Ober­schwingungen im Stromnetz messen und beheben

Oberschwingungen sind Anteile von Strom oder Spannung, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz von 50 Hz ist, also 150 Hz (3. Harmonische), 250 Hz (5.), 350 Hz (7.) und so weiter. Sie entstehen durch nichtlineare Verbraucher wie Frequenzumrichter, Netzteile, LED-Treiber, USV-Anlagen oder Ladesäulen, die Strom pulsförmig aufnehmen. Die Oberschwingungsströme erzeugen an den Impedanzen von Transformator und Kabeln Spannungsabfälle und verzerren so die Spannung für alle Verbraucher im selben Netz. Folgen sind zusätzliche Erwärmung, Störungen und im ungünstigen Fall Resonanzen mit Kompensationsanlagen.

Ja, im Alltag meinen beide Begriffe dasselbe. Fachlich korrekt ist „Oberschwingungen“ oder „Harmonische“, denn es geht um zeitliche Schwingungen von Strom und Spannung mit einem Vielfachen der Netzfrequenz. „Oberwellen“ hat sich umgangssprachlich und bei vielen Produktbezeichnungen eingebürgert, etwa beim Oberwellenfilter. Davon zu unterscheiden sind Zwischenharmonische, deren Frequenz kein ganzzahliges Vielfaches von 50 Hz ist, und Supraharmonische oberhalb von 2 kHz. Beide treten durch moderne Leistungselektronik zunehmend auf und werden in einer guten Netzanalyse mit erfasst.

THD steht für Total Harmonic Distortion, den Gesamtoberschwingungsgehalt. THDu bezieht sich auf die Spannung, THDi auf den Strom, jeweils im Verhältnis zur Grundschwingung. Für öffentliche Netze nennt die DIN EN 50160 einen THDu von höchstens 8 %, der in 95 % der 10-Minuten-Mittelwerte einer Woche eingehalten werden soll. Für interne Industrienetze gelten die Verträglichkeitspegel der DIN EN 61000-2-4 je nach Umgebungsklasse, am Mittelspannungsanschluss zusätzlich die anlagenbezogenen Grenzen nach VDE-AR-N 4110. Für den Strom gibt es keinen pauschalen THDi-Grenzwert; maßgeblich sind die Vorgaben des Netzbetreibers.

Typische Anzeichen sind ein Transformator, der wärmer wird, als seine Auslastung erwarten lässt, warme Neutralleiter oder Stromschienen, sporadische Auslösungen von Schutzeinrichtungen ohne erkennbaren Fehler, unerklärliche Abschaltungen oder Fehlermeldungen von Steuerungen, Brummen in Netzteilen und flackernde Beleuchtung. Auch ausgefallene Kondensatoren oder Sicherungen in der Blindleistungskompensation sind ein Warnsignal, weil sie auf Resonanz hindeuten. Diese Symptome haben oft mehrere mögliche Ursachen. Eine Netzanalyse mit Messung von Strom und Spannung klärt, ob Oberschwingungen tatsächlich dahinterstecken.

Bei symmetrischer Last heben sich die 50-Hz-Ströme der drei Außenleiter im Neutralleiter auf. Die 3. Harmonische und ihre Vielfachen (9., 15. usw.) sind jedoch in allen drei Außenleitern phasengleich und addieren sich im Neutralleiter. Viele einphasige Lasten wie Netzteile und LED-Treiber können den N-Leiter so stärker belasten als die Außenleiter. DIN VDE 0298-4 fordert deshalb ab 15 % Oberschwingungsanteil einen Neutralleiter mit mindestens Außenleiterquerschnitt. Wir messen den N-Leiter-Strom und empfehlen bei Bedarf Überwachung, Filter oder eine Querschnittserhöhung.

Für belastbare Ergebnisse werden Spannung und Strom gleichzeitig gemessen, mit einem Netzanalysator der Klasse A nach IEC 61000-4-30. Der ZVEI empfiehlt für Oberschwingungen ein Zeitraster von 10 Minuten; für eine Bewertung nach EN 50160 ist meist eine Woche Messdauer üblich, damit alle Betriebszustände enthalten sind. Gemessen wird an der Übergabestelle, in der NSHV und an verdächtigen Abgängen. Wichtig sind außerdem die Dokumentation von Schaltzuständen, etwa der Kompensationsanlage, und die richtige Eingabe der Rundsteuerfrequenz, damit Filter später nicht falsch ausgelegt werden.

Für Kundenanlagen am Mittelspannungsnetz gilt die VDE-AR-N 4110, die über die Technischen Anschlussbedingungen (TAB) des Netzbetreibers verbindlich wird. Sie enthält Rechenverfahren, mit denen zulässige Oberschwingungsströme je Anlage aus der Anschlussleistung und der Netzimpedanz am Verknüpfungspunkt ermittelt werden. Pauschale Werte gibt es daher nicht. Laut ZVEI sind die Anforderungen damit deutlich gestiegen, und der Anlagenbetreiber ist für die Einhaltung verantwortlich. Die Grenzen werden bei der Anschlussbeurteilung und bei späteren Kontrollmessungen angewendet. Wir übernehmen Messung und Nachweis gegenüber dem Netzbetreiber.

Kondensatoren einer Blindleistungskompensation bilden mit der Induktivität von Transformator und Netz einen Parallelschwingkreis. Ohne Drossel kann dessen Resonanzfrequenz nahe einer vorhandenen Oberschwingung liegen, etwa der 5. oder 7. Harmonischen. Diese wird dann verstärkt statt gedämpft: Kondensatoren überhitzen, Sicherungen lösen aus, die Spannungsverzerrung steigt im ganzen Netz. Eine verdrosselte Anlage verschiebt die Resonanz unter die niedrigste relevante Oberschwingung, bei 7 % Verdrosselung auf 189 Hz. Bei Oberschwingungslast sollten bestehende Anlagen geprüft und gegebenenfalls ersetzt werden.

Das hängt von Spektrum und Lastverhalten ab. Passive Filter sind auf einzelne Ordnungen abgestimmt, etwa die 5. und 7. Harmonische, und eignen sich für konstante Lasten mit bekanntem Spektrum. Sie können überlastet werden und passen sich Laständerungen nur bedingt an. Aktive Filter messen laufend und speisen gegenphasige Ströme ein, kompensieren bis zur 50. Harmonischen und können nicht überlastet werden, kosten aber in der Regel mehr. Häufig ist eine Kombination wirtschaftlich, zum Beispiel ein passiver Filter für die 5. Harmonische und ein kleiner aktiver Filter für den Rest.

Eine vorsorgliche Messung lohnt sich vor größeren Änderungen am Netz: vor dem Bau eines Ladeparks, vor der Installation vieler Frequenzumrichter oder einer PV-Anlage mit Speicher, vor einer LED-Umrüstung und vor dem Kauf einer neuen Kompensationsanlage. Auch bei einer Leistungserhöhung oder einer neuen Trafostation hilft eine Messung des Ist-Zustands, Transformator und Neutralleiter richtig zu bemessen. Der ZVEI empfiehlt, zu erwartende Netzrückwirkungen schon bei der Planung zu erkennen, weil nachträgliche Änderungen meist aufwendiger sind.