Tipps zum Thema Netzqualität

Ganz gleich, ob Sie eine spezielle Frage zum Thema haben, oder sich einfach nur einen allgemeinen Überblick verschaffen möchten: wir laden Sie herzlich ein, in unserem FAQ- und Hilfe-Bereich ein wenig zu stöbern. Möglicherweise finden Sie hier bereits die Lösung für eine bestimmte Problemstellung. Nutzen Sie wertvolle Informationen und Expertenwissen!

Definition "pu"
"pu" steht als Abkürzung für das Per-Unit-System. Diese Begrifflichkeit wird sehr häufig von Elektroingenieuren verwendet. Sie wurde in die IEEE 1159 übernommen und stellt in der elektrischen Energietechnik eine Hilfsmaßeinheit (effektive Spannung) bezogen auf einen Bezugswert (Nennspannung) dar.
So entspricht z.B. ein Spannungseinbruch auf 0,8 pu in einem 480-V-System einem Spannungseinbruch auf 366 V, eine Unterbrechung auf 0,1 pu in einem 120-V-System entspricht 12 V.
Hinter der Ausdrucksweise "Per-Unit" steht die Logik, einen Spannungswert unabhängig von der jeweiligen Nennspannung auszudrücken, da sich aufgrund der Vielzahl der in einem Netz eingebundenen Transformatoren eine vergleichbare prozentuale Veränderung ergeben würde (weniger Verluste im Transformator). Bei einem Einbruch im138-kV-Abzweig auf 0,7 pu ergäbe sich in der 13-kV-Leitung ein ähnlicher Spannungseinbruch. Gleiches gälte für die Verbraucherspannung. In Konfigurationen mit Dreieck-Stern- oder Stern-Dreieck-Transformatoren ändern sich die Werte, das Prinzip bleibt jedoch dasselbe.

Richtung der Verzerrungsleistung
Kaum jemand im Bereich Netz-Engineering, der sich noch nicht mit der Frage nach der Richtung von Verzerrungsleistung auseinandersetzen musste: Von der Quelle zum Verbraucher, oder vom Verbraucher zur Quelle? Wenngleich Aspekte dieser Thematik noch immer kontrovers diskutiert werden, so wird in der Praxis allgemein der Phasenwinkel bzw. das Verhältnis Spannung/Strom einer bestimmten Harmonischen zur Richtungsbestimmung zugrunde gelegt. Die Berechnungen erfolgen auf der Basis der Regeln für reine Sinuswellen mit Grundschwingungsanteil.
Der Phasenwinkel einer rein ohmschen Last beträgt 0 Grad, dies entspricht einem Leistungsfaktor von 1. Handelt es sich um eine rein induktive Last, eilt der Strom der Spannung um 90 Grad nach. Dies wird i.d.R als +90 Grad angezeigt. Handelt es sich um eine rein kapazitive Last, eilt der Strom der Spannung um 90 Grad voraus. Dies wird i.d.R als -90 Grad angezeigt. Entsprechend erhält der Leistungsfaktor einer induktiven Last zwischen 0 und 1 ein positives Vorzeichen, der Wert einer kapazitiven oder ohmschen Last ein negatives.
Wird ein Phasenwinkel Spannung/Strom von > 90 Grad angezeigt, liegt i.d.R. die Stromzange des Messinstruments in Gegenrichtung zur angenommenen Richtung an. Die meisten Stromzangen sind meine Pfeil zur Anzeige der Richtung Quelle zu Verbraucher versehen, was der normalen Energieflussrichtung entspricht. Ein Phasenwinkel Spannungs-/Stromharmonische zwischen 90 und 270 Grad (270 entspricht -90 Grad) in einem korrekt installierten Stromtrafo deutet darauf hin, dass Verzerrungs- und Grundschwingungsleistung gegenläufig sind und die Energie vom Verbraucher zur Quelle fließt.
Bei verschiedenen Dranetz-Produkten wird dies durch die Begriffe SOURCE und LOAD als Ergänzung zum Wert der Leistungsharmonischen spezifiziert. Andere Produkte bieten die Möglichkeit einer Analyse anhand des Phasenwinkels der Leistungsharmonischen. Zu beachten ist allerdings, dass bei vielen Messungen das Niveau der Spannungs- und Stromharmonischen so gering ist, dass der Faktor Leistungsharmonische - entsprechend auch die Richtung - vernachlässigt werden kann. In einem 120 V/30 A-System beispielsweise fallen eine Spannung von 0,05 V einer Harmonischen fünfter Ordnung mit einer Stromharmonischen von 0,2 A/0,01 W nicht ins Gewicht.

Stabilität der Spannungsquelle
Die Stabilität einer Spannungsquelle ("stiffness") bemisst sich daran, inwieweit ein konstantes Spannungsniveau auch unter problematischen Laststrombedingungen erreicht und gehalten werden kann. Im technischen Kontext nimmt der Begriff Bezug auf die Ersatz-Quellenimpedanz sowie auf das Ohmsche und das Kirchoffsche Gesetz.
Beispiel: 100-V-Quelle mit einer Impedanz von 1 Ohm, der Verbraucher bezieht 1 A. In diesem Fall stehen am Verbraucher 99 V an, 1 V geht durch die Quellenimpedanz verloren. Bezieht der Verbraucher 10 A, so stehen entsprechend nur 90 V an, der Verlust durch die Quellenimpedanz beträgt 10 V. Läge die Quellenimpedanz bei 0,1 Ohm und der Bezug bei 10 A, so stünden am Verbraucher immer noch 99 V an, da der Verlust auf 1 V begrenzt ist. Bei einer Quellenimpedanz von 0,1 Ohm zeigt eine Spannungsquelle also mehr Stabilität als bei 1 Ohm. Dies gilt gleichfalls für die harmonische Quellenimpedanz.
Generell gilt, dass je stabiler die Spannungsquelle, desto seltener treten Netzqualitätsprobleme wie Harmonische oder Schwankungen der RMS-Spannung wie Spannungseinbrüche usw. Nichtsdestotrotz, keine Regel ohne Ausnahme! $BR$

Harmonische Größen
Harmonische werden häufig als Oberschwingungsspektrum in Listenform oder in Form eines Balkendiagramms und geschlüsselt nach Spannungs- und Stromharmonischen dargestellt. Die Größe einer Harmonischen ist bereits ein gutes Indiz für die entsprechende Quelle.
Zeigen die Werte eine auffällige Stromharmonische dritter Ordnung, eine im Vergleich leicht kleinere fünfter Ordnung und wiederum eine leicht kleinere siebter Ordnung usw., ist die Ursache häufig im Bereich eines einphasigen Gleichrichtereingangs an Spannungsquellen zu finden, z.B. in Computern, Druckern und anderen Bürogeräten. $BR$ Stechen die Harmonischen der fünften und siebten, der elften und dreizehnten sowie der siebzehnten und neunzehnten Ordnung hervor, so ist die Quelle häufig ein sechsfach gepulster oder Polkonverter, auch bekannt als dreiphasiger Vollwellengleichrichter, der in Regelantrieben und anderen größeren elektronischen Verbrauchern verbaut ist.

Verschmutzung der Versorungsspannung durch Harmonische
Für gewöhnlich sind nur die Stromharmonischen von Interesse, da diese durch die Verschmutzung der Versorgungsspannung Störungen in betroffenen Verbrauchern auslösen. Entsprechend der Gleichung Strom * Impedanz = Spannung auf Grundschwingungsniveau gilt das Ohmsche Gesetz für Stromharmonische, Impedanz und Spannung.
Nichtlineare Verbraucher verursachen einen hohen Anteil an Stromharmonischen, die wiederum im Zusammenspiel mit der harmonischen Impedanz Spannungsharmonische verursachen.
Die harmonische Impedanz ändert sich je nach Frequenz und Ordnungszahl, wobei bei höherzahligen Harmonischen oft ein stärkerer Anstieg zu verzeichnen ist. D.h., bereits geringe Stromharmonische können hohe harmonische Spannung verursachen.

Summe der harmonischen Gesamtverzerrung (THD)
Die harmonische Gesamtverzerrung (THD) ist ein wichtiger statistischer Wert. Folgende mathematische Berechnung liegt zugrunde: man summiere die ins Quadrat gesetzten einzelnen Strom- bzw. Spannungsharmonischen und ziehe die Wurzel der Summe. Dieser Wert ist dann durch den RMS der Grundschwingung bzw. durch den Gesamt-RMS zu dividieren und abschließend mit 100% zu multiplizieren.
Diese Zahl kann je nach Teiler stark variieren (der Wert der Grundschwingung wird i.d.R. in den USA zugrunde gelegt, der Gesamtwert in Europa).
Der Strom-THD kann zu fehlerhaften Ergebnissen führen und sollte daher nicht zugrunde gelegt werden. Die Effektivwerte der Stromharmonischen sind um ein Vielfaches aussagekräftiger. Bei einem sehr geringen Anteil an Stromharmonischen, wie z.B. im Neutralleiter eines Stern-Systems, kann der THD sehr hoch liegen, ohne Probleme zu verursachen. Ein Strom von 0,5 A im Neutralleiter eines 30-A-Systems z.B. erzeugt 0,25 A bei Grundschwingung und 0,25 A auf dem Niveau der dritten Harmonischen. Der resultierende THD von 100% scheint sehr ungünstig, wirkt sich jedoch in einem 30-A-System kaum aus.

Regel-Harmonische
Harmonische sind nach allgemeiner Definition ganzzahlige Vielfache Frequenzen der Grundschwingung.
Bei einer Netzfrequenz von 60 Hz liegt entsprechend die Harmonische zweiter Ordnung bei 120 Hz, die Harmonische dritter Ordnung bei 180 Hz, die Harmonische vierter Ordnung bei 240 Hz usw., die n-te Harmonische entspricht n*60. Die weniger beachteten Frequenzen zwischen den genannten Regel-Harmonischen werden als Zwischenharmonische bezeichnet (z.B. 185 Hz). Frequenzen unterhalb der Grundschwingung werden als Subharmonische bezeichnet (z.B. 9 Hz). Diese verursachen häufig Lichtflackern (Flicker).

RMS-Spannungseinbrüche
Änderungen der RMS-Werte werden häufig zum Antriggern der Messwerterfassung und Auswertung der Netzqualität genutzt. Am häufigsten stützt man sich hierbei auf den Parameter "Spannungseinbruch". Laut verschiedener Studien liegt der Anteil der Spannungseinbrüche unter allen Netzstörungen bei 60%. Von einem Spannungseinbruch ist die Rede, wenn das Niveau auf unter 90% Nennspannung absinkt. An einer typischen Wandsteckdose im Büro- oder Wohnbereich fällt die Versorgungsspannung entsprechend von 120 Vrms auf 108 Vrms. Fällt die Spannung auf unter 10% der Nennspannung, dann ist von einer Unterbrechung die Rede. Steigt die Spannung im Gegensatz dazu auf über 110% der Nennspannung, spricht man von einer kurzen Überspannung.

Elektromagnetische Phänomene
Veränderungen der Grundform der Spannungswelle (Sinus-Welle) sind die bekannteste Problematik im Bereich der Netzqualität, die als elektromagnetisches Phänomen bezeichnet wird. Mathematisch wird dieser komplexe Wert als quadratisches Mittel (= RMS) ausgedrückt. Berücksichtigt wird jeder einzelne Messpunkt entlang der Wellenform innerhalb einer Periode (i.d.R. 128). Alle Werte werden mit sich selbst multipliziert, die Quadrate anschließend addiert und der Mittelwert gebildet. Die Quadratwurzel dieses Werts ist der RMS. Zu beachten ist, dass der Wert nicht dem Spitzenwert (maximaler Messwert) einer Periode entspricht. Das Verhältnis zwischen Spitzen- und RMS-Wert variiert je nach Wellenform. Im Fall einer reinen Sinus-Welle beträgt der Spitzenwert das 1,414-Fache des RMS, bzw. der RMS das 0,707-Fache des Spitzenwerts. Dieses Verhältnis ändert sich beim Auftreten von Verzerrungen wie z.B. Harmonischen. Daher empfiehlt sich eine Echt-Effektivwertmessung zur Bestimmung des RMS, da hier kein Faktor 0,707 herausgerechnet wird.

Lose Verbindungen
Muss eine Verteilertafel - aus welchen Gründen auch immer - demontiert werden, sollten Sie sich auch gleich das wichtigste Werkzeug im Bereich der Netzqualität zurecht legen: einen Schraubendreher. Benutzen Sie bei allen Arbeiten an elektrischen Anlagen die vorgeschriebene Sicherheitsausrüstung und befolgen Sie alle Sicherheitsvorschriften. Die wenigsten Anlagen sind vierundzwanzig Stunden lang mit Strom beaufschlagt. Der fließende Strom enthält heutzutage jedoch in sehr vielen Fällen harmonische Anteile, die für eine gewisse Erwärmung sorgen. Durch den Kalt-Warm-Wechsel dehnen und ziehen sich die Kabel zusammen, und diese Bewegung wiederum hat zur Folge, dass sich Verbindungen lockern. Je weiter sich eine Verbindung lockert, desto höher steigt auch der Widerstand an diesem Punkt. Mit steigendem Widerstand verstärken sich auch die thermische Effekte. Ziehen Sie daher lose Verbindungen regelmäßig mit einem Schraubendreher fest, um einen Spannungsabfall und möglicher Brandgefahr vorzubeugen.

Einteilung der Harmonischen
Harmonische werden i.d.R. anhand ihrer Ordnungszahl nach geraden (zweite, vierte, sechste, achte usw.) und ungeraden (dritte, fünfte, siebte, neunte usw.) klassifiziert. Eine dritte Gruppe bilden die Harmonischen mit Nullsequenz bzw. dritter Ordnung (3., 6., 9., 12., …), welche sich im Neutralleiter eines dreiphasigen Vierleiter-Stern-Systems nicht aufheben, sondern summieren. Daher muss der Neutralleiter mindestens die gleich bzw. die bis zu 1,73-fache Strombelastbarkeit der Phasen aufweisen.
Gerade Harmonische werden gruppiert, da sie i.d.R in Systemen mit störungsfrei arbeitenden Verbrauchern (ausgenommen Systeme mit Halbwellengleichrichtern) nicht auftreten. Wenn 50 % der vorhandenen Eingangsgleichrichter eines Vollwellengleichrichters nicht korrekt arbeiten, zieht der Verbraucher Strom, als handele es sich um einen Halbwellengleichrichter. Dies hat zur Folge, dass die Strom einen hohen Anteil an geraden Harmonischen aufweist. Eine solche Situation deutet auf ein defektes Bauteil hin. Gerade Harmonische zeigen sich entlang der Wellenform als mittige Asymmetrien.

Leistungsfaktor
Der Leistungsfaktor zählt zu den Parametern, die insbesondere hinsichtlich Verzerrungen und Asymmetrien im Kontext mit der Netzqualität zu betrachten sind (nicht zu verwechseln mit dem Begriff Wirkleistungsfaktor!). Der Leistungsfaktor drückt aus, wie effizient ein Verbraucher die verfügbare Elektrizität nutzt und zeigt entsprechend das Verhältnis zwischen Bezug und Abgabe auf. Die Berechnung erfolgt anhand der Gleichung Wirkleistung dividiert durch Scheinleistung, Watt / Voltampère, bzw. W / VA.
Bis zu dem Boom der Schaltnetzteile bzw. elektronischen bzw. nichtlinearen Verbraucher gab es überwiegend ohmsche bzw. induktive elektronischen Lasten, wie z.B. Heizgeräte, Glühlampen und Elektromotoren. Wenngleich keine absolute Phasengleichheit von Spannung und Strom vorlag, so wiesen beide Parameter doch annähernd Sinusform mit Grundschwingungskomponente auf. Folglich entspricht die Wirkleistung Vrms * Irms * Cos (Winkelverhältnis Spannung/Strom, Theta) und die Scheinleistung Vrms * Irms bei einem Leistungsfaktor gleich Cos (Theta). Diese Formel diente als Grundlage zur Bestimmung des Leistungsfaktors und für Abrechnungsprozesse.
Je mehr jedoch gleichgerichtete Verbraucher zum Einsatz kamen, desto stärker wurde die Veränderung der Stromwellenform durch den Anstieg der harmonischen Frequenzanteile deutlich. Thyristorgesteuerte Verbraucher führen entlang der Spannungswelle nicht durchgängig Strom. Selbst bei phasengleichem Grundschwingungsanteil ist die Formel Vrms * I rms * Cos (Theta) für die Wirkleistung nicht mehr anwendbar, da Spannungs- und Stromharmonische verschiedene Theta-Werte aufweisen können. Wenig überraschend verringert sich infolge der gewollten Minimierung der bezogenen Wirkleistung die Wattleistung bei unveränderter Scheinleistung, Vrms * Irms. Und ebenso wenig überraschend die Verringerung des Leistungsfaktors In einem bekannten Fall wurde ein altes elektromechanisches durch ein modernes Messgerät ersetzt, dass den Leistungsfaktor auf Basis der herkömmlichen W/VA-Methode ermittelt. Infolge der Neuberechnung soll ein Kunde nun eine Nachzahlung leisten, die dieser jedoch mit Hinweis, keinerlei Veränderungen vorgenommen zu haben, zurückweist.

Hoher Anteil an geradzahligen Harmonischen
Ein hoher Anteil an geradzahligen Harmonischen deutet i.d.R. auf einen großen Halbwellengleichrichter oder einen schadhaften Vollwellengleichrichter im System hin.
In den meisten elektrischen Systemen überwiegen die ungeradzahligen Harmonischen. Ein signifikanter Anteil an geraden Harmonischen entsteht überlicherweise nur dann, wenn Strom halbperiodisch bezogen wird. Die Fourier-Reihe des Signals eines Halbwellengleichrichters besteht ausschließlich aus geraden Harmonischen. Im Gegensatz verursachen typische elektronische Verbraucher wie Computer, Laserdrucker oder Antriebe mit Drehzahleinstellung überwiegend ungerade Harmonische. Gerade Harmonische lassen sich häufig anhand einer asymmetrischen Viertelwelle der Kurve nachweisen. D.h., der Verlauf bis zum ersten Scheitel der Sinuskurve entspricht im Spiegel nicht exakt dem zweiten Teil der Wellenform bis zur Y-Achse. Die gleiche Asymmetrie zeigt sich zwischen dem dritten und vierten Segment in der negativen Halbperiode der Kurve.

Ursachen für Transiente
Transiente sind sehr kurze Störungen mit einer Dauer von einer Viertelperiode der Netzfrequenz. Sie werden meist in Mikrosekunden gemessen. Triensiente werden auch als Spannungsstoß, Überspannung, Schaltspitzen oder Störimpuls bezeichnet. Diese Bezeichnungen sind mehrfach deutbar, und deshalb wurde der Begriff "Transiente" in die IEEE- und andere Normen eingeführt.
Im Allgemeinen entstehen Spannungstransiente beim Schalten von Blindleistungs-Kompensationskondensatoren, durch Blitzeinschläge in Leiter (einschließlich benachbarte), Lichtbogenbildung zwischen einer Phase und Masse (z.B. einem Baum), sowie durch die typischen Kurzzeiteinbrüche beim Schalten gleichgerichteter dreiphasiger Spannungsquellen (z.B. Antriebe mit Drehzahleinstellung).
Transiente können Störungen an Datenspeichergeräten verursachen, Verbraucher beschädigen, Datenübertragungen korrumpieren, Verbraucherfunktionen destabilisieren, die Lebensdauer von Verbrauchern beeinträchtigen und nicht nachvollziehbare Probleme verursachen. Transiente treten meist sehr schnell und ohne jedes Muster auf, sodass viele Überwachungsgeräte sie nicht erfassen können - insbesondere hochfrequente Transiente.

Ursachen für kurze Überspannungen
Kurze Überspannungen sind Spannungsanstiege, die i.d.R. 110% der Nennspannung erreichen. Kurze Überspannungen kommen zwar wesentlich seltener vor als Spannungseinbrüche. Die Auswirkung einer zu lange anstehenden Überspannung kann jedoch katastrophale Auswirkungen am betroffenen Verbraucher nach sich ziehen. Kurze Überspannungen können durch das plötzliche Abschalten großer Verbraucher entstehen (die gegenteilige Ursache zu Spannungseinbrüchen). Der Anstieg dauert 30-60 Perioden, bis die Spannung mithilfe der automatischen Stufenschalter wieder in den Normalbereich fällt.

Ursachen für Spannungseinbrüche
Spannungseinbrüche werden häufig durch einen plötzlichen starken Stromanstieg ausgelöst. Die Spannung fällt proportional ab und die involvierten Verbraucher werden mit weniger Spannung versorgt. Sind Fehler im Verteilersystem z.B. auf Kurzschlüsse zwischen Phase und Erde durch Blitzschlag, Tierberührung, Baumäste oder Unfälle zurückzuführen, so spricht man bei der Richtung eines Spannungseinbruch von "stromaufwärts", also in Richtung der Spannungsquelle. Beim Anlauf großer Verbraucher bezeichnet man die Richtung des Spannungseinbruch entsprechend mit "stromabwärts", also zum Verbraucher hin. Reicht die vorhandene Restspannung bei einem Spannungseinbruch nicht mehr aus, um die Funktion eines Verbrauchers sicherzustellen, kann es zu Unterbrechungen oder Fehlfunktionen kommen. Auch wenn ein Verbraucher i.d.R. hierbei nicht beschädigt wird, so entsteht in einem Produktionsprozess dennoch Ausschuss und müssen Prozesse mit erheblichem Aufwand neu gestartet werden.

Lichtschwankungen (Flicker)
Nicht alle Spannungsschwankungen sind von einer solchen Intensität, als dass sie als Spannungseinbruch bezeichnet werden und Verbraucherfunktionen beeinträchtigen könnten. Dennoch führen diese Schwankungen zu Qualitätsverlusten z.B. in Extrusions-Anlagen, bei der Textilverarbeitung und Störungen an Beleuchtungsanlagen, die körperliches Unwohlsein auslösen können. Der kritische Punkt an Lichtschwankungen ist, dass diese unbewusst vom menschlichen Auge und Gehirn wahrgenommen werden und schleichend zu Beschwerden führen. So löst z.B. eine Veränderung von 0,3 Volt bei 9 Hz in einem 120-V-System wahrnehmbaren Flicker an einer 60-W-Glühbirne aus. Bei 1 Hz müsste die Veränderung fast zehnmal höher liegen, um wahrnehmbar zu sein.