Alles dreht sich um Oberschwingungen

06-20-2013 | Forschung

von Chuck Newcombe

Meine erste Kolumne in Fluke News Plus handelte von Alternativmöglichkeiten, allein mit einem Multimeter problematische Oberschwingungsströme bei Neutralleitern in industriellen und kommerziellen Gebäuden zu erkennen.

Große Geschütze

Mir wird jetzt klar, dass in dem Maß, in dem Versorgungsunternehmen Kapazitäten regenerieren, indem sie ihre Kunden zur Energieersparnis ermuntern und dabei die vielen Geräte zur Energieersparnis empfehlen, diese letztendlich selbst zu Problemen für die Stromverteilungssysteme führen können. Ich sage dies, weil es mich an etwas erinnert, das sich bei einem kleinen Versorgungsunternehmen in Florida in den neunziger Jahren zugetragen hat.

Fluke hatte gerade seinen ersten Oberschwingungsanalysator auf den Markt gebracht – das Modell 41. Ein cleverer Ingenieur dieses Versorgungsunternehmens aus Florida entwickelte sich zu dem, was wir einen „Early Adaptor“ nennen, da er annahm, dass Oberschwingungsströme von einem oder mehreren Kunden zurück in sein System geleitet wurden.

Das Problem bestand darin, dass das Erdschlussrelais regelmäßig auslöste, die Mannschaften jedoch keine Fehler in ihren Leitungen feststellen konnten. Als der Strom zum Relais mit dem Modell 41 gemessen wurde, entdeckten die Ingenieure, dass der Großteil des Fehlerstroms bei einer Frequenz von 180 Hz auftauchte, der dritten Oberschwingung der 60-Hz-Verteilung.

Der Ingenieur entwickelte ein Testprogramm für seine Freileitungsmonteure und verwendete den Oberschwingungsanalysator von Fluke, um den Neutralleiterstrom der dreiphasigen Stromzufuhr zu seinen Kunden zu prüfen. Es stellte sich heraus, dass die Komplikation nicht von ihrem größten Kunden, einem Eiscremehersteller, herrührte. Es kam – halten Sie sich fest – von einem Golfplatz! Die Analyse ergab, dass das Problem alle einphasigen Akku-Ladegeräte der Golfwagen waren, die aufgrund der Gleichrichter in den Ladegeräten die Energie in Impulsen verwendeten. Dies bezeichnen wir als „nichtlineare“ Lasten.

Theoretisch sollten die auf den drei Phasen gleichmäßig verteilten Gleichrichter eine symmetrische Last für das System darstellen mit keinem oder nur geringem Neutralleiterstrom – außer dem, was „Triplens“ genannt wird. Die dritte Oberschwingung und ihre ungeradzahligen Vielfachen im Strom jeder Phase addieren sich zu Nullströmen im Nullleiter eines dreiphasigen Vierleitersystems – sogar dann, wenn eine perfekte Symmetrie besteht. In diesem Fall wurde der Schwellwert des Auslösekreises für das Erdschlussrelais erreicht.

Ein typischer Versorgungskreis eines Versorgungsunternehmens über die Umspannwerke zu den Kunden

Die Freileitung vor meinem Haus ist einphasig. Das bedeutet, dass die Haushalte in unserer Schleife an nur eine von drei Phasen des in der Nähe gelegenen Boulevards angeschlossen sind. Es existiert eine „Mast-Erdung“ von der Masse des Masts, der meinen und andere Haushalte versorgt und einem beliebigen Mast auf der Straße. Effektiv bedeutet dies, dass der Strom, der am Nullleiter und schließlich zum Umspannwerk zurückfließt, sich zwischen dem Widerstand des Nullleiters und einem parallelen Erdverbindungspfad teilt. Theoretisch müsste ich also einen Spannungsabfall aufgrund des Erdungswiderstands zwischen den Stäben messen können, die in den Boden unter den Leitungen eingelassen sind.

Ich probierte dies aus. Ich verwendete die Erdstäbe und eine 25-m-Kabelrolle eines Erdungsmessgeräte-Kits Fluke 1625 und mein erprobtes Multimeter, um die Wechselspannung zwischen zwei Erdstäben zu messen – einer, der sich neben dem Mast befand, und der andere 25 Meter weiter entfernt unter der Leitung. Meine Messung ergab ungefähr 56 mV bei einer erwarteten Frequenz von 60 Hz. Dies ist eigentlich nichts besonderes.

Der interessante Teil der Geschichte entwickelte sich bei meiner nächsten Messung.

An dem Boulevard, der ca. 1,5 Kilometer von unserem Haus entfernt liegt, trifft unsere dreiphasige Stromzufuhr im Westen auf eine ähnliche im Osten, wo sie sich 1,5 Kilometer entlang einer Nebenstraße zum Umspannwerk Masten teilen. Ich parkte in der Nähe des Umspannwerks an einer Mast-Erdung und führte meine Prüfung durch, nur befand ich mich nun unter zwei dreiphasigen Stromkreisen, die Kunden jeweils in Gebieten von ca. 10 Kilometern versorgen.

Die von mir abgelesene Spannung war nun erheblich höher – 675 mV. Hinzu kam, dass die Frequenz nicht 60 Hz, sondern die oben erwähnte Frequenz von 180 Hz betrug. Der Grund ist, dass in den dreiphasigen Stromkreisen „Triplen“-Nullströme in ihren geteilten Rücklauf-Neutralleitern vorkommen, die größer sind, als die Grundschwingungs-Unsymmetrien. Unser Versorgungsunternehmen spürt also die Ergebnisse von all den Oberschwingungen produzierenden Elektronik- und Energiespargeräten, die sie uns zur Energieeinsparung empfehlen.

Stellt dies ein Problem für das Versorgungsunternehmen dar? Wahrscheinlich nicht, es sei denn, sie geraten in die gleiche Situation wie der damalige Techniker aus Florida. In diesem Fall müssen sie unter Umständen bald ihre Fehler-Auslöseströme neu einstellen. Bei alledem kommt bei mir dann die Frage auf – was passiert, wenn wieder aufladbare Elektroautos an Popularität gewinnen?

Der nächtliche Energiediebstahl

Die Motoren in unseren Kühlschränken und anderen Geräten sind von Natur aus linear, genau wie Elektroheizungen und Glühlampen. Dies bedeutet, dass sie keine Oberschwingungsströme produzieren. Die neuen energiesparenden kompakten Leuchtstoffröhren und die vielen elektronischen Geräte, wie z. B. TV-Geräte und Heimkinoanlagen sind nicht-lineare Lasten, die Oberschwingungen erzeugen. Hinzu kommt, dass viele davon Strom ziehen, obwohl wir sie abgeschaltet haben. Sie können wetten, dass, wenn man ein Gerät per Fernbedienung ein- und ausschalten kann, ein Teil des Kreises ununterbrochen unter Spannung steht und auf Ihre Befehle wartet.

Die kleinen Steckernetzteile (Steckernetzgeräte für Spielekonsolen und Laptop-Computer) sind auch alle ununterbrochen eingeschaltet und es besteht in einem Normalhaushalt kein Mangel an Energie verschwendenden Lasten und Lasten, die möglicherweise Oberschwingungen erzeugen.

Wenn Sie also etwas Geld sparen und dazu beitragen möchten, dass Ihr Versorgungsunternehmen Energie einspart, dann überlegen Sie sich, ob Sie bei diesen Geräten vielleicht den Stecker aus der Steckdose ziehen, wenn sie nicht gebraucht werden.

Wir können mit ziemlicher Sicherheit davon ausgehen, dass Oberschwingungen Bestandteil unseres täglichen Lebens sind. Zum Glück werden sie voraussichtlich nicht zum Problem für einzelne Haushalte.

Diejenigen von Ihnen, die es interessiert, wie das Versorgungsnetz sich verändert, teilweise auch, um mit diesen Geräten besser umzugehen, erhalten nähere Informationen in unserem Smart Grid Whitepaper.