Neue Messstandards: Höhere Oberschwingungen im Stromnetz

Die Situation im Niederspannungsnetz hat sich in den letzten Jahren erheblich verändert. Dies ist auf das Aufkommen neuer Geräte – Leuchten, Elektronik mit Schaltnetzteilen – und auf die Veränderungen an den Standorten der Stromversorger/Generatoren zurückzuführen.

Stromversorgungen – eine Menge kleiner Akteure

In der Vergangenheit wurden vor allem große Generatoren (rotierende Maschinen) eingesetzt. Ihre Konstruktion führte zur direkten Erzeugung einer Sinuskurve. Ihre Verzerrung war das Ergebnis technischer (elektrischer und mechanischer) Unzulänglichkeiten und war sehr gering.

Heute gibt es eine große Anzahl kleiner, nicht rotierender Generatoren, die als Wechselrichter/Wandler arbeiten. Um Pseudo-Sinuskurven zu erzeugen, wird die Pulsweitenmodulation (PWM) mit Tiefpassfilter verwendet. Die Modulationsfrequenz erreicht mehrere kHz. Grundsätzlich erzeugt die PWM viele höhere Oberschwingungen, die aus dem Endsignal gefiltert werden sollten.

Die Filterung dieser Oberschwingungen ist jedoch mit höheren finanziellen Kosten verbunden und wird daher in den meisten Fällen in Kauf genommen. Je höher die eingespeiste Leistung ist, desto komplizierter und teurer ist die Filterung (Spule und Kondensator), die eingesetzt werden muss. In der Folge führt dies zu einer Verschlechterung der Netzqualität.

Haushaltsgeräte – kein Grund zur Zufriedenheit

In der Vergangenheit herrschten Haushaltsgeräte vor, die auf Widerstandsbasis arbeiteten (Glühbirnen, Heizung, Wasserkocher…). Sie bestanden aus einfachen Reglern, ihre Elektronik wurde aus linearen Versorgungen gespeist. Rotierende Maschinen wurden mit klassischen linearen Reglern gesteuert. Oberschwingungen traten nur sehr selten auf und waren von der Größe her unbedeutend. Die Geräte waren auch beim Leistungsfaktor gut kompensiert.

Aus diesem Grund war es für die Endkunden – die Haushalte – nicht notwendig, die Blindenergie zu messen oder die Stromqualität der gelieferten Energie zu überwachen. Diese Qualität wurde nur von Großkunden und an den Verteilertransformatoren überwacht, wo dies sinnvoll war.

Die heutige Situation ist ganz anders. Unter den Lichtquellen überwiegen Kompaktleuchtstofflampen und LED-Glühbirnen. Sie werden von Schaltnetzteilen gespeist, die den Leistungsfaktor nur unzureichend und die Störungen gar nicht kompensieren.

Manchmal fehlt die Kompensation ganz, um die Preise niedrig zu halten. Kondensatoren werden zur Begrenzung der Impedanz von LED-Lampen verwendet. Dadurch sinkt der Wirkleistungsverbrauch um mehrere zehn Prozent, während der Einfluss der Blindleistung und der höheren Frequenz zunimmt. Wir sparen bei der Wirkleistung, während sich der Leistungsfaktor deutlich verschlechtert.

Heutzutage verwenden fast alle Geräte Schaltnetzteile oder andere synchronisierte Wechselrichter, die durch Nulldurchgang gesteuert/umgeschaltet werden. Diese Quellen haben einen relativ hohen Wirkungsgrad und sind klein, aber wenn wir sie verwenden, tritt eine große Menge an höheren Stromoberschwingungen (und sekundär dazu, Spannung) auf.

	Verbrauch (Wirkleistung)	Scheinbare Leistung	Leistungsfaktor
Klassische Glühbirne	60W	60VA	1
Kompakt-Leuchtstofflampe	12W	30VA	0,4
LED-Licht	5W	10VA	0,5

Wie E-Meter (nicht) höhere Oberschwingungen messen

E-Zähler (Stromzähler) sollten die gesamte gelieferte/verbrauchte Energie messen. Das bedeutet sowohl die Energie der Grundharmonischen als auch alle Oberschwingungen, die im Netz auftreten. Die heutigen elektronischen E-Zähler können mit hoher Genauigkeit sehr kleine Strommengen messen (Stand-by-Strom).

Andererseits messen sie keine Energie, die höhere Oberschwingungen im Netz enthält. In diesem Stadium hinken die gesetzlichen Messinstrumente der tatsächlichen Situation im Netz deutlich hinterher.

Die wichtigste Einschränkung ist die Abtastfrequenz des Analog-Digital-Wandlers (adc). Dieser ADC muss (gemäß dem Abtasttheorem) mit einem Tiefpassfilter – einem Anti-Aliasing-Filter – versehen sein, der sicherstellt, dass höhere Oberwellen nicht an den Wandler gelangen.

Heute erreicht die Abtastfrequenz in der Regel 1kHz – wir können also theoretisch Oberschwingungen mit einer Frequenz von bis zu 500Hz (10. Oberschwingung) messen. Frequenzen über 1kHz (die Frequenz für alle Wechselrichter) werden überhaupt nicht gemessen.

Die Frequenzabhängigkeit von Stromwandlern hat auch einen (geringeren) Einfluss auf die Ergebnisse der Messung der Energie höherer Harmonischer. Diese Frequenzabhängigkeit wird im Zeitbereich schlecht kompensiert, während sie im Frequenzbereich kompensiert werden kann. Außerdem ist bei zweiadrigen Spulen (mit Gleichstromfestigkeit) eine Kompensation unmöglich.

E-Meter mit Kondensator-Netzteil beeinflussen auch die Messung höherer Oberschwingungen. Diese E-Meter werden heißer und erwärmen sich, wenn höhere Oberschwingungen vorhanden sind. Die Stromversorgung eines E-Zählers wird durch höhere Oberschwingungen überlastet und kann dadurch beschädigt werden.

Wie können wir sie bewältigen?

Wir haben mehrere Möglichkeiten, wie wir das Problem der Nichtmessung höherer Harmonischer lösen können:

• Wir können dieses Problem ungelöst lassen und so tun, als sei es kein Problem. Vielleicht in der Hoffnung, dass die Situation später besser wird?
• Wir können versuchen, die Filterung bei der Versorgung zu verbessern. Wir können die Hersteller von Wechselrichtern zwingen, Qualitätsfilter einzubauen, was Änderungen in den einschlägigen Normen zur Qualität der Stromversorgung und zur EMV bedeutet.
• Wir können versuchen, die Filterung der Geräte zu verbessern. Die Situation ist die gleiche wie oben, und betrifft die Umsetzung einer anderen Norm.
• Indem man damit beginnt, den Einfluss von Versorgung und Last zu messen und bei Nichteinhaltung des Leistungsfaktors Geldstrafen zu verhängen. Eine Möglichkeit besteht darin, wirklich alle Energie zu messen und den Leistungsfaktor (PF) zu ermitteln. Wenn der PF außerhalb der Grenzwerte liegt, müssen die Kunden mehr bezahlen.

In jedem Fall ist es notwendig, die Leistung in einem breiteren Frequenzspektrum zu messen als heute üblich (bis zu 10 kHz) und die Qualität der Stromversorgung an mehr Punkten im Netz zu überwachen.

Schlussfolgerung

Heute, wo der reale Verbrauch von Geräten sinkt, während die Blindleistung steigt und wir Energie bei höheren Frequenzen hinzufügen müssen, sind die derzeitigen zertifizierten Messgeräte veraltet. Die Grenzwerte für zusätzliche Fehler und Prüfsignale/-kurven müssen geändert werden.

Die aktuellen Normen erlauben zusätzliche Fehler von bis zu 6 % bei der Messung von Oberschwingungen (niedere Oberschwingungen). Es gibt keine Norm für ein E-Meter zur Messung höherer Oberschwingungen.

Diese Normen für E-Zähler und die Qualität der Stromversorgung spiegeln jedoch NICHT die Tatsache wider, dass sich die Energieversorgung und die Geräte verändert haben. Es ist daher höchste Zeit, diese Normen durch neue zu ersetzen.

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