Spannungen oder Ströme?

Die Spannung, die Kraftwerks-Generatoren – in der Regel Drehstrom-Synchronmaschinen – erzeugen, ist im Prinzip sinusförmig. Dies ergibt sich ganz einfach daraus, dass diese Spannung durch eine Rotationsbewegung erzeugt wird. Der vermehrte Einsatz kleinerer dezentraler Einheiten – Stichwort »Energiewende« – ändert daran zunächst einmal wenig, solange diese Maschinen direkt am Netz laufen (Blockheizkraftwerke). Bei solchen, die über elektronische Umrichter (Wind) bzw. Wechselrichter (Sonne) einspeisen, bemüht man sich mit ebenfalls elektronischen Mitteln, die Sinusform so gut wie möglich – nein, eher so schlecht wie gerade mal ausreicht, um die Mindestforderungen in den Normen zu erfüllen – wieder herzurichten.

Tatsache bleibt jedoch, solange es noch rotierende Maschinen im Kraftwerkspark gibt, dass die magnetisch erzeugte Spannung proportional zur Änderungs-Geschwindigkeit des magnetischen Flusses in der Hauptwicklung der betreffenden Maschine ist. Der magnetische Fluss in der Hauptwicklung ist proportional zum Kosinus des Winkels zwischen dieser und der Erregerwicklung. Die Änderungs-Geschwindigkeit dieses magnetischen Flusses ist somit proportional zum Sinus des Winkels zwischen den Wicklungen. Fertig ist die Sinusspannung – sofern die Drehzahl keinen schnellen Schwankungen unterliegt und das Feld homogen ist. Für Ersteres sorgt das Massenträgheitsmoment; um Zweiteres bemüht man sich bestens, aber letztlich gleichen sich kleine Unregelmäßigkeiten bei der Vielzahl an Maschinen gegenseitig aus. Fazit: Die induzierte Spannung, also so zu sagen »die Leerlaufspannung des Netzes«, kommt dem Schönheits-Ideal der Sinusschwingung [lat. sinus = Busen] schon sehr nahe. Die Abweichung läge, liefe denn das Netz jemals leer, deutlich unter 1%.

Oberschwingungen treten also zunächst nur im Strom auf: Wie beschrieben, verändert eine nicht lineare Last ihre Impedanz abhängig vom Punkt der Phase (z. B. Dimmer) bzw. vom Augenblickswert der Spannung oder des Stroms (z. B. eine Diode, einzeln für sich betrachtet, oder eine Gas-Entladung). Dadurch werden die Stromverläufe gegenüber dem Verlauf der sie treibenden Spannung verzerrt. Nur durch die nie ganz vermeidbaren Impedanzen im Netz, also über die Spannungsfälle, übertragen sich diese Verzerrungen auch auf die Spannung. Folgende Punkte sind in diesem Zusammenhang hervorzuheben:

Bild 3
Bild 3: Oberschwingungen fließen »stromaufwärts«
  • Nur bei falschem mechanischem oder elektrischem Aufbau der Netze stellen die verzerrten Ströme an sich schon ein Problem dar. Nur indirekt wird hierdurch auch die Kurve der Spannung »verbeult«. Das Ausmaß dieser Verformungen wird teilweise durch Normen »geregelt« – sofern man dies denn so nennen kann.
  • Eine Äußerung wie »Dieses Netz hat so und so viel Verzerrungsgehalt« muss sich immer auf die Spannung beziehen. Beim Strom ist die pauschale Angabe eines Wertes für den Verzerrungsgehalt unmöglich. Dieser hängt vielmehr von den am jeweiligen Endstromkreis betriebenen Verbrauchern ab.
  • Umgekehrt beeinflussen die Parameter des Netzes das Ausmaß an Harmonischen im speisenden Strom einzelner Endgeräte. Der Oberschwingungsgehalt ist also auch in Bezug auf das einzelne Gerät keine fixe, unabhängige Größe!
  • Oberschwingungen fließen also gleichsam »stromaufwärts« vom Endgerät hin zur speisenden Energiequelle (Bild 3) – entgegen der (bislang in der konventionellen Stromversorgung üblichen) Energierichtung vom Großkraftwerk zum Kleingerät!
  • Da die inneren Impedanzen der Netze in aller Regel zwischen einer und zwei Größenordnungen niedriger sind als die Parallelschaltung aller angeschlossenen Verbrauchsmittel, ist der Gehalt an Oberschwingungen in der Spannung normalerweise deutlich kleiner als im Strom.
  • Lässt sich das Auftreten von Strom-Oberschwingungen durch geeignete Auslegung des Netzes oft deutlich reduzieren, so wird dies stets mit einer zunehmenden Verzerrung der Spannung erkauft und umgekehrt, wie später bei den Maßnahmen besonders deutlich gezeigt werden wird.

Entsprechend wichtig ist es zum Verständnis der Zusammenhänge und Auswirkungen und zur Auswahl der passenden Gegenmaßnahmen – ebenso wie zur Beurteilung, ob Maßnahmen überhaupt erforderlich und angemessen sind – nachfolgend das Zusammenspiel von Spannungs- und Strom-Harmonischen detailliert darzustellen.