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Erklärungen zur Spannungsqualität und zu “Power Quality”
1. Netzspannungsqualität – Was versteht man unter Oberschwingungen , Flicker , Transienten , usw.?
2. Was sind die Ursachen und was sind die Auswirkungen mangelnder Spannungsqualität ?
3. Wer trägt die Verantwortung für die Einhaltung von Netzspannungsqualität ?
4. Was ist bei Problemen mit der Spannungsqualität zu tun ?
1. Netzspannungsqualität –
Was versteht man unter Oberschwingungen , Flicker , Transienten , usw.?
Wie jedes andere Produkt muss auch das Produkt "Elektrische Energieversorgung" gewisse Mindestanforderungen an die Qualität erfüllen. Für
die Produktgüte, also die Qualität der gelieferten Spannung bzw. elektrischen Energie, gibt es, je nach Betrachtungsweise, verschiedene und der Bedeutung nach unterschiedliche Bezeichnungen, z.B.
"
Spannungsqualität ", " Versorgungsqualität " oder " Power Quality ". Die im deutschen Sprachraum übliche Bezeichnung " Netzspannungsqualität " ist von der Bezeichnung her
eingeschränkter, da der Bereich der Ströme sowie Wirk- bzw. Blindleistungen mit dieser Bezeichnung nicht erfasst werden. Teilweise wird der Begriff "Netzspannungsqualität" ohne Einschränkung auf Spannungen
mit der umfassenderen Bedeutung von "Power Quality" verwendet. Von der IEC-Arbeitsgruppe IEC - TC77A / WG09 "Power Quality Measurement Methods" wurde im Rahmen der Arbeit an der Norm 61000-4-30
folgende Definition erarbeitet:
Power Quality: The characteristics of the electricity at a given point on an electrical system, evaluated against a set of reference technical parameters.
oder zu deutsch:
Kennzeichnende Eigenschaften der Elektrizität an einer gegebenen Stelle des Elektroenergiesystems, wobei diese Eigenschaften gewissen technischen Kenngrößen gegenübergestellt werden...
Folgende Parameter sind entsprechend Europanorm EN 50160 für die Netzspannungsqualität relevant:
- Spannungshöhe , langsame Spannungsänderungen
- Versorgungsunterbrechungen ( kurz , lang )
- Spannungseinbrüche
- Schnelle Spannungsänderungen
- Flicker
- Spannungsunsymmetrie
- Spannungsform (Oberschwingungen , Zwischenharmonische , Signalspannungen )
- Transiente und netzfrequente Überspannungen ( Transienten )
- Frequenz
Einige dieser Begriffe sollen im Folgenden - praktisch verständlich - erklärt werden:
Flicker / Flickerstärke :
Als Flicker wird ein vom Menschen empfundenes „
Flickern / Flackern “ der Beleuchtung bezeichnet. Flicker entstehen dann, wenn die Versorgungsspannung für die Beleuchtung ein bestimmtes Frequenzverhalten aufweist. Das menschliche Auge ist bei Frequenzen um 18 Hz
besonders sensibel. Das heisst, wenn die Versorgungsspannung in diesem Frequenzbereich variiert, treten Veränderungen der Lichtstärke auf, die vom Menschen wahrgenommen werden können. Je nach Höhe der “
Flickerstärke ” werden diese als wahrnehmbar oder störend bis unerträglich empfunden. Die Flickerstärke kann gemessen werden. In den Normen findet man hierzu auch die zulässigen Grenzwerte Plt und Pst.
Oberschwingungen / Harmonische :
In Deutschland wird die Spannung als
Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz geliefert. Am Generator des Kraftwerks hat die Spannung eine “saubere” Kurvenform. Die Kurzschlussleistung ist sehr hoch. Das bedeutet, ein starker Strom ist kaum in der
Lage, die Spannung zu verändern. Wird diese Spannung aber über eine lange Leitung übertragen, so nimmt die Kurzschlussleistung dabei permanent ab. Das heisst, ein starker Strom verändert die Spannung. Bei
gleichmässiger Stromabnahme ( z.B. durch einen ohmschen Verbraucher ) bricht die Spannung gleichmässig ein.
Heutzutage sind die Ströme aber häufig ungleichmässig ( entstehen also durch “ nicht ohmsche Verbraucher “).
Da der Laststrom die Spannung verändert, entsteht also jetzt eine Spannung, die keine “ saubere
Sinuskurvenform “ mehr besitzt. Die Spannung hat also eine Grundfrequenz von 50 Hz und ist eine periodische Funktion f(t). Der französische Mathematiker Furier hat in diesem Zusammenhang folgendes erklärt: “Jede
periodische Funktion f(t) lässt sich als eine Summe von trigonometrischen Funktionen aus Grundschwingung und ganzzahligen Vielfachen davon darstellen.” Das gesamte Spektrum Spannung besteht also aus einer Summe von
Sinusschwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen . Eine Grundschwingung - die Netzfrequenz - und Oberschwingungen mit Frequenzen von 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, usw. .
- Die Frequenzen von Oberschwingungen sind also Vielfache der Grundfrequenz
(z.B. 100Hz, 150Hz, 200Hz, usw.).
- Oberschwingungen finden sich in Spannung, Strom und Leistung.
- Spannungsoberschwingungen entstehen in erster Linie durch einen Lastrom
(nicht immer durch den eigenen Laststrom - auch durch Ströme benachbarter Verbraucher).
Zwischenharmonische :
In diesem Zusammenhang ist der Begriff
“Zwischenharmonische” schnell erklärt. Zwischenharmonische haben Frequenzen die keine Vielfachen der Grundfrequenz sind. (also z.B. alle Frequenzen zwischen 50 Hz und 100 Hz, alle Frequenzen zwischen 100 Hz und 150
Hz , usw.) Für Rundsteuersignale z.B. nutzt man häufig diese Frequenzbereiche, da sie nicht durch den eigentlichen Lastrom entstehen können.
Transienten :
Der Begriff “Transienten” oder “transiente Überspannung”
wird häufig für Ereignisse verwendet, die keinen Bezug zur Grundfrequenz haben. Beispielsweise eine plötzliche Spannungsspitze, die durch Abschaltung einer Induktivität entsteht, bezeichnet man auch als Transiente.
2. Was sind die Ursachen und was sind die Auswirkungen mangelnder
Netzspannungsqualität ?
Die Ursachen
für mangelnde Netzspannungsqualität sind in vielen Bereichen zu suchen. Einerseits kommt es infolge von Netzrückwirkungen durch Kundenanlagen zu Spannungsverzerrungen und Flickererscheinungen. Andererseits kommt es infolge von Problemen im Übertragungs- oder Verteilnetz zu kurzen oder längeren Unterbrechungen. Im weiteren Sinne spielt auch die Erzeugungszuverlässigkeit eine Rolle bei der Spannungsqualität.
Im Zuge der Liberalisierung der Strommärkte bedeutet die Qualität des Produkts "Elektrische Energie” einen Faktor, der in der Lieferanten-Kunden-Beziehung eine zunehmende Bedeutung gewinnt. Die Begriffe
" Versorgungssicherheit , Regelmäßigkeit , und Qualität " tauchen immer wieder auf. Für eine genaue Definition dieser Begriffe fehlen allerdings Gesetze. Ihre Festlegung und die bisher auf freiwilliger
Basis vereinbarten Grenzen sollen zukünftig in technischen Regelwerken (Grid Code, technisch organisatorische Richtlinien) verbindlich vorgeschrieben werden. Da ihre Einhaltung mit Kosten verbunden ist, ist
tendenziell und langfristig von einer Verschlechterung der Power Quality auszugehen. Um entsprechende Trends erkennen zu können und gegebenenfalls Gegenmassnahmen einzuleiten, ist eine flächendeckende oder
stichprobenartige Überwachung der Spannungsqualität notwendig.
Die Auswirkungen
mangelnder Spannungsqualität zeigen sich in unterschiedlichster Form. Der Bereich reicht von der Störwirkung auf Personen (Flicker) bis zu Auswirkungen auf Betriebsmittel. Dabei können sowohl Langzeiteffekte als auch Momentaneffekte auftreten. Zu den Langzeiteffekten zählt vor allem die zusätzliche Erwärmung von Betriebsmitteln, die meist mit einer schnelleren Alterung einhergeht. Die Ursachen liegen meist bei ungenügender Spannungsqualität hinsichtlich der Parameter Spannungshöhe, Oberschwingungen und Spannungsunsymmetrie . Momentaneffekte sind eine plötzliche Fehlfunktion oder Beschädigung eines Betriebsmittels infolge mangelnder Spannungsqualität. Sie treten meist im Zusammenhang mit den Qualitätsparametern Spannungsunterbrechung , Spannungseinbruch und transienter Überspannung auf.
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