Oberschwingungserfassung und Filterung - Allgemeines

Oberschwingungen verursachen Verzerrungen der Strom- und Spannungsamplitude, wodurch sowohl die Verteilung der elektrischen Energie als auch die Netzqualität beeinträchtigt werden.

Ursprung der Oberschwingungen

Geräte und Systeme, die Obschwingungen verursachen, gibt es in allen Bereichen, d.h. in der Industrie, in gewerblichen Gebäuden und in Wohngebäuden.

Oberschwingungen entstehen durch nichtlineare Lasten (d.h. Lasten, die den Strom in einer nichtsinusförmigen Form beziehen).

Beispiele für nichtlineare Lasten sind:

• Industrieanlagen (Schweißmaschinen, Lichtbogenöfen, Induktionsöfen, Gleichrichter),
• Frequenzumrichter für asynchrone oder Gleichstrommotoren,
• USV-Anlagen,
• Büroausrüstung (Computer, Kopierer, Faxgeräte usw.),
• Geräte im Haushalt (Fernseher, Mikrowellen, Leuchten mit elektronischen Vorschaltgeräten),
• diverse Geräte mit magnetischer Sättigung (Transformatoren).

Störungen durch nichtlineare Lasten: Oberschwingungsstrom und -spannung

Der Betrieb nichtlinearer Lasten verursacht Oberschwingungsströme im Verteilnetz.

Das Fließen von Oberschwingungsströmen (Transformator und Verteilnetz, siehe Abbildung M2) generiert somit Verzerrungen in der Versorgungsspannung, die als Oberschwingungsspannung bezeichnet werden.

Abb. M2 – Prinzipschaltbild mit der Impedanz des Versorgungsstromkreises für eine Oberschwingung der Ordnung h

Der Blindwiderstand eines Leiters steigt in Abhängigkeit von der Frequenz des Stromes, der durch den Leiter fließt. Für jeden Oberschwingungsstrom (Ordnung h) gibt es daher eine Impedanz Z_h im Versorgungsstromkreis.

Wenn der Oberschwingungsstrom der Ordnung h durch die Impedanz Z_h fließt, erzeugt er eine Oberschwingungsspannung U_h, wobei U_h = Z_h x I_h (Ohmsches Gesetz) ist. Die Spannung am Punkt B ist daher nicht sinusförmig. Alle Geräte, die über Punkt B versorgt werden, erhalten eine nichtsinusförmige Spannung.

Bei einem gegebenen Oberschwingungsstrom ist die Verzerrung proportional zur Impedanz im Verteilnetz.

Oberschwingungsstromfluss in Verteilnetzen

Die nichtlinearen Lasten sind verantwortlich für die Rückspeisung der Oberschwingungsströme in den vorgelagerten Teil des Verteilnetzes, d.h. in Richtung der Stromversorgungsquelle.

Die Abbildung M3 und Abbildung M4 zeigen eine durch Oberschwingungen belastete Anlage. Abbildung M3 zeigt den Stromfluss bei 50 Hz in der Anlage und Abbildung M4 den Oberschwingungsstrom (Ordnung h).

Abb. M3 – Anlage für die Versorgung einer nichtlinearen Last, bei der nur die Auswirkungen in Bezug auf die 50 Hz-Frequenz (Grundfrequenz) dargestellt sind.

Abb. M4 – Die gleiche Anlage, bei der nur die Auswirkungen in Bezug auf die Frequenz der Oberschwingung der Ordnung h dargestellt sind.

Durch die Versorgung einer nichtlinearen Last entsteht ein Stromfluss I_50Hz (dargestellt in Abbildung M3), zu dem alle Oberschwingungsströme I_h addiert werden (dargestellt in Abbildung M4), die allen Oberschwingungen der Ordnung h entsprechen.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Lasten Oberschwingungsströme in den vorgelagerten Teil des Verteilnetzes rückspeisen, kann ein Schaltbild erstellt werden, das die Oberschwingungsströme im Netz darstellt (siehe Abb. M5).

In dem Schaltbild ist zu beachten, dass, obwohl einige Lasten Oberschwingungsströme im Verteilnetz erzeugen, andere Lasten einen Teil der Oberschwingungsströme aufnehmen können.

Abb. M5 – Oberschwingungsströme in einem Verteilnetz

Oberschwingungen haben erhebliche negative wirtschaftliche Auswirkungen auf die elektrischen Anlagen, wie z.B.:

• Erhöhung der Energiekosten,
• vorzeitige Alterung der Betriebsmittel
• Produktions- und Betriebsmittelausfälle