Netzoberschwingungen erklärt: Die versteckte Bedrohung

Oberschwingungen sind zusätzliche Ströme und Spannungen, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz beträgt und die von nichtlinearen Lasten zusätzlich zur Grundwelle aufgenommen werden. Ihre Auswirkungen sind kostspielig: Transformatoren, Motoren und Neutralleiter überhitzen, Relais lösen fehl, und die Lebensdauer von Geräten verkürzt sich selbst unterhalb der Nennlast.

Dieser Leitfaden behandelt die Messung am gemeinsamen Kopplungspunkt (PCC) und wie man die wichtigsten Minderungstechnologien vergleicht.

Warum Oberschwingungen Geräte unterhalb der Nennlast überhitzen

Ein Oberwellenstrom verrichtet keine nutzbare Arbeit: Er erzeugt kein Drehmoment und liefert keine Wirkleistung, sondern nur Wärme. Die Wicklungstemperatur, die durch die I²R-Verluste bedingt ist, ist die Hauptursache für die Alterung und den Ausfall der Isolierung.

Drei Effekte machen Oberwellen schädlicher als den Grundstrom:

• Höherer Effektivwert bei gleicher Last.Eine verzerrte Wellenform transportiert mehr Effektivstrom, sodass Kabel und Transformatoren mehr Strom leiten, als der kW-Wert vermuten lässt.
• Haut- und Wirbelverluste.Höherfrequente Ströme drängen sich an der Leiteroberfläche und induzieren Wirbelströme in den Wicklungen, sodass die Verluste schneller ansteigen als bei 50/60 Hz.
• Nullstrom (Triple-Strom).Bei einem Vierleiter-Neutralleiter addieren sich die 3., 9. und 15. Harmonische phasengleich, sodass der Neutralleiterstrom den Phasenstrom übersteigen kann.

Relais und Schutzschalter reagieren auf den Effektivwert oder den Spitzenwert, nicht auf die nutzbare Leistung in kW, daher führt die Verzerrung zu Fehlauslösungen. Auch Kondensatorbatterien sind betroffen: Ihre Impedanz sinkt mit steigender Frequenz und kann mit der Systeminduktivität in Resonanz geraten, wodurch die Verstärkung um eine Größenordnung verstärkt wird.

Die Physik: Grundschwingungen, harmonische Schwingungen, THD und I²R

Die Grund- und einzelnen Obertonordnungen

Die Grundfrequenz ist die 50- oder 60-Hz-Komponente, die Wirkleistung liefert. Ein Oberwellenstrom liegt bei einem ganzzahligen Vielfachen dieser Frequenz: Bei 50 Hz beträgt die 5. Oberwelle 250 Hz und die 7. 350 Hz.

THDi, THDv und warum eine einzelne Zahl nicht ausreicht

Die Gesamtklirrfaktor (THD) ist der Effektivwert aller Oberschwingungen als Prozentsatz der Grundschwingung. THDi beschreibt die Stromverzerrung, THDv die Spannungsverzerrung, die von der Quellimpedanz abhängt. Ein einzelner THDi-Wert kann das Problem verschleiern: Ein Filter, der die 5. und 7. Ordnung entfernt, kann die 11. und 13. Ordnung unbeeinflusst lassen. IEEE 519 und IEC 61000 begrenzen daher sowohl die einzelnen Ordnungen als auch die Gesamtverzerrung am Netzanschlusspunkt (PCC).

I²R-Verluste, Leistungsfaktor und Blindleistung

Oberschwingungsströme erhöhen den Effektivwert des Stroms, sodass jedes zusätzliche Ampere Wärme in Höhe von I²R erzeugt. Sie verzerren außerdem den Leistungsfaktor: Der Verschiebungsleistungsfaktor (cos φ) beschreibt die Phasenverschiebung zwischen Grundspannung und -strom, während der wahre Leistungsfaktor das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung (P/S) ist. Mit zunehmender Verzerrung sinkt der wahre Leistungsfaktor selbst dann, wenn cos φ akzeptabel erscheint. Daher werden Blindleistungskompensation (SVG) und Oberschwingungsreduzierung (AHF) gemeinsam bewertet.

Wie Oberwellen Ihr System schädigen

Oberschwingungsverluste treiben Transformatoren und Motoren über die Auslegungstemperatur, was eine Reduzierung ihrer Nennleistung und eine schnellere Alterung ihrer Isolierung zur Folge hat. In Vierleiternetzen überlasten dreifache Oberschwingungen den Neutralleiter. Relais, Leistungsschalter und Antriebe lösen auch ohne tatsächliche Überlastung aus, und vorhandene Kondensatoren zur Leistungsfaktorkorrektur können mit dem Netz in Resonanz geraten – ein bekanntes Brandrisiko. Tabelle 1 fasst die Hauptursachen und die zu ihrer Kontrolle eingesetzten Technologien zusammen.

Wie man Oberwellen am PCC misst

Wo CTs und Instrumente platziert werden sollen

Stromwandler (CTs) werden dort platziert, wo ihre Verantwortung für Verzerrungen nachgewiesen werden muss – üblicherweise am Netzanschlusspunkt (PCC) oder an der Sammelschiene, die die nichtlinearen Lasten speist. Bei einem aktiven Filter müssen die CTs den gesamten Laststrom messen, den der Filter korrigiert; befinden sich die CTs im falschen Zweig, korrigiert der Filter das falsche Signal.

Was aufgezeichnet werden soll

Logarithmieren Sie THDi und THDv, die einzelnen Oberschwingungsordnungen (mindestens die 3., 5., 7., 11. und 13.), den Neutralleiterstrom, den Wirkleistungsfaktor und die Blindleistung über einen vollständigen Arbeitszyklus. Steigt THDi, lesen Sie bitte unseren Artikel zu diesem Thema.Was verursacht einen hohen THDi-Wert und wie kann er gesenkt werden?folgt den gleichen Diagnoseschritten.

Vergleich von Technologien zur Oberwellenreduzierung

Jede Technologie löst einen anderen Teil des Problems:

• Passiver Filter.Ein abgestimmter Induktor-Kondensator-Schwingkreis, der eine bestimmte Oberschwingungsordnung ablenkt. Kostengünstig, aber unflexibel: anfällig für Verstimmung und Resonanz, daher am besten geeignet bei stabilem Lastspektrum.
• Netzreaktor oder aktiver Frontend (VFD).Eine Drossel erhöht die Impedanz vor einem Antrieb; eine aktive Eingangsstufe ersetzt den Diodengleichrichter. Beide reduzieren die vom Antrieb eingespeiste Spannung, korrigieren aber keine anderen Lasten.
• Aktiver Oberwellenfilter (AHF) / aktiver Leistungsfilter (APF).Leistungselektronik, die den Laststrom misst und einen gleich großen, entgegengesetzten Strom einspeist, um Oberschwingungen in Echtzeit zu kompensieren; geeignet für Frequenzumrichter, USV-Anlagen und wechselnde Lasten.aktiver Oberwellenfilter (AHF)und dieaktiver Leistungsfilter (APF)sind Beispiele.
• Statischer Variablengenerator (SVG).Ein schneller Blindleistungskompensator, der Spannung und Leistungsfaktor konstant hält.statischer Variablengenerator (SVG)Behandelt Blindleistung und Spannungsstabilität und wird normalerweise mit Oberwellenfilterung kombiniert.

Wie man einen Harmonischenfilter auswählt

Die Größe wurde gemessen, nicht anhand der Nennleistung des Transformators:

• Filterstrom.Die AHF sollte für den Oberwellenstrom während der verkehrsreichsten Tageszeit dimensioniert werden, mit einem Spielraum für zukünftiges Wachstum.
• CT-Platzierung und -Steuerung.Der Filter kann nur das korrigieren, was seine Stromwandler messen; es muss geprüft werden, ob es sich bei dem Ziel um den Laststrom, den Netzanschlusspunkt (PCC) oder beides handelt.
• Topologie und Switching.Eine dreistufige (3-Level) Topologie senkt dv/dt und die Schaltverluste gegenüber einer zweistufigen Ausführung, und eine höhere IGBT-Schaltfrequenz erweitert den Bereich der Ordnungen, die ein Filter eliminieren kann; überprüfen Sie diese Werte, anstatt sie anzunehmen.
• Umwelt und Herabstufung.Fragen Sie nach der Dauerleistung bei 45 °C Volllast, nicht nach einem im Labor ermittelten Wert.
• Redundanz und Service.Für kritische Standorte sollten Sie parallele Module oder wandmontierte Einheiten in Betracht ziehen, damit Wartungsarbeiten die Produktion nicht unterbrechen.

Grenzen und wann diese Lösungen nicht ausreichen

Filter sind zwar effektiv, aber nicht universell einsetzbar, und eine ehrliche Spezifikation bedeutet, die Grenzen zu kennen:

• Ein AHF kompensiert einen begrenzten Oberwellenstrom; darüber hinaus sollten parallele Module verwendet werden.
• Downstream-Filter beseitigen keine Upstream-Verzerrungen; überprüfen Sie IEEE 519 am PCC.
• Passive Filter können sich verstimmen und Resonanzen hervorrufen, daher sollten sie immer dann erneut überprüft werden, wenn sich das Netzwerk ändert.
• Ein SVG korrigiert Blindleistung und Blindspannung, nicht aber den Oberwellenstrom.
• Eine falsche Platzierung des Stromwandlers führt dazu, dass selbst ein korrekt dimensionierter Filter nicht seine volle Leistung erbringt.

Häufig gestellte Fragen

Wie sollte ich Obertöne messen, bevor ich einen Filter auswähle?

Logarithmierte Werte für THDi, THDv, die 5., 7., 11. und 13. Ordnung, den Neutralleiterstrom und den wahren Leistungsfaktor am Netzanschlusspunkt (PCC) und am Lastknoten über einen vollständigen Arbeitszyklus. Dieses Profil, nicht die Nennleistung, dient als Grundlage für die Dimensionierung.

Soll ich einen AHF-, einen SVG- oder einen passiven Filter wählen?

Wählen Sie einen AHF für Oberwellenströme von Frequenzumrichtern, USV-Anlagen oder wechselnden Lasten; einen SVG für Blindleistung oder Spannungsstabilität; einen passiven Filter nur dann, wenn das Lastspektrum stabil ist und die Resonanz überprüft wurde. Viele Anlagen benötigen beides.

Was ist bei der Installation eines Oberwellenfilters zu beachten?

Die Installation erfolgt üblicherweise durch Parallelschaltung am zu korrigierenden Bus mit Stromwandlern (CTs) für den gemessenen Laststrom. Zu den wichtigsten Komponenten gehören ein Leistungsschalter, Kabel, Gehäusekühlung und die korrekte Polarität der Stromwandler. Die Inbetriebnahme bestätigt die Reduzierung des Gesamtstroms (THDi) und die Einhaltung der jeweiligen Zielvorgaben.

Welche Wartungsarbeiten sind an einem Filter erforderlich und wie lassen sie sich rechtfertigen?

Aktive Filter haben keine beweglichen Teile und benötigen lediglich regelmäßige Überprüfungen von Lüftern, Anschlüssen und Firmware. Die Rechtfertigung besteht selten in einer versprochenen Amortisationszahl; vielmehr sind es die vermiedenen Kosten für Ausfälle, Abschaltungen, Stillstandszeiten und Energiekosten, die mit der gemessenen Reduzierung von THDi und Verlusten verglichen werden.

Abschluss

Oberschwingungen stellen einen versteckten, aber messbaren Kostenfaktor dar. Sobald die Verzerrungen am Netzanschlusspunkt (PCC) quantifiziert sind, können durch die richtige Kombination aus aktiven Oberschwingungsfiltern, Blindleistungskompensatoren und passiven Komponenten Verluste reduziert, Fehlauslösungen verhindert und die Lebensdauer der Anlagen verlängert werden. YT Electric (Shanghai Yingtong Electric) fertigt aktive Oberschwingungsfilter und Blindleistungskompensatoren für Industrieanlagen, Rechenzentren und Projekte im Bereich erneuerbarer Energien.

Wenn Sie Hilfe bei der Messung von Obertönen oder der Dimensionierung eines Filters benötigen,Nehmen Sie Kontakt mit unserem Team aufDie