Ursachen und Auswirkungen von Oberschwingungen in elektrischen Stromversorgungssystemen

Was ist Stromqualität?

Die Stromqualität beschreibt die Stabilität eines elektrischen Systems und wird oft als "Gesundheitszustand der Stromqualität" bezeichnet. In dreiphasigen Systemen wird sie durch Messgeräte ermittelt, die mehrere Variablen berücksichtigen. Eine gezielte Analyse hilft, Energieverbrauch zu optimieren und Anlagen vor Schäden zu schützen.

Typische Probleme bei schlechter Stromqualität:

• Spannungseinbrüche und -spitzen
• Oberschwingungen (harmonische Verzerrungen)
• Unsymmetrie der Phasen
• Flicker (Flackern durch wiederholtes Schalten von Lasten wie Lichtbogenöfen)

Was sind Oberschwingungen in Stromversorgungssystemen?

Oberschwingungen sind Spannungen oder Ströme, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz (in Deutschland 50 Hz) sind. Bei 50 Hz ist die 2. Oberschwingung 100 Hz, die 3. 150 Hz usw. Sie entstehen typischerweise durch:

• Große Antriebsmotoren beim Start
• Frequenzumrichter und Lichtbogenöfen
• Schaltnetzteile (z. B. in Computern, Monitoren, LED-Leuchten)

Auswirkungen auf Transformatoren und Schutzschalter

Nichtlineare Lasten verursachen harmonische Ströme, die sich auf andere Teile des Systems ausbreiten. Das kann zu Überhitzung von Transformatoren und zu auslösenden Schutzschaltern führen.

THD (Gesamtoberschwingungsverzerrung)

Die Gesamtoberschwingungsverzerrung (THD) ist die Summe aller Oberschwingungseinflüsse. Gemessen wird häufig bis zur 50. Oberschwingung. Für die Spannung sollten THD-Werte unter 8 % liegen. Werte darüber müssen untersucht werden.

Die Analyse erfolgt über das sogenannte Oberschwingungsspektrum, das den Anteil jeder Oberschwingung grafisch darstellt.

Strom- vs. Spannungsoberschwingungen

Bei Stromoberschwingungen können Verzerrungen von bis zu 40 % auftreten. Entscheidend ist dabei das Verhältnis zwischen IL (Laststrom) und ISC (Kurzschlussstrom). Ist ISC deutlich höher, beeinflussen die Stromoberschwingungen die Spannung kaum.

Ursachen für Oberschwingungsverzerrungen

Typische Quellen in Industrieanlagen:

• Frequenzumrichter
• Wechselrichterbetriebene Elektromotoren
• Pumpsysteme, Förderbänder, Lüfter
• Weitere elektronische Regelungen

Diese Geräte verursachen zusammen eine Summenverzerrung, insbesondere bei parallelem Betrieb.

Lösungen zur Reduzierung von Oberschwingungen

1. Filter installieren zur gezielten Reduktion pro Last
2. Transformator mit hohem K-Faktor einsetzen (geeignet für harmonische Belastungen)

Filter sind meist kosteneffizienter, benötigen aber eine vorherige Oberschwingungsanalyse. Transformatoren mit hohem K-Faktor sind teurer, vermeiden aber Überhitzung bei starker Verzerrung.

Wartung & Messstrategie

• Führen Sie regelmäßig Power Quality Surveys durch
• Wählen Sie Messpunkte mit kritischem Potenzial
• Installieren Sie Messgeräte immer am selben Ort
• Hören Sie auf Hinweise von Bedienern
• Führen Sie Messungen über mehrere Tage durch

Regelmäßige Analysen helfen, Verzerrungen frühzeitig zu erkennen und die Lebensdauer Ihrer Anlagen zu verlängern.