Die Netzqualität ist sehr wichtig und entzieht sich vor dem Gebrauch einer Qualitätskontrolle. Die von den Energieversorgungsunternehmen (EVU) gelieferte Netzspannung für Haushalt, Gewerbe und Industrie ist idealerweise eine gleichförmige Sinusspannung mit konstanter Amplitude und Frequenz. Dieser Idealfall ist heute allerdings in öffentlichen Netzen nicht mehr anzutreffen. Schuld daran sind zum Teil die Verbraucher, die einen nichtsinusförmigen Laststrom aus dem Netz aufnehmen, beziehungsweise eine nicht lineare Kennlinie haben, beispielsweise PC, Fernsehgeräte, Schaltnetzteile, Energiesparlampen oder auch Frequenzumrichter.
Netzrückwirkungen und die Auswirkungen für angeschlossene Geräte
Alle genannten Verbraucher nehmen einen nichtsinusförmigen Laststrom auf. Der steigende Anteil dieser nichtlinearen Verbraucher erzeugt heute immer größere Abweichungen von der reinen Sinusform, die ja in den Versorgungsnetzen vorliegen sollte. Diese ideale Sinusform ist heute in den Versorgungsnetzen nicht mehr anzutreffen, was aufgrund der nichtlinearen Verbraucher unvermeidlich und auch in gewissen Grenzen zulässig ist.
Für die Beurteilung der Netzqualität betrachtet man bei den niederfrequenten Netzrückwirkungen typischerweise die Oberschwingungen bis 2,5 kHz, entsprechend der 50. harmonischen Oberschwingung. Die stärksten Auswirkungen haben die 3., 5. und 7. Harmonische, also die Frequenzen von 150, 250 und 350 Hz.
Ein zu großer Oberschwingungsgehalt kann dazu führen, dass beispielsweise empfindliche elektronische Steuerungen, Computer und Regelgeräte nicht mehr einwandfrei funktionieren oder sogar einzelne Verbraucher scheinbar ohne logische Erklärung vorzeitig ausfallen. Weitere mögliche Auswirkungen sind:
- Erhöhte Belastung bis hin zur Zerstörung von Blindleistungskompensationsanlagen
- Überdimensionierung von Netzkomponenten wie Trafo oder Leitungen erforderlich
- Eingeschränkte Funktionssicherheit und Lebensdauer von Netzkomponenten und angeschlossenen Verbrauchern
Die Oberschwingungsbelastung des Netzes birgt somit erhebliche Nachteile für Anlage und Verbraucher.
Das Übertragungsnetz, darin eingebundene Transformatoren oder Kompensationsanlagen in der Industrie sind für die Nennfrequenz des Netzes berechnet und ausgelegt. Zusätzliche Belastungen durch Netzrückwirkungen werden bei der Planung der Anlagen selten berücksichtigt. Sie resultieren in einer höheren Blindleistungsbelastung von Übertragungsmedien wie Kabel und Trafo; eine „Überlastung“ durch Oberschwingungen kann zur Schädigung einzelner Verbraucher führen.
Maßnahmen zur Sicherung der Netzqualität
Da es eine Vielzahl an Verbrauchergruppen und unterschiedliche Grenzwerte der Störaussendung gibt, ist eine objektive Beurteilung der Netzspannungsqualität unter der Betrachtung der bestehenden Normen wichtig. Es gibt mittlerweile Methoden, die einen störungsfreien Betrieb der Stromnetze gewährleisten und Rückwirkungen vermeiden.
Universell einsetzbar sind zum Beispiel passive Oberschwingungsfilter, die aus einer LC-Beschaltung bestehen. Sie haben einen hohen Wirkungsgrad. Typischerweise liegt dieser bei 98,5 Prozent. Außerdem ist die Technik sehr robust und bis auf ggf. vorhandene Kühlluftgebläse wartungsfrei.
Bei passiven Filtern muss folgendes beachtet werden:
- Werden sie im Leerlauf betrieben, wirken sie aufgrund von filterbedingten Kreisströmen als kapazitive Blindleistungsquelle.
- Je nach Anwendungsfall ist eine Gruppierung der Filter und ggf. selektives Zu- und Abschalten sinnvoll.
Ein neuer Weg, der auf optimierten Halbleitern und modernen Mikroprozessortechnik basiert, ist der Einsatz von aktiven elektronischen Filtersystemen. Diese messen die Netzqualität permanent und speisen mit Hilfe einer aktiven Stromquelle gezielt ins Netz ein. Das Ergebnis ist dann ein sinusförmiger Strom. Der Aufbau dieser neuen Filtergeneration ist im Vergleich zu den bisher genannten Filtermaßnahmen aufwändig und kostspielig, da eine hochauflösende und schnelle Datenerfassung und hohe Rechnerleistungen erforderlich sind. Das kostengünstigste Verfahren, um die Netzrückwirkungen zu reduzieren, ist der zusätzliche Einbau von Drosseln, entweder im Zwischenkreis oder am Eingang von Frequenzumrichtern. Der Einsatz einer Netzdrossel im Frequenzumrichter verlängert den Stromfluss zur Aufladung der Zwischenkreiskondensatoren, setzt die Stromstärke herab. Dadurch werden die Verzerrungen der Netzspannung deutlich reduziert und es gibt weniger Netzrückwirkungen. Darüber hinaus erhöht die Netzdrossel auch die Lebensdauer der Zwischenkreiskondensatoren, da sich diese durch das Kappen der Stromspitzen schonender aufladen. Zusätzlich verbessern Netzdrosseln die Spannungsfestigkeit der Frequenzumrichter beim Netztransienten. Aufgrund des geringen Eingangsstroms fallen die Kabelquerschnitte und Netzsicherungen auch kleiner aus.
