Oberschwingungen

Wie entstehen Oberschwingungen und welche Folgen haben sie?

Oberschwingungen entstehen, wenn nichtlineare Geräte einen nicht sinusförmigen Strom aufnehmen. Frequenzumrichter, Schaltnetzteile, LED-Treiber und Lichtbogenöfen können verzerrte Stromverläufe erzeugen – die dabei entstehenden Stromoberschwingungen erzeugen an den Impedanzen des Netzes Spannungsoberschwingungen, die sich auf alle angeschlossenen Verbraucher auswirken. Die Verzerrung wird mit dem Gesamtoberschwingungsgehalt (Total Harmonic Distortion, THD) gemessen: Er setzt die Quadratwurzel aus der Summe der quadrierten Effektivwerte der betrachteten Oberschwingungen ins Verhältnis zum Effektivwert der Grundschwingung.

Die Folgen sind vielfältig und oft schleichend: erhöhte Verluste im Netz, Erwärmung von Kabeln und Transformatoren, Fehlauslösungen von Schutzeinrichtungen und eine verkürzte Lebensdauer von Kondensatoren. Besonders kritisch ist der Neutralleiter: Die durch drei teilbaren Harmonischen (150 Hz, 450 Hz) heben sich in den Außenleitern nicht auf, sondern addieren sich im Neutralleiter – der dadurch stärker belastet werden kann als die Außenleiter selbst.

Welche Normen und Grenzwerte gelten?

Die EN 50160 beschreibt Merkmale der Versorgungsspannung im öffentlichen Netz. Die häufig genannte THD-Grenze von 8 Prozent ist im Zusammenhang mit Spannungsebene, Betriebsbedingungen und statistischer Auswertung zu lesen, nicht als universelle Momentanwertgrenze. Daneben enthält die Normenreihe EN 61000 unter anderem gerätebezogene Emissionsgrenzen sowie Mess- und Prüfverfahren.

Am Netzanschlusspunkt setzen zusätzlich die technischen Anschlussregeln des Netzbetreibers Grenzen, in der Niederspannung die VDE-AR-N 4100, in der Mittelspannung die VDE-AR-N 4110. Wer diese Grenzwerte überschreitet, kann vom Netzbetreiber zur Nachrüstung von Kompensationseinrichtungen verpflichtet werden – ein Punkt, der bei der Planung großer Leistungselektronik-Anlagen wie Ladeparks von Anfang an mitgedacht werden sollte.

Wie lassen sich Oberschwingungen messen und beheben?

Der erste Schritt ist immer die Messung: Ein Power-Quality-Analysator oder ein fest installiertes Netzqualitätsmessgerät erfasst THD, einzelne Harmonische, Flicker und Spannungsereignisse über einen repräsentativen Zeitraum. Erst mit diesen Daten lässt sich beurteilen, ob ein Problem vorliegt, welche Ordnungen dominieren und welche Verursacher infrage kommen. Typischerweise dominieren die 5. und 7. Harmonische (250 und 350 Hz), wie sie sechspulsige Gleichrichter in Frequenzumrichtern erzeugen; einphasige Schaltnetzteile steuern vor allem die 3. Harmonische bei, die den Neutralleiter belastet.

Für die Abhilfe stehen drei Ansätze zur Verfügung:

• Aktive Filter messen die Netzverzerrung in Echtzeit und speisen gegenphasige Ströme ein, die die Oberschwingungen dynamisch kompensieren – flexibel, aber investitionsintensiv
• Passive Saugkreise sind auf einzelne Harmonische abgestimmte LC-Glieder, die gezielt eine Frequenz absaugen – auf definierte Netz- und Lastbedingungen auszulegen
• Eine saubere Netzaufteilung trennt empfindliche Verbraucher (Messtechnik, IT) von störenden Verbrauchern (Umrichter, Öfen) über getrennte Unterverteilungen oder eigene Transformatoren

Was bedeutet das für Unternehmen mit sensibler Technik?

Für Betreiber sensibler Produktionsanlagen und Rechenzentren lohnt sich ein dauerhaftes Power-Quality-Monitoring. Es kann schleichende Probleme sichtbar machen, und liefert belastbare Daten für Gespräche mit dem Netzbetreiber – etwa wenn strittig ist, ob eine Störung aus dem eigenen Netz oder aus dem öffentlichen Netz stammt.

Bei neuen Anlagen sollten Emissionsdaten und Netzanschlussbedingungen früh berücksichtigt werden. Moderne Regelung und Filter können Emissionen begrenzen; aus einer größeren Zahl leistungselektronischer Geräte folgt nicht automatisch eine kontinuierlich zunehmende Verzerrung. Kosten und Nutzen einer Maßnahme hängen vom konkreten Netz ab.