Durch Oberschwingungen verursachte Probleme innerhalb der Anlage

Oberschwingungsströme verursachen sowohl im Versorgungsnetz als auch innerhalb der Anlage Probleme. Die Auswirkungen und ihre Lösungen sind sehr unterschiedlich und müssen getrennt betrachtet werden. Die geeigneten Maßnahmen, um die Auswirkungen von Oberschwingungen innerhalb der Anlage zu beherrschen, müssen nicht unbedingt auch die im Netz verursachten Verzerrungen reduzieren und umgekehrt. Es gibt mehrere verbreitete Probleme, die durch Oberschwingungen verursacht werden:

Durch Oberschwingungsströme verursachte Probleme:

◆ Überlastung von Neutralleitern

◆ Überhitzung von Transformatoren

◆ Fehlauslösung von Leitungsschutzschaltern / Leistungsschaltern

◆ Überbeanspruchung von Kompensations-Kondensatoren

◆ Skineffekte

Durch Oberschwingungsspannungen verursachte Probleme:

◆ Spannungsverzerrungen

◆ Überhitzung und Hochlaufschwierigkeiten von Drehfeldmotoren

◆ Nulldurchgangsstörungen (bei elektronischen Steuerungen, die sich an den Nulldurchgängen orientieren)

Überlastung von Neutralleitern

Überlastung von Neutralleitern In einem dreiphasigen System sind die Spannungsschwingungen der Phasen gegeneinander um 120° verschoben, so dass der Summenstrom im Neutralleiter, wenn jeder Außenleiter gleich belastet wird, zu Null wird. In der Vergangenheit haben Anlagenbauer (mit Genehmigung der normgebenden Behörden) diese Tatsache genutzt, um Neutralleiter-Querschnitte auf die Hälfte zu reduzieren. Wenn auch die Grundschwingungsströ- me sich ausgleichen, ist dies jedoch bei den Oberschwingungsströmen nicht der Fall – vielmehr addieren sich die Oberschwingungen durch drei teilbarer Ordnung im Neutralleiter. Dieser Effekt ist in Bild 12 dargestellt. In diesem Diagramm sind die Außenleiterströme oben eingetragen und werden in Intervallen von 120° eingeführt. Die Oberschwingung dritter Ordnung jeder Phase ist identisch, da sie die dreifache Frequenz und ein Drittel des Phasen-Versatzes der Grundschwingung hat. Der effektive Neutralleiterstrom der Oberschwingung dritter Ordnung ist im Diagramm unten eingetragen. In diesem Fall ergeben 70 % Strom der Oberschwingung dritter Ordnung in jedem Außenleiter 210 % dieses Stroms im Neutralleiter.

Quelldokument:

Fallstudien in Gewerbebauten ergeben trotz symmetrischer Aufteilung der Lasten normalerweise Neutralleiterströme von 150 % bis 210 % der Grundschwingungsanteile in den Außenleiterströmen oder bis zu 173 % des Effektivwertes eines jeden Außenleiterstroms – oft in Neutralleitern halben Querschnitts! Es besteht einige Unklarheit darüber, wie dieses Problem bei der Planung berücksichtigt werden sollte. Sofern einadrige Leitungen verwendet werden, ist die einfachste Lösung der Einbau doppelt starker Neutralleiter. Wenn Mehrleiterkabel verwendet werden, ist die Situation nicht so einfach. Die Nennwerte für Mehrleiterkabel (wie beispielsweise angegeben in IEC 60364-5-523, Tabelle 52) gehen von der Annahme aus, dass die Last ausgeglichen ist und der Neutralleiter keinen Strom führt. Mit anderen Worten: Nur drei der vier oder fünf Leiter führen Strom und erzeugen Wärme. Da die Strombelastbarkeit der Leitung nur durch die Wärmeleistung bestimmt wird, die sie bei der erlaubten Höchsttemperatur ableiten kann, ergibt sich, dass der Nennwert von Leitungen herabgesetzt werden muss, wenn sie Oberschwingungsströme durch drei teilbarer Ordnung führen. In dem oben dargestellten Beispiel führt die Leitung fünf Stromeinheiten – drei in den Außenleitern und zwei im Neutralleiter –, obwohl sie nur für drei Einheiten ausgelegt wurde. Sie sollte nur mit etwa 60 % des Nennstromes belastet werden. In einem „unsauberen“ TN-S-System, in dem mehrfache Verbindungen zwischen Neutral- und Schutzleiter vorkommen, was zumindest in mehrfach gespeisten Netzen fast immer der Fall ist, wird etwa die Hälfte des Stroms, der eigentlich dem N-Leiter zugedacht ist, über den PE-Leiter fließen. Das entlastet zwar den Neutralleiter und wegen der quadratischen Abhängigkeit der Wärmeleistung vom Strom sogar die gesamte Leitung, muss aber wegen anderer gravierender Nachteile heute auf jeden Fall vermieden werden.