Oberschwingungen in elektrischen Systemen verstehen: Ursachen, Auswirkungen und Risiken

Oberschwingungen sind ein kritisches, aber oft übersehenes Phänomen in elektrischen Systemen. Sie stellen Verzerrungen der idealen sinusförmigen Spannungs- oder Stromform dar und treten bei Frequenzen auf, die ein Vielfaches der Grundfrequenz (z. B. 50 Hz oder 60 Hz) betragen. Obwohl Oberschwingungen in modernen Stromsystemen fest verankert sind, kann ihr unkontrolliertes Auftreten schwerwiegende betriebliche und finanzielle Folgen haben. Dieser Artikel untersucht ihre Ursachen, Auswirkungen und Risiken.

Was verursacht Oberschwingungen?

Obertöne entstehen hauptsächlich aus nichtlineare Lasten – Geräte, deren Stromaufnahme nicht der sinusförmigen Spannungswellenform entspricht. Typische Beispiele sind:

· Frequenzumrichter (VFDs) in Industriemotoren.

· Schaltnetzteile (z. B. Computer, Server, LED-Beleuchtung).

· Wechselrichter für erneuerbare Energien (Solar-/Windsysteme).

· Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) und Ladegeräte für Elektrofahrzeuge.

Diese Lasten stören den gleichmäßigen Stromfluss und erzeugen verzerrte Wellenformen. Beispielsweise kann ein Frequenzumrichter den Strom in kurzen Impulsen statt in einer kontinuierlichen Sinuswelle ziehen und so Oberwellen der 3. (150 Hz), 5. (250 Hz) oder 7. (350 Hz) Ordnung erzeugen.

Der Einfluss von Obertönen

Oberschwingungen beeinträchtigen die Stromqualität und verursachen versteckte Kosten für die elektrische Infrastruktur:

1. Energieverluste und höhere Kosten
Harmonische Ströme erhöhen die Widerstandsverluste in Kabeln, Transformatoren und Motoren. Beispielsweise kann ein Strom der 5. Harmonischen bis zu 15 % zusätzliche Energieverschwendung in Verteilungssystemen (DOE-Studien). Diese Ineffizienz führt zu überhöhten Stromrechnungen.

2. Geräteschäden und verkürzte Lebensdauer

O Transformatoren und Motoren : Oberschwingungsströme induzieren Wirbelströme und Hystereseverluste, was zu Überhitzung führt. Ein Transformator, der mit hohen Oberschwingungen betrieben wird, kann 30–50 % schneller ausfallen als angegeben.

O Kondensatoren : Oberwellen können Resonanzen verursachen, Kondensatoren überlasten und zu Explosionen oder Bränden führen.

O Neutralleiter : In Dreiphasensystemen summieren sich Dreifachharmonische (3., 9. usw.) in den Neutralleitern und können zu deren Überhitzung führen.

3. Betriebsstörungen
Empfindliche Geräte wie medizinische Geräte, Laborinstrumente oder Rechenzentrumsserver sind auf sauberen Strom angewiesen. Spannungsverzerrungen durch Oberschwingungen können Fehlfunktionen, Datenbeschädigungen oder ungeplante Ausfallzeiten auslösen.

4. Compliance- und Sicherheitsrisiken
Überschreiten der harmonischen Grenzen, die durch Normen wie IEEE 519-2022 kann zu Geldbußen führen. Darüber hinaus birgt eine Überhitzung der Geräte Brandgefahr und Sicherheitsrisiken.

Minderungsstrategien

Die Behandlung von Oberschwingungen erfordert eine proaktive Ansatz:

· Passive Oberwellenfilter : Abgestimmt auf die Blockierung bestimmter harmonischer Frequenzen (z. B. 5. oder 7.), ideal für stabile Lasten.

· Aktive Oberwellenfilter (AHFs) : Dynamisches Einspeisen von Gegenströmen zur Neutralisierung von Oberschwingungen, geeignet für variable Lasten.

· Richtiges Systemdesign : Überdimensionierung von Neutralleitern, Verwendung von Transformatoren mit K-Nennleistung und Trennung nichtlinearer Lasten.

KONTAKTIEREN SIE UNS: sales@yt-electric.com