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Der Begriff Spannungsqualität beschreibt die Eigenschaften der elektrischen Spannung an einem bestimmten Punkt eines elektrischen Netzes. Er wird durch eine Reihe technischer Merkmale charakterisiert und teilweise durch den verbreiteten englischen Begriff der „power quality“ substituiert.

In der Norm DIN EN 50160 sind die wesentlichen Merkmale der Versorgungsspannung definiert, die an der Übergabestelle zu Netznutzern in öffentlichen Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetzen unter normalen Betriebsbedingungen einzuhalten sind. Zu diesen Merkmalen zählen unter anderem die Netzfrequenz, die Spannungshöhe sowie Grenzwerte für den Anteil von Oberschwingungen. Häufig werden die Anforderungen statistisch beschrieben, z. B. dass 95 % der 10-Minuten-Mittelwerte innerhalb einer Woche die vorgegebenen Grenzwerte erfüllen müssen.

Die Einhaltung dieser Vorgaben ist wichtig, da Abweichungen, je nach Art und Ausmaß, zu Funktionsstörungen elektrischer Geräte, zu erhöhten Verlusten oder zu einer verkürzten Lebensdauer von Betriebsmitteln führen können. Die Verantwortung für die Spannungsqualität liegt beim Netzbetreiber, der diese über technische Regeln und Vorgaben hinsichtlich des Verhaltens der angeschlossenen Verbraucher sicherstellen muss.

Mit geeigneter Messtechnik lässt sich die Spannungsqualität überprüfen und dokumentieren. Normative Grundlagen hierfür bietet beispielsweise die IEC 61000-4-30. Gerne unterstützen wir Sie bei Bedarf mit entsprechenden Messgeräten und Datenanalysen für Ihre konkreten Fragestellungen und Herausforderungen.

Im Idealfall verlaufen Spannungen und Ströme in einem 50-Hz-Drehstromnetz sinusförmig. In der Praxis führen jedoch Verbraucher mit nichtlinearer Strom-/Spannungskennlinie, wie bspw. Lichtbogenöfen, Leistungselektronik sowie Nichtlinearitäten in Betriebsmitteln dazu, dass die Ströme und Spannungen von der idealen Sinusform abweichen. Diese Verzerrungen lassen sich mittels Fourieranalyse in sinusförmige Anteile zerlegen, deren Frequenz ein Vielfaches der Netzfrequenz von 50 Hz beträgt. Diese bezeichnet man als Oberschwingungen bzw. Harmonische. In dem nebenstehenden Diagramm sind entsprechende Verzerrungen im Stromverlauf, hier resultierend aus dem Laden eines Elektrofahrzeuges, erkennbar.

In der DIN EN 50160 sind Grenzwerte für die zulässigen Spannungsanteile einzelner Oberschwingungen sowie für den gesamten Oberschwingungsgehalt definiert. Letzterer wird als Total Harmonic Distortion (THD) oder Gesamtverzerrungsfaktor bezeichnet und umfasst die Harmonischen bis zur 40. Ordnung (2 kHz).

Auch für die von Netzkunden eingespeisten Oberschwingungsströme existieren Vorgaben. Auf Mittelspannungsebene sind diese bspw. in der VDE-AR-N 4110 geregelt. Diese ermöglicht dem Netzbetreiber, abhängig von der Anschlussleistung der Kundenanlage und den Netzgegebenheiten, Grenzwerte für die Einspeisung von Oberschwingungsströmen festzulegen. Auf Niederspannungsebene enthält die VDE-AR-N 4100 konkrete Vorgaben für Geräte mit Eingangsströmen kleiner bzw. größer als 75 A. Entsprechende Vorgaben finden sich auch in der IEC 61000.

Die Begrenzung der Oberschwingungsanteile ist relevant, da über die Netzimpedanz ein direkter Zusammenhang zwischen durch Kundenanlagen bzw. -geräten verursachten Oberschwingungsströmen und den Oberschwingungsanteilen der Spannung besteht, deren Einhaltung der Netzbetreiber sicherstellen muss. Zu hohe Anteile an Oberschwingungen können zu zusätzlichen Verlusten, schnellerer Alterung von Betriebsmitteln und Fehlfunktionen führen. Deshalb ist die Einhaltung der normativen Grenzwerte für eine zuverlässige Spannungsqualität unerlässlich.

Oberschwingungen oder Harmonische sind sinusförmige Spannungs- oder Stromanteile mit Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz (in Deutschland 50 Hz) darstellen. Normative Vorgaben bestanden lange Zeit nur bis zur 40. Oberschwingung, das heißt bis zu einer Frequenz von 2 kHz.

Mit steigenden Schaltfrequenzen in leistungselektronischen Anwendungen treten jedoch auch Verzerrungen in deutlich höheren Frequenzbereichen auf. Der Frequenzbereich von 2 kHz bis 150 kHz wird als Bereich der Supraharmonischen bezeichnet. In der IEC 61000 finden sich hierzu ebenfalls normative Vorgaben. Anders als bei den klassischen Harmonischen werden in diesem Bereich jedoch feste Frequenzbänder betrachtet und keine direkten Vielfachen der Grundfrequenz.

Neben den Harmonischen und Supraharmonischen existieren noch weitere spezielle Begrifflichkeiten. Als Zwischen- bzw. Interharmonische werden die Frequenzen zwischen zwei ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz bezeichnet. Der Frequenzbereich unterhalb der Netzfrequenz bis zu 0 Hz (Gleichanteil) wird als Subharmonische bezeichnet. Die jeweilige Einordnung dieser Bereiche ist auch in der untenstehenden Grafik dargestellt.