Grundlegende Lösungen

Zur Begrenzung der Oberschwingungsspannungsverzerrungen in Verteilnetzen gibt es verschiedene Lösungsansätze, die insbesondere bei der Planung neuer Anlagen berücksichtigt werden sollten.

Positionierung der nichtlinearen Lasten im vorgelagerten Teil des Verteilnetzes

Die Oberschwingungsspannungsverzerrung steigt mit zunehmender Netzimpedanz. Ungeachtet wirtschaftlicher Überlegungen, ist der Anschluss der nichtlinearen Lasten so nahe wie möglich an der Einspeisung zu bevorzugen (siehe Abb. M17), da so die Oberschwingungsspannungsverzerrungen aufgrund der geringeren Netzimpedanzen geringer werden und die Belastung des gesamten Verteilnetzes reduziert wird.

Abb. M17 – Nichtlineare Lasten so nah wie möglich an der Einspeisung (empfohlenes Layout)

Anordnung der nichtlinearen Lasten

Bei der Planung des Verteilnetzes sollten die nichtlinearen Lasten von anderen Lasten getrennt werden (siehe Abb. M18). Die Gruppen der linearen und nichtlinearen Lasten sollten von unterschiedlichen Schaltanlagen versorgt werden, um gemeinsame Leitungsimpedanzen zu vermeiden.

Abb. M18 – Anordnung der nichtlinearen Lasten und Anschluss so nah wie möglich an der Einspeisung (empfohlenes Layout)

Aufbau separater Stromversorgungen

Um Lasten, die auf Oberschwingungsspannungsverzerrungen empfindlich reagieren, sicher zu betreiben, können getrennte Stromversorgungen für empfindliche und nichtempfindliche Lasten über getrennte Transformatoren (siehe Abb. M19) geplant werden, um gemeinsame Impedanzen für die beiden Gerätegruppen bis zum Hochspannungsverteilnetz zu vermeiden. Nachteilig wirkt sich die Erhöhung der Anlagenkosten, allerdings bei einem Zugewinn an Verfügbarkeit, aus.

Abb. M19 – Versorgung nichtlinearer Lasten über einen separaten Transformator

Transformator-Schaltgruppen

Oberschwingungen werden teilweise von Transformatoren mit entsprechenden Schaltgruppen unterdrückt, d.h. sie werden transformiert und zirkulieren oberspannungsseitig in der Wicklung (Dreieckschaltung), was bewirkt, dass die Oberschwingungen nicht in das hochspannungsseitige Netz gelangen:

• Transformatoren mit Dyd-Schaltgruppen unterdrücken die Oberschwingungsströme 5. und 7. Ordnung (siehe Abb. M20).
• Transformatoren mit Dy-Schaltgruppen unterdrücken die Oberschwingungsströme 3. Ordnung.
• Transformatoren mit Dz-Schaltgruppen unterdrücken die Oberschwingungsströme 5. Ordnung.

Die durch Oberschwingungsströme verursachten zusätzlichen Verluste im Transformator müssen bei der Bemessung des Transformators unbedingt berücksichtigt werden.

Abb. M20 – Ein Transformator mit Dyd-Schaltgruppe verhindert die Ausbreitung der 5. und 7. Oberschwingung in das vorgelagerte Netz.

Einbau von Netzdrosseln bei Frequenzumrichtern

Netzdrosseln sind eine kostengünstige Lösung zur Verringerung der Oberschwingungen bei Frequenzumrichtern, da durch die Erhöhung der Impedanz des Versorgungskreises der Oberschwingungsstrom begrenzt wird. Die Netzdrosseln werden dazu auf einen Spannungsfall von 3 %...5 %, bezogen auf die Bemessungsbetriebsspannung, ausgelegt. Die Netzdrosseln werden auf der Einspeiseseite des Frequenzumrichters installiert. Besonders empfohlen wird der Einbau von Netzdrosseln:

• beim Anschluss von mehreren Frequenzumrichtern am gleichen Netz,
• beim Parallelschalten mehrerer Frequenzumrichter an benachbarten Anschlüssen,
• beim Anschluss von Frequenzumrichtern in Netzen mit geringer Netzimpedanz, d.h. in der Nähe von Transformatoreinspeisungen mit Leistungen größer dem 10-fachen der Umrichterleistung,

• in Versorgungsnetzen mit Spannungsunsymmetrie der Phasen > 1,8 % der Bemessungsbetriebsspannung.

Auswahl des geeigneten Netzsystems

In IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410) werden die unterschiedlichen Netzsysteme beschrieben. Danach werden die Netzsysteme charakterisiert nach Art (z.B. Drehstrom), Anzahl der aktiven Leiter (z.B. 4-Leiter-System) sowie nach Art der Erdverbindung von Versorgungssystem (erster Buchstabe) und den Körpern der elektrischen Anlage (zweiter Buchstabe) zur Erde. In VDE 0100-430 wird weiterhin die Schaltungsart der Schutzleiter beschrieben. Nachfolgend werden die bei uns am häufigsten genutzten TN-Systeme in Bezug auf die Oberschwingungsproblematik kurz gegenübergestellt.

TN-C-System

Das TN-C-System ist zumeist ein Drehstrom-4-Leiter-System, in dem das Versorgungsnetz eine direkte Erdverbindung hat und alle Körper direkt mit dem geerdeten Punkt des Versorgungssystems über einen kombinierten Neutral- und Schutzleiter (PEN-Leiter) verbunden sind. Auf dem PEN-Leiter fließen somit Ausgleichsströme von unsymmetrischen Belastungen der Phasenleiter und Oberschwingungsströme von nichtlinearen Lasten. Aufgrund des strombedingten Spannungsfalls auf dem PEN-Leiter kommt es zu Potentialunterschieden zwischen den Körpern der angeschlossenen Verbraucher, was Funktionsstörungen der Verbraucher, insbesondere bei IT-Anlagen, zur Folge haben kann. Aus diesem Grunde kann ein PEN-Leiter im Gebäude maximal von der Einspeisestelle des Gebäudes (Hausanschlusskasten), bzw. Transformator bis zum ersten Anschlusspunkt (Hauptverteilung) zugestanden werden, wo er in einen getrennten Neutralleiter (N) und einen Schutzleiter (PE) – ein TN-S-System – aufzuteilen ist.

TN-S-System

Das TN-S-System ist ein Drehstrom-4-Leiter-System, in dem das Versorgungsnetz eine direkte Erdverbindung hat und alle Körper direkt mit dem geerdeten Punkt des Versorgungssystems über einen separaten Schutzleiter (PE-Leiter) verbunden sind. Auf dem PE-Leiter fließen somit keine Ströme von unsymmetrischen Belastungen der Phasenleiter sowie Oberschwingungsströme von nichtlinearen Verbrauchern. Diese Ströme fließen auf dem Neutralleiter. Der Neutralleiter ist isoliert aufgebaut und ab dem zentralen Erdungspunkt in der Einspeisung vom PE-Leiter vollständig getrennt geführt. Daher kommt es zu keinen Potentialunterschieden zwischen den Körpern der angeschlossenen Verbraucher. Funktionsstörungen der Geräte, insbesondere bei IT-Anlagen, werden somit vermieden.