Bei Power Quality Messungen werden häufig die Grenzwerte ungeradzahliger harmonischer Oberschwingungen wie der 15., 21. und 27. Harmonischen verletzt. Doch was sind Harmonische, wie entsteht dieser Effekt und welchen Einfluss haben sie auf den Neutralleiter? Dieser Beitrag erklärt die Zusammenhänge.
Das Wichtigste in Kürze
- Harmonische Oberschwingungen sind ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz und entstehen unter anderem durch nichtlineare Verbraucher.
- Bei symmetrischer Belastung heben sich die Ströme der Grundschwingung und bestimmter Harmonischer im Neutralleiter auf.
- Durch drei teilbare Harmonische können sich im Neutralleiter addieren und dort zu einer deutlich höheren Strombelastung führen.
- Power Quality Messungen machen diese Strom- und Spannungsoberschwingungen sichtbar.
Was sind harmonische Oberschwingungen?
Durch die steigende Anzahl an nichtlinearen Verbrauchern entstehen vermehrt Netzrückwirkungen, die sich durch einen nichtsinusförmigen Strom charakterisieren lassen. Der TÜV SÜD definiert Harmonische wie folgt:
Oberschwingungen (Harmonische) sind ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz. Sie entstehen durch nichtlineare Lasten, wie Entladungslampen (z. B. Energiesparlampen), überlastete Transformatoren, Netzteile mit Spitzenwertgleichrichtern und durch den Einsatz von Stromrichterventilen, z. B. Gleichrichter, Frequenzumrichter, Steller, USV-Anlagen. Das Kennzeichen dieser Verbraucher und Betriebsmittel ist ein nichtsinusförmiger Strom bzw. ein periodisch ein- und ausgeschalteter Stromfluss. Generatoren, deren Wicklungstechnik die Entstehung von Oberschwingungsspannungen (Oberfelder) zulässt, verursachen bei entsprechender Anschaltung an das Netz ebenfalls Oberschwingungsströme. Diese nichtsinusförmigen Grössen lassen sich durch geeignete mathematische Verfahren (Fourieranalyse) auf sinusförmige Grössen zurückführen. Sie enthalten zur Grundschwingung (in Europa: 50 Hz) noch ganzzahlige Vielfache, die vorgenannten Oberschwingungen. An den Netzimpedanzen oder an der Generatorimpedanz verursachen diese Oberschwingungsströme Spannungsfälle. Diese Spannungsfälle (Oberschwingungsspannungen) überlagern sich der Grundschwingung (50 Hz) und verzerren die Sinusform der Netzspannung. Als Folge daraus kann der störungsfreie Betrieb anderer Verbraucher (z. B. Motoren, Generatoren, Kondensatoren) beeinträchtigt werden.
Power Quality Messungen weisen diese Oberschwingungen nach. Abbildung 1 zeigt eine typische Power Quality Messung bei einem Kunden, bei dem der oben beschriebene Fall eingetreten ist. Auf den ersten Blick erkennt man bereits, dass es sich ausschliesslich um ungeradzahlige und durch drei teilbare harmonische Oberschwingungen handelt.
Wie wirken sich einphasige Geräte auf den Neutralleiter aus?
Heute kommen immer mehr einphasige Geräte zum Einsatz, die über ein Schaltnetzteil angesteuert werden. Im Heimbereich sind dies beispielsweise Computer, Spielekonsolen und viele weitere Haushaltsgeräte. Diese Geräte haben in der Regel keinen Transformator mehr vorgeschaltet, sondern ein Schaltnetzteil. Am Eingang dieser Schaltnetzteile ist meist ein Brückengleichrichter eingebaut, der den Strom impulsförmig aufnimmt. Früher nahm ein ohmscher Verbraucher den Strom sinusförmig auf. Eine Messung des Impulses zeigt Abbildung 2.
Zerlegt man diesen Strom in sein Spektrum, erkennt man, dass alle ungeradzahligen Harmonischen vorhanden sind. Die durch drei teilbaren Harmonischen addieren sich auf dem N-Leiter. Dies kommt dadurch zustande, dass die Phasen L2 und L3 im Drehstromsystem um 120° phasenverschoben sind. Die Phasenverschiebung von 120° entspricht zugleich der Zeitspanne, in der eine vollständige Sinusschwingung mit 150 Hz durchlaufen wird, wie Abbildung 3 zeigt. In der Abbildung ist zu erkennen, dass nach 120° eine Sinusvollschwingung durchlaufen ist und daraufhin die nächste Phase L2 beginnt. Sind im Netz auf allen drei Phasen ähnliche Verbraucher installiert, liegen auch die dritten Harmonischen der Phasen L2 und L3 in einer ähnlichen Phasenlage.
Warum kann sich der Strom im Neutralleiter verdreifachen?
Wenn die Belastung auf den drei Phasen L1, L2 und L3 symmetrisch ist und jede Phase mit 100 A belastet wird, ist der N-Leiter nicht belastet. Das gilt allerdings nur für die Grundschwingung und für alle Harmonischen, die nicht durch 3 teilbar sind. Bei einer fünften Harmonischen mit 10 A auf allen Phasen kann der Strom im Neutralleiter 0 A betragen. Eine Besonderheit stellt die dritte Harmonische dar: Da die Phasenverschiebung genau 120° beträgt, müssen sich alle Abtastwerte der Phasen L1, L2, L3 und des N-Leiters zu 0 summieren. Überlagern sich die Phasenlagen, bedeutet dies für das Netz, dass auf dem N-Leiter der dreifache Strom fliessen muss. Dieser Umstand gilt ebenso für höhere, durch drei teilbare Ordnungen, etwa die sechste oder neunte Harmonische. Untersuchungen im Netz zeigen jedoch überwiegend ungeradzahlige Harmonische, während geradzahlige Harmonische in der Regel kaum vorkommen.
Wie verhalten sich verschiedene Frequenzanteile im Neutralleiter?
| Frequenzanteil | Verhalten bei symmetrischer Belastung |
|---|---|
| Grundschwingung mit 50 Hz | Bei gleicher Belastung der drei Phasen ist der Neutralleiter nicht belastet. |
| 5. Harmonische | Bei gleicher Belastung aller drei Phasen kann der Strom im Neutralleiter 0 A betragen. |
| Durch drei teilbare Harmonische | Sie können sich im Neutralleiter addieren. Bei überlappender Phasenlage kann dort der dreifache Strom fliessen. |
Welche Auswirkungen haben Stromoberschwingungen auf das elektrische Netz?
Abschliessend lässt sich festhalten, dass sich Stromoberschwingungen mit einer durch drei teilbaren Ordnungszahl bei symmetrischer Belastung im Neutralleiter zu einer dreifachen Grösse überlagern. Dies stellt für das Netz insofern ein Problem dar, als die Impedanz des Netzes für die durch 3 teilbaren Harmonischen viermal so gross ist wie für die fünfte Harmonische oder die Grundschwingung. Bei Symmetrie fliesst von der fünften Harmonischen auf dem N-Leiter kein Strom. Von der dritten Harmonischen können dagegen die dreifachen Ströme gemessen werden, die zum Transformator zurückfliessen.
Daher ist bei den durch 3 teilbaren Harmonischen entscheidend, an welcher Stelle im Netz sie bewertet werden. Eine Messung relativ nahe am Transformator zeigt eine durch drei teilbare Harmonische dort in der Regel als sehr unauffällig. Je weiter man sich allerdings vom Transformator in Richtung Verbraucher entfernt, desto schneller nehmen die durch drei teilbaren Harmonischen in der Spannung zu. Dies geschieht deutlich schneller als bei einer fünften oder siebten Harmonischen.
Der Trend hin zu Netzen mit höher belasteten Harmonischen lässt sich aufgrund der Vielzahl an einphasigen Geräten nicht verhindern. All diese Geräte erhöhen den Pegel der durch drei teilbaren Harmonischen wie der 3., 15. oder 21. Harmonischen. Mittlerweile haben die Normen reagiert und die Verträglichkeitspegel, die für das öffentliche Netz erlaubt sind, erhöht. So wurde der Verträglichkeitspegel in der aktuellen EN 50160 für die 15. Harmonische beispielsweise von 0,5 % auf 1,0 % erhöht.
Werden heute Power Quality Bewertungen durchgeführt, sollten die in den Power Quality Messgeräten hinterlegten Grenzwerte auf die aktuell gültigen Werte eingestellt werden.
Autor
Jürgen Blum, Produktmanager Power Quality Mobil
FAQ - Häufige Fragen
Was sind harmonische Oberschwingungen?
Harmonische Oberschwingungen sind ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz. Sie überlagern die Grundschwingung und können dadurch die Sinusform von Strom und Spannung verzerren.
Wie entstehen harmonische Oberschwingungen?
Sie entstehen unter anderem durch nichtlineare Verbraucher. Dazu gehören beispielsweise Schaltnetzteile mit Brückengleichrichtern, Frequenzumrichter und USV-Anlagen.
Warum addieren sich durch drei teilbare Harmonische im Neutralleiter?
Im Drehstromsystem sind die Aussenleiter um 120° phasenverschoben. Bei durch drei teilbaren Harmonischen kann diese Verschiebung bei gleichartigen Belastungen dazu führen, dass die entsprechenden harmonischen Stromanteile phasengleich sind. Sie heben sich daher im Neutralleiter nicht auf, sondern können sich dort addieren.
Kann der Strom im Neutralleiter höher sein als in einem Aussenleiter?
Ja, das ist möglich. Bei gleicher Phasenlage von durch drei teilbaren Harmonischen können sich deren Ströme im Neutralleiter addieren; für den jeweiligen harmonischen Stromanteil kann dort bis zum Dreifachen des Stroms eines Aussenleiters fließen. Ob der Gesamtstrom im Neutralleiter höher als der Gesamtstrom eines Aussenleiters ist, hängt von der gesamten Stromzusammensetzung ab.
Wie lassen sich harmonische Oberschwingungen nachweisen?
Harmonische Oberschwingungen lassen sich mit Power-Quality-Messungen erfassen. Anschliessend können die harmonischen Anteile im Frequenzspektrum von Strom und Spannung ausgewertet werden.
