Alles Supra bei Ihnen im Netz?

Netzrückwirkungen im Frequenzbereich zwischen 2kHz und 150kHz

Die heutigen Geräte und Betriebsmittel wie Schaltnetzteile, Frequenzumrichter geregelte Antriebe, Ladeeinrichtungen für E-Mobile oder LED Beleuchtungen, arbeiten intern mit hohen Taktfrequenzen um Leistungen effizient zu regeln. Diese können sowohl zu leitungsgebundenen als auch zu feldgebundenen (eingekoppelten) Beeinflussungen im Energienetz führen. In diesem Fachbericht erläutern Ihnen, wie Sie diese Verursacher von Störeffekten im Netz mit geeigneter Messtechnik detektieren können.

Der Wandel in der Energietechnik

Grund: Energieeffizienz und Kosteneinsparung

Um die Energie effizienter nutzen zu können, steuern wir heute vieles über Leistungselektronik. So tauscht man einen Asynchronmotor häufig gegen einen Frequenzumrichter geregelten Antrieb aus oder ein Gerät erhält ein Schaltnetzteil anstelle von einem Transformator.

Die neue Gerätetechnik bezieht in der Regel im Gegensatz zur alten Technik keinen sinusförmigen Strom mehr aus dem Netz. Power Quality Messgeräte zerlegen diesen Strom in das Spektrum aller Frequenzen. In der Netzqualitätsmessung unterteilen wir heute Netzrückwirkungen in Harmonische, Zwischenharmonische und neuerdings in Supraharmonische.

Wir definieren Harmonische als Vielfache der Grundschwingung (Beispiel 250Hz = 5. Harmonische bei einer 50Hz Grundschwingung). Liegen Frequenzen zwischen zwei ganzzahligen Vielfachen der Grundschwingung, so bezeichnen wir diese als Zwischen- oder Interharmonische. In der Power Quality Messtechnik sowie in den Normen fasst man in der Regel alle Interharmonischen von einem Bereich zu einem Wert zusammen (Beispiel alle Frequenzen zwischen >350Hz und <400Hz gehen in die 7. Interharmonische ein).

Hohe Frequenzen größer 2,5kHz bis 150kHz benennt man häufig als Supraharmonische. Ach ja, Subharmonische gäbe es auch noch. Das sind Frequenzen kleiner der Grundschwingung, welche häufig zu einem Flickerproblem führen können.

Das Bild zeigt ein Frequenzspektrum der Spannung von DC bis 20kHz in einem öffentlichen Netz. Zu erkennen sind Harmonische sowie Supraharmonische, welche in diesem Fall durch einen Frequenzumrichter geregelten Antrieb erzeugt wurden. Die größten Pegel liegen hier bei 10kHz mit ca. 1,8V.

Typische Taktfrequenzen von Anlagen und Geräten mit denen wir heute in unseren Netzen rechnen müssen:

  • Frequenzumrichter Antrieb: 4kHz bis 20kHz
  • Solar-Wechselrichter (400V): 16kHz bis 22kHz
  • WK-Anlage (MS-Netz): 2kHz bis 6kHz
  • E-Mobil: 10kHz bis 80kHz
  • Aktive Netzfilter: 8kHz bis 20kHz
  • USV-Anlagen: 15kHz bis 25kHz
  • EVG Leuchten: 20kHz bis 200kHz
  • Schaltnetzteile: 30kHz bis 300kHz

Woher kommen diese hohen Schaltfrequenzen in unseren Verbrauchern?

Beispiel: Ein Brückengleichrichter am Eingang einer CNC-Maschine richtet die drei Phasenspannungen zu einer DC-Spannung gleich. Diese DC-Spannung wird mit einer bestimmten Taktfrequenz in Pulse mit verschiedener Puls-Pausen-Zeit zerlegt, um im Verbraucher einen sinusförmigen Strom hervorzurufen. Das nennt man „sinusbewertete Pulsbreitenmodulation“. Über diesen Weg kann man die Drehzahl des Motors steuern. Verbraucher mit sehr hoher Leistung wie eine Windkraftanlage haben in der Regel eine niedrige Schaltfrequenz während Anlagen mit geringer Leistung mit viel höheren Taktfrequenzen arbeiten.

Das Bild zeigt ein Schema für den Aufbau eines Frequenzumrichter geregelten Antriebes, welcher aus einem Gleichrichter, einem DC Zwischenkreis und einem Wechselrichter besteht.

Diese Taktfrequenzen sowie deren Seitenbänder sind sowohl im Netzstrom, als auch in der Netzspannung zu erkennen, welche über die Netzimpedanz abgebildet wird.

Im Beispiel sehen wir das Frequenzspektrum der Spannung von einem Verbraucher mit einer Taktfrequenz von 4,5kHz bei 2,5V einer Industrieanlage. Mit dieser Schaltfrequenz arbeitet ein Antrieb. Dies ist aber nicht die einzige Frequenz, welche sich im Energienetz abbildet. Es ergeben sich noch weitere Frequenzen, die wir als Netzrückwirkung aus dieser Anlage erhalten. Mithilfe der Formel bekommen wir alle Vielfachen der Schaltfrequenz und deren Seitenbänder berechnet.

f_{μ} = n *f_{T} ± 2_{n} * f_{1}

n = 1, 2, 3…
fμ = Taktfrequenz des Wechselrichters
f1 = Grundschwingung Netz (50Hz)

In unserem Beispiel prägt diese Anlage neben den 4,5kHz auch alle Vielfachen hier von 9kHz, 13,5kHz; 18kHz… in das Netz ein, sowie zusätzlich deren Seitenbänder von +/-100Hz; +/200 usw.

Was sind die Probleme mit den wir konfrontiert werden.

Folgende Probleme können nun im Netz aufgrund der Supraharmonischen auftreten:

1. Fehlfunktion von Geräten

Immer mehr Verbraucher werden über sehr kleine Steuersignale höherer Frequenz geregelt. Nun kann es vorkommen, dass ein höherfrequentes Störsignal von einem Verbraucher genau diese Frequenzen ins Netz einprägt, mit denen ein anderes Gerät angesteuert wird. Hier ein Beispiel: In einem Hotel, welches alles Zimmer mit Touch-Dimmerlampen ausgerüstet hatte, konnte ein Industriebetrieb, der in der Nähe produzierte, diese Lampen selbstständig ein- und ausschalten. Da dies auch nachts passierte, war das sehr ungünstig für die Übernachtungsgäste. In einem anderen Fall konnten die Rückwirkungen  eines Solarwechselrichters eine automatische Melkstraße für Kühe in einem landwirtschaftlichen Betrieb zum Ausfall bringen. In beiden Fällen kommt es zu keinem Schaden, jedoch funktionieren bestimmte Verbraucher in diesem Netz nicht fehlerfrei.

2. Störende Pfeifgeräusche

Ein weiteres Problem, welches in unseren Netzen immer häufiger auftritt, sind störende Pfeif- oder Brummgeräusche von Verbrauchern. Taktfrequenzen liegen häufig im Hörbereich des menschlichen Ohres. In der Regel kann der Mensch bis maximal 16kHz Töne wahrnehmen, aber Personen sind hier sehr unterschiedlich in der Empfindsamkeit. Aus einer Industrieanlage ist man es bereits gewohnt, dass sobald zum Beispiel eine CNC Maschine arbeitet, ein Pfeifgeräusch aus der Anlage wahrgenommen werden kann. Pfeift aber beim Nachbar auf der anderen Straßenseite der Klingeltrafo oder Beleuchtungseinrichtungen und das evtl. auch noch nachts, dann kann das als stark störend empfunden werden und es muss nach einer Abhilfe dieser Störung gesucht werden.

3. Ausfall von Geräten bzw. Alterung

Die Belastung durch Taktfrequenzen anderer Verbraucher in der Nähe stellt auch eine Beeinträchtigung dar. Ströme höherer Frequenz werden durch Induktivitäten wie Transformatoren stark gedämpft und möchten somit nicht in Richtung Ortsnetztransformator fließen. Vielmehr suchen sich diese Schaltfrequenzen andere Verbraucher in der Umgebung, welche eine niedrige Impedanz für diese hohen Frequenzen aufweisen. Durch die zusätzliche Stromaufnahme werden dieser Verbraucher stärker erwärmt, da die Verluste im Quadrat zum Strom zunehmen P = I²xR. Kondensatoren können überlastet werden oder zumindest schneller altern, da sie für hohe Frequenzen eine sehr niedrige Impedanz aufweisen.      

XC=\frac{1}{ω*C}
ω=2*π*f

Eine erhöhte Stromaufnahme bedeutet immer auch eine höhere thermische Belastung des Verbrauchers, welches wiederum zu einer verringerten Lebensdauer führt. Warum hält meine LED-Lampe nicht so lange wie auf der Verpackung angegeben wird? Es könnten Supraharmonische eine Rolle spielen.

Die Störpegelausbreitung im Netz wird somit signifikant durch alle in der Umgebung angeschlossenen und eingeschalteten Geräte beeinflusst und weniger durch die Leitungsimpedanzen.

In den Spannungsqualitätsnomen wurde reagiert.

Lange Zeit war der Frequenzbereich von 2,5kHz bis 150KHz ein normfreier Raum. Die EMV Norm IEC61000-2-2 (Umgebungsbedingungen – Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen in öffentlichen Niederspannungsnetzen) hat bereits reagiert und seit 2018 den Bereich der Grenzwerte von bisher 2,5kHz auf 30kHz erweitert. 2019 wurden dann Grenzwerte von 30kHz bis 150kHz eingeführt und die Normlücke vollständig geschlossen. Oberhalb von 150kHz bis mind. 30MHz gelten für Störaussendung von Geräten und Anlagen ebenso Grenzwerte. Diese werden im Zuge einer EMV Prüfung für die Zulassung des Gerätes in einem Prüflabor überprüft.

Somit haben wir heute einen lückenlosen Bereich mit Verträglichkeitspegeln.

Grenzwerte der IEC61000-2-2

Frequenzbereich (kHz) bei 50HzVerträglichkeitspegel in %
2kHz bis 3kHz1,4%
3kHz bis 9kHz1,4% bis 0,65%
Abfall logarithmisch mit logarithmisch steigender Frequenz
Frequenzbereich (kHz)Verträglichkeitspegel in dB(yV)
9kHz bis 30kHz129,5 bis 122 dB(yV)
Linear abfallend mit dem Logarithmus der Frequenz 9kHz bis 30kHz
30kHz bis 50kHz122 bis 119 dB(µV)
Grenzwert linear abfallend mit dem Logarithmus der Frequenz 30kHz bis 50kHz
50kHz bis 150kHz113 bis 89 dB(µV)
Grenzwert linear abfallend mit dem Logarithmus der Frequenz 50kHz bis 150kHz
Spannung mVdB (yV)
1000mV120dB
100mV100dB
10mV80dB

Fast jeder Verbraucher hinterlässt Spuren im Netz oder anders gesagt: „Zeige mir deinen Strom und ich weiß mehr über Dich als du erwartest“

Ich hatte einen Netzanalysator (PQ-Box 300) in meiner Unterverteilung im Keller installiert und wollte den Grund für ein sporadisches Auslösen von einem FI-Schutzschalter näher analysieren.

Das Bild zeigt den Einbauort des Messgerätes PQ-Box 300 sowie der Stromzangen L1, L2, L3, N-Leiter. Eine weitere große 5. Stromzange erfasste zusätzlich den Differenzstrom aller Ströme am Anschluss zum FI-Schutzschalter.

Neben der Analyse das fehlerhafte Gerät, welches meinen FI-Schutzschalter auslöst, im Haus ausfindig zu machen, ist mir aufgefallen, dass viele Verbraucher in meiner Verteilung ihre Spuren im Frequenzspektrum hinterlassen. So konnte ich im Frequenzbereich viele Geräte eindeutig identifizieren, obwohl diese im Summenstrom des ganzen Hauses mit allen Verbrauchern, sicher nicht aufgefallen wären. So konnte ich nachvollziehen, wann die Waschmaschine gelaufen ist oder wann meine Frau mit dem Staubsauger unterwegs war, welcher eine eindeutige Frequenz von 8kHz im Spektrum hinterlässt.

Das Bild zeigt das Spektrum aller Frequenzen der Spannung bis 170kHz über den Zeitraum von einer Woche in einer Art 3-D Darstellung. Die Farbverläufe zeigen die Pegelhöhe der jeweiligen Frequenzen an. Interessant für mich war, dass man sogar sehr keine Verbraucher wie eine Playsation 4 der Kinder eindeutig im Frequenzspektrum bei 64kHz finden konnte, obwohl ich zwei Stockwerke entfernt gemessen hatte. Somit konnte ich die Vorgaben an das Kind, nur maximal eine Stunde am Tag zu spielen, überwachen, auch wenn ich gar nicht zuhause war.

Das Bild zeigt die 64kHz Frequenz auf der Spannung Phase L1 in der Verteilung. Da das Kinderzimmer 1 auch auf der Phase L1 angeschlossen ist, sind das die Zeiten in denen unser Teenager zockt. Der lässt sich aber nichts mehr vorschreiben.

Die unterschiedlichen Pegelhöhen sind auf andere gerade eingeschaltete Verbraucher und deren Kompensationseffekt zurückzuführen. Da um z.B. 20:30 Uhr auch viele andere Geräte im Haus eingeschaltet sind, nehmen diese einen Teil der Energie der 64kHz Frequenz auf und reduzieren hierdurch diesen Störpegel den ich in der Verteilung messen kann. Um 1 Uhr nachts sind nur noch wenige Verbraucher aktiv, hier wirken sich die Pegel stärker aus und können in der Verteilung im Keller mit erhöhten Werten gemessen werden.

Der 12-jährige hat eine zeitliche Beschränkung auf 1 Stunde und diese wurde mit 2 Std. in diesem Fall eindeutig überschritten.

Das Bild zeigt die 64kHz-Frequenz auf der Spannung der Phase L3 in der Verteilung. Diese Phase versorgt auch das zweite Kinderzimmer und kann somit eindeutig dem jüngeren Sohn zugeordnet werden.

Der eingesetzte Power Quality Netzanalysator PQ-Box 300 verwendet 24Bit Analog-Digital Eingangswandler und eine Abtastrate von 409,6 kHz. Aufgrund der extrem hohen Auflösung können selbst kleinste Störpegel von einigen Millivolt sehr exakt gemessen und zugeordnet werden. Der Messbereich für Supraharmonische erfasst Frequenzen bis 170kHz. Diese können permanent über einen langen Messzeitraum lückenlos erfasst werden. Für die oben geschilderten Probleme ist es in den seltensten Fällen möglich den Verursacher über eine kurze Onlinemessung zu detektieren. In der Regel sollten über mindestens eine Woche alle Messdaten ohne Einschränkung erfasst werden, um später durch die Korrelation der verschiedenen Messwerte den Zeitpunkt der Störung und auch den Verursacher eindeutig zuordnen zu können.

Fazit

Netzrückwirkungen im Frequenzbereich zwischen 2kHz und 150kHz nehmen seit einigen Jahren in unseren Energienetzen stetig zu und dieser Trend wird auch weiter anhalten, auch durch die Energiewende stark getrieben. Auf der anderen Seite steuern wir immer mehr Geräte und Anlagen mit kleinen Signalen. Eine gegenseitige Beeinflussung ist nicht ausgeschlossen. Die Spielregeln für das öffentliche Netz legt heute die EMV Norm IEC61000-2-2 fest und regelt mit ihren Grenzwerten bis 150kHz, ob ein Verbraucher zu hohe Störpegel am Anschluss in das Netz einbringt, oder ob ein gestörtes Gerät eine zu geringe Störfestigkeit aufweist. Die Messtechnik kann dies beweisen. Liegt der Störpegel noch unter den Grenzwerten und ein Verbraucher wird negativ beeinflusst, so ist hier die Störfestigkeit wahrscheinlich zu gering ausgelegt. Wird der Grenzwert der Norm überschritten, so liefert mit ziemlicher Sicherheit der Verursacher zu hohe Rückwirkungen in das Netz.

Der eingesetzte Power Quality Netzanalysator PQ-Box 300 verwendet 24Bit Analog-Digital Eingangswandler und eine Abtastrate von 409,6 kHz. Aufgrund der extrem hohen Auflösung können selbst kleinste Störpegel von einigen Millivolt sehr exakt gemessen und zugeordnet werden. Der Messbereich für Supraharmonische erfasst Frequenzen bis 170kHz. Diese können permanent über einen langen Messzeitraum lückenlos erfasst werden. Für die oben geschilderten Probleme ist es in den seltensten Fällen möglich den Verursacher über eine kurze Onlinemessung zu detektieren. In der Regel sollten über mindestens eine Woche alle Messdaten ohne Einschränkung erfasst werden, um später durch die Korrelation der verschiedenen Messwerte den Zeitpunkt der Störung und auch den Verursacher eindeutig zuordnen zu können.

Autor
Jürgen Blum, Produktmanager Power Quality Mobil

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