Harmonische Oberwellen in industriellen elektrischen Netzen
Grundlagen, Ursachen, Gefahren und Lösungen für ein sauberes Netz
Einleitung: Bedeutung harmonischer Oberwellen in industriellen Netzen
In modernen industriellen Anlagen ist eine stabile und qualitativ hochwertige Stromversorgung von zentraler Bedeutung. Störungen wie harmonische Oberwellen stellen eine zunehmende Herausforderung dar. Sie können nicht nur die Effizienz und Lebensdauer von Betriebsmitteln beeinträchtigen, sondern auch zu erheblichen Ausfällen und wirtschaftlichen Schäden führen. Daher ist das Verständnis von harmonischen Oberwellen und deren Management unerlässlich für Elektroingenieure, Techniker und Betreiber elektrischer Netze.
Grundlagen: Definition und physikalische Entstehung von Oberwellen
Harmonische Oberwellen sind elektrische Spannungs- oder Stromanteile im Netz, deren Frequenzen ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz (in Europa üblicherweise 50 Hz) betragen. Während die Grundschwingung die eigentliche Nutzfrequenz ist, entstehen Oberwellen durch nichtlineare elektrische Verbraucher oder Schaltvorgänge. Sie überlagern sich der Grundschwingung und verzerren so die ideale Sinusform der Netzspannung oder des Netzstroms.
Physikalisch betrachtet resultieren Oberwellen aus Wechselwirkungen zwischen periodischen Strömen und Spannungen, die nicht exakt sinusförmig verlaufen. Jede Abweichung von der reinen Sinusform kann mathematisch durch die Summe von Sinuswellen unterschiedlicher Frequenzen – den Oberwellen – beschrieben werden (Fourieranalyse).
Herkunft: Typische Quellen harmonischer Oberwellen in der Industrie
In industriellen Netzen entstehen Oberwellen hauptsächlich durch den Einsatz von Geräten und Anlagen, die nichtlineare elektrische Eigenschaften aufweisen. Zu den häufigsten Verursachern zählen:
Leistungselektronische Geräte (z. B. Frequenzumrichter, Schaltnetzteile, Gleichrichter)
Moderne Beleuchtungssysteme (z. B. LED-Leuchten mit elektronischen Vorschaltgeräten)
Computer, Server, Büroelektronik
Schweißgeräte und Antriebe mit variabler Drehzahl
Induktive und kapazitive Lasten in Kombination mit elektronischen Steuerungen
Gefahren und Schädigungen: Auswirkungen auf Anlagen, Geräte und Netzstabilität
Harmonische Oberwellen können erhebliche Schäden und Beeinträchtigungen in elektrischen Netzen verursachen. Zu den wichtigsten Gefahren zählen:
Erwärmung von Leitungen und Transformatoren: Oberwellen führen zu erhöhten Verlusten, was Kabel und Transformatoren zusätzlich belastet und deren Lebensdauer verkürzt.
Fehlfunktionen von Schutz- und Steuerungseinrichtungen: Elektronische Schutzgeräte reagieren empfindlich auf Oberwellen und können Fehlabschaltungen verursachen.
Beeinträchtigung von Maschinen und Anlagen: Motoren können überhitzen, Vibrationen entwickeln oder mit reduziertem Wirkungsgrad laufen.
Störungen in Kommunikationssystemen: Oberwellen können elektromagnetische Störungen verursachen, die Datenübertragungen beeinträchtigen.
Resonanzerscheinungen: In Verbindung mit Netzimpedanzen können sich bestimmte Oberwellenfrequenzen verstärken und zu gefährlichen Überspannungen führen.
Folgen eines verschmutzten Netzes: Wirtschaftliche und technische Konsequenzen
Ein durch Oberwellen „verschmutztes“ elektrisches Netz hat sowohl technische als auch wirtschaftliche Folgen:
Höhere Betriebskosten durch zusätzliche Verluste und häufigeren Austausch von Betriebsmitteln.
Ungeplante Stillstände und Produktionsausfälle infolge von Fehlfunktionen oder Ausfällen.
Reduzierte Lebensdauer elektrischer Anlagen und Geräte.
Probleme bei der Einhaltung von Netzqualitätsnormen (z. B. EN 50160), was zu Vertragsstrafen oder Imageverlust führen kann.
Beeinträchtigung der Versorgungssicherheit und Erhöhung des Risikos von Netzinstabilitäten.
Maßnahmen: Möglichkeiten zur Reduzierung und Vermeidung von Oberwellen
Um die Entstehung und Ausbreitung von Oberwellen zu begrenzen, gibt es verschiedene Maßnahmen:
Auswahl geeigneter Betriebsmittel: Bereits bei der Planung sollten Geräte mit geringem Oberwellenanteil bevorzugt werden – bspw. spezielle „Low Harmonic“ Frequenzumrichter.
Lastmanagement: Die Verteilung nichtlinearer Verbraucher auf verschiedene Netzabschnitte kann Oberwellenbelastungen reduzieren.
Regelmäßige Netzanalysen: Durch kontinuierliches Monitoring lassen sich Oberwellen frühzeitig erkennen und gezielt bekämpfen.
Schulungen und Sensibilisierung: Fachpersonal sollte für das Thema Oberwellen und deren Auswirkungen sensibilisiert werden.
Lösungen: Technische Ansätze wie Filter, Netzanalysen und Netzoptimierung
Zur aktiven Bekämpfung von harmonischen Oberwellen stehen verschiedene technische Lösungen zur Verfügung:
Passive Filter: Diese werden auf bestimmte Oberwellenfrequenzen abgestimmt und können gezielt einzelne Frequenzen dämpfen.
Aktive Filter: Sie erkennen Oberwellen im Netz und erzeugen gezielt Gegenströme, um diese zu kompensieren.
Netzoptimierung: Anpassen der Netzstruktur, z. B. durch Parallelbetrieb von Transformatoren oder Segmentierung der Lasten.
Netzanalysatoren: Moderne Messgeräte erlauben die kontinuierliche Überwachung des Netzes und die schnelle Identifikation von Oberwellenquellen.
Fazit
Harmonische Oberwellen stellen eine ernstzunehmende Herausforderung für industrielle elektrische Netze dar. Ihre Ursachen liegen vor allem im zunehmenden Einsatz nichtlinearer Verbraucher. Die Folgen reichen von technischen Störungen über wirtschaftliche Verluste bis hin zu Gefährdungen der Netzstabilität. Durch gezielte Maßnahmen wie den Einsatz von Filtern, regelmäßige Netzanalysen und eine bewusste Geräteauswahl kann die Oberwellenbelastung jedoch wirksam reduziert werden. Mit Blick auf die fortschreitende Digitalisierung und den steigenden Einsatz leistungselektronischer Systeme wird das Thema Netzqualität auch in Zukunft an Bedeutung gewinnen.