Archiv der Kategorie: %s News 2022

Vortrag von Frank Müller, Sachverständigenbüro Perfekte Netze GmbH

Unsere Niederspannungsversorgungsnetze verändern sich!

Durch die Verwendung von immer mehr, nicht-linearer Betriebsmittel, entstehen unter anderem sogenannte Netzrückwirkungen. Netzrückwirkungen haben wir schon immer in unseren Stromversorgungssystemen gehabt. Was ist dabei neu? Was hat sich so verändert, dass der CosPhi seine Bedeutung verloren hat?

Der CosPhi beschreibt nur die fundamentale Netzgrundschwingung bei einer Frequenz von 50Hz. Der Phasenverschiebungswinkel CosPhi verschiebt in der zeitlichen Abhängigkeit „nur“ den Strom-Nulldurchgang zum Sinus der Spannung.

Eilt der Strom der Spannung voraus, so entsteht eine kapazitive, verschobene Blindleistung (Q_kap). Ist der Nulldurchgang des stromgeführten Sinus zum Sinus der Spannung verspätet, so ist die Blindleistung induktiv (Q_ind.).

In den letzten Jahrzehnten wurde die in den Niederspannungsnetzen zu viel erzeugte, induktive Blindleistung mit konventionellen Kompensationsanlagen beschaltet. Beispielweise wurde die konventionell geschaltete, induktive verschobene Motorblindleistung stufenweise mit kapazitiven Strömen kompensiert!

Im heutigen Betriebszustand unser Netzversorgung gibt es kaum noch konventionell betriebene, ohmsche, bzw. sich lineare verhaltende Betriebsmittel. Alles wird mit einer Leistungselektronik elektrisch angeschlossen, vom kleinen Netzteil eines Smartphone, über die LED-Beleuchtung, bis hin zu drehzahlgeregelten Motorantrieben mit vorgeschalteten Frequenzumformer.

Mit dem „Verlust“ der ohmschen, sich linear verhaltenden Betriebsmittellast ist eine Strom-Spannungs-Phasenverschiebung in alter Betrachtungsweise kaum noch zu erwarten. Hierbei ist der Phasenverschiebungswinkel CosPhi dann 1, was bedeutet, dass die Stromaufnahme phasensynchron mit der Spannung ist. Bei einem CosPhi von 1, müsste die Scheinleistung (S) dann eigentlich gleich der Wirkleistung (P) entsprechen. Das ist aber nur die Theorie! In der Praxis zeigt sich, dass dennoch eine Blindleistung in den Niederspannungsnetzen vorhanden ist. An dieser Stelle spricht man nicht mehr von der verschobenen Blindleistung (Q), sondern von der verzerrten Blindleistung (D´).

Durch die heutige Nutzung unzähliger nicht-linearen Verbraucher, Betriebsmittel und elektrischen Anlagen kommt es durch die Vielfachen der Netzgrundschwingungen zu einer Verzerrung des Stromsinus. Diese Stromverzerrung entsteht durch die harmonischen Vielfachen der Netzgrundschwingung. Diese Verzerrung des Betriebsmittelstromes lässt Harmonische oder auch sogenannte Oberschwingungen entstehen.

Die Oberschwingungen dieser verzerrten Stromaufnahme können sich bis in den höheren Kilohertzbereich ausbreiten. Dabei beschreibt die Grundversorgungsnorm DIN EN 50160 „nur“ ein Vielfaches der Grenzwertbestimmung von 50 x 50Hz = 2.5kHz. Die Netzrückwirkungen der Oberschwingungen sind aber durchaus bis weit über 100kHz feststellbar, mit zum Teil störenden oder zerstörenden Auswirkungen der angeschlossenen Betriebsmittel und elektrischen Anlagen.

Vortragsfolienauszug „der Leistungsfaktor ist der Tod es CosPhi“

Anhand der Illustration ist erkennbar, dass sich jetzt eine größere Scheinleistung einstellt. Diese Scheinleistung (S´) ist die quadratische Addition vom Wirkanteil (P), 50Hz-Blindanteil (Q) und dem verzerrten Blindanteil (D´) und trägt nun auch einen erhöhten Scheinstrom (I_ges.) der Grundschwingung und zusätzlich den der vielfachen Harmonischen.

Als Hinweis sei gesagt, dass viele Strommessgeräte nur die Grundschwingung abbilden können.  Hochwertigere Echteffektivmessgeräte (TRMS) können an dieser Stelle auch den Oberschwingungsanteil mitmessen.

Vortragsfolienauszug „Strom-Oberschwingungen in der Darstellung der Fourieranalyse“

An diesem zuvor genannten exemplarischen Beispiel ist erkennbar, dass zu der 50Hz Grundschwingung eine Vielzahl von geradzahligen und ungeradzahligen Oberschwingungen die verzerrte Scheinleistung (D´) darstellen.

Die Fourieranalyse zerlegt die Oberschwingungen in ihre Einzelteile und gibt diese in einer nebeneinander aufgestellten Balkendiagramm-Darstellung wieder.

Bei einem ohmschen, sich linear verhaltenden Betriebsmittel, wie zum Beispiel eine herkömmliche Glühlampe entstehen außer der 50Hz Grundschwingungsströme keine Vielfachen der Harmonischen.

Vortragsfolienauszug „Stromverzerrung einer LED-Leuchte“

Bei nicht linearen Betriebsmittelströmen, wie in diesem dargestellten Beispiel einer LED-Leuchte, kommt es zu einer Stromverzerrung und der Entstehung von Oberschwingungen bis in den höheren Frequenzbereich. Auch ist bei einer erhöhten, verzerrten Blindstrombelastung mit einem wesentlich höheren Scheinstrom zu rechnen, gegenüber dem Wirkstromanteil.

Diese erhöhten Scheinströme erwärme die Elektroinstallationsverkabelung und lassen Schutzorgane, wie Leistungsschalter unerwartet durch eine Stromüberlast auslösen!

In Versorgungsnetzen mit sehr vielen nicht-linearen Betriebsmitteln und elektrischen Anlagenteilen ist die Blindleistungsverschiebung des Phasenverschiebungswinkels CosPhi selten noch vorhanden. Der 50Hz Phasenverschiebungswinkel CosPhi ist fast immer „1“. In herkömmlicher Betrachtung würde das bedeuten, dass die Wirkleistung (P) gleichgroß der Scheinleistung (S) ist.

Bei nicht-linearen Betriebsmittelanschlüssen bestimmt auch nicht mehr die Blindleistungsphasenverschiebung (Q), sondern zu größten Teilen nur noch die Blindleistungsverzerrung (D´) den „Wirkungsgrad“ (Leistungsfaktor LF) der elektrischen Anlagen und Betriebsmittel. Der  Leistungsfaktor gibt das Verhältnis zwischen Wirkleistung (P) und Scheinleistung (S) wieder und sollte immer ansatzweise gleichgroß sein und im Verhältnis 1 stehen.

LF = P / S

Wenn die Grundversorgung der Versorgungsnetzbetreiber (VNB) eine hohe Kurzschlussstromleistung (= kleine Netzimpedanzen) in ihrer Netzversorgung anbieten, dann lässt sich die Spannung von den impulshaften, höherfrequenten Strömen und Stromspitzen wenig beeinflussen. Ist die Stromversorgung aber über längere Leitungswege hergestellt, wie zum Beispiel in ländlicher Umgebung, so kann es sehr wohl sein, dass die Spannung „weicher“ ist (hohe Netzimpedanzen) und sich vom verzerrten Strom anregen lässt. Wenn die verzerrte Stromaufnahme nun auch den Sinus der Spannung beeinflusst, dann entstehen an allen angeschlossen Betriebsmitteln dieser Spannung sonderbare Phänomene.

Anhand eines realen Beispiels wurden die verschiedenen Betriebszustände einer industriell genutzten Anlage einmal im Betrieb hinter einem Transformator (niedrige Netzimpedanz) und einmal im Betrieb hinter einer Netzersatzanlage (NEA = wesentlich höhere Netzimpedanzen) messtechnisch und analytisch vorgetragen.

Vortragsfolienauszug „Spannungsverzerrung/-verformung hinter Transformator“

Vortragsfolienauszug „Spannungsverzerrung/-verformung hinter Netzersatzanlage“

An den beiden letzten Vortragsfolien ist deutlich zu erkennen, wie bei fast gleicher Strombelastung die „reduzierte Spannungsfestigkeit“ der hohen Netzimpedanzen einer Netzersatzanlage (NEA), die angeschaltete Netzversorgung zum Kollabieren bringt. Die Spannung fängt im Störimpuls des völlig verzerrten Anlagenstromes an zu takten und an zu schwingen.

Durch die angeschlossenen, Frequenzumrichter (FU) angetrieben Systeme verliert die Spannungsversorgung die Sinusform der 50Hz Grundschwingung. In diesem Betriebszustand wird die Motorregelung der Netzersatzanlage zeitnah aus „Eigenschutz“ ihre Notstromversorgung einstellen.

Mit einer hybriden Lösung eines strom- und spannungsgeführten aktiven Sinusfitersystems wird die Stromverzerrung „aktiv“ mit gegenläufigen Stromkenngrößen der jeweiligen Harmonischen und zusätzlich zur Beruhigung der Spannung kompensiert.

Diese modernen, aktiven Filterkreise dienen der Leitungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction = PFC) und schaffen dabei eine sichere sowie verfügbare Strom- und Spannungsversorgung.

Die richtige Wahl und Dimensionierung der aktiven Filterkreise muss vorab durch eine Strom- und Spanungsqualitätsmessung in einem PowerAudit bewertet werden.

Der Erfolg dieser neuen „Kompensationsanlagen“ eines aktiven Filterkreises ist mit Abschluss der Maßnahmen erneut zu dokumentieren.

Diese aktiven Filterkreise „beruhigen“ nicht nur die verzerrten Strom- und Spannungssignale der Blindleistungsverzerrung (D´) sondern können auch den Phasenversatz der Blindleistungsverschiebung (Q) kompensieren.