Power Quality jederzeit im Blick

Power Quality, also die Qualität der elektrischen Energieversorgung, entwickelt sich zu einem zentralen Zukunftsthema, weil immer mehr sensible Geräte und Steuerungen in modernen Anlagen zum Einsatz kommen. Bereits geringe Schwankungen in Spannung oder Frequenz können dabei erhebliche Auswirkungen haben, wenn etwa Maschinen nicht mehr im gewünschten Betriebsbereich laufen, empfindliche Elektronik beschädigt wird oder ganze Produktionsabläufe unterbrochen werden. So lassen sich Überspannungen, die in manchen Fällen durch plötzliche Lastwechsel entstehen, häufig mit einer erhöhten Erwärmung von Bauteilen in Verbindung bringen, was zu einem schnelleren Verschleiss und im schlimmsten Fall zum Ausfall elektronischer Komponenten führen kann. Unterspannung hingegen schwächt die Leistungsfähigkeit einzelner Verbraucher: Motoren starten nicht richtig, Leuchten wirken dunkler und die Produktionsqualität leidet, weil gewisse Prozessparameter nicht mehr exakt eingehalten werden können.

Kurze Ausfälle – grosse Auswirkungen

Besonders kritisch wird es, wenn Spannungseinbrüche oder gar -unterbrechungen auftreten. Schon kurze Ausfälle reichen, um sensible Prozesse zu stören oder Datenverluste zu verursachen. In der Industrie beispielsweise ist es nicht unüblich, dass Ausfälle von Produktionslinien Kosten in Höhe von 25 000 bis zu 50 000 Franken pro Stunde verursachen können. Auch Spannungsfluktuationen, die sich in instabilem Gerätebetrieb oder flackernder Beleuchtung äussern, dürfen nicht unterschätzt werden, zumal sie die thermische Beanspruchung vieler Bauteile erhöhen und damit ihre Lebensdauer verkürzen können. Hinzu kommen Unsymmetrien im Drehstromnetz, bei denen die Spannungen der drei Phasen nicht gleichmässig verteilt sind. Diese führen zu Überlastungen in Motoren, Transformatoren oder im Neutralleiter und begünstigen Vibrationen, höheren Energieverbrauch und Geräteschäden.

Ein weiterer bedeutender Bereich der Power Quality betrifft die Oberschwingungen und Netzrückwirkungen. Hierbei verursachen nichtlineare Lasten – zum Beispiel elektronische Geräte, LED-Beleuchtung oder Frequenzumrichter – Stromverläufe, die nicht mehr sinusförmig sind. Dadurch entstehen zusätzliche Frequenzanteile, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz (50 Hz) bilden. Wenn solche Oberwellen zu stark ansteigen, kann es zu Verzerrungen der Netzspannung, Störungen sowie Überlastungen in empfindlichen Geräten kommen. Besonders in Anlagen, die einen eigenen Generator betreiben – etwa Blockheizkraftwerke oder erneuerbare Energiequellen mit Wechselrichtern –, können sich diese Verzerrungen durch unerwünschte Resonanzen in bestimmten Frequenzbereichen noch verstärken. Erreicht eine solche Resonanz einen kritischen Pegel, drohen überhöhte Spannungen und Ströme, die Bauteile schädigen oder Anlagenteile ganz ausfallen lassen können.

Von besonderer Relevanz ist die 3. Oberwelle, deren Frequenz bei 150 Hz (also dem Dreifachen der Grundfrequenz) liegt. In einem Drehstromsystem addiert sich diese dritte Harmonische im Neutralleiter phasengleich, anstatt sich wie die Grundschwingung gegenseitig aufzuheben. Das kann zu einer hohen Strombelastung im Neutralleiter führen, der oft nicht dafür ausgelegt ist und dadurch stark erwärmt wird. Aus diesem Grund ist die zusätzliche Messung des Neutralleiters so wichtig. Diese Überbeanspruchung erhöht nicht nur die Brandgefahr, sondern kann ebenfalls Beschädigungen hervorrufen, die in der Gesamtbilanz des Netzes zu schwerwiegenden Störungen führen.

Neben diesen Phänomenen ist auch der cos φ zu beachten, der die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom beschreibt, sowie der Leistungsfaktor, der zusätzlich die durch Oberschwingungen entstehenden Verzerrungen einbezieht. Ein schlechter Leistungsfaktor lässt sich somit auf kapazitive oder induktive Lastanteile und gleichzeitige Oberwellenbelastungen zurückführen, was die nutzbare Kapazität des Netzes verringert. Darüber hinaus treten in höheren Frequenzbereichen sogenannte Supraharmonische (2 kHz bis 150 kHz) auf, die zu elektromagnetischen Störungen, zusätzlicher Erwärmung von Bauteilen und möglichen Fehlfunktionen in elektronischen Systemen führen können.

Umfassendes Überwachungskonzept

Da an jeder Übergabestelle zwischen Netzbetreiber und Anlagenbetreiber, aber auch an internen Anschlusspunkten, jeweils andere Bedingungen herrschen, erfordert die Überwachung der Power Quality ein umfassendes Konzept. Auf Dauer lässt sich nur mit genauer Analyse und vorausschauender Planung vermeiden, dass sich Störungen ausbreiten oder die Lebensdauer wichtiger Komponenten sinkt. In einer Zeit, in der elektrische Energie immer mehr an Bedeutung gewinnt und Ausfallzeiten hohe Kosten verursachen, wird die Power Quality damit zu einem der spannendsten und zugleich entscheidenden Themenfelder der modernen Elektrotechnik.

Power-Quality-Probleme können sich auf ganz unterschiedliche Weise bemerkbar machen und sowohl vonseiten des Netzes als auch durch die angeschlossenen Verbraucher hervorgerufen werden.

Normen für öffentliche und industrielle Netze

Einen wesentlichen Rahmen für die Anforderungen an die Spannungsqualität setzt die EN 50160, die vorschreibt, ­welche Merkmale der Versorgungsspannung in öffentlichen Verteilungsnetzen einzuhalten sind. Für industrielle und ­private Netze wiederum ist die IEC 61000-2-4 massgeblich, in der unterschiedliche Störfestigkeitsklassen festgelegt sind:

• Klasse 1: Sehr empfindliche elektrische und elektronische Systeme (z. B. Labore, Rechenzentren)
• Klasse 2a: Industriebereiche ohne Anschluss leistungsstarker Leistungselektronik (z. B. büroähnliche Umgebungen)
• Klasse 2b: Industriebereiche mit direktem Anschluss leistungselektronischer Einrichtungen wie Umrichtern
• Klasse 3: Umgebungen, in denen stärkere elektromagnetische Störungen zulässig sind (z. B. Schweissanlagen)

Unternehmen, die ihre industriellen Netze an diesen Normen ausrichten, können auf diese Weise mögliche Störungen reduzieren und eine konstante Versorgungsqualität gewährleisten.

Störungsfrei und effizient – Die Basis guter Stromversorgung

Je sensibler die Anwendung und je höher die Anforderungen, desto wichtiger ist es, die Power Quality lückenlos zu überwachen und bei Bedarf aktiv zu regeln. Folgende Lösungen und Massnahmen sind dabei besonders wirkungsvoll:

• Netzqualitätsmessung und Monitoring: Durch kontinuierliche Überwachung lassen sich Abweichungen zeitnah erkennen und analysieren.
• Spannungsregler und USV-Systeme: Eine stabile Spannung verhindert Ausfälle und mindert die Gefahr von Produktionsstillständen oder Datenverlusten.
• Oberschwingungsfilter: Die von nichtlinearen Verbrauchern erzeugten Verzerrungen werden effektiv gedämpft, was andere Geräte vor Beeinträchtigungen schützt.
• Blindleistungskompensation: Eine gezielte Kompensation verbessert den Leistungsfaktor, senkt die Netzbelastung und reduziert Energiekosten.
• Aktivfilter: Diese Systeme filtern selektiv störende Oberwellen und tragen zusätzlich zur Spannungsstabilisierung bei.

Fazit

Power Quality ist längst nicht mehr nur ein Nischenthema für Spezialisten. In einer Zeit, in der elektrische Energie immer mehr Lebens- und Wirtschaftsbereiche durchdringt, entscheiden zuverlässige und qualitativ hochwertige Netze über Produktivität, Sicherheit und letztlich Wettbewerbsfähigkeit. Wer auf lückenlose Überwachung, moderne Filtertechniken und bedarfsgerechte Stabilisierung setzt, kann Ausfallzeiten sowie Schäden an sensiblen Anlagen minimieren und so auch in Zukunft eine robuste, effiziente und wirtschaftliche Stromversorgung sicherstellen.

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