2014
Sechs Themen rund um Oberschwingungen
und die Netzqualität in Stromversorgungsnetzen
Ein Whitepaper der Schaffner Gruppe
Autor: Alexander Kamenka
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Sechs Themen rund um Oberschwingungen
und die Netzqualität in Stromversorgungsnetzen
Ein Whitepaper der Schaffner Gruppe
Autor: Alexander Kamenka
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 3
Alle Rechte vorbehalten. Copyright © 2014 durch die Schaffner Gruppe.
Inhalt
Oberschwingungen: Grundlagen 7
Einführung 8
Grundlegendes 9
Komposition und Dekomposition verzerrter Schwingungen 11
Klassifizierung von Oberschwingungen 13
Oberschwingungsstrom, -spannung und -impedanz 15
Netzqualität bei Oberschwingungsverzerrung 16
Leistungsfaktor und Blindleistung 18
Lineare und nichtlineare Lasten 20
Quellen für Oberschwingungen 22
Einführung 23
Oberschwingungserzeuger mit magnetischem Eisenkern 24
Transformatoren 24
Generatoren und Motoren 25
Lichtbogenöfen und -schweissanlagen 26
Leistungselektronik und elektronische Geräte 27
Schaltnetzteile 27
Frequenzumrichter 27
Geschäfts- und Wohnhäuser 29
Auswirkungen von Oberschwingungen 30
Einführung 31
Leistungsfaktor 31
Aussenleiter und Neutralleiter 32
Transformatoren 32
Motoren und Generatoren 32
Elektrische und elektronische Betriebsmittel 33
Blindleistungskompensation (PFC) 33
Schutzschalter 34
Normen und Standards für Oberschwingungen 35
Überblick 36
Normen für Betriebsmittel 37
Norm IEC 61000-3-2 für Niederspannungsgeräte mit einem Nennstrom von bis zu und
einschliesslich 16 A 37
Norm IEC 61000-3-12 für Niederspannungsgeräte mit einem Nennstrom von mehr als
16 A und maximal 75 A 39
Normen zur Qualität von Verteilnetzen 43
Norm EN 50160 43
IEEE 519 44
4 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Richtlinie G5/4 46
Norm D.A.CH.CZ 47
Normen bezüglich der Kompatibilität zwischen Verteilnetz und Produkten 50
Norm IEC 61000-2-2 für öffentliche Niederspannungsnetze 50
Norm IEC 61000-2-4 für Niederspannungs- und Mittelspannungs-Industrieanlagen 50
Filtertechniken für Oberschwingungen 52
Überblick 53
Vorbeugende Massnahmen 54
AC-Netzdrosseln 54
Zwischenkreisdrosseln 55
Mehrpuls-Gleichrichter 56
Abhilfemassnahmen 58
Passive Oberschwingungsfilter 58
Aktive Oberschwingungsfilter 60
Kosten aufgrund von Oberschwingungen und Leistungsverlusten in belasteten
Netzen 62
Einführung 63
Zusätzliche Verluste aufgrund von Oberschwingungsverzerrung 64
Vorzeitiges Altern von Anlagen 64
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 5
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Abbildungen
Abbildung 1 – Oberschwingungsfrequenzen 10
Abbildung 2 – Verzerrte Wellenform 11
Abbildung 3 – Dekomposition einer verzerrten Wellenform 11
Abbildung 4 – Spektrum einer verzerrten Schwingung 12
Abbildung 5 – Triplen-Oberschwingungen im Neutralleiter 14
Abbildung 6 – Leistung bei Oberschwingungsbelastung 19
Abbildung 7 – Magnetisierungskurve eines Transformators 24
Abbildung 8 – Oberschwingungsstromspektrum eines Lichtbogenofens 26
Abbildung 9 – Kurvenformen und Oberschwingungsspektrum eines Schaltnetzteils 27
Abbildung 10 – Kurvenformen und Oberschwingungsspektrum eines B6-
Frequenzumrichters 28
Abbildung 11 – D.A.CH.CZ. Bewertungsmodell für Oberschwingungen 49
Abbildung 12 – Anschluss einer AC-Netzdrossel 54
Abbildung 13 – Zwischenkreisdrossel 55
Abbildung 14 – 12-Puls-Konfiguration 56
Abbildung 15 – 18-Puls-Konfiguration 57
Abbildung 16 – Passives Oberschwingungsfilter a.) nicht eingesetzt b.) eingesetzt 59
Abbildung 17 – Leistungskurve eines passiven Oberschwingungsfilters 59
Abbildung 18 – Funktionsweise eines aktiven Oberschwingungsfilters 60
6 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Tabellen
Tabelle 1 – Oberschwingungsfrequenzen 9
Tabelle 2 – Ordnungszahlen 13
Tabelle 3 – Symmetrische Komponenten 13
Tabelle 4 – Lineare Lasten 20
Tabelle 5 – Nichtlineare Lasten 21
Tabelle 6 – Pulse und Oberschwingungsspektren 28
Tabelle 7 – 61000-3-2 Grenzwerte für Geräte der Klasse A 38
Tabelle 8 – 61000-3-2 Grenzwerte für Geräte der Klasse C 38
Tabelle 9 – 61000-3-2 Grenzwerte für Geräte der Klasse D 39
Tabelle 10 – 61000-3-12 Stromemissions-Grenzwerte für Geräte ausser
symmetrischen Dreiphasengeräten 40
Tabelle 11 – 61000-3-12 Stromemissions-Grenzwerte für symmetrische
Dreiphasengeräte 41
Tabelle 12 – 61000-3-12 Stromemissions-Grenzwerte für symmetrische
Dreiphasengeräte unter bestimmten Bedingungen (a,b,c) 41
Tabelle 13 – 61000-3-12 Stromemissions-Grenzwerte für symmetrische
Dreiphasengeräte unter bestimmten Bedingungen (d,e,f) 42
Tabelle 14 – Grenzwerte der individuellen Oberschwingungsspannungen an den
Anschlusspunkten, in Prozent der Grundspannung 44
Tabelle 15 – Basisgrenzwerte für Oberschwingungsströme 45
Tabelle 16 – Stromverzerrungsgrenzwerte für Verteilsysteme (120V bis 69000V) 45
Tabelle 17 – Grenzwerte für Spannungsverzerrung 46
Tabelle 18 – Zusammenfassung der THD-Planungsebenen 46
Tabelle 19 – Planungsebenen für Oberschwingungsspannungen in 400V-Systemen 47
Tabelle 20 – Max. zulässige OS-Stromemission in Ampere-RMS für Gesamtlasten
und Geräte mit einer Nennleistung >16A pro Leiter 47
Tabelle 21 – AC-Netzdrosseln – Ordnungszahl / Eingangsimpedanz vs.
Restoberschwingungen [%] 55
Tabelle 22 – Oberschwingungen vs. Pulszahl 56
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 7
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KAPITEL 1
Oberschwingungen: Grundlagen
8 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Einführung
In einer Stromversorgung würde im Idealfall überall eine perfekte sinusförmige Spannung
vorliegen. In der Realität jedoch ist es nahezu unmöglich, derartige Verhältnisse zu errei-
chen. Die Form von Spannung und Strom weicht massiv von einer Sinusfunktion ab. Die
verzerrten Schwingungsformen werden im Allgemeinen als oberschwingungsbehaftet be-
zeichnet.
Oberschwingungsverzerrung ist ein relativ altes Phänomen, stellt jedoch heute eines der
grössten Probleme für Versorgungsbetriebe, Verteilnetzbetreiber und deren Endkunden
dar. Bereits in den ersten Betriebsjahren der elektrischen Stromverteilnetze stiess man auf
erste Störungsprobleme, anfänglich verursacht von Quecksilberdampfgleichrichtern im in-
dustriellen Umfeld. Die grösste Herausforderung damals waren die Auswirkungen der
Oberschwingungsverzerrung auf die elektrischen Maschinen. Ein weiteres bekanntes Prob-
lem waren Störungen in den Telefonleitungen. Generell kann man jedoch sagen, dass die
Oberschwingungsverzerrung zu der Zeit ein geringeres Gefahrenpotential darstellte als
heute. Besonders Maschinen wurden viel konservativer konstruiert, und die Verteilnetze ar-
beiteten nicht an ihrer Lastgrenze. Seit einigen Jahren steigt die weltweite Nachfrage nach
energieeffizienten Lösungen, die nur über den vermehrten Einsatz von Leistungselektronik
realisierbar sind. Dies neben der Tatsache, dass Stromversorgungsnetze häufig am Limit
arbeiten, führt zu einer Zunahme von Spannungsverzerrungen. Zahlreiche Probleme sind
die Folge, denen sich dieses Whitepaper umfassend widmet.
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 9
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Grundlegendes
Der Begriff Oberschwingungen kommt ursprünglich aus dem Themenfeld «physische Ei-
genwertprobleme», also Wellen, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grund-
schwingung sind. Ein Beispiel hierfür sind die Oberschwingungsfrequenzen bei Saitenin-
strumenten. Eine Vorstellung von Oberschwingungen im Zusammenhang mit Elektrik kam
in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts auf. Wie Wellenreiter (Surfer) halten auch die
meisten elektrischen Geräte quasi nach der perfekten Welle Ausschau. Bei Wechselstrom
definiert sich Perfektion durch eine Sinuskurve, mit der elektrische Spannung gleichmässig
zwischen positiver und negativer Polarität hin- und herwechselt, und zwar 50 (50 Hz) oder
60 (60 Hz) mal pro Sekunde. Dennoch ist der Begriff «Welle» im Zusammenhang mit Ober-
schwingungen nicht ganz korrekt. Eine Welle hat eine räumliche und zeitliche Ausdehnung,
wogegen die hier betrachteten Schwingungen nur eine zeitliche Ausdehnung haben. Somit
definiert sich der Oberschwingungsanteil in einem Wechselstromsystem als ein sinusförmi-
ger Anteil einer periodischen Schwingung, deren Frequenz einem ganzzahligen Vielfachen
(sog. Ordnungszahl) der System-Grundfrequenz entspricht:
..Ordnungszahl, n. ganze Zahl, Grundfrequenz ist 50 oder 60 Hz
Ordnungszahl Frequenz (Hz) in 50Hz Netzen Frequenz (Hz) in60Hz Netzen
1 50 60
3 150 180
5 250 300
7 350 420
11 550 660
13 650 780
…
n 50*n 60*n
Tabelle 1 – Oberschwingungsfrequenzen
Abbildung 1 zeigt eine ideale 50Hz-Schwingung mit Frequenzen des jeweils Dreifachen
(3. Ordnung), Fünffachen (5. Ordnung), Siebenfachen (7. Ordnung) und Elffachen (11. Ord-
nung) der Grundfrequenz.
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3. Ordnung (n=3) 5. Ordnung (n=5)
7. Ordnung (n=7) 11. Ordnung (n=11)
Abbildung 1 – Oberschwingungsfrequenzen
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 11
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Komposition und Dekomposition verzerrter
Schwingungen
Abbildung 2 zeigt eine verzerrte Schwingung. Solch eine verzerrte Schwingung lässt sich
durch die Überlagerung sinusförmiger Wellen unterschiedlicher Frequenzen und Amplitu-
den erzielen. Sie kann also aus Oberschwingungskomponenten «zusammengesetzt» wer-
den (Komposition). Das Beispiel in Abbildung 2 ergibt sich aus der Addition einer Sinus-
schwingung mit mehreren Oberschwingungen.
Abbildung 2 – Verzerrte Wellenform
Wenn sich aus Oberschwingungskomponenten beliebige verzerrte Wellenformen zusam-
mensetzen lassen, kann demnach jede periodische Wellenform in eine sinusförmige
Grundschwingung und mehrere harmonische Oberschwingungen zerlegt werden. Der fran-
zösische Mathematiker Jean Baptiste Fourier hat diese Methode als erster vorgestellt; sie
trägt daher die Bezeichnung Fourier-Transformation. Je nach Art der Wellenform kann es
Koeffizienten geben oder nicht. Nimmt man die Abbildung 2 als Beispiel, ergäbe die Zerle-
gung eine Grundschwingung, die von Oberschwingungen der 5., 7., 11. und 13. Ordnung
überlagert wird:
Abbildung 3 – Dekomposition einer verzerrten Wellenform
=
+
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Auf diese Weise kann die Überlagerung perfekter Sinuskurven zu einer verzerrten Sinus-
schwingung führen. Umgekehrt heisst das, dass eine verzerrte Sinusschwingung immer als
Überlagerung einer Grundschwingung mit anderen Oberschwingungen unterschiedlicher
Frequenzen und -amplituden dargestellt werden kann. Die Dekomposition lässt sich gut an-
hand des Oberschwingungsspektren-Diagramms in Abbildung 4 visualisieren. Es stellt das
Spektrum der verzerrten Schwingung aus Abbildung 3 dar. Diese Art Spektrum wird auch in
den meisten Geräten zur Netzqualitätsmessung eingesetzt.
Abbildung 4 – Spektrum einer verzerrten Schwingung
0
20
40
60
80
100
1 3 5 7 9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
41
43
45
47
49
TH
D
Ob
ers
ch
win
gu
ng
en
(%
)
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 13
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Klassifizierung von Oberschwingungen
Je nach Art der verzerrten Schwingung gibt es Oberschwingungen der Spannung oder des
Stroms. Oberschwingungen werden anhand von zwei gängigen Begriffen beschrieben:
symmetrische Komponenten und Ordnungszahlen. Die Bezeichnungen ungerade und ge-
rade Harmonische (bzw. Oberschwingungen) sind in der Regel bekannt; der Begriff Triplen-
Oberschwingungen weniger. Er bezieht sich auf die Komponenten, deren Ordnungszahlen
Vielfache von drei sind. In Tabelle 2 sind die Ordnungszahlen aufgeführt:
Ungerade
Oberschwingungen
Gerade
Oberschwingungen
Vielfache von 3
Ordnungszahl 5., 7., 11., 13., 17. 2., 4., 6., 8., 10., 12. 3., 9., 15., 21.,
Tabelle 2 – Ordnungszahlen
Ungerade Oberschwingungen sind die charakteristischen Oberschwingungsanteile in den
heutigen Stromversorgungsnetzen. Sie stellen Wellenformen dar, die bezogen auf die Zeit-
achse symmetrisch sind. Aufgrund der meist dreiphasigen Symmetrie der heutigen Infra-
strukturen sind nahezu alle Signale symmetrisch, obwohl es zu Verzerrung kommt. Ge-
radzahlige Oberschwingungen können nur aus Wellenformen entstehen, die nicht
symmetrisch bezogen auf die Zeitachse sind. Dreiphasensysteme haben aufgrund ihrer
Konfigurationen bestimmte Oberschwingungsmerkmale mit fast nur ungeraden Ober-
schwingungen.Oberschwingungen in einem symmetrischen Dreiphasensystem weisen zu-
dem einen einfachen Zusammenhang zwischen der Ordnungszahl und der entsprechenden
Phasenfolge auf. Ähnlich wie die Grundschwingung lassen sich Oberschwingungen in sol-
che mit Positiv-, Negativ- und Null-Sequenz einteilen (Mit-, Gegen- bzw. Nullsysteme). Ta-
belle 3 zeigt das Verhältnis zwischen symmetrischen Komponenten und Ordnungszahlen:
Symmetrische
Komponenten
Mitsystem
(+)
Gegensystem
(-)
Nullsystem
(unipolar)
Ordnungszahl
1 2 3
4 5 6
7 8 9
10 11 12
… … …
3k+1 3k+2 3k+3
k=0,1,2,3,…
Tabelle 3 – Symmetrische Komponenten
Oberschwingungen mit Positivsequenz (4., 7., 10., …) haben die gleiche Phasenfolge
wie die Grundkomponente. Diese Oberschwingungen zirkulieren zwischen den Phasen.
Oberschwingungen mit Negativsequenz (2., 5., 8., …) haben die entgegengesetzte Pha-
senfolge bezogen auf die Grundkomponente. Diese Oberschwingungen zirkulieren zwi-
schen den Phasen. Oberschwingungen mit Nullsequenz (3., 6., 9., …) erzeugen kein
Drehfeld. Sie zirkulieren zwischen der Phase und dem Neutralleiter bzw. Masse. Im Gegen-
14 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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satz zu Positivsequenz- oder Negativsequenz-Oberschwingungsströmen heben sich Ober-
schwingungen dritter Ordnung oder Nullsequenz-Oberschwingungen nicht auf, sondern
summieren sich im Neutralleiter.
Abbildung 5 – Triplen-Oberschwingungen im Neutralleiter
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 15
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Oberschwingungsstrom, -spannung
und -impedanz
Nahezu jedes Einzelgerät kann ein Erzeuger für Oberschwingungsströme sein. Welches
Gerät welche Stromverzerrung erzeugen kann, wird im Abschnitt über lineare und nichtline-
are Lasten erläutert. Neben den individuellen Oberschwingungsströmen ist in der Regel
auch die gesamte harmonische Verzerrung (total harmonic distortion, THD) am Verknüp-
fungspunkt (point of common coupling, PCC) zu analysieren. Es ist also wichtig, die Interak-
tion zwischen Strom und Spannung zu verstehen, wenn man sich mit der Oberschwin-
gungsproblematik befasst und insbesondere, wenn eine Lösung gefunden werden soll, mit
der sich Oberschwingungen reduzieren lassen. Wie sich Oberschwingungsströme in einem
Stromversorgungssystem verbreiten und welche Spannungsverzerrungen die Folge sind,
hängt von den Eigenschaften der Oberschwingungserzeuger sowie den Eigenschaften aller
Geräte ab, die an das elektrische Netz angeschlossen sind, welches analysiert werden soll.
Die Auswirkungen von Impedanzen sind relativ schnell erklärt. Wenn nichtlineare Ströme
durch ein elektrisches System und Übertragungsleitungen fliessen, erzeugen die Impedan-
zen zusätzliche Spannungsabfälle. Dieser Zusammenhang ist als ohmsches Gesetz (U=Z*I)
bekannt. Die Addition der Oberschwingungsströme einzelner Geräte ist komplexer, da die
Gesamt-Oberschwingungsverzerrung des Stroms auch von der Phasenverschiebung zwi-
schen den unterschiedlichen Strömen gleicher Frequenz beeinflusst wird. Diese Phasen-
verschiebung kann bei nahezu Null oder nahe 180 Grad liegen und das Additionsergebnis
massiv beeinflussen. Die Interpretation von Oberschwingungsströmen sollte daher Spezia-
listen überlassen werden. Hohe Oberschwingungsströme in einem Kabel nahe einem Gerät
bedeuten nicht automatisch, dass die Oberschwingungen tatsächlich von diesem Gerät er-
zeugt werden. Unter Umständen ist das Gerät sogar selbst «Opfer» einer erheblichen
Spannungsverzerrung, die von einem anderen Gerät verursacht oder aus dem Netz «impor-
tiert» wurde.
16 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Netzqualität bei Oberschwingungsverzerrung
Anhand folgender Gleichung lassen sich Oberschwingungskomponenten grundsätzlich als
Prozentzahl der Grundschwingung (%fund) oder des Effektivwerts (%r) des Gesamtstroms
darstellen:
wobei
..Amplitude der Stromschwingung n,
…Amplitude des Grundschwingungsstroms (oder Effektivwert des Gesamtstroms)
Dieser Ansatz ist auch auf Oberschwingungsspannungen anwendbar.
Total Harmonic Distortion (THD) bzw. gesamte harmonische Verzerrung ist eine häufig
verwendete Angabe, um den Oberschwingungsgehalt in Signalen zu quantifizieren. Sie gibt
das Verhältnis des Effektivwertes aller Oberschwingungen zum Effektivwert der Grund-
schwingung an. Der THD-Wert wird sowohl in Nieder-, Mittel- als auch Hochspannungssys-
temen benutzt. Üblicherweise wird die Verzerrung des Stroms als THDi und die Verzerrung
der Spannung als THDu angegeben.
Total Harmonic Current (THC) bzw. gesamter Oberschwingungsstrom ist eine Angabe,
um den Gesamteffektivwert der Oberschwingungsströme der Ordnungen 2 bis 40 zu quanti-
fizieren, die zu einer Verzerrung der Stromkurve beitragen. Dieser Wert ist besonders hilf-
reich, um die erforderlichen Eigenschaften zur Auswahl eines effizienten aktiven Ober-
schwingungsfilters zu bestimmen:
√∑
Total Harmonic Distortion of Current (THDi) bzw. gesamte harmonische Verzerrung des
Stroms gibt das Ausmass der Verzerrung des Stromes an. Der Wert ist definiert als Quoti-
ent (in %) des Effektivwertes der Oberschwingungsströme im Verhältnis zum Grundschwin-
gungsstrom, ermittelt an einem Lastpunkt zum genauen Zeitpunkt der Messung. Typi-
scherweise wird die geometrische Summe aller Strom-Oberschwingungsanteile in Bezug
auf den Grundschwingungsstrom bis einschliesslich der 40. Oberschwingung berechnet:
√∑
( )
√
( )
Alle durch die Lasten im Netzwerk erzeugten Oberschwingungsströme müssen durch Im-
pedanzen (Transformatoren, Drosseln etc.) und alle weiteren parallelen Zweige fliessen. An
den Impedanzen kommt es zu nichtlinearen Spannungsfällen. Die so erzeugten Ober-
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 17
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schwingungsspannungen verbreiten sich über das gesamte Netz und verursachen an ande-
ren Geräten Verzerrungen der Versorgungsspannung. Die harmonische Verzerrung des
Stroms (THDi) ist also eine Ursache für die Verzerrung der Spannung (THDu).
Total Harmonic Distortion of Voltage (THDu) bzw. gesamte harmonische Verzerrung der
Spannung gibt das Ausmass der Verzerrung der Versorgungsspannung an. Der Wert ist de-
finiert als Quotient (in %) des Effektivwertes der Spannungsoberschwingungen im Verhält-
nis zum Effektivwert der Grundschwingung. Typischerweise wird die geometrische Summe
aller Spannungsoberschwingungsanteile bis einschliesslich zur 40. Oberschwingung bezo-
gen auf den Effektivwert der Grundschwingung berechnet:
√∑
( )
√
Ein niedriger THDu-Wert ist im Allgemeinen Synonym für eine gute Spannungsqualität.
Total Demand Distortion (TDD): Speziell in Nordamerika findet man fast immer auch die-
sen Begriff im Zusammenhang mit Oberschwingungen. Im Gegensetz zum THDi, bei dem
sich der Oberschwingungsgehalt auf den Grundschwingungsanteil des Strom-Nennwertes
bezieht, gibt der TDD das Verhältnis zwischen den gemessenen Stromoberschwingungen
zum Grundschwingungsstrom unter Volllastbedingungen an. Der Grundschwingungsstrom
unter Volllast ist der gesamte oberschwingungsfreie Strom, der von allen Lasten im System
verbraucht wird, wenn das System unter Volllast steht. Damit ist TDD der THD des Stroms
(bei einem 15- oder 30-minütigen Messintervall), normiert auf den maximal auftretenden
Laststrom. Der TDD darf dem THDi nur unter Volllastbedingungen gleich gesetzt werden.
√∑
√
wobei = Maximallaststrom.
Gewichtete Oberschwingungs-Teilverzerrung (PWHD) ist der Quotient des Effektivwertes des
Stroms oder der Spannung, gewichtet mit der Ordnungszahl n einer ausgewählten Gruppe von
Oberschwingungen höherer Ordnungen (von 14 bis 40) bezogen auf den Effektivwert der Grund-
schwingung.
√∑
( ) oder
√∑
( )
18 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Leistungsfaktor und Blindleistung
In einem dreiphasigen System sind die Spannungsschwingungen der Phasen gegeneinan-
der um 120° verschoben. Wird jeder Aussenleiter gleich belastet, ergibt sich ein Stromwert
von Null im Neutralleiter. Bei Belastung des Netzwerkes durch Oberschwingungsströme
addieren sich die Oberschwingungen der durch drei teilbaren Ordnung im Neutralleiter.
Dadurch kann der Strom im Neutralleiter um ein bis zu Dreifaches grösser als in jedem der
Aussenleiter werden. Der Leistungsfaktor ist ein Parameter, der von Netzrückwirkungen wie
Oberschwingungsverzerrung oder Unsymmetrie beeinflusst werden kann. Er verschlechtert
sich mit fortschreitender Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und mit zu-
nehmender Verzerrung der Stromkurve. Er ist definiert als Quotient aus dem Betrag der
Wirkleistung und Scheinleistung
und ist somit ein Mass für die Effizienz, mit der eine
Last Energie nutzt. In einem elektrischen Stromversorgungssystem nimmt eine Last mit ho-
hem Leistungsfaktor bei der gleichen Menge an übertragener Nutzleistung also weniger
Leistung auf als eine Last mit niedrigem Leistungsfaktor und hat letztendlich auch einen hö-
heren Wirkungsgrad. Da sich bei Oberschwingungsbelastung kein einheitlicher Phasenver-
schiebungswinkel angeben lässt, dürfen der Leistungsfaktor λ und der häufig verwendete
Wirkfaktor nicht gleichgesetzt werden. Ausgehend von der Formel
, wobei Grundschwingungseffektivwert des Stroms, I = Gesamtef-
fektivwert des Stroms, g1 = Grundschwingungsgehalt des Stroms und = Verschie-
bungsfaktor, erkennt man, dass nur bei sinusförmiger Spannung und Strom (g=1) der Leis-
tungsfaktor λ gleich dem Verschiebungsfaktor ist. Somit ist ausschliesslich bei
sinusförmigen Strömen und Spannungen der Leistungsfaktor λ gleich dem Kosinus des
Phasenverschiebungswinkels φ und wird definiert als
Wirkfaktor. Ein schlechter
Leistungsfaktor ist gewöhnlich auf nichtlineare Lasten zurückzuführen.
Blindleistung – Versorgungsbetriebe transportieren über ihre Versorgungsnetze Energie
vom Erzeuger zum Verbraucher. Die Leistung in einer elektrischen Anlage entspricht der
Menge der Energie, die durch einen bestimmten Punkt in der Anlage fliesst. In Wechsel-
stromkreisen können Energiespeicherelemente wie z.B. Induktivitäten und Kapazitäten eine
periodische Umkehrung des Energieflusses verursachen. Der Teil der Leistung, der, gemit-
telt über einen kompletten Wechselspannungszyklus, einen Nettoenergiefluss in eine Rich-
tung erzeugt, wird als Wirkleistung bezeichnet. Der Anteil der durch Speicherenergie er-
zeugten Leistung, welche in jedem Zyklus zur Quelle zurückfliesst, wird als Blindleistung
bezeichnet. Blindleistung wird zum Aufbau des Magnetfeldes von Maschinen benötigt. Doch
überträgt die Blindleistung keine Energie, sondern verursacht Blindarbeitskosten sowie
Übertragungsverluste. Der Blindleistungsbedarf sollte daher möglichst klein gehalten wer-
den. Ausgehend von der Entstehung der Blindenergie spricht man von:
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 19
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I Verschiebungsblindleistung
I Entstehung durch Winkelverschiebung zwischen Strom und Spannung
I Oberschwingungsblindleistung
I Entstehung durch Oberschwingungen in Strom und Spannung
I Modulationsblindleistung
I Entstehung durch periodische Lastfluktuationen
I Unsymmetrie-Blindleistung
I Entstehung durch ein- und zweiphasige Lasten
√
( )
( )
√
Abbildung 6 – Leistung bei Oberschwingungsbelastung
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Lineare und nichtlineare Lasten
Lineare Lasten weisen sehr nah aufeinanderfolgende Spannungs- und Stromsignale auf. In
einem Wechselstromkreis bedeutet dies, dass das Anlegen einer Sinusspannung einen Si-
nusstrom erzeugt. Da sich die Momentanspannung über die Sinusperiode ändert, steigt und
fällt der Momentanstrom proportional zur Spannung, und die Stromkurve wird ebenfalls si-
nusförmig. Dieses Verhalten der Spannung und des Stroms lässt sich anhand des ohm-
schen Gesetzes erklären. Es besagt, dass der Strom, der durch einen Widerstand fliesst,
welcher von einer Wechselspannungsquelle gespeist wird, gleich dem Verhältnis zwischen
Spannung und Widerstand ist:
( ) ( )
Gäbe es in einem elektrischen Netz nur lineare Lasten, wäre die Berechnung der Span-
nungs- und Stromschwingungen einfach. Auch die Leistung liesse sich einfach aus dem
Produkt der beiden Grössen Spannung und Strom errechnen. Tabelle 4 führt einige lineare
Lasten auf. Man sieht, dass Lasten, bei denen die beiden Schwingungen phasengleich sind
(ohmsche Last), aber auch Lasten mit voreilendem Spannungsverlauf (induktive Last) oder
voreilendem Stromverlauf (kapazitive Last) als linear gelten, denn es ist keine Verzerrung
der Schwingungsform erkennbar, auch wenn die Strom und Spannung phasenverschoben
sind.
Ohmsche Lasten Induktive Lasten Kapazitive Lasten
Glühlampen
Induktionsmotoren
Blindstromkompensation
(Leistungsfaktorkorrektur, PFC)
Elektroheizer Induktionsgeneratoren
Tabelle 4 – Lineare Lasten
Die Erklärung für lineare Lasten führt direkt zu der für nichtlineare Lasten. Eine Last gilt als
nichtlinear, wenn der von der Last aufgenommene Strom nicht sinusförmig ist, auch wenn
er mit einer Sinusspannung verbunden ist. Daher kann das Verhältnis von v und i nicht
mehr anhand des ohmschen Gesetzes beschrieben werden, denn der Widerstand der Last
ist keine konstante Grösse, und der Strom ändert sich während jeder Sinusschwingung der
angelegten Spannung, wodurch eine Reihe positiver und negativer Pulse entsteht. Dieser
nichtlineare Strom enthält Frequenzkomponenten, die Vielfache der Frequenz des Strom-
versorgungssystems sind. Diese Oberschwingungsströme wirken mit der Impedanz im
Stromversorgungssystem zusammen und erzeugen eine Spannungsverzerrung, die Aus-
wirkungen auf das Stromversorgungssystem und die damit verbundenen Lasten haben
kann. Kapitel 4 widmet sich diesen Auswirkungen ausführlich. Zu nichtlinearen Lasten in ei-
nem Stromversorgungssystem zählen typischerweise Gleichrichter, beispielsweise in Netz-
teilen, oder Bogenentladungsgeräte wie Leuchtstofflampen, elektrische Schweissanlagen
oder Lichtbogenöfen. Die bei weitem gebräuchlichsten Lasten in modernen Stromversor-
gungssystemen sind energieeffiziente Frequenzumrichter und Schaltnetzteile. Diese soge-
nannte Leistungselektronik mit nicht-sinusförmigen Strömen wird heutzutage am häufigsten
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 21
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eingesetzt. Die Verwendung rein linearer Lasten ist sehr stark zurückgegangen. Tabelle 5
führt einige nichtlineare Geräte auf.
Leistungselektronik Bogenentladungsgeräte
Frequenzumrichter Schweissanlagen
Schaltnetzteile Leuchtstofflampen
Batterie-Ladesysteme Lichtbogenöfen
IT-Anlagen
USV
Tabelle 5 – Nichtlineare Lasten
Quellen:
(1) IEEE Std. 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic
Control in Electric Power Systems.
(2) Baggini, A., Handbook of Power Quality, Wiley, New York, 2008.
(3) International Standard IEC 61000-4-7:2002 ed. 2.0 Electromagnetic compatibility (EMC)
– Part 4-7: Testing and measurement techniques –General guide on harmonics and
interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and
equipment connected thereto
(4) Arrillaga, J. and Watson, N., Power Systems Harmonics, 2nd ed., Wiley, New York,
2003.
22 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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KAPITEL 2
Quellen für Oberschwingungen
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 23
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Einführung
Oberschwingungsströme sind im Prinzip eine Folge des nichtlinearen Verhaltens von
elektrischen Geräten. In Stromversorgungssystemen gibt es zahlreiche Quellen für Ober-
schwingungsströme und die damit verbundenen Oberschwingungsspannungen. Sie unter-
scheiden sich in ihrer Grösse (wenige KVA bis hin zu mehreren MVA) und Bedeutung. Frü-
her gehörten Geräte mit magnetischem Eisenkern, wie Transformatoren, Generatoren oder
Elektromotoren, zu den wichtigsten Erzeugern von Oberschwingungen, ebenso wie Licht-
bogenöfen und -schweissanlagen. Heute muss auch der Bedarf an energieeffizienten Gerä-
ten erfüllt werden, und so gelten die Leistungselektronik und die zugehörigen Anlagen als
wichtigste Quelle für Oberschwingungen. Neben herkömmlichen Lasten in industriellen An-
wendungen mit Anlagen, die Oberschwingungen erzeugen, sind heute auch Geschäfts- und
Wohnhäuser ernstzunehmende Quellen für Oberschwingungen. Dies gilt besonders dann,
wenn man die Auswirkungen aller Einzellasten, die von derselben Stromversorgung ge-
speist werden, in der Summe betrachtet.
Die Oberschwingungsspektren dieser nichtlinearen Lasten sind unterschiedlich, lassen sich
jedoch mit etwas Erfahrung und Fachwissen identifizieren. Daher sollte man sich mit den
Charakteristika der verschiedenen Kurvenverzerrungen, die durch bestimmte Oberschwin-
gungsquellen erzeugt werden, befassen. Diese Kenntnis ist unabdingbar, wenn Methoden
zur Reduzierung oder Beseitigung von Oberschwingungen eingeführt werden sollen. Die
nachfolgenden Kapitel geben einen kurzen Überblick über die wichtigsten Erzeuger von
Oberschwingungen.
24 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Oberschwingungserzeuger mit magneti-
schem Eisenkern
Transformatoren
Das Verhältnis zwischen der Primärspannung und dem Strom eines Transformators ist als
Magnetisierungskurve bekannt. Diese Kurve ist erkennbar nichtlinear, besonders im Sätti-
gungsbereich. Ein Transformator stellt somit bei normalen Arbeitsbedingungen keine ernste
Quelle für Oberschwingungen dar. Bei einem Transformator im Kernsättigungszustand
steigt jedoch der Oberschwingungsgehalt erheblich und weist verschiedene ungerade
Oberschwingungen auf, wobei die dritte dominant ist. Dieser Zustand kann im Betrieb ober-
halb der Nennleistung (gewöhnlich während Belastungsspitzen) oder oberhalb der Nenn-
spannung auftreten, wenn die Spannung den Nennwert überschreitet (meist unter Teillast-
bedingungen), oder durch das Schalten grosser Blindleistungslasten (PFC) verursacht
werden. Die Ursache für den höheren Oberschwingungsgehalt im Sättigungsbereich lässt
sich leicht anhand der Magnetisierungskurve eines Transformators wie in Abbildung 7 dar-
gestellt erkennen. Ein leichter Spannungsanstieg um den nominellen Betriebspunkt des
Transformators verursacht einen leichten Anstieg des Magnetisierungsstroms. Liegt die
Spannung aber über der Nennspannung, führt schon ein leichter Anstieg zu einem hohen
Anstieg des Magnetisierungsstroms.
Abbildung 7 – Magnetisierungskurve eines Transformators
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 25
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Generatoren und Motoren
Motoren können wie Transformatoren Oberschwingungen erzeugen, da auch sie ein Mag-
netfeld aufbauen müssen. Die Magnetisierungskurve eines Motors ist tatsächlich linearer
als die eines Transformators; daher ist ihr Oberschwingungsgehalt nicht von Bedeutung.
Nur sehr grosse Motoren können mässige Oberschwingungen erzeugen. Generatoren er-
zeugen aufgrund der räumlichen Verteilung der Statorwicklungen wahrnehmbare Span-
nungsoberschwingungen, weil eine andere Anordnung der Wicklungen kaum praktikabel
und vor allem nicht wirtschaftlich wäre. Generatoren erzeugen in der Regel eine dominante
Spannungsoberschwingung der 3. Ordnung, was zu Stromoberschwingungen der 3. Ord-
nung führt.
26 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Lichtbogenöfen und -schweissanlagen
Die meisten Lichtbogenöfen und -schweissanlagen verbrauchen sehr viel Leistung. Dies
sowie ihre nichtlineare Strom-Spannungs-Charakteristik sind die Ursache für eine erhebli-
che Oberschwingungsverzerrung, die an einem «normalen» Verknüpfungspunkt mit «nor-
maler» Kurzschlussleistung noch gravierender ist. Aus technischer Sicht arbeiten Lichtbo-
genöfen in verschiedenen Phasen (Schmelzen, Frischen, Affinieren) mit unterschiedlichen
Oberschwingungspegeln. Darüber hinaus kommt es aufgrund von zufälligen Änderungen
des Lichtbogens zu Zündverzögerungen und Spannungsschwankungen. Diese technischen
Gegebenheiten führen zu einem relativ ungewöhnlichen Oberschwingungsspektrum mit ge-
raden und ungeraden Vielfachen der Grundfrequenz. Zudem steigen und sinken diese Fre-
quenzen sehr schnell.
Abbildung 8 – Oberschwingungsstromspektrum eines Lichtbogenofens
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Ob
ers
ch
win
gu
ng
en
(%
)
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 27
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Leistungselektronik und elektronische Geräte
Schaltnetzteile
Schaltnetzteile finden sich in den meisten modernen Elektrogeräten. Die Bezeichnung leitet
sich vom DC-DC-Schaltgleichrichter ab, der die ungeregelte Eingangsgleichspannung in ei-
ne geregelte Ausgangsgleichspannung wandelt. Wie schon die älteren linearen Netzteile
wandeln auch Schaltnetzteile ungeregelte AC- oder DC-Eingangsspannung in eine geregel-
te DC-Ausgangsspannung. Wenn die Versorgung über das Wechselstromnetz erfolgt, wird
die Spannung zunächst mithilfe eines Kondensators am Gleichrichterausgang gleichgerich-
tet und gefiltert. Dieser Ansatz ist hinsichtlich Grösse, Gewicht und Kosten sehr wirtschaft-
lich und eignet sich für nahezu jede Applikation. Der wesentliche Unterschied zu älteren li-
nearen Netzteilen ist, dass Schaltnetzteile Stromimpulse statt Dauerstrom aufnehmen.
Diese Impulse enthalten grosse Anteile an Oberschwingungen der dritten Ordnung oder
höher. Eine typische Kurvenform und das daraus entstehende Oberschwingungsspektrum
sind in Abbildung 9 dargestellt.
Abbildung 9 – Kurvenformen und Oberschwingungsspektrum eines Schaltnetzteils
Frequenzumrichter
Frequenzumrichter verwenden statische Gleichrichter basierend auf einer dreiphasigen
Brücke. Diese wird auch als sechspulsige Brücke oder kurz B6-Brücke bezeichnet. Die glei-
che Technologie findet auch in USV-Geräten oder AC/DC-Wandlern Anwendung, z.B. in
Solarinvertern. Die Bezeichnung B6 leitet sich ab von den sechs Spannungsimpulsen je
Zyklus, d.h. ein Impuls je Halbzyklus je Phase. Da das Oberschwingungsspektrum gewöhn-
lich in Bezug zu der Pulszahl der nichtlinearen Last steht, erzeugt eine B6-Brücke Stro-
moberschwingungen der Ordnungen, also 5. und 7., 11. und 13., 17. und 19. etc.,
d.h. sogenannte Paare mit Vielfachen von 6 plus oder minus 1. Wie bereits erläutert, hängt
das Oberschwingungsspektrum von der Pulszahl ab. Demnach ergeben sich unterschiedli-
che Oberschwingungsspektren, wenn ein 12- oder ein 18-Puls-Gleichrichter verwendet
wird. Tabelle 6 stellt diesen Zusammenhang dar. Abbildung 10 zeigt eine typische Kurven-
form sowie das resultierende Oberschwingungsspektrum eines Frequenzumrichters.
0
20
40
60
80
100
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49
Ob
ers
ch
win
gu
ng
en
(%
)
28 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Pulszahl Formel Mögliche Oberschwingungen
n ( )
2 ( ) 2,3,4,5,6,7, … (alle)
6 ( ) 5,7,11,13,17,19,… (ungerade)
12 ( ) 11,13,23,25,35,37, … (ungerade)
18 ( ) 17,19,35,37, … (ungerade)
24 ( ) 23,25,47,49, … (ungerade)
p…Anzahl der Pulse, n…ganze Zahl (1,2,3…), h…Ordnungszahl
Tabelle 6 – Pulse und Oberschwingungsspektren
Abbildung 10 – Kurvenformen und Oberschwingungsspektrum eines B6-Frequenzumrichters
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 29
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Geschäfts- und Wohnhäuser
Nach einer Studie der Europäischen Union werden ca. 40 % der gesamten produzierten
elektrischen Energie für die Versorgung von Wohn- und Geschäftshäusern genutzt. Dazu
zählen Appartements, Bürogebäude, Krankenhäuser, Hotels, Theater, Schulen und Sport-
anlagen. Die Systeme und Ausstattungen mögen sich von Gebäude zu Gebäude unter-
scheiden, aber all diese Infrastrukturen haben eines gemeinsam: Die effiziente und be-
darfsgerechte Energienutzung ist sowohl ökologisch als auch ökonomisch ein absolutes
Muss. Die Schonung von Ressourcen und der Umwelt hat mittlerweile denselben hohen
Stellenwert wie die technische Zuverlässigkeit von Geräten, Anlagen und Systemen. Solche
Ziele können durch die Nutzung von modernen Produkten der Gebäudesystemtechnik er-
reicht werden, z.B. Dimmer, Timer, Bewegungs- und Präsenzmelder, Schalter, Thermosta-
te, Heizungssteuerungen, drehzahlgeregelte Antriebe für HLK-Anlagen, Pumpen, Lüfter und
Motoren, unterstützt durch intelligente und vernetzte Raum- und Gebäudesteuerung. Eine
positive Energiebilanz kann aber nur dann gezogen werden, wenn auch die Rückwirkungen
der eingesetzten Systemtechnik weitestgehend kompensiert werden. Das heisst, es werden
Produkte und Lösungen benötigt, die zuverlässig und effizient mit den komplexen Mischlas-
ten der Gebäudetechnik umgehen können. Die typischen Lasten in der Gebäudetechnik
sind Heizungs-, Lüftungs-, Klimatechnik (HLK-Technik), Innen- und Aussenbeleuchtung,
Kommunikationstechnik (Telefon, Faxgeräte, Netzwerktechnik), Lift- und Aufzugstechnik,
Rolltreppen, Büromaschinen (Computer, Monitore, Kopierer), Gebäudeautomatisierungs-
systeme, Medizintechnik, audiovisuelle Entertainmentsysteme sowie Sicherheitssysteme
(Einbruch, Feuer, Rauch, Gas und Wasserschaden). Die Folge sind komplizierte Mischlast-
Verhältnisse, da verschiedenartige und zahlreiche Quellen immer mehr Oberschwingungs-
spektren erzeugen, die weder eindeutig noch einfach zu analysieren sind. Der zunehmende
Einsatz empfindlicher Elektronikprodukte – Computer, Multimedia oder Digitalkommunikati-
on – macht diese Problematik noch komplexer. Nicht zuletzt muss auch die gesamte Band-
breite der erneuerbaren Energien betrachtet werden. Photovoltaik, Wind oder Erdgas spie-
len bereits eine wichtige Rolle hinsichtlich des Leistungsbedarfs in Gebäuden und
verursachen ihrerseits selbst eine Zusatzbelastung durch Oberschwingungen.
Quellen:
(1) Phipps, Clarence A., Variable Speed Drives Fundamentals, Prentice Hall, 1999
(2) Baggini, A., Handbook of Power Quality, Wiley, New York, 2008.
(3) Arrillaga, J. and Watson, N., Power Systems Harmonics, 2nd ed., Wiley, New York,
2003.
(4) Schaffner Gruppe, Clean Grids for modern buildings, Luterbach, 2012
30 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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KAPITEL 3
Auswirkungen von Ober-schwingungen
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 31
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Einführung
Die Oberschwingungsbelastung von Netzwerkinfrastrukturen samt ihrer elektrischen und
elektronischen Verbraucher ist in den vergangenen Jahren drastisch gestiegen. Weltweit
gibt es eine deutliche Tendenz: Je mehr Leistungselektronik zum Einsatz kommt, desto hö-
her die Spannungsverzerrung. Andererseits ist für einen zuverlässigen und effizienten Be-
trieb aller Geräte eine sehr hohe Netzqualität (Power Quality) unabdingbar. Anders ausge-
drückt ist die Empfindlichkeit von Geräten gegenüber Strom- und Spannungsverzerrungen
in dem Masse gestiegen, wie diese Geräte Oberschwingungsverzerrungen erzeugen. Die
meisten Anlagen sind so konstruiert, dass sie bei (nahezu) sinusförmiger Spannung / Strom
effizient arbeiten. Da die Realität jedoch anders aussieht, sollte man sich auf jeden Fall mit
den Auswirkungen von Oberschwingungen und deren Tragweite auseinandersetzen.
Um die Auswirkungen von Oberschwingungen allgemein zu beschreiben, ist eine Einteilung
nach Dauer sinnvoll, z.B. kurz- oder langzeitige Auswirkungen. Kurzzeitauswirkungen von
Oberschwingungen sind Ausfälle oder Fehlfunktionen von Geräten, die einer hohen Ober-
schwingungsverzerrung ausgesetzt sind. Die Langzeitauswirkungen von Oberschwingungen
sind thermischer Natur. Oberschwingungen verursachen einen Anstieg der Temperatur im
elektrischen Netz und in den Anlagen. Höhere Temperaturen in elektrischen oder elektroni-
schen Geräten und Maschinen, Kabeln und Transformatoren bedeuten nicht nur höhere Ver-
luste, sondern auch viel kürzere Lebenszeiten. Das nachfolgende Kapitel beschreibt Beispiele
für die Auswirkungen von Oberschwingungen auf verschiedene Parameter und Betriebsmittel.
Leistungsfaktor
Der Leistungsfaktor (power factor, PF) ist ein Parameter, der von Netzrückwirkungen wie
Oberschwingungsverzerrung oder Unsymmetrie beeinträchtigt werden kann. Er verschlech-
tert sich mit fortschreitender Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und mit
zunehmender Verzerrung der Stromkurve. Er ist definiert als Quotient aus dem Betrag der
Wirkleistung und Scheinleistung
und somit ein Mass für die Effizienz, mit der eine
Last Energie nutzt. In einem elektrischen Stromversorgungssystem nimmt - bei der gleichen
Menge an übertragener Nutzleistung - eine Last mit hohem Leistungsfaktor weniger Strom
auf als eine Last mit einem niedrigen Leistungsfaktor und hat somit auch einen höheren
Wirkungsgrad. Da sich bei Oberschwingungsbelastung kein einheitlicher Phasenverschie-
bungswinkel angeben lässt, dürfen der Leistungsfaktor λ und der häufig verwendete Wirk-
faktor nicht gleichgesetzt werden. Ausgehend von der Formel
, wobei Grundschwingungseffektivwert des Stroms, I = Gesamteffektivwert
des Stroms, g1 = Grundschwingungsgehalt des Stroms und = Verschiebungsfaktor
ist, erkennt man, dass nur bei sinusförmiger Spannung und Strom (g=1) der Leistungsfaktor
λ gleich dem Verschiebungsfaktor ist. Somit ist ausschliesslich bei sinusförmigen
Strömen und Spannungen der Leistungsfaktor λ gleich dem Kosinus des Phasenversatz-
winkels φ und wird definiert als
Wirkfaktor. Ein schlechter Leistungsfaktor ist
gewöhnlich auf nichtlineare Lasten zurückzuführen.
32 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Aussenleiter und Neutralleiter
In einem dreiphasigen System sind die Spannungsschwingungen der Phasen gegeneinan-
der um 120° verschoben. Wenn jeder Aussenleiter gleich belastet wird, wird der Summen-
strom im Neutralleiter zu Null. Bei Belastung des Netzwerkes durch Oberschwingungsströ-
me addieren sich die Oberschwingungen der durch drei teilbaren Ordnung im Neutralleiter.
Dadurch kann der Strom im Neutralleiter um ein bis zu Dreifaches höher als in jedem der
Aussenleiter werden. Zudem kann das Vorhandensein von Oberschwingungen im Strom
letztendlich zu einer Überlastung sowohl des Aussenleiters als auch des Neutralleiters füh-
ren; auch ist die Temperatur in den Kabeln weit höher als unter Idealbedingungen. Dies
kann zu einer Überhitzung der Kabel und schlimmstenfalls zu Brand führen.
Transformatoren
Transformatoren versorgen alle linearen und nichtlinearen Lasten. Sie können durch Ober-
schwingungen auf verschiedene Weise beeinträchtigt werden, zu nennen sind hier zusätzli-
che Verluste sowie Triplen-Oberschwingungen. Die Verluste werden durch magnetische
Streuverluste im Kern sowie Wirbelstromverluste in den Wicklungen verursacht. Da Wir-
belstromverluste quadratisch proportional der Frequenz sind, spielen sie beim Vorhanden-
sein von Oberschwingungen eine wichtige Rolle. Diese zusätzlichen Verluste erzeugen
mehr Wärme, wodurch die Lebensdauer der Transformatorisolierung erheblich verkürzt
wird. Besonders in industriellen Anwendungen mit primär nichtlinearen Lasten können
Transformatoren aufgrund hoher Oberschwingungsverzerrungen häufig nicht im Nennleis-
tungsbereich betrieben werden.
In Niederspannungsverteilsystemen werden Transformatoren meist in einer Stern-Dreieck-
Schaltung miteinander verbunden. Transformatoren in einer Stern-Dreieck- oder Delta-
Delta-Schaltung verhindern Neutralleiterströme (Triplen-Oberschwingungen). Diese Ströme
sind alle in Phase und zirkulieren in den Wicklungen. Dadurch steigt der Effektivwert des
Stroms, und es wird zusätzliche Wärme erzeugt. Diese Effekte sind bei der Transformato-
rauslegung unbedingt zu berechnen und zu beachten.
Motoren und Generatoren
In Motoren und Generatoren führen Oberschwingungen zu zusätzlichen Leistungsverlusten
und somit zu einem erheblichen Temperaturanstieg in den Geräten. Grund dafür ist der Ef-
fektivwiderstand, der bei höherer Frequenz ansteigt. Infolgedessen verursacht eine Strom-
verzerrung aufgrund von Oberschwingungen höhere Verluste in den Wicklungen und somit
stärkere Wärmeentwicklung.
Ein weiterer Effekt, der grösstenteils Oberschwingungen mit Negativsequenz geschuldet ist
(siehe Kapitel 1), sind magnetomotorische Kräfte unterschiedlicher Frequenzen, die gegen
das normale Motorenwellen-Drehmoment arbeiten. Dies kann stärkere Vibrationen, eine
Abnutzung der Lager und letztendlich frühzeitige Anlagenausfälle verursachen.
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 33
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Elektrische und elektronische Betriebsmittel
Diese Betriebsmittel sind eher Erzeuger von Oberschwingungen als deren «Opfer». Den-
noch sind elektrische und besonders elektronische Geräte bekanntermassen empfindlich
gegenüber Oberschwingungsverzerrungen. Die Folgen sind meist ungewollter, unsicherer
Betrieb oder Fehlfunktionen verursacht durch Oberschwingungen, darunter:
I Nulldurchgangsstörungen
I Anstieg der maximalen Versorgungsspannung aufgrund von Oberschwingungen
I Fehlerinterpretation digitaler Signale durch Störungen aufgrund von Oberschwingungen
I Fehlerhafter Betrieb oder Ausfall von IT-Anlagen einschliesslich Datenverlust und Ab-
schaltungen
I Fehlfunktionen von Schutzbauteilen durch Störungen aufgrund von Oberschwingungen
Blindleistungskompensation (PFC)
In der Regel sind Belastungen aufgrund von übermässiger Spannung, Strom, Temperatur
und Leistung die Grundursache für den dielektrischen Durchschlag bei Kondensatoren.
Diese Faktoren sind bekannt, und Kondensatorbank-Hersteller stellen meist Daten zu den
zulässigen Überlastfaktoren zur Verfügung. Doch Oberschwingungen haben auch Auswir-
kungen auf Kondensatoren zur Leistungsfaktorkorrektur. Bei einem Anstieg der Spitzen-
spannung aufgrund von hohen Oberschwingungen wird das Dielektrikum zusätzlich belas-
tet, was zu einer Teilentladung in der Isolierung (Kurzschluss innerhalb der Folie) und
letztendlich zu bleibenden Schäden am Kondensator führen kann. Häufiger jedoch lassen
sich Kondensatorprobleme durch Oberschwingungen auf den Strom zurückführen. Da die
Kapazität umgekehrt proportional zur Frequenz ist, sinkt die Impedanz bezüglich der Span-
nungsoberschwingung bei steigender Ordnungszahl. Somit absorbiert ein Kondensator
beim Vorhandensein von Spannungsoberschwingungen viel höhere Ströme. Eine Span-
nungsverzerrung kann demnach bewirken, dass von einem Kondensator Strom aufgenom-
men wird, was letztendlich zusätzliche Verluste und vorschnelles Altern der Isolierung be-
deutet und unter Umständen zu ernsten und permanenten Schäden am Kondensator führen
könnte. Noch gravierender werden die oben beschriebenen Auswirkungen, wenn sie durch
Parallel- oder Serienresonanz verstärkt werden.
34 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Schutzschalter
Fehlauslösungen sind das Hauptproblem, das Oberschwingungen bei Schutzschaltern ver-
ursachen. Ein Fehlerstromschutzschalter (FI, RCCB) ist ein elektromechanisches Gerät,
das die Ströme im Aussen- und Neutralleiter addiert. Bewegt sich das Ergebnis nicht inner-
halb der festgelegten Grenzwerte, wird die Last vom Netz getrennt. Wenn Oberschwingun-
gen vorliegen, addiert ein FI-Schalter unter Umständen die höheren Frequenzanteile nicht
richtig und löst daher fehlerhaft aus. Ein weiterer Grund für ein Auslösen steht indirekt in
Zusammenhang mit Oberschwingungen. Die Betriebsmittel, die Oberschwingungen erzeu-
gen, erzeugen auch Schaltstörungen. Diese Störungen müssen am Stromanschluss der
Betriebsmittel herausgefiltert werden. Die entsprechenden Filter haben einen Kondensator
von allen Aussenleitern zum Neutralleiter und zur Masse und leiten so einen kleinen Leck-
strom gegen Masse ab. Dieser Strom ist durch internationale Normen auf weniger als 3,5
mA je Gerät begrenzt und liegt für gewöhnlich weit darunter. Werden solche Betriebsmittel
aber alle an denselben Stromkreis angeschlossen, kann dieser Grenzwert überschritten
werden. Da Fehlauslösungen Produktionsstillstände oder -unterbrechungen und somit Zeit-
aufwand für Neustarts verursachen können, sind sie ernstzunehmende und kostenintensive
Auswirkung von Oberschwingungen.
Quellen:
(1) Effects of Nonlinear Loads on Electrical Circuits and Equipment: Summary of a
symposium, Federal Construction Council, 1991
(2) Baggini, A., Handbook of Power Quality, Wiley, New York, 2008.
(3) Arrillaga, J. and Watson, N., Power Systems Harmonics, 2nd ed., Wiley, New York,
2003.
(4) Smith, obert L., Herman, Stephen L., Electrical Wiring Industrial, Delmar, 2004
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 35
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KAPITEL 4
Normen und Standards für Ober-schwingungen
36 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Überblick
Es liegt auf der Hand, warum Normen und Grenzwerte für Oberschwingungen entwickelt
wurden. Oberschwingungen in einem Netz müssen begrenzt werden, wenn eine Span-
nungsqualität mit akzeptablen Verzerrungspegeln geliefert werden soll. Wie bereits be-
schrieben, gilt es, die Einstreuung von Oberschwingungsströmen durch jeden einzelnen
Kunden zu limitieren, so dass keine Spannungsverzerrung im Gesamtsystem verursacht
wird. Für die Aussendung von Oberschwingungen gelten diverse Normen und Vorschriften:
I Emissionsstandards für Betriebsmittel, die Oberschwingungen erzeugen
I Verträglichkeitsnormen für Verteilnetze
I Empfehlungen von Versorgungsbetrieben hinsichtlich Anlagen
Diese Normen werden in den folgenden Kapiteln beschrieben.
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 37
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Normen für Betriebsmittel
Norm IEC 61000-3-2 für Niederspannungsgeräte mit
einem Nennstrom von bis zu und einschliesslich 16 A
Die Norm IEC 61000-3-2 befasst sich mit Festlegungen für Oberschwingungsströme, die
von elektrischen und elektronischen Geräten mit einem Eingangsstrom <= 16 A je Leiter,
die zum Anschluss an ein öffentliches Niederspannungs-Stromversorgungsnetz vorgesehen
sind, verursacht werden. Die Norm definiert Grenzwerte für die Oberschwingungsanteile
des Eingangsstromes, die von unter definierten Bedingungen geprüften Geräten erzeugt
werden können. Ziel dieser Norm ist es, Grenzwerte für die Oberschwingungsaussendung
von Geräten festzulegen, so dass, unter Berücksichtigung der Emissionen anderer Geräte,
durch Einhalten der Grenzwerte sichergestellt wird, dass die Störpegel aufgrund von Ober-
schwingungen die in der Norm IEC 61000-2-2 spezifizierten Verträglichkeitspegel nicht
überschreiten. Im Kontext der Oberschwingungsstrombegrenzung werden Geräte in 4 Klas-
sen unterteilt:
Klasse A:
I Symmetrische dreiphasige Geräte
I Haushaltgeräte, die nicht in Klasse D sind
I Elektrowerkzeuge, ausgenommen tragbare Elektrowerkzeuge
I Beleuchtungsregler (Dimmer) für Glühlampen
I Audio-Einrichtungen
I Geräte, die nicht in eine der drei folgenden Klasse fallen
Klasse B:
I Tragbare Elektrowerkzeuge
I Nicht professionell genutzte Lichtbogenschweisseinrichtungen
Klasse C:
I Beleuchtungseinrichtungen
Klasse D:
I Nachfolgende Produkte mit einer Leistungsaufnahme von weniger oder gleich 600 W:
I Personalcomputer und PC-Monitore
I Fernsehempfänger (TV) und Rundfunkempfänger
Tabelle 7 zeigt die Grenzwerte für Geräte der Klasse A. Die Grenzwerte beziehen sich auf
fixe Werte für Oberschwingungsströme der 2. bis 40. Ordnung. Für Geräte der Klasse B
lassen sich diese Grenzwerte mit einem Faktor von 1,5 multiplizieren. Tabelle 8 zeigt die
Grenzwerte für Geräte der Klasse C mit einer Wirkleistung von mehr als 25W. Die maximal
38 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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zulässigen Oberschwingungsströme werden als Prozentzahl des Grundeingangsstroms an-
gegeben. Für Geräte der Klasse C mit einer Eingangsleistung von weniger oder gleich 25W
gelten entweder die Werte aus Tabelle 8, oder der Oberschwingungsstrom der 3. Ordnung
darf nicht mehr als 86% und der Oberschwingungsstrom der 5. Ordnung nicht mehr als
61% des Grundschwingungsstroms betragen (weitere Einzelheiten entnehmen Sie bitte der
Norm).
Für Geräte der Klasse D werden die Grenzwerte in Tabelle 9 in mA/W angegeben.
Ordnungszahl n Maximal zulässiger Oberschwingungsstrom A
Ungerade
3 2,30
5 1,14
7 0,77
9 0,40
11 0,33
13 0,21
15 ≤ n ≤ 39
Gerade
2 1,08
4 0,43
6 0,30
8 ≤ n ≤ 40
Tabelle 7 – 61000-3-2 Grenzwerte für Geräte der Klasse A
Ordnungszahl n
Maximal zulässiger Oberschwingungsstrom angegeben
als Prozentzahl des Grundschwingungsstroms
2 2
3 30* λ (λ… Schaltkreis-Leistungsfaktor)
5 10
7 7
9 5
11 ≤ n ≤ 39 3
(nur ungerade OS)
Tabelle 8 – 61000-3-2 Grenzwerte für Geräte der Klasse C
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 39
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Ordnungszahl n
Maximal zulässiger Oberschwin-
gungsstrom pro Watt mA/W
Maximal zulässiger
Oberschwingungsstrom A
3 3,4 2,30
5 1,9 1,14
7 1,0 0,77
9 0,5 0,40
11 0,35 0,33
13 ≤ n ≤ 39
Siehe Tabelle 1
(nur ungerade OS)
Tabelle 9 – 61000-3-2 Grenzwerte für Geräte der Klasse D
Norm IEC 61000-3-12 für Niederspannungsgeräte mit
einem Nennstrom von mehr als 16 A und maximal 75 A
Die Norm IEC 61000-3-12 befasst sich mit Anforderungen und Grenzwerten für Ober-
schwingungsströme, die von Geräten und Einrichtungen verursacht werden, die einen Be-
messungsstrom oberhalb 16 A bis maximal 75 A haben und zum Anschluss an das öffentli-
che Niederspannungs-Versorgungsnetz folgenden Typs vorgesehen sind:
I Nennspannung bis 240 V, einphasig, zwei oder drei Leiter
I Nennspannung bis 690 V, dreiphasig, drei oder vier Leiter
I Nennfrequenz 50 Hz oder 60 Hz
Weitere Verteilsysteme sind davon ausgeschlossen. Die in dieser Norm spezifizierten
Grenzwerte sind anwendbar für Geräte bei Anschluss an 230/400V 50Hz Systeme. Die in
den Tabellen angegebenen Grenzwerte für Oberschwingungsströme gelten für alle Lei-
tungsströme, nicht jedoch für den Strom im Neutralleiter. Hat ein Gerät mehrere Nennströ-
me, wird für jede Stromstärke eine Einteilung vorgenommen.
Die Tabellen 10 bis 13 listen die Grenzwerte für Oberschwingungen auf. Geräte, die die
Grenzwerte für Oberschwingungsströme entsprechend einem Kurzschlussverhältnis =
33 einhalten, eignen sich für den Anschluss an jeder Stelle des Verteilsystems. Das Kurz-
schlussverhältnis lässt sich folgendermassen berechnen:
I
( ) für einphasige Geräte
I
( ) für zweiphasige Geräte
I
für alle dreiphasigen Geräte
40 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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wobei
= Wert der Dreiphasenkurzschluss-Leistung ermittelt aus der Nenn-Aussenleiter-
spannung und dem Betrag der Aussenleiter-Impedanz Z des Versorgungsnetzes am
Verknüpfungspunkt:
Dabei ist Z die Impedanz des Versorgungsnetzes bei Netzfrequenz.
= kalkuliert auf Basis des Gerätenennstroms wie vom Hersteller definiert und der
Bemessungs-Spannung (einphasig) oder (zwischen zwei Phasen) wie folgt:
I für einphasige Geräte
I für zweiphasige Geräte
I √ für symmetrisch dreiphasige Geräte
I √ für unsymmetrische Dreiphasengeräte, wobei der Höchst-
wert des Effektivstroms ist, der in einer der drei Phasen fliesst
= Eingangsstrom des Geräts wie vom Hersteller definiert und entsprechend auf dem
Leistungsschild des Gerätes gekennzeichnet oder in der Produktdokumentation angege-
ben.
Weiterführende Informationen finden Sie in der Normen-Dokumentation.
Mindest-
wert Zulässiger individueller OS-Strom
%
Zulässige
OS-Parameter %
THC/ PWHC/
33 21,6 10,7 7,2 3,8 3,1 2 23 23
66 24 13 8 5 4 3 26 26
120 27 15 10 6 5 4 30 30
250 35 20 13 9 8 6 40 40
≥350 41 24 15 12 10 8 47 47
Die Relativwerte der geraden OS bis zur 12. Ordnung dürfen 16/h % nicht überschreiten. Auch OS oberhalb der
12. Ordnung werden wie die geraden Oberschwingungen in THC und PWHC berücksichtigt.
Eine lineare Interpolation zwischen aufeinanderfolgenden Werten ist zulässig.
= Referenzstrom; = OS-Stromkomponente
Tabelle 10 – 61000-3-12 Stromemissions-Grenzwerte für Geräte ausser symmetrischen Dreiphasengeräten
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 41
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Mindest-
wert Zulässiger individueller OS-Strom
% Zulässige OS-Parameter %
THC/ PWHC/
33 10.7 7.2 3.1 2 13 22
66 14 9 5 3 16 25
120 19 12 7 4 22 28
250 31 20 12 7 37 38
≥350 40 25 15 10 48 46
Die Relativwerte der geraden OS bis zur 12. Ordnung dürfen 16/h % nicht überschreiten. Auch OS oberhalb der
12. Ordnung werden wie die geraden Oberschwingungen in THC und PWHC berücksichtigt.
Eine lineare Interpolation zwischen aufeinanderfolgenden Werten ist zulässig.
= Referenzstrom; = OS-Stromkomponente
Tabelle 11 – 61000-3-12 Stromemissions-Grenzwerte für symmetrische Dreiphasengeräte
Tabelle 12 lässt sich auf symmetrische dreiphasige Geräte anwenden, wenn eine der fol-
genden Bedingungen erfüllt wird:
a) Die Oberschwingungsströme der 5. und 7. Ordnung sind während der gesamten Test-
Beobachtungszeit jeweils kleiner als 5% des Referenzstroms.
b) Das Gerät ist so konstruiert, dass der Phasenwinkel des Oberschwingungsstroms der
5. Ordnung über die Zeit keinen bevorzugten Wert hat und innerhalb des gesamten In-
tervalls jeden Wert annehmen kann [0°, 360°].
c) Der Phasenwinkel des Oberschwingungsstroms der 5. Ordnung bezogen auf die Pha-
sen-Neutralleiter-Grundspannung liegt während der gesamten Test-Beobachtungszeit im
Bereich von 90° bis 150°.
Mindestwert
Zulässiger individueller OS-Strom
% Zulässige OS-Parameter %
THC/ PWHC/
33 10,7 7,2 3,1 2 13 22
≥120 40 25 15 10 48 46
Die Relativwerte der geraden OS bis zur 12. Ordnung dürfen 16/h % nicht überschreiten. Auch OS oberhalb der
12. Ordnung werden wie die geraden Oberschwingungen in THC und PWHC berücksichtigt.
Eine lineare Interpolation zwischen aufeinanderfolgenden Werten ist zulässig.
= Referenzstrom; = OS-Stromkomponente
Tabelle 12 – 61000-3-12 Stromemissions-Grenzwerte für symmetrische Dreiphasengeräte unter bestimmten Bedingungen (a,b,c)
Tabelle 13 lässt sich auf symmetrische Dreiphasen-Geräte anwenden, wenn eine der fol-
genden Bedingungen erfüllt wird:
d) Die Oberschwingungsströme der 5. und 7. Ordnung sind während der gesamten Test-
Beobachtungszeit jeweils kleiner als 3% des Referenzstroms.
e) Das Gerät ist so konstruiert, dass der Phasenwinkel des Oberschwingungsstroms der 5.
Ordnung über die Zeit keinen bevorzugten Wert hat und innerhalb des gesamten Inter-
valls jeden Wert annehmen kann [0°, 360°].
f) Der Phasenwinkel des Oberschwingungsstroms der 5. Ordnung bezogen auf die Pha-
sen-Neutralleiter-Grundspannung ist während der gesamten Test-Beobachtungszeit im
Bereich von 150° bis 210°.
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Mindest-
wert Zulässiger individueller OS-Strom
%
Zulässige OS-
Parameter %
THC/ PWHC/
33 10,7 7,2 3,1 2 2 1,5 1,5 1,5 1 1 1 1 13 22
≥250 25 17,3 12,1 10,7 8,4 7,8 6,8 6,5 5,4 5,2 4,9 4,7 35 70
Für gleich 33 dürfen die Relativwerte der geraden OS bis zur 12. Ordnung 16/h % nicht überschreiten. Die
Relativwerte aller OS von bis , die oben nicht genannt werden, dürfen 1 % von .nicht überschreiten.
Für ≥ 250 dürfen die Relativwerte der geraden OS bis zur 12. Ordnung 16/h % nicht überschreiten. Die
Relativwerte aller OS von bis , die oben nicht genannt werden, dürfen 1 % von .nicht überschreiten.
Eine lineare Interpolation zwischen aufeinanderfolgenden Werten ist zulässig.
= Referenzstrom; = OS-Stromkomponente
Tabelle 13 – 61000-3-12 Stromemissions-Grenzwerte für symmetrische Dreiphasengeräte unter bestimmten Bedingungen (d,e,f)
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Normen zur Qualität von Verteilnetzen
Norm EN 50160
Die Norm EN 50610 ist das wichtigste Dokument, das sich mit der Netzqualität in Europa
und weiteren Teilen der Welt befasst. Sie charakterisiert die wesentlichen Merkmale der
elektrischen Spannung in öffentlichen Verteilsystemen am Netzanschlusspunkt in öffentli-
chen Nieder- (LV), Mittel- (MV) und Hochspannungs-Wechselstromnetzen (HV) unter nor-
malen Betriebsbedingungen. Die Norm definiert also eine sogenannte Mindestqualität der
Spannung, die dem Benutzer(-gerät) am Verknüpfungspunkt zur Verfügung steht. Diese
Mindestqualität ist erforderlich, damit ein installiertes Gerät einwandfrei funktioniert. Die in
der Norm EN 50610 festgelegten Grenzwerte sind vom Versorger zu garantieren. Doch wie
schon beschrieben, selbst wenn die in EN 50160 genannten Anforderungen erfüllt werden,
bedeutet das für viele Kunden nicht automatisch eine zufriedenstellende Netzqualität und
keine Probleme. Die Norm behandelt Spannungsmerkmale bezüglich Frequenz, Grösse,
Kurvenform und Phasensymmetrie und enthält Definitionen sowie gegebenenfalls Messme-
thoden und Angaben zu Erfüllungsgraden für folgende Eigenschaften der Versorgungs-
spannung:
I Netzfrequenz
I Spannungseinbrüche
I Spannungshöhe, langsame Spannungsänderungen
I Versorgungsunterbrechungen (kurz, lang)
I Schnelle Spannungsänderungen, Flicker
I Spannungsunsymmetrie
I Transiente und netzfrequente Überspannungen
I Frequenz
I Spannungsform (Oberschwingungen)
I Signalspannungen
Die Oberschwingungsspannungsanforderungen unter normalen Betriebsbedingungen sind
für eine Dauer von je einer Woche definiert; 95% der 10-Minuten-Effektivwerte jeder indivi-
duellen Oberschwingungsspannung müssen kleiner oder gleich der Werte in Tabelle 14
sein. Resonanzen können höhere Spannungen für eine einzelne Oberschwingung verursa-
chen. Darüber hinaus muss der THD der Versorgungsspannung (einschliesslich aller Ober-
schwingungen bis zur 40. Ordnung) kleiner oder gleich 8% sein.
44 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Ungerade OS Gerade OS
Nichtvielfache von 3 Vielfache von 3
Ordnung h
Relative
Amplitude
Ordnung h
Relative
Amplitude
Ordnung h
Relative
Amplitude
5 6,0% 3 5,0% 2 2,0%
7 5,0% 9 1,5% 4 1,0%
11 3,5% 15 0,5% 6..24 0,5%
13 3,0% 21 0,5%
17 2,0%
19 1,5%
23 1,5%
25 1,5% HINWEIS: Keine Angaben für OS einer Ordnung oberhalb 25, da diese gewöhnlich klein, aber aufgrund von Resonanzeffek-ten äusserst unvorhersehbar sind.
Tabelle 14 – Grenzwerte der individuellen Oberschwingungsspannungen an den Anschlusspunkten, in Prozent
der Grundspannung
IEEE 519
IEEE 519 ist ein gemeinsam von Versorgern und Kunden betriebener Ansatz, um die Be-
einträchtigung durch nichtlineare Lasten einzudämmen. Es werden die empfohlene Praxis
und Anforderungen an die Einhaltung von Oberschwingungsgrenzwerten in Stromversor-
gungsnetzen beschrieben. Die systemweiten Spannungs- und Stromkurvenformen werden
beschrieben und Ziele für die Entwicklungsarbeit hinsichtlich Kurvenformverzerrung defi-
niert. Der wichtigste Aspekt dieser Norm sind die darin enthaltenen Grenzwerte am Ver-
knüpfungspunkt (PCC) für Versorger (THD der Netzspannung) und für individuelle Verbrau-
cher (Kundenanlage als Ursache für Oberschwingungsströme und deren Migration in das
Stromversorgungsnetz):
1) Begrenzung der durch die einzelnen Kunden eingebrachten Oberschwingungen, so dass
keine inakzeptablen Spannungsverzerrungen bei normalen Systemkennwerten verur-
sacht werden.
2) Begrenzung der gesamten Oberschwingungsverzerrung (THDu) im Versorgungsnetz
Als Verknüpfungspunkt ist die Schnittstelle zwischen Quellen und Lasten beschrieben. Die
zulässigen individuellen Oberschwingungsströme und der gesamte Oberschwingungsgehalt
werden bezogen auf das Verhältnis des verfügbaren Kurzschlussstroms zum gesamten be-
nötigten Grundlaststrom ( ) am Verknüpfungspunkt angegeben. Die Grenzwerte wer-
den als Prozentsatz von IL für alle geraden und ungeraden Oberschwingungen ab der 2. bis
zur 40.Oberschwingung angegeben. Wenn die Ziele und Grenzwerte des Standards einge-
halten werden, lassen sich Störungen von elektrischen Geräten minimieren.
Tabelle 15 zeigt die Basisgrenzwerte für Oberschwingungsströme; Tabelle 16 die Grenz-
werte für Oberschwingungsströme basierend auf der Grösse der Last im Verhältnis zur
Grösse des Stromversorgungssystems, mit dem die Last verbunden ist. beschreibt
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 45
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das Verhältnis des Kurzschlussstroms am Verknüpfungspunkt zum maximalen Grundlast-
strom. Die IEEE-Norm 519-1992 bezieht sich zudem nicht auf den THDi sondern auf den
Total Demand Distortion (TDD), den maximalen Gesamtverzerrungsfaktor. Dabei wird der
gesamte Oberschwingungsgehalt auf den Grundschwingungsanteil des maximalen Strom-
Nennwertes (15 oder 30 Minuten Intervalle) bezogen und nicht wie beim THDi auf den
jeweiligen Grundschwingungsstrom . Die in Tabelle 10-3 gezeigten Grenzwerte sollten
beim Systementwurf als Worst-Case bei Normalbetrieb berücksichtigt werden (länger als
eine Stunde andauernde Bedingungen). Für kürzere Zeiträume, während des Hochfahrens
oder unter aussergewöhnlichen Bedingungen dürfen die Grenzwerte um 50% überschritten
werden.
SCR am PCC
Maximale indiv. Frequenz-
spannungs-OS (%)
Annahme
10 2,5-3,0 Zweckbestimmtes System
20 2,0-2,5 1-2 grosse Kunden
50 1,0-1,5 Einige relativ grosse Kunden
100 0,5-1,0 5-20 mittelgrosse Kunden
1000 0,05-0,10 Viele kleine Kunden
Tabelle 15 – Basisgrenzwerte für Oberschwingungsströme
Maximale OS-Stromverzerrung in Prozent von
Individuelle Ordnungszahl (gerade OS)
<11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD
<20* 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0
20<50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0
50<100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0
100<1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0
>1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0
Gerade OS sind limitiert auf 25% der o.a. ungeraden OS-Grenzwerte.
Stromverzerrungen, die ein DC-Offset zur Folge haben, z.B. Halbwellenwandler, sind nicht
zulässig.
*Alle energieerzeugenden Anlagen sind auf diese Stromverzerrungswerte limitiert, unge-
achtet des tatsächlichen Wertes.
Wobei
= maximaler Kurzschlussstrom am PCC.
= Maximallaststrom (Grundfrequenzkomponente) am PCC.
Tabelle 16 – Stromverzerrungsgrenzwerte für Verteilsysteme (120V bis 69000V)
Tabelle 17 zeigt die Spannungsverzerrungsgrenzwerte, die beim Systementwurf zu berück-
sichtigen sind. Auch diese Werte beziehen sich auf den Worst-Case bei Systemnormalbe-
trieb.
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Busspannung am PCC
Indiv. Spannungsverzerrung
(%)
Ges.-Spannungsverzerrung THD
(%)
69KV und weniger 3,0 5,0
69.001KV bis 161KV 1,5 2,5
161.001KV und mehr 1,0 1,5
Tabelle 17 – Grenzwerte für Spannungsverzerrung
Richtlinie G5/4
G5/4 gültig für Grossbritannien und Hongkong identifiziert Verbraucher an ihrem Verknüp-
fungspunkt (PCC) mit dem Versorger, und definiert Grenzen für die Oberschwingungsver-
zerrung. G5/4-1 gilt daher für alle Verbraucher die an das öffentliche Stromversorgungsnetz
angeschlossen sind oder werden sollen. Die Richtlinie G5/4 deckt die Planungsebenen für
Oberschwingungsspannungsverzerrung ab, die beim Anschluss nichtlinearer Geräte zu be-
rücksichtigen sind. Diese Planungsebenen wurden hinsichtlich der Verträglichkeitspegel für
die Oberschwingungsspannungsverzerrung festgelegt. Es wird ein Prozess zur Etablierung
individueller kundenseitiger Emissionsgrenzwerte basierend auf diesen Planungsebenen
beschrieben. Die Planungsebenen für Oberschwingungsspannungsverzerrung sollten beim
Anschluss nichtlinearer Lasten und Erzeuger an Übertragungssysteme im Hinblick auf die
Richtlinien der Grid Codes (Netzanschlussregeln) oder an Verteilnetze im Hinblick auf die
Richtlinien der Distribution Codes nicht überschritten werden. Tabelle 18 zeigt eine Zu-
sammenfassung der THD-Planungsebenen und Tabelle 19 die Planungsebenen für Ober-
schwingungsspannungen in 400V-Systemen. In Tabelle 20 sind die Stromoberschwin-
gungsgrenzwerte für Lasten mit einem Nennstrom von >16A pro Phase aufgeführt.
Systemspannung am PCC THD-Grenzwert
400V 5%
6,6, 11 und 20kV 4%
22kV bis 400kV 3%
Tabelle 18 – Zusammenfassung der THD-Planungsebenen
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 47
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Ungerade Oberschwingungen Gerade Oberschwingungen
Nichtvielfache von 3 Vielfache von 3
Ordnung h
OS-
Spannung
(%)
Ordnung h OS-Spannung
(%) Ordnung h OS-Spannung (%)
5 4,0 3 4.0 2 1,6
7 4,0 9 1.2 4 1,0
11 3,0 15 0.3 6 0,5
13 2,5 21 0.2 8 0,4
17 1,6 >21 0.2 10 0,4
19 1,2 12 0,2
23 1,2 >12 0,2
25 0,7
>25 0,2+0,5 (
)
Tabelle 19 – Planungsebenen für Oberschwingungsspannungen in 400V-Systemen
Ordnungs-
zahl h
Emissions-
strom
Ordnungs-
zahl h
Emissions-
strom
Ordnungs-
zahl h
Emissions-
strom
Ordnungs-
zahl h
Emissions-
strom
2 28,9 15 1,4 28 1,0 41 1,8
3 48,1 16 1,8 29 3,1 42 0,3
4 9,0 17 13,6 30 0,5 43 1,6
5 28,9 18 0,8 31 2,8 44 0,7
6 3,0 19 9,1 32 0,9 45 0,3
7 41,2 20 1,4 33 0,4 46 0,6
8 7,2 21 0,7 34 0,8 47 1,4
9 9,6 22 1,3 35 2,3 48 0,3
10 5,8 23 7,5 36 0,4 49 1,3
11 39,4 24 0,6 37 2,1 50 0,6
12 1,2 25 4,0 38 0,8
13 27,8 26 1,1 39 0,4
14 2.1 27 0.5 40 0.7
Tabelle 20 – Max. zulässige OS-Stromemission in Ampere-RMS für Gesamtlasten und Geräte mit einer Nenn-leistung >16A pro Leiter
Norm D.A.CH.CZ
Netzbetreibern (EVU) muss es möglich sein, Netzrückwirkungen, die von mit ihren Netzen
verbundenen elektrischen und elektronischen Geräten und Erzeugern verursacht werden,
sowie die entsprechenden Auswirkungen in einem tolerierbaren Bereich zu halten, auch
wenn sich die Rahmenbedingungen ändern (siehe EN 50160). Im Sinne einer angemesse-
nen Verteilung der sich daraus ergebenden Verantwortlichkeiten kommen folgende Aufga-
bengebiete infrage:
I Geeignete Entwurfs- und betriebliche Massnahmen in den Netzwerken unter Berücksich-
tigung der objektiven Qualitätsanforderungen und wirtschaftlichen Begründung
48 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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I Anpassung der Grenzwerte für Anforderungen an elektrische Geräte und Anlagen in den
relevanten EMV-Normen sowie deren Einhaltung
I Gegebenenfalls Verpflichtung zum Ergreifen von Abhilfemassnahmen zur Reduzierung
von Netzrückwirkungen
Die D.A.CH.CZ definiert also technische Richtlinien für die Beurteilung von Netzrückwirkun-
gen in Deutschland (D), Österreich (A), der Schweiz (CH) und Tschechien (CZ) und findet
ebenso Berücksichtigung in den Technischen und Organisatorischen Regeln für Betreiber
und Benutzer von Netzen (TOR) in Österreich, der Verordnung Nr. 306 in Tschechien, den
«Regeln für den Zugang zu Verteilungsnetzen» (Distribution Code) in der Schweiz sowie in
den «Technischen Anschlussbedingungen» (TAB) in Deutschland.
Alle Arten von Netzrückwirkungen sind am Verknüpfungspunkt V zu bewerten. Bewer-
tungsgrundlage ist in jedem Fall die Kurzschlussleistung SkV am Verknüpfungspunkt. Bei
der Ermittlung der Kurzschlussleistung ist von normalen Betriebsbedingungen auszugehen,
die die kleinste Kurzschlussleistung ergeben. Vorübergehende, betriebsbedingt ausserge-
wöhnliche Schaltzustände werden nicht berücksichtigt. Die Netzimpedanz am Verknüp-
fungspunkt V setzt sich aus der Impedanz des übergeordneten Netzes sowie den Impedan-
zen von Transformatoren und Leitungen zusammen. Die D.A.CH.CZ definiert und listet
technische Vorschriften und Grenzwerte hauptsächlich hinsichtlich Spannungsänderungen
und Flicker, Spannungsunsymmetrie und Oberschwingungen.
Tabelle 14 zeigt die Grenzwerte der individuellen Oberschwingungsspannungen an den
Anschlusspunkten wie in EN50160 definiert. Um die Anforderungen hinsichtlich der Ober-
schwingungspegel am Anschlusspunkt zu erfüllen (i.d.R. Niederspannungsschiene des
Transformators oder Klemmen des Anschlussstromunterbrechers), müssen die maximal zu-
lässigen Pegel auf der Seite der Kundenanlage niedriger sein. Damit die genormten Ver-
träglichkeitspegel für Oberschwingungsspannungen eingehalten werden können, müssen
die Oberschwingungsströme aus den einzelnen Anlagen der Netzbenutzer begrenzt
werden. Die Oberschwingungsspannung ergibt sich aus dem entsprechenden Oberschwin-
gungsstrom und der Netzimpedanz für die jeweilige Oberschwingung. Dazu werden Emis-
sionsgrenzwerte sowohl für individuelle Oberschwingungsströme als auch für die Gesamt-
heit aller Oberschwingungsströme festgelegt. Abbildung 11 zeigt das Bewertungsschema
für Oberschwingungen aus der D.A.CH.CZ. Weitere Informationen finden Sie in der Doku-
mentation der Richtlinie D.A.CH.CZ. in den in Klammern angegebenen Kapiteln.
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 49
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Abbildung 11 – D.A.CH.CZ. Bewertungsmodell für Oberschwingungen
50 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Normen bezüglich der Kompatibilität
zwischen Verteilnetz und Produkten
Diese Normen bestimmen die erforderliche Verträglichkeit zwischen den Verteilnetzen und
Produkten:
I Die von einem Gerät erzeugten Oberschwingungen dürfen das Verteilnetz nicht über be-
stimmte Grenzen hinaus stören.
I Jedes Gerät muss in der Lage sein, bei Netzrückwirkungen bis zu bestimmten definierten
Pegeln normal zu arbeiten.
Norm IEC 61000-2-2 für öffentliche Niederspannungs-
netze
Die Norm IEC 61000-2-2 legt Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte
Störgrössen und Signalübertragung in öffentlichen Niederspannungsnetzen für den Fre-
quenzbereich 0 Hz bis 9 kHz mit einer Erweiterung auf 148,5 kHz für die Signalübertragung
auf elektrischen Niederspannungsleitungen fest. Betrachtet werden u.a. Spannungs-
schwankungen und Flicker, Oberschwingungen, Zwischenharmonische, Spannungseinbrü-
che und Kurzzeitunterbrechungen der Versorgungsspannung, Spannungsunsymmetrie,
transiente Überspannungen und zeitweilige Schwankungen der Netzfrequenz. Um die Ver-
träglichkeit sicherzustellen, müssen die Immunitätspegel von Niederspannungsanlagen
über den Verträglichkeitspegeln liegen. Auch sollte der kumulative Effekt von Emissionen
keine Störungen oberhalb der Verträglichkeitspegel verursachen. Verträglichkeitspegel lie-
gen derzeit für Niederspannungsversorgungen vor. Demnach könnte die Norm IEC 61000-
2-2 zu einem Vergleich der vom EVU gelieferten Spannungsqualität herangezogen werden.
Dennoch stellt sie keine Norm für die Netzqualität dar. Im Wesentlichen definieren EVUs die
Netzqualität in Europa hinsichtlich der Spannungseigenschaften, die unter normalen Bedin-
gungen zu erwarten sind, auf Basis der CENELEC-Norm EN50160. Diese spezifiziert die
maximal akzeptablen Pegel für Mittel- und Niederspannungssysteme (<35 kV bzw. <1 kV).
Die in der Norm IEC 61000-2-2 spezifizierten Verträglichkeitspegel sind prinzipiell ver-
gleichbar oder etwas weniger streng als in der Norm EN 50160.
Norm IEC 61000-2-4 für Niederspannungs- und Mittel-
spannungs-Industrieanlagen
Dieser Teil der IEC 61000 befasst sich mit leitungsgeführten Störgrössen in einem Fre-
quenzbereich von 0 kHz bis 9 kHz. Sie spezifiziert numerische Verträglichkeitspegel für in-
dustrielle und nichtöffentliche Stromverteilnetze bis 35 kV Nennspannung und 50 Hz oder
60 Hz Nennfrequenz. Die Verträglichkeitspegel sind für elektromagnetische Störgrössen
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 51
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spezifiziert, die an jedem netzinternen Verknüpfungspunkt in industriellen und nichtöffentli-
chen Netzen auftreten können, und bieten Orientierung hinsichtlich:
a) der Grenzwerte für Störemission in industriellen Anlagen;
b) der Auswahl von Immunitätspegeln für Geräte innerhalb dieser Anlagen.
Quellen:
(1) EN 50160, Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems,
2011
(2) Technische Anschlussbedingungen (Technical requirements of connection), VDEW
(3) IEEE Std. 519-1992: Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control
in Electric Power Systems.
(4) IEC 61000-3-2 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3-2: Limits - Limits for har-
monic current emissions (equipment input current <= 16 A per phase) (IEC 61000-3-
2:2005 + A1:2008 + A2:2009); German version EN 61000-3-2:2006 + A1:2009 +
A2:2009
(5) IEC 61000-3-12 ed. 2 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3-12: Limits - Limits
for harmonic currents produced by equipment connected to public low-voltage systems
with input current >16 A and ≤ 75 A per phase
(6) IEC 61000-4-30, 2003: Power quality measurement methods
(7) IEC 61000-2-2: Electromagnetic compatibility — part 2-2, environment compatibility
levels for low-frequency conducted disturbances and signaling in public and low voltage
(8) Engineering Recommendation G5/4-2
(9) D-A-CH-CZ- Technical Rules for the Assessment of Network Disturbances, VSE 2007
(10) IEC 61000-2-2 ed. 2 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2-2: Environment -
Compatibility levels for low-frequency conducted disturbances and signalling in public
low-voltage power supply systems
(11) IEC 61000-2-4 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2-4: Environment - Compati-
bility levels in industrial plants for low-frequency conducted disturbances
52 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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KAPITEL 5
Filtertechniken für Ober-schwingungen
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 53
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Überblick
Wenn Sie die vorherigen Kapitel aufmerksam gelesen haben, so sind Ihnen zahlreiche
Gründe aufgefallen, warum die Reduzierung von Oberschwingungen nicht nur ein Kann,
sondern ein Muss ist. Sie ist in jedem Fall unerlässlich, wenn entsprechende Massnahmen
durch Normen und Vorschriften vorgegeben werden. Die zusätzlichen Verluste und zahlrei-
chen Probleme, die durch Oberschwingungen verursacht werden, sind gleichermassen ein
Anlass, sich mit der Eindämmung von Oberschwingungen zu befassen. Die Methoden zur
Reduzierung von Oberschwingungen in Stromversorgungssystemen lassen sich in zwei Ka-
tegorien einteilen. Die erste beinhaltet Vorbeugungs- bzw. Vorsichtsmassnahmen und die
zweite Korrektur- bzw. Abhilfemassnahmen. In den nachfolgenden Kapiteln werden die Me-
thoden sowie die damit verbundenen Vor- und Nachtteile erörtert.
54 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Vorbeugende Massnahmen
Vorbeugende Massnahmen haben zum Ziel, Oberschwingungen und deren Auswirkungen
zu vermeiden. Diese technischen Lösungen sind im Wesentlichen auf eine Reduzierung
der Oberschwingungsaussendung nichtlinearer Lasten ausgerichtet. Die Lösungen beste-
hen in der Regel darin, die Lasten hinsichtlich ihrer Bauweise oder Technologie zu modi-
fizieren. Die beiden häufigsten Methoden sind der Einsatz von AC-Netzdrosseln oder
Zwischenkreisdrosseln bei herkömmlichen Gleichrichtern bzw. der Einsatz von Mehrpuls-
Gleichrichtern.
AC-Netzdrosseln
Netzdrosseln sind niederohmige Spulen zur Reduzierung hochfrequenter Ströme. Durch
den Einsatz von AC-Netzdrosseln lässt sich die durch Gleichrichter verursachte Stromver-
zerrung erheblich senken. Eine Netzdrossel ist im Prinzip eine Induktivität, die ein Magnet-
feld um eine Drahtspule erzeugt, wenn Strom hindurchfliesst. Sobald sie unter Spannung
steht, ist sie ein Elektromagnet, dessen Feldstärke proportional zur Stromstärke und Anzahl
der Wicklungen ist. Eine einfache Drahtwicklung bezeichnet man als Luftspule; mehrere
Wicklungen bedeuten eine höhere Nenninduktivität. Neben der Dämpfung von Oberschwin-
gungen können Netzdrosseln Spannungstransienten absorbieren, die dazu führen könnten,
dass ein Frequenzumrichter (variable frequency drive, VFD) aufgrund von Überspannung
ausfällt. AC-Netzdrosseln werden in Serie am Eingang der Frequenzumrichter installiert.
Das Ausmass der Oberschwingungsverzerrung und das tatsächliche Oberschwingungs-
spektrum hängen von der Effektivimpedanz ab, die die Netzdrossel in Bezug auf die Last
darstellt. Durch den Einsatz einer Netzdrossel mit 4% Impedanz lässt sich nachweislich ei-
ne angemessene Oberschwingungsdämpfung erzielen. In dem Beispiel in Abbildung 12 ist
eine AC-Netzdrossel an einem Sechspuls-Gleichrichter angeschlossen.
Abbildung 12 – Anschluss einer AC-Netzdrossel
Netzdrosseln verursachen einen Spannungsfall, der wiederum zu einem leichten Anstieg
des Systemverlustes führt. Bei angemessenen Impedanzwerten können Netzdrosseln den
THDI auf maximal 35% reduzieren. Die Fähigkeit der Netzdrossel, Oberschwingungen zu
reduzieren, verringert sich zudem proportional mit kleiner werdendem Laststrom, da die
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prozentuale Effektivimpedanz der Netzdrossel reduziert wird. Eine Netzdrossel mit 4% Ef-
fektivimpedanz erzielt unter Volllast eine Oberschwingungsverzerrung von 37% THDi; bei
50% Last hat sie dagegen nur 2,0% Effektivimpedanz {0,5 x 4% = 2,0%}, und der THDi be-
trägt etwa 53%. Tabelle 21 zeigt die Eingangsimpedanz im Vergleich zu den Restober-
schwingungen [%] von AC-Netzdrosseln für jede Ordnungszahl.
Ordnungs-
zahl
Gesamt-Eingangsimpedanz vs. Restoberschwingungen
0,5% 1% 1,5% 2% 3% 4%
5. 80% 60% 51% 46% 40% 34%
7. 60% 37% 28% 22% 17% 13%
11. 18% 13% 11% 9% 7,5% 6,5%
13. 10% 8% 6,5% 6% 5% 4,2%
17. 7,5% 5% 4% 3,6% 3% 2,4%
19. 6% 4% 3,3% 3% 2,3% 2%
23. 5% 3% 2,6% 2% 1,5% 1,3%
25. 2,3% 2% 1,6% 1,3% 1,1% 1%
%THDi 103% 72% 60% 53% 44% 37%
Tabelle 21 – AC-Netzdrosseln – Ordnungszahl / Eingangsimpedanz vs. Restoberschwingungen [%]
Zwischenkreisdrosseln
Zwischenkreisdrosseln sind eine kostengünstige Lösung zum Filtern der pulsierenden
Gleichspannung in einem Umrichter. Eine Zwischenkreisdrossel wird – wie der Name schon
sagt - zwischen dem Eingangsgleichrichter und Zwischenkreiskondensator installiert. Die
zusätzliche Induktivität begrenzt die Änderungsrate des Leitungsstroms in die Kondensato-
ren relativ zur Zeit (di/dt). Dadurch werden niedrigere Spitzenströme erzielt. Mit dem Ein-
satz einer Zwischenkreisdrossel kann die Oberschwingungsbelastung auf Werte im Bereich
40% THDi reduziert werden. Abbildung 13 zeigt eine Zwischenkreisdrossel, in einem
Sechspuls-Gleichrichter.
Abbildung 13 – Zwischenkreisdrossel
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Mehrpuls-Gleichrichter
Höhere Pulszahlen in einem Gleichrichter wirken sich direkt auf die vorhandenen Ober-
schwingungsordnungen und damit auf den Oberschwingungsgehalt im Stromversorgungs-
system aus. Gleichrichter mit niedriger Pulszahl lassen sich miteinander verschalten.
Gleichrichter mit höherer Pulszahl, die besonders in Hochleistungsapplikationen verwendet
werden, sind 12-, 18- und 24-Puls-Konfigurationen, die bei geeigneter Auslegung die erste
charakteristische Oberschwingung auf die jeweils 11., 17. oder 23. erweitern. Ein Zwölfpuls-
Gleichrichter verwendet in der vorgeschalteten Gleichrichterschaltung 12 statt 6 Dioden, ein
18-Puls-Gleichrichter 18 statt 6 Dioden und ein 24-Puls-Gleichrichter 24 statt 6 Dioden. Ta-
belle 22 zeigt die verschiedenen Oberschwingungsspektren bei unterschiedlichen Pulszah-
len.
Pulszahl Formel Mögliche Oberschwingungen
n ( )
1 ( ) 2,3,4,5,6,7, … (alle)
2 ( ) 3,5,7,9, … (ungerade)
6 ( ) 5,7,11,13,17,19,… (Paare)
12 ( ) 11,13,23,25,35,37, … (Paare)
18 ( ) 17,19,35,37, … (Paare)
24 ( ) 23,25,47,49, … (Paare)
p…Anzahl der Pulse, n…ganze Zahl (1,2,3…), h…Ordnungszahl
Tabelle 22 – Oberschwingungen vs. Pulszahl
Der Mehrpulsbetrieb lässt sich über eine Serien- oder Parallelschaltung von Sechspuls-
Gleichrichtern realisieren, mit entsprechender Phasenverschiebung zwischen den Span-
nungen, welche die Diodenbrücken versorgen. Abbildung 14 zeigt einen Zwölfpuls-
Gleichrichter mit einer erforderlichen Phasenverschiebung von 30 Grad und Abbildung 15
einen 18-Puls-Gleichrichter mit einer Phasenverschiebung von 20 Grad.
Abbildung 14 – 12-Puls-Konfiguration
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 57
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Abbildung 15 – 18-Puls-Konfiguration
Mithilfe 12- oder höherpulsigen Konfigurationen lassen sich Stromoberschwingungen nied-
rigerer Ordnungen merklich reduzieren. Diese Konfigurationen verursachen häufig soge-
nannte nichtcharakteristische Oberschwingungen z.B. der 5. oder 7. Ordnung bei 12-Puls-
Konfigurationen. Der Grund hierfür liegt hauptsächlich in der ungenauen Phasenverschie-
bung der Spannungen. Doch auch Unsymmetrie und Verzerrung innerhalb der Spannung
sowie eine unsymmetrische Regelung der Brücken kann solche Auswirkungen haben. Die-
se Bauteile haben eine grosse Basisfläche und enthalten mehr Stahl und Kupfer, was höhe-
re Gesamtverluste zur Folge hat. Die Baukosten sind erheblich höher, da ein Transformator
mit zwei oder drei phasenverschobenen Ausgangswicklungen erforderlich ist, um die für ei-
nen einwandfreien Betrieb erforderliche Phasenverschiebung zu erreichen. All diese Fakto-
ren gilt es bei der Planung von Applikationen, die nur minimale Oberschwingungen aufwei-
sen sollen, zu betrachten und mit einer Filterlösung zu vergleichen.
58 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Abhilfemassnahmen
In realen Umgebungen reichen vorbeugende Massnahmen häufig nicht aus, um die in
Normen spezifizierten Grenzwerte für Oberschwingungsverzerrung einzuhalten. In den
meisten Applikationen muss der Oberschwingungsgehalt so niedrig sein, dass ein sicherer
und zuverlässiger Betrieb der elektrischen und elektronischen Geräte sichergestellt wird.
Der Einsatz von Oberschwingungsfiltern zur Reduktion der Oberschwingungsverzerrung in
einem Stromversorgungssystem, ist heute Stand der Technik. Oberschwingungsfilter lassen
sich in passive und aktive Filter unterteilen. Beide dienen dazu, Oberschwingungen zu
kompensieren und damit den bestehenden Oberschwingungsgehalt auf das zulässige oder
gewünschte Niveau zu senken.
Passive Oberschwingungsfilter
Passive Oberschwingungsfilter sind eine wirtschaftliche Lösung zur Reduktion von lastindu-
zierten Oberschwingungen in dreiphasigen Netzen. Alle passiven Oberschwingungsfilter
haben kapazitive Eigenschaften, da sie Induktivitäten, Kapazitäten und Widerstandsele-
mente enthalten, die so konfiguriert und abgestimmt sind, dass sie Oberschwingungen kon-
trollieren können. Technisch gesehen bilden solche speziell abgestimmten Filter niederimp-
edante Pfade für die Oberschwingungsströme bestimmter Frequenzen.
Passive Oberschwingungsfilter sind ausgelegt für den Betrieb mit praktisch jeder Art von
leistungselektronischen Geräten mit 6-Puls-Gleichrichterschaltung am Eingang. Aus diesem
Grund werden die Filterkreise normalerweise auf die 5., 7. 11. und 13. Oberschwingung ab-
gestimmt und stellen niederimpedante Pfade für diese Ströme mit den entsprechenden
Frequenzen dar. Abbildung 16 zeigt die Basiskonfiguration eines abgestimmten passiven
Oberschwingungsfilters. Die Herausforderung liegt darin, einen LC-Schwingkreis im Hin-
blick auf seine Position im System angemessen zu dimensionieren, um eine Resonanzfre-
quenz zu erzielen, die der Resonanzfrequenz der Oberschwingung entspricht, welche be-
seitigt werden soll. Die unerwünschten Oberschwingungen werden dann in das Filter
umgeleitet und können somit nicht zur Energiequelle fliessen. Somit werden alle Kompo-
nenten des Versorgungssystems vor dem Filter von Oberschwingungen entlastet.
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 59
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Abbildung 16 – Passives Oberschwingungsfilter a.) nicht eingesetzt b.) eingesetzt
Passive Oberschwingungsfilter eignen sich zur Benutzung direkt an Einzellasten oder
Gruppen von Lasten. Daher sollten sie in der Nähe von Einzellasten oder an der zentralen
Stromversorgung der Lastengruppe installiert werden. Der gesamte Oberschwingungsstrom
fliesst dann weiterhin zwischen dem passiven Oberschwingungsfilter und den nichtlinearen
Lasten. Das heisst, Nutzniesser des Filters ist der Teil des elektrischen Systems, der
«stromaufwärts» des Filteranschlusspunktes liegt.
Maximale Filterleistung wird häufig erst bei voller Last erzielt, da Teillastbedingungen eine
Herausforderung sowohl hinsichtlich Oberschwingungsreduzierung als auch hinsichtlich des
kapazitiven Stroms darstellen können. Ein technisch ausgereiftes und angemessen dimen-
sioniertes Filter bietet also nicht nur eine sehr effiziente Oberschwingungsreduktion mit ei-
nem garantiertem THDi-Bemessungswert von maximal 5-8% über den gesamten Lastbe-
reich, sondern begrenzt zudem den kapazitiven Strom unter sämtlichen (Last-)
Bedingungen. Abbildung 17 zeigt die Leistungskurve eines hochentwickelten passiven
Oberschwingungsfilters.
Abbildung 17 – Leistungskurve eines passiven Oberschwingungsfilters
60 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Ein Nachteil passiver Oberschwingungsfilter ist, dass sie nur die Oberschwingungen kom-
pensieren können, für die sie ausgelegt sind. Sie können sich nicht automatisch an Verän-
derungen im elektrischen Netz anpassen. Passive Oberschwingungsfilter sind also nur
dann eine effiziente und wirtschaftliche Lösung, wenn ganz bestimmte, von einem speziel-
len Gerät verursachte Oberschwingungsfrequenzen reduziert werden sollen.
Aktive Oberschwingungsfilter
Ein aktives Oberschwingungsfilter (active harmonic filter, AHF) ist ein hochentwickeltes leis-
tungselektronisches Gerät zur Kompensation von Oberschwingungsströmen in Stromver-
sorgungsnetzen. In den letzten zehn Jahren ist der Anteil an nichtlinearen Lasten drastisch
gestiegen. Infolgedessen haben Netzrückwirkungen aufgrund von Oberschwingungen in
Stromversorgungssystemen massiv zugenommen. Insbesondere willkürlich variierende
Amplituden und häufige und sehr dynamische Lastwechsel können dazu führen, dass ein
passives Oberschwingungsfilter nicht effizient arbeitet. Zudem entstehen aufgrund der
Lastbedingungen und unterschiedlichen Konfigurationen in modernen Systemen Ober-
schwingungen bis hin zur 50. Ordnung. Höher entwickelte aktive Filterkonzepte sind für ei-
nen derart breiten Frequenzbereich ausgelegt und passen sich im Betrieb an das entste-
hende Oberschwingungsspektrum an.
Aktive Oberschwingungsfilter sind Power-Quality-Geräte, die nichtlineare Lasten permanent
überwachen und einen dynamisch geregelten Kompensationsstrom liefern. Dieser Strom
hat die gleiche Amplitude wie der Oberschwingungsstrom, wird jedoch mit entgegengesetz-
ter Phasenlage eingeprägt. Damit werden die Oberschwingungsströme im elektrischen Sys-
tem ausgelöscht. Der von der Spannungsquelle zugeführte Strom bleibt sinusförmig, da die
Oberschwingungen sich gegenseitig aufheben, und die Oberschwingungsverzerrung sinkt
auf Werte unter 5% THDi. Damit sind die Anforderungen aller gängigen Netzqualitäts-
Normen weltweit erfüllt. Darüber hinaus passen sich aktive Oberschwingungsfilter kontinu-
ierlich an hochdynamische Lastschwankungen an. Abbildung 18 zeigt die Funktionsweise
eines aktiven Oberschwingungsfilters.
Abbildung 18 – Funktionsweise eines aktiven Oberschwingungsfilters
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 61
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Aktive Oberschwingungsfilter kompensieren darüber hinaus gezielt, sicher und hochdyna-
misch Blindleistung und stellen so einen guten Leistungsfaktor sicher. Modernere Geräte
verfügen über IGBTs und Komponenten zur digitalen Signalverarbeitung (DSPs). Aktive
Oberschwingungsfilter lassen sich prinzipiell überall in einem Niederspannungs-
wechselstromnetz installieren und bieten meist viel mehr Funktionen als ihr passives Pen-
dant:
I Globale oder individuelle Kompensation von Oberschwingungsströmen (1.–50. Ordnung)
I Blindleistungskompensation und Leistungsfaktorkorrektur
I Kompensation von Flicker (durch Blindleistung verursacht)
I Vermeidung von Oberschwingungsresonanzen
Neben dieser Funktionalität bieten aktive Oberschwingungsfilter kleine Produktabmessun-
gen und hohe Effizienz. Somit eignen sie sich hervorragend für den Einsatz in zahlreichen
kommerziellen und industriellen Anwendungen. Aktive Oberschwingungsfilter sind entwe-
der:
I 3-Leiter-Geräte
I Häufig eingesetzt im Industrieumfeld mit Frequenzumrichter- und ähnlichen Anwen-
dungen mit zahlreichen nichtlinearen Lasten
I 4-Leiter-Geräte
I Eliminieren Oberschwingungen, die von einphasigen Lasten erzeugt werden, z.B.
getaktete Schaltnetzteile und IT-Anlagen
I Bieten die Möglichkeit, Triplen-Oberschwingungen im Neutralleiter zu kompensieren
Aktive Oberschwingungsfilter eignen sich zur Benutzung an einzelnen oder Gruppen von
nichtlinearen Lasten. Des Weiteren können sie eingesetzt werden, wenn …
I eine Leistungsfaktorkorrektur in oberschwingungsbehafteten Systemen mit Kondensato-
ren nicht ausreichend möglich ist,
I sowohl eine Leistungsfaktor- als auch Oberschwingungskorrektur erforderlich ist,
I Notstrom bzw. dezentrale Energieversorgung im elektrischen System vorhanden ist.
62 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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KAPITEL 6
Kosten aufgrund von Ober-schwingungen und Leistungs-verlusten in belasteten Netzen
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 63
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Einführung
Die Kosten, die durch Oberschwingungen entstehen, sind weit schwieriger abzuschätzen als andere Kosten im Kontext der Netzqualität. Welche Auswirkungen Oberschwingungen auf die Wirtschaftlichkeit haben, ist im Allgemeinen bekannt, z.B.:
I Produktionsausfälle
I Unwiederbringliche Ausfallzeiten/Ressourcenverluste
I Prozessneustartkosten
I Schäden an Anlagen
I Höherer Aufwand für Fehlersuche
I Imageverlust – das Unternehmen wird als nicht «grün» bzw. «energieeffizient»
wahrgenommen
In etlichen weltweiten Studien zur Netzqualität wurden Beispiele für solche Kosten zusam-
mengetragen. Die Ergebnisse waren stets dieselben: Im industriellen Umfeld können
Netzqualitätsstörungen in elektrischen Anlagen schnell finanzielle Einbussen von mehreren
Millionen Dollar pro Störfall verursachen. Durch die Implementierung entsprechender Be-
triebsmittel, z.B. Oberschwingungsfilter, lassen sich solche Störfälle vermeiden.
Im Gegensatz zu diesen gründlich recherchierten Zahlen ist es nach wie vor schwierig, den
Anteil nicht nutzbarer Energie zu quantifizieren. Das Institute of Electrical and Electronics
Engineers (IEEE) hat dennoch eine Norm entwickelt (IEEE 1459-2000), anhand derer sich
der Leistungsverbrauch in elektrischen Dreiphasensystemen genauer segmentieren und
quantifizieren lässt. Die Auswirkungen (Verluste) von Oberschwingungen wurden in den
herkömmlichen Ansätzen nicht berücksichtigt. Einsparungen hinsichtlich der Blindleistung
sind leicht zu berechnen. Im Gegensatz dazu ist es schwierig, Kosteneinsparungen zu
quantifizieren, die sich durch weniger Anlagenverschleiss, geringerem Aufwand für die Feh-
lersuche oder gar die Verhinderung von Ausfallzeiten ergeben. Studien haben gezeigt, dass
sich die weltweit damit verbundenen Kosten jährlich auf Milliardenhöhe summieren. Prinzi-
piell ist es möglich, die Auswirkungen von Spannungs- und Stromoberschwingungen auf
Betriebsmittel bzw. das gesamte Stromversorgungssystem zu identifizieren. Die wichtigsten
sind:
I Höherer (zusätzlicher) Energieverlust im Vergleich zu einem oberschwingungsfreien
Stromversorgungssystem
I Vorzeitiges Altern der Anlagen und geringere System- und Anlagenzuverlässigkeit auf-
grund von Oberschwingungen
I Geringere Leistung sowie Betriebsausfälle im Vergleich zum Sollzustand
64 Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen
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Zusätzliche Verluste aufgrund von Oberschwingungs-
verzerrung
Wie in den vorherigen Kapiteln erläutert, bewirkt eine höhere Oberschwingungsverzerrung
höhere Effektivstromwerte und damit eine vermehrte Wärmeabgabe in den Anlagen. Dies
führt zu einer schnelleren Alterung der Isolation in Transformatoren, Motoren und Konden-
satorblöcken. Im Kontext der Oberschwingungsproblematik spielt neben den Anlagen selbst
noch ein anderer Aspekt des Stromversorgungsnetzes eine wichtige Rolle. Die Wirkleis-
tung, die an eine Last übertragen wird, ist eine Funktion der Grundkomponente des
Stroms. Der Effektivwert einschliesslich der Oberschwingungsströme muss anhand der ein-
zelnen Oberschwingungsanteile ermittelt werden. Ausgehend von der Definition von THDi:
√∑
( ) zeigt sich, dass √∑
= √
Dies führt zu der Formel: √
Es lässt sich also feststellen, dass die Gesamtverluste bei Vorliegen einer Oberschwin-
gungsverzerrung als Addition der Einzelverluste bei jeder Oberschwingungsfrequenz anzu-
geben sind. Enthält der von der Last aufgenommene Strom Oberschwingungen, so ist der
Effektivwert des Stroms höher als der Grundstrom . Einfacher ausgedrückt sind
Oberschwingungsverluste annähernd die gesamte zusätzliche Wärmeverlustbildung, die
von nichtlinearen Lasten erzeugt wird, verglichen mit linearen Lasten derselben Grösse,
wenn sie parallel von der gleichen Quelle gespiesen werden. Da die Spezifikation der meis-
ten elektrischen Anlagen auf 50-/60-Hz Parametern basiert, wird die Fähigkeit einer Anlage,
im Nennleistungsbereich zu arbeiten, durch zusätzliche Oberschwingungsverluste beein-
trächtigt.
Mittlerweile sind Messgeräte sowie Online- und Offline-Tools erhältlich, mit denen sich die
wirtschaftlichen Auswirkungen zusätzlicher Oberschwingungsverluste direkt messen und
kalkulieren lassen.
Vorzeitiges Altern von Anlagen
Elektrische und elektronische Systeme arbeiten in der Regel im Hochleistungsbetrieb. So-
gar unter normalen Verhältnissen ist dies hinsichtlich der thermischen Belastung eine Her-
ausforderung. Thermisches Management in Elektrosystemen soll permanenten und inter-
mittierenden schwerwiegenden Ausfällen, wie z.B. Verlust der elektronischen Funktion,
vorbeugen. Dazu ist es erforderlich, grosse Temperaturschwankungen zu eliminieren.
Wenn ein System nicht für den Einsatz in oberschwingungsbelasteten Stromversorgungs-
netzen ausgelegt ist, verursacht zusätzliche Wärme zahlreiche technische Probleme. Tem-
peraturen über dem Bemessungswert bedeuten hohen thermomechanischen Stress und
können zu einer übermässigen Belastung der Anlagen führen. Darüber hinaus verursachen
Temperaturen oberhalb der Gerätespezifikation eine vorzeitige Alterung der entsprechen-
den Anlagen, die infolgedessen früher ausgetauscht werden müssen. Oft werden dann
Sechs komplexe Themen zum besseren Verständnis von Oberschwingungen 65
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überdimensionierte Anlagen eingesetzt, die damit verbundenen Kosten sind allerdings hö-
her als beim Einsatz geeigneter Filter zur Oberschwingungsreduktion.
Quellen:
(1) European Power Quality Survey, Leonardo-Energy, 2008
(2) Benchmarking on PQ desk survey: What PQ levels do different types of customer
need? Work package 3 from Quality of Supply and Regulation Project, Arnhem, 7 June
2007
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