8/19/2019 Die Oberschwingungen im Stromnetz

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Die Oberschwingungen im Stromnetz jwr47 

Stromkonzerne gehen gerne davon aus, das Dreiphasennetze saubere Sinuswellen erzeugen, die sichschön symmetrisch kompensieren und in 1 m !nt"ernung von der #ochspannungsleiter ein

winziges $agnet"eld produzieren% !ine &aborsituation also%Diese heile 'elt mag theoretisch stimmen, weicht aber in der (ra)is immer mehr von der rauen'irklichkeit ab%

$ein *erdacht ist, dass die Oberwellen im Dreiphasennetz eventuell das +etz mit einer störendenompensationswelle belasten, denn die -berwellenenergie muss ja irgendwohin entsorgt werden%Die .rage ist aber wo%%%

/n 0Dirty (ower -berschwingungen durch nichtlineare *erbraucher 2 beschreibt der 3utor Dipl%/ng% .#5 6nter #öck 1  wieweit die *erschmutzung der im +etz vorhandenen Spannung

angestiegen ist%3ls 6rnde gelten nicht nur die Schaltregler "r (83nlagen und &ichtanschlsse, sondern auch dieStromlie"eranten wie 'indenergie oder (hotovoltaik%

Die Zunahme der Oberschwingungen der 5e Harmonischen

Die 9unahme der -berwelle:-berschwingungen; < also eine Verzerrung der Sinusformder Spannung  < "hrte dazu dass seit 1=> u% a% durch die massenha"te *erbreitung von8omputern der Spannungsoberschwingungsgehalt der "n"ten #armonischen imDurchschnitt mehr als verdoppelt wurde%

Dabei hatte ich immer gelernt und gedacht, dass die dritte #armonische 1? #z5 und nicht die"n"te 250 Hz5 die #auptrolle spiele%

/n dieser (eriode d%h% seit 1=>5 startet um 1=>= auch der 9eitraum in der < ausgehend von der @S3 in Aaos < das Brummphänomen entstanden ist%

Das +achladen des ondensators in der modernen *erbrauchselektronik er"olgt pro#albperiode der 'echselspannung nur mit einem kurzen, da"r aber um so höheren

 puls"örmigem Strom < immer dann, wenn der Betrag der Spannung ut5 die verbliebeneSpannung am ondensator bersteigt% Die Strom:Spannungsennlinie ist somitnichtlinear% Das erzeugt die verzerrte Stromkurven"orm, gleichbedeutend mit

-berschwingungenC

%

/n industriellen 3nlagen "inden sich viele Cphasige Betriebsmittel, die eben"alls verzerrte pulsartigen&adeströme erzeugen%

/n !uropa erscheint das Brummphnomen zunchst in den siebziger Eahren 4% /n den vergangenen'ochen ist der Brumm aber wieder zurckgekehrt nach Bristol?%

1 Dipl% /ng% .#5 6nter #öck ; 3uch wenn im allgemeinen Sprachgebrauch hu"iger der Begri"" 0-berwelle2 verwendet wird, ist

0-berschwingung2 die physikalisch korrekte Bezeichnung%C Dirty (ower   Dipl% /ng% .#5 6nter #öck 

4 /n the 1=7s hundreds o" the cityFs residents complained to the council that a strange noise was audible at night% Ahestrange case o" the Bristol hum BB8 +ews5

? .or the past "ortnight, several Bristol residents have reported the lowpitched humming noise on social media%FBristol humFG Hesidents report return o" mysterious noise  Auesday 1= Eanuary ;1I

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Impulsbelastung der gängigen Elektronik

/n einem .orum tre""e ich au" die Skizze, wie der /mpuls"orm der gngigen !lektronik aussieht I%Die /mpulse sind pro (hase jedoch ungleich groJ und beliebig variabel, da sich zumindest dieeinphasige *erbraucher permanent zu oder abschalten%

3uch bei der Stromerzeugung mittels 'indenergie oder (hotovoltaik wird zunchst eine6leichspannung erzeugt, welche dann nach dem 9erhacker(rinzip in eine ?#z'echselspannungumwandelt und in das +etz einspeist% 'egen der unzureichenden 6lttung des 3usgangsstromswerden dabei zustzliche höher"reKuente Ströme in das +etz eingespeist%

/ch versuche die .rage zu lösen, aber ich ernte nur verwirrende 3ntworten%%%

I HeG Drehstrom C(hasen Lberlandleitung , dnner +ullleiter M 

1: Impulsbelastung der gängigen Elektronik aus: Re: Drehstrom 3hasen !berlandleitung " d#nner 

 $ullleiter % 

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Appendix I - tern- oder Dreieckschaltungen

6ibt es hochtrans"ormierte &eitungen in Dreieckschaltungen%

ommentar von $artinmuc , ;?%;%;1

 +ee, *orsicht% Die &eiter sind ein"ach C &eiter und sonst gar ni)% /n Dreieck : Stern sindentweder der *erbraucher da kommt es drau" an5 oder der 6enerator der ist aber  praktisch immer im Stern5%7

Der 6enerator im ra"twerk ist in der Hegel in Sternschaltung betrieben und mit 4&eitungen mit dem #ochspannungstrans"ormator verbunden% Der !ingang ist eben"allsin Sternschaltung%

Der 3usgang des #ochsspannungstrans"ormators ist aber stets in Dreieckschaltung betrieben% #ochspannungsleitungen dr"en keinen direkten !rdbezug mehr haben, dennes gibt nur drei &eitungen% Das *erbinden eines Sternpunktes mit der !rde Das worau" 

6ras wchst5 ist nicht zulssig da ein 3usgleichsstrom ber der !rde eine@mweltbelastung darstellt% N'rmer kitzelnN ist verboten%

9um runter trans"ormieren geht die #ochspannungsleitung in den Ara"o alsDreieckschaltung rein, die Sekundrseite des Ara"os ist in Sternschaltung wobei der Sternpunkt mit einem !rder verbunden ist und als 4% &eitung N+(!N +ulleiter O!rdleiter5 zu den #aushalten ge"hrt wird% Dort wird der +(! wieder mit einem !rder verbunden und zu + und (! au"geteilt%

.rher war der !rder am #ausanschluss nicht zwangslu"ig vorgeschrieben% +ur beiDacheinspeisung musste ein !rder eingesetzt werden, denn der +(! kann ja bei SturmreiJen% Der !rder dur"te "rher sogar ein kurzer Stab der in der !rde steckte sein%

Spter war ein !rder "r alles ("licht% Bei Dacheinspeisung muss das sogar einHingerder sein Blankes abel welches rund um das #aus durch die !rde verlegt ist%Bei @nterirdischer !inspeisung dur"te Nbis vor kurzemN auch ein normaler !rdungsstaboder die 'asser und 6asleitungen herhalten%

Seit (lastikleitungen "r 'asser und 6as verwendet werden 3n"ang der =er5 ist einHingerder "r alle +eubauten zwingend vorgeschrieben%

.akt ist, dass die letzte $eile stets eine Sternschaltung ist% Ee nach +etz"orm bildet der $ittelpunktleiter den (!+ &eiter, oder den +eutralleiter%

$ittelspannungs und #ochspannungsleitungen gibt es jeden"alls so wohl als Stern, alsauch als Dreieckschaltung% teilweise wird der $ittelleiter bei den $ittel und#ochspannungsleitungen auch isoliert mitge"hrt%%%%>

7  E&pertenant'ort  @nsere +etzversorgung ist eine SternschaltungM>  E&pertenant'ort  @nsere +etzversorgung ist eine SternschaltungM

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Appendix II - Die !5" H# -Oberschwingungsstr$men

/n einem dreiphasigen System sind die Spannungsschwingungen der (hasengegeneinander um 1;P verschoben, so dass der Summenstrom im +eutralleiter, wenn

 jeder 3uJenleiter gleich belastet wird, zu +ull wird% 'enn auch die6rundschwingungsströme sich ausgleichen, ist dies jedoch bei den-berschwingungsströmen nicht der .all < vielmehr addieren sich die

Oberschwingungen durch drei teilbarer Ordnung im +eutralleiter% Dadurch kann der Strom im +eutralleiter gröJer als in jedem der 3uJenleiter werdenQ=

/n den elektrischen *erteileranlagen von /ndustriebetrieben und Brogebuden lassen sich hu"igsehr hohe -berschwingungsbelastungen nachweisen1%

Doch auch am #ausanschluss eines reinen 'ohngebudes sind heute kaum mehr sinus"örmigeStröme vorhanden% !ine $essung des Stroms an einem typischen #ausanschluss im +eutralleiter,in welchem sich die (hasenströme ja geometrisch summieren, eine sehr stark verzerrte urven"ormund einen keineswegs niedrigen 6esamt!""ektivwert%11

/n industriellen 3nlagen "inden sich viele Cphasige Betriebsmittel, die eben"alls verzerrte pulsartigen&adeströme erzeugen1;%

Die 4 * Drehstromleitung "hrt vom #aus zu einem *erteilungstrans"ormator% Der *erteilungstrans"ormator versorgt in der Hegel mehrere 'ohnhuser% Der Arans"ormator setzt die Spannung von 1 k* oder ; k*5 au" 4 * um% 3uch gleicht der Arans"ormator eine unsymmetrische &ast S(hieflast 5 aus%

!s ist unklar ob ein im Arans"ormator auszugleichende Schie"last eine rein lineare &ast sein solloder ob auch +ichtlinearitten ausgeglichen werden%

Die @nterspannungsseite 4 *5 des Arans"ormators ist an ein *ierleiternetz &1, &;,&C und +5 angeschlossen% 9ur Sicherheit wird der +eutralleiter geerdet% Die-berspannungsseite 1 k*5 des Arans"ormators ist an ein Dreileiternetz angeschlossen%R? 1C

Die .rage ist nunG kann der Ara"o auch die *erzerrung durch -berschwingungen kompensieren oder muss diese Störkomponente irgendwo als 'rmeverlust verheizt werdenM

'eiter mit dem BeispielG /st nur ein #aus mit dem einen 6ert angeschlossen, so "lieJtder Strom au" der @nterspannungsseite nur in den &eitern &1 und +T die &eitungen &;und &C sind ohne Strom% 3u" der -berspannungsseite des *erteilungstrans"ormators"lieJt Strom symmetrisch in allen drei &eitern%

6ut, das mag "unktionieren "r eine lineare &ast wie ein 'iderstand%

Die .rage ist nunG kann der Ara"o auch die nichtlineare -berschwingungen sauber au" alle drei&eitern kompensieren und wie wirkt sich die -berschwingung im Dreiphasensystem ausM

Der 3usgleich der &ast er"olgt durch die 'icklungsart des Arans"ormators% !s gibtverschiedene *arianten% 9um Beispiel eine separate 3usgleichswicklung UynOdSchaltung5T oder eine Sternschaltung mit Sternpunktleiter au" einer Seite und eine

= 0Dirty (ower2 -berschwingungen durch nichtlineare

1 0Dirty (ower2 -berschwingungen durch nichtlineare %%%11 0Dirty (ower2 -berschwingungen durch nichtlineare1; 0Dirty (ower2 -berschwingungen durch nichtlineare %%%%1C 'arum haben #ochspannungsleitungen C &eiter wo ist der + oder (!+ %%%

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Dreieckschaltung au" der anderen Seite Dyn Schaltung5% RI,>,= 14

6ut, das mag "unktionieren "r eine lineare &ast wie ein 'iderstand%

/n $ittelspannungsnetzen werden "r Drehstromsysteme stets Dreileitersysteme verwendet% Der Sternpunkt wird in den @mspannstationen entweder niederohmig oder induktiv geerdet%1?

'as passiert nun mit den -berschwingungen, die zur *erteilung an den @mspannstationenankommt% 'erden diese schön gleichmJig au" alle !ndbenutzer gleichmJig verteiltM

'enn man die C (hasen aber mit 6leichrichter:ondensator belastet, dann ergibt sichkein sinus"örmiger Strom, sondern nur kurze Stromspitzen% Diese gleichen sich nichtmehr aus, sondern addieren sich im +eutralleiter% Der hat dann wirklich den C"achenStrom und keine Sicherung %%%%%

&ustig wird das in @S3, die nur die halbe Spannung, und damit den doppelten Stromhaben% Dank der #undtot*or"hrungen des #errn !dison konnte man keine höhereSpannung durchsetzen% 'as dieser besser zu vermarkten wusste%1I

(eter // schriebG

V wie soll das gehenM

(hase 1 hat Strom von >>P bis =P und von ;I>P bis ;7P(hase ; ;> ;1 C>> C=(hase C C;> CC 14> 1?

Das mit dem ;P Strom"luJwinkel ist zwar etwas bertrieben, aber dann hast Du lauter #öcker au" dem +eutralleiter, jeder mit dem vollen !""ektivwert und damit mit der vollen thermischen Belastung% @nd wenn jeder zuhause dicke (8+etzteile an der 

&eitung hat und !S&&ampen, dann wird das eben 'irklichkeit% 3uch das ist ein6rund,weshalb eine (ower"actororrektur (.8 er"orderlich ist%17

Der PFC 

Das heiJtG der PFC  (ower .actor 8orrection  &eistungs"aktorkorrektur"ilter als elektrische oder elektronische Schaltung5 muss die -berschwingungen eliminieren%

(assive -berschwingungs"ilter sind im Hegel"all Drosseln mit groJer /nduktivitt% 1>

3ktive (.8Schaltungen bestehen in der Hegel aus einem 6leichrichter   mit direkt

nachgeschaltetem 3u"wrtswandler , der einen groJen ondensator au" eine Spannung oberhalb der Scheitelspannung  der +etzwechselspannung typ% C?W4 *5 au"ldt auch )'is(henkreisspannung  genannt5%

3m 1% Eanuar ;1 trat eine !$*+orm in ra"t, die *orschri"ten ber das zulssigenieder"reKuente Störspektrum -berwellen5 "r elektronische *erbraucher ab 7? 'att "estlegt% 1=

Der (.8 benötigt aber Spulen oder ondensatoren zur !nergiespeicherung%%%

14 'arum haben #ochspannungsleitungen C &eiter wo ist der + oder (!+ %%%1? .reileitungsmast  $ittelspannung 1 k* bis ? k*5 

1I HeG Drehstrom C(hasen Lberlandleitung , dnner +ullleiter M 17 HeG Drehstrom C(hasen Lberlandleitung , dnner +ullleiter M 1> (.81= (.8

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Appendix III - Oberschwingungen

-berschwingungen erzeugen höhere *erluste um Ara"o%;

6rundstzlich können Ara"os alle .reKuenzen wenn es dem Aheoretiker zu hoch wird, bitte neu berechnen und gg" .errit statt Blech verwenden5% 3ber eigentlich reden wir von vielleicht bis C% -berwelle, das sind ;#z%;1

/ch habe aber gelernt dass die -berschwingungen der "n"ten #armonischen ;? #z5 so bedeutendzugenommen haben% Eetzt sollten wir gerade von den #armonischen ab ; #z schweigen%%%

3ber bereits der dritte #armonische soll bereits Ara"os berbelastenG

Das ist ein spezielle !igenscha"t von Drehstromtra"os in der Schaltgruppe Dyn?% Bei soeinem Ara"o sind die drei (rimrwicklungen im Dreieck und die dreiSekundrwicklungen im Stern mit zugnglichem Sternpunkt geschaltet% Bei -berwellenmit 1?#z "liest der dazugehörende Strom au" der (rimrseite durch die drei(rimrwicklungen im reis herum%;;

; HeG Drehstrom C(hasen Lberlandleitung , dnner +ullleiter M ;1 HeG Drehstrom C(hasen Lberlandleitung , dnner +ullleiter M ;; HeG Drehstrom C(hasen Lberlandleitung , dnner +ullleiter M 

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Inhalt

Die 9unahme der -berschwingungen der ?e #armonischen%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%1/mpulsbelastung der gngigen !lektronik%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%;3ppendi) / Stern oder Dreieckschaltungen%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%C3ppendi) // Die 1? #z -berschwingungsströmen%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%4

Der (.8%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%?3ppendi) /// -berschwingungen%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%I