierende Strom ist daher nicht rein sinusförmig.

Leistungselektronik oder Geräte, die Leistungselektronik enthalten, sind typische nicht lineare Lasten. Solche Geräte werden zunehmend in industriellen und gewerblichen Anlagen eingesetzt. Dadurch steigt die Oberschwingungsbelastung in diesen Anlagen exponentiell.

Beispiele für nicht lineare Belastungen

  • Frequenzumrichter / drehzahlvariable Antriebe (für AC- und DC-Motoren)
  • Industrielle Ausrüstung (Schweißausrüstung, Elektrolichtbogenöfen, Induktionsöfen, Batterieentladegeräte)
  • Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)
  • IT-Ausrüstung (Server, Computer, Drucker)
  • Beleuchtung mit elektrischen Vorschaltgeräten (Leuchtstofflampen, LED-Beleuchtung)

IT equipment is at risk due to harmonic pollution

 

Folgen der Oberschwingungsbelastung

Oberschwingungsbelastung in einer Anlage kann zahlreiche Folgen haben: von fehlerhaften Geräten bis hin zu ausgebrannten Verteilerkästen. Je nach dem Umfang der Oberschwingungsbelastung und der Empfindlichkeit der angeschlossenen Geräte zeigen sich die negativen Auswirkungen der Oberschwingungsbelastung schneller.

Negative Auswirkungen durch Oberschwingungsbelastung

  • Ein höherer Kabelwiderstand, was zu mehr Hitze in den Kabeln führt => Brandgefahr & Skin-Effekt
  • Hohe Nullströme, die unvorhergesehene Probleme verursachen können => Störungsrisiken
  • Unerwartetes Abschalten von Sicherheitsvorrichtungen => Sicherheitsrisiko
  • Zusätzliche Blindleistung (Verzerrung Blindleistung) in der Anlage => Energie- und Leistungsverlust
  • Geschaltete Geräte - z. B. Frequenzumrichter - können manchmal bis zu mehr als 50 % Blindleistung ergeben => Energie- und Leistungsverlust
  • Unerwünschte Ströme durch die Kabel => Störungen
  • Überlastung von Motoren und Transformatoren => Geräuschzunahme & proportionales negatives Drehfeld
  • Verkürzte Lebensdauer der Geräte aufgrund erhöhter Betriebstemperaturen => unnötige Kosten

Was ist eine Harmonische (Oberschwingung)?

Eine Harmonische ist eine Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz ist. Die Grundfrequenz im europäischen Spannungsnetz beträgt 50Hz. Ein Vielfaches bedeutet, dass z. B. bei 50Hz nur Frequenzen von 100Hz, 150Hz, 200Hz usw. enthalten sind. Diese Mehrfachfrequenzen werden als Harmonische bezeichnet. Eine 3. Harmonische bedeutet im Falle einer 50Hz Grundfrequenz 150Hz, eine 5. Harmonische 250Hz und eine 7. Harmonische 350Hz. In der Praxis treten fast nur ungerade Harmonische auf. Das ist auf die Merkmale elektronischer Geräte zurückzuführen.

Die gesamte harmonische Verzerrung von Spannung und Strom wird in THD-Werten ausgedrückt (THD, Total Harmonic Distortion - gesamte harmonische Verzerrung). THD ist die Gesamtheit der harmonischen Verzerrung, von der 2. harmonischen Oberschwingung bis einschließlich der 50., als Prozentwert der Funddamentalfrequenz.

 

Drei Gruppen Oberschwingungen

Oberschwingungen lassen sich in drei Gruppen, auch Drehrichtungen genannt, einteilen. Dabei gehen wir von einer Grundfrequenz von 50Hz im Uhrzeigersinn aus. Jede dieser Gruppen hat eine andere Wirkung.

 

Stillstand in der Null

3. Harmonische
9. Harmonische
15. Harmonische
usw. bis zur 50.

Verursachen erhöhte Nullströme, die zur Erwärmung und Entzündung von Kabeln und Komponenten führen können.

 

Linksdrehendes Feld

5. Harmonische
11. Harmonische
17. Harmonische
usw. bis zur 50.

Verursachen Verluste in u. a. Motoren und Transformatoren sowie Wärmeentwicklung in der elektrischen Infrastruktur.

 

Rechtsdrehendes Feld(clockwise)

7. Harmonische
13. Harmonische
19. Harmonische
usw. bis zur 50.

Verursachen Verluste in u. a. Motoren und Transformatoren sowie Wärmeentwicklung in der elektrischen Infrastruktur.

Jedes Gerät hat seine eigenen charakteristischen Harmonischen. Dies führt bei Frequenzumrichtern häufig zu 5. Harmonischen und bei LED-Lampen zu 3. Harmonischen.

In den Messungen zur Stromqualität erfassen wir die Oberschwingungsbelastung bis zur 50. Harmonischen. Dafür verwenden wir Fluke-Messgeräte und Analysatoren zur Stromqualität. Oberhalb der 50. Harmonischen sind avancierte Geräte wie ein Oszilloskop erforderlich.

Power Quality measurement with an oscilloscope

Harmonic measurement with a Fluke 435 meter

Power Quality monitoring with Power Quality Analyzers

 

Normen zur maximalen Oberschwingungsbelastung

Die maximale Oberschwingungsbelastung (der Spannung) – sowohl in öffentlichen als auch in nicht öffentlichen Netzen – ist in verschiedenen Normen zur Spannungsqualität festgelegt.

(NEN) EN50160

  • Norm zur Spannungsqualität für Energieversorger/Netzmanager.
  • Hier wird die maximale Oberschwingungsbelastung bis zur 25. beschrieben.
  • Wenn die Mindestspannungsqualität vorgeschrieben wird, bezieht sich der Transmission Code auf die NEN-EN50160. Das ist eine niederländische Norm, die auf der europäischen Norm EN50106 beruht und Teil des Transmission Codes ist.
  • Die EN50160 legt die Anforderungen an die Netzqualität fest, die vom Stromversorger in öffentlichen Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetzen erfüllt werden müssen. Diese Norm beschreibt die Hauptmerkmale, denen die Qualität der Netzspannung am „Point of Coupling“, dem Übergabepunkt vom Netzbetreiber zum Endverbraucher, entsprechen muss. Diese Norm beschreibt nicht die durchschnittliche Situation, wie sie bei einem Endbenutzer normalerweise vorliegt.

Beispiel für die gemessene harmonische Verzerrung in Bezug auf die max. harmonische Verzerrung gemäß NEN-EN50160.

Was kann HyTEPS Ihnen bieten?
 

HyTEPS verfügt über das Wissen, die Erfahrung und die Spezialausrüstung, um die Oberschwingungsbelastung in Ihrer Anlage zu messen, zu analysieren und hinsichtlich der Normen zu testen. Wir bieten Ihnen weitere Informationen und beraten Sie über mögliche Verbesserungen. Darüber hinaus halten wir innovative Produktlösungen für Sie bereit, um diese Verbesserungen zu erreichen. Das aktiv harmonische Filter ist bei der Oberschwingungsbelastung eine häufig angewandte Lösung.

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