Qualität elektrischer Netze

Öffentliche und private Energieversorgungsnetze sind verschiedenen Störungen ausgesetzt, deren Stärke und Frequenz überwacht und innerhalb zulässiger Grenzwerte gehalten werden müssen. Die schwerwiegendsten dieser Störungen sind u. a.:

• Spannungsfälle oder plötzliche Spannungsspitzen und Spannungseinbrüche,
• Überspannungen,
• Oberschwingungen, besonders diejenigen ungerader Ordnung (3., 5. usw.),
• Hochfrequenzerscheinungen.

Zur Versorgung von Anlagen, die besonders empfindlich gegenüber solchen Störungen sind (z.B. Computer), ist es auch in normalen NS-Verteilsystemen möglich, in einzelnen Bereichen oder Stromkreisen durch den Einsatz von z.B. Netzfiltern, USV-Anlagen usw. die Netzqualität zu verbessern.

Kurzzeitige Spannungsfälle („Spannungseinbrüche“)

Die unerwünschten Auswirkungen von Spannungseinbrüchen werden auf unterschiedliche Arten ausgeglichen, wie z.B. durch den Einsatz von USV-Anlagen oder Generatoren.

Formen von Spannungsfällen

Je nach Dauer des Spannungsfalls kann der Grund eines Spannungseinbruchs einer der folgenden sein:

• Weniger als 0,1 s: Kurzschlüsse, die an einer beliebigen Stelle in lokalen NS-Netzen auftreten und die durch Schutzeinrichtungen (Leistungsschalter, Sicherungen usw.) abgeschaltet werden. Dieser Typ eines Spannungseinbruchs ist der am häufigsten auftretende in elektrischen Anlagen von Gebäuden, d.h. im Gegensatz zu elektrischen Anlagen in der Schwerindustrie, in denen häufig große Störungen auftreten.
• 0,1 bis 0,5 s: Die meisten der in HS-Systemen auftretenden Fehler gehören zu dieser Kategorie.
• Länger als 0,5 s: In ländlichen Netzen, in denen häufig automatisch schließende Leistungsschalter eingesetzt werden, kann es zu mehreren aufeinanderfolgenden Spannungseinbrüchen kommen, bevor der Fehler behoben wird. Weitere Gründe für Spannungseinbrüche über 0,5 s sind Anlaufvorgänge lokaler Elektromotoren (z.B. Aufzüge oder zentral gesteuerte Feuersirenen erzeugen zyklische Spannungseinbrüche im benachbarten Verteilnetz).

Einige Auswirkungen und Lösungen

Unter den zahlreichen unerwünschten Auswirkungen von Spannungseinbrüchen seien folgende erwähnt:

• Je nach Stärke des Spannungseinbruchs und Typ der Verbraucher in einer gegebenen Anlage kann es zu einem großen Stromanstieg kommen, wenn die normale Spannung wiederhergestellt wird. Folglich würden dann die Hauptleistungsschalter auslösen.

Eine mögliche Lösung besteht in einem System mit automatischem Lastabwurf und einer stufenweisen Zuschaltung von Geräten, die hohe Wiederanlauf/Wiedereinschaltströme benötigen, z.B. kalte Glühlampen und niederohmige Heizlasten.

• In allen rechnergestützten Anwendungen, wie z.B.: Textverarbeitung, IT-Systeme, Werkzeugmaschinensteuerung und -prozesse usw. sind größere Spannungseinbrüche nicht zulässig, da es zu einem Datenverlust oder zu einer Programmzerstörung kommen kann, was katastrophale Auswirkungen hätte. Spannungsschwankungen sind bis zu einem gewissen Grad zulässig. Die gängigste Methode zur Minimierung der Auswirkungen von Spannungsschwankungen für wichtige Anlagen ist die Verwendung von unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen (USVs), die auf Batteriezellen und Umrichtern basieren, häufig auch in Kombination mit automatisch gesteuerten Dieselgeneratorsätzen.
• Für einen Elektromotor führt der Drehzahlverlust während eines Spannungseinbruchs zu einer Phasenverschiebung der Rückspannung zur wiederhergestellten Spannung. Somit entstehen (je nach Größe der Phasenverschiebung) Kurzschlussbedingungen mit einem entsprechend großen Stromfluss. In einigen Fällen können sehr große kurzzeitige Drehmomente auftreten, die zu einer Beschädigung der Wellen und Kupplungen usw. führen können.

Eine übliche Lösung ist hier der Einbau von sehr trägen Motoren mit hohen Spitzendrehmomenten, wenn der angetriebene Verbraucher dies zulässt.

• Einige Ausführungen von Entladungslampen (besonders Quecksilberdampflampen) zur öffentlichen Beleuchtung erlöschen unterhalb eines bestimmten Spannungswertes und benötigen mehrere Minuten (zum Abkühlen) vor einer erneuten Zündung. Die Lösung besteht in der Verwendung anderer Lampenausführungen oder in der Mischung nichterlöschender Lampen. Es muss eine ausreichend große Anzahl an Lampen eingesetzt werden, um einen sicheren Beleuchtungsgrad zu erhalten. Siehe Kapitel N (Beleuchtungsstromkreise).

Überspannungen

Die schädigenden Auswirkungen von Überspannungen können vermieden werden:

• Für Überspannungen bei Netzfrequenz durch:
  • die Gewährleistung einer geeigneten Überspannungsfestigkeit der betreffenden Betriebsmittel,
  • den Einsatz spannungsbegrenzender Geräte (wo erforderlich) in einem einwandfrei koordinierten Isolationssystem. Diese Einrichtungen sind in IT-Systemen immer erforderlich.
• Für kurzzeitige (im Allgemeinen pulsierende) Überspannungen durch:
  • eine effektive Koordinierung des Isolationsüberwachungssystems,
  • Überspannungsableiter.

Die verschiedenen Überspannungstypen sowie deren Auswirkungen und mögliche Lösungen werden in Kapitel J beschrieben.

Oberschwingungsspannungen und -ströme

Oberschwingungsspannungen und -ströme haben negative Auswirkungen auf die elektrische Anlage und die angeschlossenen Betriebsmittel.

Oberschwingungserzeuger und -typen

Alle nichtlinearen Lasten verbrauchen nichtsinusförmige Ströme. Die wichtigsten Oberschwingungserzeuger sind:

• Geräte der Leistungselektronik (statische Umrichter, elektronische Netzteile, Dimmer usw.)
• elektromagnetische Maschinen und Einrichtungen, wie z.B.: gesättigte Wicklungen, Transformatoren (Magnetisierungsströme), Motoren und Generatoren
• Entladungslampen und Vorschaltgeräte
• Lichtbogenöfen, die ein kontinuierliches Störungsspektrum erzeugen. Wird der Lichtbogen von statischen thyristorgersteuerten Gleichrichtern versorgt (DC-Lichtbogenöfen), haben die Störungen einen niedrigeren Durchschnittswert, aber die Oberschwingungen werden durch die Gleichrichter erzeugt.

Auswirkungen

Die wichtigsten Auswirkungen von Oberschwingungen sind:

• Notwendigkeit der Überdimensionierung bestimmter Netz- und Anlagenkomponenten:
  • aktive Außenleiter
  • Neutralleiter in einem TN-S-System, bzw. PEN-Leiter in einem TN-C-System
  • Wechselstromgeneratoren (z.B. in Dieselgeneratorsätzen)
  • Kondensatorbatterien
• Lokale Überhitzung von Wicklungen in Motoren
• Möglichkeit einer Resonanz zwischen den Netzkapazitäten und -induktivitäten (Ferroresonanz) oder zwischen den Kondensatorbatterien und der Quellenimpedanz des Systems (hauptsächlich induktiv)

Lösungen

Im Allgemeinen ist für eine Anlage ein bestimmter Oberschwingungsprozentsatz zulässig: Üblicherweise wird ein maximaler Wert von 5 % für Oberschwingungsspannungen und 10 % für Oberschwingungsströme verwendet. Oberschwingungen können reduziert werden durch:

• den Einbau von NS/NS-Transformatoren in Dreieck-/Stern-Zickzackschaltung zur Filterung der Oberschwingung der Ordnung 3 und Vielfachen von 3,
• den Einbau von Filtern.

Hochfrequente Erscheinungen

Die unerwünschten Auswirkungen hochfrequenter Störungen können begrenzt werden durch:

• die Wahl geeigneter Betriebsmittel
• den Einbau von Filtern.

Dieses Problem betrifft Überspannungen und alle leitungsgeführten oder abgestrahlten elektromagnetischen Effekte/Störungen. Bestimmte Einrichtungen oder eine gesamte elektrische Anlage können empfindlich sein gegenüber solchen Störungen oder diese auch erzeugen, z.B. in Form von:

• elektrostatischen Entladungen
• Strahlung, z.B. durch Störsignale durch Radiosender, Funkgeräte usw.
• leitungsgeführte Störungen (über die Leiter einer Anlage)

Zum Beispiel: das Betätigen von Schützspulen oder Auslösespulen von Leistungsschaltern.

Die Europäische Richtlinie 2004/108/EG bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit legt maximale Emissionswerte und Immissionswerte für elektrische Anlagen und deren Komponenten fest.

In der Praxis können Fehlfunktionen aufgrund von hochfrequenten Erscheinungen vermieden werden, indem Betriebsmittel verwendet werden, die untereinander und mit deren Umweltbedingungen kompatibel sind, z.B. in Krankenhäusern, Konzerthallen, an industriellen Einsatzorten, wo niedrige und hohe Ströme vorhanden sind.

Für spezielle Anwendungen wenden Sie sich bitte immer an einen Fachmann.

Für gebräuchlichere Anwendungen oder wenn keine präzisen Informationen vorhanden sind, sollten, wenn möglich, Betriebsmittel eingesetzt werden, die den Anforderungen der Normen in Abbildung E16 entsprechen.

Störung	Referenznorm
Elektrostatische Entladung	IEC 61000-4-2 (VDE 0847-4-2)
Hochfrequente elektromagnetische Felder	IEC 61000-4-3 (VDE 0847-4-3)
Schnelle transiente elektrische Störgrößen (Burst)	IEC 61000-4-4 (VDE 0847-4-4)
Stoßspannungen	IEC 61000-4-5 (VDE 0847-4-5)
Messsysteme	IEC 60060-2 (VDE 0432-2)
Überspannungsschutzgeräte	IEC 61643-11 (VDE 0675-6-11)

Abb. E16: Verträglichkeitspegel von Betriebsmitteln (siehe o.g. Normen)

Versorgungssicherheit

Zur Versorgung von Anwendungen, die besonders empfindlich gegenüber solchen Störungen sind (z.B. Computer), ist es auch in normalen NS-Verteilsystemen möglich, einzelne Stromkreise durch den Einsatz von z.B. Netzfiltern, USV-Anlagen usw. die Netzqualität zu verbessern.

Ein einzelner Stromkreis innerhalb eines NS-Verteilsystems kann mit einer hohen Versorgungsqualität errichtet werden.

Das Ziel ist die Versorgung empfindlicher Verbraucher wie z.B. Computer, Registrierkassen, mikroprozessorgesteuerte Anwendungen usw. – frei von den zuvor beschriebenen Störungen (bei angemessenen Kosten).

Das Schaltbild in Abb. E17 stellt ein solches System auf Ebene der NS-Hauptverteiler dar. Eine hohe Versorgungssicherheit erhält man durch eine USV-Anlage und deren Batterie und Gleichrichterladegerät, die bei Normalbetrieb über einen Abgang der NS-Hauptverteiler versorgt werden.

Abb. E17 – Beispiel für eine Anlage mit Versorgungssicherheit

Die Versorgungskontinuität wird durch einen Dieselgeneratorsatz und ein System zur automatischen Netzumschaltung gewährleistet, so dass eine unterbrechungsfreie Stromversorgung unbegrenzt (solange der Treibstofftank durch das Personal aufgefüllt wird) oder für mehrere Stunden (wenn die Umspannstation unbeaufsichtigt ist) aufrechterhalten werden kann.

Einige einfache technische Vorsichtsmaßnahmen ermöglichen sehr hohe Verfügbarkeitswerte im Jahresdurchschnitt (siehe Technisches Heft Nr. 148 der Firma Schneider Electric: „Elektrizitätsverteilung und hohe Verfügbarkeit” und Abschnitt USV-Anlagen in Kapitel N des vorliegenden Planungskompendiums).