Spannungsqualität
Als Spannungsqualität in elektrischen Versorgungsnetzen der Stromanbieter bezeichnet man die Übereinstimmung zwischen den aktuellen physikalischen Werten der Netzspannung, wie sie beim „Verbraucher/Kunden“ ankommen, und den von den elektrischen Versorgungsunternehmen (Lieferanten) zugesagten Eigenschaften der Netzspannung. Eine hohe Übereinstimmung der aktuellen Werte mit den zugesagten Werten bedeutet eine hohe Qualität.
Grundlagen
Elektrische Verbraucher benötigen, damit sie bestimmungsgemäß funktionieren können, eine Versorgungsspannung, die bestimmte Kriterien aufweist. Mangelnde Spannungsqualität der Netzspannung kann zur Beeinträchtigung des Verhaltens von elektrischen Verbrauchern bis zur Gefährdung von Personen und Sachen führen.
Die wichtigsten Parameter für die Spannungsqualität sind:
- Spannungshöhe
- Frequenz
- Kurvenform
- Störungen
Die Energieversorger sind verpflichtet, bestimmte Toleranzwerte bei den jeweiligen Parametern einzuhalten. Diese Toleranzen der Spannungsqualität sind durch die International Electrotechnical Commission (IEC) definiert für Über- und Unterschreitung des Bemessungswertes, Einhaltung des zeitlichen Verlaufs (Frequenz) bei Wechselspannung, Gehalt an Oberwellen (Verzerrungen) u. a.
Beeinflussung der Spannungsqualität
Die Spannungsqualität der Netzspannung wird im wesentlichen beeinflusst durch die Güte der Erzeugung, durch Einflüsse während der Übertragung und durch Rückwirkungen der Verbraucher selbst. Es gilt das sogenannte Verursacherprinzip. Vom Betreiber des elektrischen Netzes wird der Verbraucher (Kunde) verpflichtet, Rückwirkungen seiner elektrischen Anlagen in zulässigen Grenzen zu halten, um eine Beeinflussung von „Nachbarn“ zu vermeiden. Störungen können durch schadhafte Geräte oder Geräte, die nicht den Normen entsprechen, hervorgerufen werden.
Besonders empfindlich gegenüber der Spannungsqualtität sind EDV- und Telekommunikationsanlagen. Ein „verschmutztes“ Stromnetz kann häufige Systemabstürze und Hardwareausfälle bewirken. Verschiedene Maßnahmen können Abhilfe schaffen. Die einfachste Maßnahme mit dem geringsten Effekt bilden zusätzliche Netzfilter. Eine Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) bietet darüber hinaus Schutz vor Stromausfällen. Die wirksamste Maßnahme stellen Spannungskonstanter (engl. Power Conditioner) dar, wobei Unterbrechungsfreie Stromversorgungen teilweise über dieselben Funktionen verfügen.
Bewertungskriterien für Spannungsqualität
Kurzunterbrechung (KU)
Lichtbogen-Kurzschlüsse, wie sie beispielsweise durch Blitzeinschläge oder Schaltüberspannungen im Stromnetz verursacht werden, können durch Unterbrechung der Stromversorgung für ca. 0,3 s, Kurzunterbrechung genannt, meist beseitigt werden. Hierdurch entsteht beim Endverbraucher ein kurzzeitiger Spannungseinbruch, der sich durch Helligkeitsschwankungen bei Glühlampen bemerkbar macht.
Flicker
Als Flicker werden Spannungsschwankungen bezeichnet, welche eine Leuchtdichteschwankung bei Leuchtmitteln hervorrufen. Das Phänomen Flicker wurde empirisch mit einer Vielzahl von Studenten als Probanden und Leuchtdichteschwankungen an einer 60 Watt Glühlampe ermittelt. Daraus resultierend wurde die Flickerkurve entwickelt. Anhand dieser Kurve wird definiert, in welcher Höhe, Dauer und Anzahl die Spannungsschwankungen bei Verbrauchern tolerabel sind.
Oberschwingungen
Als Oberschwingungen werden Schwingungen der Spannung bezeichnet, die eine höhere Frequenz als die eigentliche Netzfrequenz aufweisen und dieser überlagert sind. Sie können die ordnungsgemäße Funktion von elektronischen Geräten beeinträchtigen.
Transienten
Unter Transienten versteht man schnelle Störimpulse (Burst) oder energiereiche Störimpulse (Surge). Sie werden auch als Überspannungen bezeichnet.
Unsymmetrie
Als Unsymmetrie oder Schieflast wird das Verhältnis zwischen den Komponenten des Gegen- und Mitsystems bezeichnet, welche durch eine ungleichmäßige Belastung der Phasen hervorgerufen wird. Dies wird verursacht durch Geräte, welche ein- oder zweiphasig betrieben werden. Dadurch steigt die Spannung in dem weniger belasteten Außenleiter an, während sie in den belasteten Außenleitern sinkt. Durch entsprechend gewickelte Transformatoren kann diese Unsymetrie teilweise ausgeglichen werden.
Frequenz
Frequenzabweichungen bewirken eine Veränderung der Drehzahl von direkt ans Netz angeschlossenen Elektromotoren, was insbesondere bei Synchronmotoren unerwünscht ist. Auch können sie Störungen an elektronischen Verbrauchern hervorrufen.
Normative Vorgaben
- EN 50160: Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen. Selbstverpflichtungsnorm für die Energieversorger mit vielen Ausnahmen.
- DIN EN 61000-2-2: Elektromagnetische Verträglichkeit; Umgebungsbedingungen; Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen und Signalübertragung in öffentlichen Niederspannungsnetzen. Diese Norm lehnt sich größtenteils an die EN 50160 bzw. DIN EN 61000-2-4 Klasse 2 an.
- DIN EN 61000-2-4: Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV); Teil 2: Umgebungsbedingungen; Hauptabschnitt 4: Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen in Industrieanlagen. Norm mit Klasseneinteilung für verschiedene Betriebsumgebungen. Klasse 1 für z. B. Rechenzentren; Klasse 2 für z. B. Gewerbebetriebe, Bürobereiche; Klasse 3 für z. B. Schwerindustrie, Frequenzumrichter.
Die Anforderungen für die Spannungsqualität im Bahnstromnetz sind geringer. Wegen der geringeren installierten Leistung und der hohen Energiespitzen anfahrender Züge ist die Spannungsqualität im Bahnstromnetz schlechter als im öffentlichen Stromnetz.
Literatur
Fachbücher
- Dirk Blume; Jürgen Schlabbach; Thomas Stephanblome: Spannungsqualität in elektrischen Netzen: Ursachen, Messung, Bewertung von Netzrückwirkungen und Verbesserung der Spannungsqualität. Vde-Verlag, 1999, ISBN 3-8007-2265-8.
- Walter Hormann; Wolfgang Just; Jürgen Schlabbach: Netzrückwirkungen. Hrsg.: Rolf R. Cichowski. Vde-Verlag, 2008, ISBN 3-8007-3088-X.
Fachartikel
- Hans de Keulenaer, Leitfaden Netzqualität: Selbsthilfeleitfaden zur Beurteilung der Netzqualität,Deutsches Kupferinstitut Leonardo Power Quality Initiative
- David Chapman, Leitfaden Netzqualität: Oberschwingungen - Ursachen und Auswirkungen,Deutsches Kupferinstitut Leonardo Power Quality Initiative
- Dr. Johan Driesen + Dr. Thierry van Croenenbroeck, Leitfaden Netzqualität: Spannungsstörungen - Einführung in die Unsymetrie,Deutsches Kupferinstitut Leonardo Power Quality Initiative
- David Chapman, Leitfaden Netzqualität: Spannungseinbrüche,Deutsches Kupferinstitut Leonardo Power Quality Initiative
- David Chapman, Leitfaden Netzqualität: Kosten schlechter Netzqualität, Deutsches Kupferinstitut Leonardo Power Quality Initiative
- Ernst Pargätzi, Praxisbezogene "Trends" in der modernen Netz- und Störungsanalyse, HAAG Fachbibliothek, HAAG Elektronische Messgeräte GmbH, Waldbrunn
- Angelo Boggini, Franco Buo, Leitfaden Netzqualität: Investitionsanalysen für Lösungen zu Netzqualitätsproblemen, Deutsches Kupferinstitut Leonardo Power Quality Initiative