Oberschwingungs-Trends und Tendenzen

Normen sind also zum Lösen technischer Probleme nicht immer geeignet. Manchmal hat man den Eindruck, in den Normen stecke mehr Politik als Technik. Ein Heer von Technikern bemüht sich, die Normen nach den physikalischen Gegebenheiten auszurichten, aktuell zu halten und nach Möglichkeit etwas verständlicher zu gestalten, jedoch die Antwort auf die Frage, wie man mit Normen sachgerecht umgeht, lautet in einigen Fällen weiterhin: Indem man sie umgeht. Manche Normen scheinen geradezu darauf hin geschneidert zu sein, dass man dazu nicht einmal einen Bogen gehen muss. Um solche Normen ging es im voran gegangenen Abschnitt. So bedarf es gar nicht mehr der Erwähnung, dass die hier zuletzt besprochene Norm in ihrer Klasse C »Beleuchtungseinrichtungen einschließlich Beleuchtungsreglern« im Bereich über 25 W zwar brauchbare Grenzwerte vorhält, jedoch gleich gefolgt von dem Zusatz: »Ausgenommen Dimmer für Glühlampen mit einer Nennleistung bis 1000 W«. Wo gibt es schon Glühlampendimmer für über 1000 W Anschlussleistung? Aber da es bald kaum noch Glühlampen geben wird, ist dieses Thema von gestern und nur noch als abschreckendes Beispiel geeignet. Weiter leisten zum Teil auch die Fortschritte bei der Energie-Effizienz Schützenhilfe zum Unterlaufen normativer Forderungen. So liegen die heutigen PC-Flachbildschirme deutlich unter der Grenze von 75 W; bei den alten Röhrenmonitoren war dies schon eher grenzwertig.

Bild 72
Bild 72: So sehen elektromagnetisch verträgliche Anlagen heute aus, die auch ein gerütteltes Maß an Oberschwingungen ertragen: Außenleiter dicht beieinander, N-Leiter dicht daran, PE-Leiter möglichst weit davon weg …
Bild 73
Bild 73: … und nur eine Verbindung zwischen N- und PE-Leiter!

Aber wie schon ausgeführt, sollte ein Niederspannungsnetz heute zum Umgang mit Harmonischen geeignet aufgebaut sein. Was das bedeutet, lässt sich ganz kurz und knapp in zwei Forderungen zusammenfassen:

  • Nur noch »echte« TN-S-Systeme einsetzen, die diesen Namen auch verdienen – also mit ZEP (Bild 72, Bild 73); zweckmäßigerweise entsprechend kennzeichnen (Bild 74, Bild 75)!
  • Impedanzen niedrig halten, Leiterquerschnitte großzügig bemessen! Wo dies – hinsichtlich der induktiven Spannungsfälle – nicht ausreicht, gezielt einige passive Filter einsetzen.

Bild 74
Bild 74: Auch so kann er aussehen …
Bild 75
Bild 75: … und zweckmäßigerweise bringt man Hinweise darauf an, dass dieses eine Teil in der gesamten Anlage bitte nicht redundant ausgeführt werden möge

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Gestern

Doch die Praxis ist dort leider noch nicht durchgängig angekommen. Ein Gutachter tituliert in seinen sehr beliebten Lehrveranstaltungen die derzeitige Praxis gerne als »die verPENnte Elektrotechnik« und betont: »Unsere Aufgabe ist es nicht, Normen zu erfüllen, sondern Störungen zu beseitigen und Schäden zu verhüten!« Gern – und sehr treffend – vergleicht er den Stromkreis mit dem Wasserkreislauf. Ist in der Sanitärtechnik die Sickergrube längst überholt, so wird Entsprechendes in der Elektro-Installation noch regelmäßig vorgefunden und teilweise sogar in Neubauten installiert: Der Strom wird ordentlich über einen oder mehrere Außenleiter zur »Zapfstelle« hingeführt, findet aber keinen definierten Rückweg vor. Statt dessen lässt man die Rückströme gleichsam im Gebäude »versickern«, und die Elektronik bekommt nasse Füße. Es erfordert wenig Zynismus, eher reinen Realismus, um diese Technik als »elektrische Kloake« zu bezeichnen, mit der nicht morgen, sondern gestern Schluss gemacht werden muss. Die Normen sind auf dem besten Wege dorthin, doch der Normungsprozess ist unvermeidbar sehr langwierig. Hier ist zuerst die Sachkompetenz der entscheidenden Elektrofachkraft gefragt.

Diese Ausführungen sind mithin nicht als Argument gegen die Segnungen moderner Elektronik zu verstehen. Vielmehr sollten umgekehrt die Netze so ausgelegt werden, dass sie mit der neuen Art von Belastung fertig werden, die der technische Fortschritt mit sich bringt.

Heute

Bild 76
Bild 76: Oberschwingungsgehalt an einer Haussteckdose in einem Wohngebiet vom 22. bis 28. August 2002 – interessehalber wurde die Spannung mit dargestellt

Davon unabhängig lässt sich zur Zeit z. B. an Fernsehgeräten und PC-Netzteilen beobachten, dass die Grenzwerte der IEC 61000-3-2 großenteils »freiwillig«, ohne normativen Zwang, unterboten werden – schlichtweg, weil dies nahezu nichts mehr kostet. Wies ein altes Fernsehgerät mit Bildröhre noch einen THDI von 75% auf, so sind es bei einem modernen LCD- oder LED-Fernseher nur noch etwa 30%. Die sehr viel größeren Bildschirme ließen zwar die Leistungsaufnahme ansteigen, obwohl die neue Technik an sich sparsamer ist, aber der absolute Ausstoß, etwa der dritten Oberschwingung, fiel in einem Beispielfall von 234 mA auf 156 mA.

Bild 77
Bild 77: Oberschwingungsgehalt an derselben Stelle über einen Tag am 26. Dezember 2013 (Feiertag – vergleichbar mit Sonntag in Bild 76; Spannung identisch mit jener aus Bild 67)

Die Folgen sind deutlich messbar: Verursachte die Fußball-Weltmeisterschaft 2002 in einem Wohngebiet noch einen einsamen Spitzenwert von THDU = 5,3% und ein durchschnittlicher »Tatort« am Sonntagabend etwa 4,8%, so waren es bei der Europameisterschaft 2008 in demselben Wohngebiet nur noch 3,6%, und 2013 brachte es der zweite Weihnachtsfeiertag – trotz ausgesprochener »TV- und PC-Witterung«, dazu noch mit 18 Stunden Dunkelheit und 6 Stunden Dämmerung, nur noch auf ein Minimum von 1,8% (um 8:30 Uhr) und ein Maximum von 2,6% THDU (um Mitternacht). Auffällig ist, dass vor 10 Jahren starke Schwankungen im Tages- wie im Wochenrhythmus zu erkennen waren (Bild 76), während sich der THD heute mit etwa 2,5% mehr oder weniger konstant über den Tag zieht (Bild 77). Offenbar handelt es sich bei den Verursachern heute eher um jene, die ständig am Netz verbleiben. So werden z. B. Heizungspumpen verstärkt mit drehzahlveränderlichen Antrieben versehen.

Bild 78
Bild 78: Eine denkwürdige Fußballnacht – Anstoß am 13.07.2014 um 21:00 Uhr, 10-Minuten-Mittelwerte (wie nach EN 50160 gefordert)

Das Endspiel um die Fußball-Weltmeisterschaft 2014 lieferte nur noch THDU-Werte von 1,55% bis 2,69% (Bild 78, Bild 79). Der Verlauf ließ darüber hinaus keinerlei Korrelation zum Spielverlauf mehr erkennen. Während sich die Gewohnheiten natürlich geändert haben, hin zum gemeinschaftlichen Verfolgen des Spiels über Großgeräte, die sich ganz anders verhalten mögen, sind auch die modernen flachen Fernsehgeräte fast durchweg mit aktiver PFC ausgestattet.

Bild 79
Bild 79: Die gleiche Aufnahme aus Bild 78 in 1-Sekunden-Werten bringt die Details an den Tag – aber eine Korrelation zum Fußballspiel einschließlich Verlängerung ist nicht zu erkennen
Bild 80: Detail-Ansicht: Woher stammen die (sich in Bild 79 regelmäßig wiederholenden) Einbrüche der dritten, begleitet von Spitzen bei der fünften Harmonischen (nach EN 50160 geschickt verborgen)?

Im Nachgang zum Abschnitt 7 über die Normen muss hier wiederum festgestellt werden, dass die periodisch auftretenden Spitzen (Bild 80) bei der Messmethode nach EN 50160 (Bild 78) verborgen bleiben. Hingegen könnten bestimmte Störungen und Ausfälle sehr wohl von solch kurzzeitigen Überschreitungen der Grenzwerte verursacht werden, die so formal keine Überschreitungen darstellen, also nach Norm wirkungsvoll »weggemessen« werden, aber dennoch vorhanden sind.

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Morgen

Geradewegs in die andere Richtung läuft der Trend in der Industrie. Der ZVEI schätzt, dass bislang etwa 7% bis 8% aller Antriebe in der Industrie mit einem Frequenzumrichter ausgestattet seien; sinnvoll und nützlich sei dies jedoch bei rund der Hälfte aller Antriebe. Somit sollte die Anzahl der Frequenzumrichter in den nächsten Jahrzehnten etwa um den Faktor 7 zunehmen. Wenn man bedenkt, dass diese Umrichter bis hin zu großen Bauleistungen von mehreren 100 kW zumeist nur mit einer passiven Eingangsstufe mit B6-Gleichrichter bestückt sind, die bei den kleinen Anschlussleistungen über gar keine, bei den großen lediglich über eine partielle passive Filterung verfügen, so wird schon klar, was dort auf uns zukommt.

Bild 81
Bild 81: Ein Kondensator von nur 1 µF, ans Netz geschaltet, zeigt, wie die Spannung wirklich beschaffen ist, weil im Strom die höherfrequenten Anteile verstärkt auftreten (hier aufgenommen in einem Bürogebäude)

Die Nachfolger der Oberschwingungen sind zudem die Filterströme, die sich den Betriebsströmen überlagern und die Spannungskurve verzerren – ohne dass man dies auf einem einfachen Oszilloskopbild unmittelbar sieht. Man muss aber nur einen Kondensator direkt an die Netzspannung legen und den Strom betrachten, der sich hier einstellt (Bild 78). An dessen Kurvenform erkennt man, was hier noch auf uns zukommt – und keinem stringenten Bildungsgesetz folgt wie bei den Harmonischen. Ein hochwertiges Messgerät bietet noch entsprechend mehr Detailtreue (Bild 79). Der Versuch funktioniert mit jeder beliebigen Kapazität; die Stromkurve bietet immer das gleiche Bild. Nur der Strommaßstab ändert sich.

Bild 82
Bild 82: Ein Wechselstrom-Kondensator 10 µF wird an real existierender Netzspannung betrieben (Wohngebiet – eine industrielle Umgebung lässt noch wietaus stärkere Verzerrungen der Stromkurve erwarten)

Der größte Teil der industriellen Antriebe – etwa zwei Drittel – bedienen Lüfter und Pumpen. Eine aktive Bremsung mit Rückspeisung ins Netz kommt hier nicht in Frage, und damit fehlt der unmittelbare Anlass zum Einsatz aktiver Eingangsstufen. Dafür, dass dennoch hochfrequente Betriebsströme zum Fließen kommen werden – noch dazu über den PE-Leiter, wohin sie nicht gehören – sorgt schon der Zwischenkreis. Von dort breiten sich diese Ströme – zum Teil über die Schirmkapazität der Motor-Anschlussleitung – sowohl nach vorne zum Motor als auch nach hinten ins Netz aus. Die weit gehende gegenseitige Kompensation von Oberschwingungs-Frequenzen zwischen Außenleiter und Neutralleiter gegen die jeweils entsprechenden gleicher Frequenz zwischen den Außenleitern, aber um 150° (sprich fast 180°) versetzt, hat schon früher nicht funktioniert. Die jeweiligen Quellen waren durch große Entfernungen und mehrere Transformatorstufen zwischen ihnen entkoppelt. Nun aber klappt dies erst recht nicht mehr, weil die verzerrenden Einphasenlasten verschwinden und die dreiphasigen zunehmen. So bleiben uns beide Probleme erhalten, die Harmonischen und die hochfrequenten Ableitströme. Aber wir bleiben dran.