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Unterschied zwischen Oberschwingung und Oberwelle

Die WELLE ist eine sich räumlich ausbreitende Erregung die Energie transportiert. Damit können Wellen als Ausbreitung der Störungen von physikalischen Größen, wie z.B. die Auslenkung von Teilchen eines Mediums oder die Feldgrößen eines physikalischen Feldes, aufgefasst werden. Die Störung kann dabei eine einmalige Erregung oder auch ein periodischer Vorgang sein. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen ist stets endlich. (Quellenangabe: Spektrum der Wissenschaft)

Die SCHWINGUNG ist eine zeitlich periodische Änderung einer physikalischen Größe bzw. eines physikalischen Zustandes. (Quellenangabe: Lexikon der Physik)

Nach Jean Baptiste Joseph Fourier (J. B. J. Fourier, *21.3.1768-†16.5.1830, franz. Mathematiker und Physiker) können periodische Vorgänge, die nicht sinusförmig verlaufen – deren Funktion aber unendlich oft stetig differenzierbar ist – aus einer Grundschwingung und Schwingungen mit ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz dargestellt werden. (Quellenangabe: Fouriertheorie - Bronstein Semendejew, Taschenbuch der Mathematik)
Fakt ist, das für Spannungsqualitätsphänomene die sich in einem bereits eingeschwungenen Zustand befinden, OBERSCHWINGUNGEN wissenschaftlich der korrekte Begriff ist.

Zusammenfassend sind, im Sinne der oben aufgeführten Definitionen, OBERSCHWINGUNGEN die Änderungen einer physikalischen Größe deren Frequenz ein Vielfaches einer gegebenen Grundschwingungsfrequenz ist, diese aber immer am gleichen Ort stattfinden.

OBERWELLEN hingegen sind die Änderungen einer physikalischen Größe, deren Frequenz ein Vielfaches einer gegebenen Grundschwingungsfrequenz ist, die sich aber gemeinsam mit der Grundwelle im Raum ausbreiten.

Die Begriffe OBERWELLE und OBERSCHWINGUNG werden im Bereich der Spannungsqualität oft synonym verwendet. Selbst ernannte Experten der Spannungsqualität rümpfen über den Begriff OBERWELLE häufig snobistisch die Nase.

Wenn aber eine Störgröße ihre Störung noch im Raum ausbreitet ist es, nach der obigen Definition, eine OBERWELLE.

In der praktischen Anwendung ist die Verwendung beider Begriffe von ausreichender mathematischer Präzision, um Phänomene richtig zu beschreiben.

Wissenschaftlich grob falsch ist es hingegen nicht harmonische Spannungsverzerrungen wie Taktfrequenzen, Kommutierungseinbrüche, Verzerrungen und ähnliche Phänomene als Oberschwingungen oder Oberwellen zu bezeichnen. Diese Arten von Verzerrungen sind weder unendlich oft differenzierbar, noch handelt es sich zwingend um Störungen deren Frequenz das ganzzahlige Vielfache der Grundschwingung sind.


Spannungseinbrüche

Spannungseinbrüche (engl. dips, amerik. sags) sind plötzliche Änderungen des Effektivwertes der Spannung auf Werte unterhalb von 90 €% der Referenzspannung mit anschließender Normalisierung des Spannungsniveaus. In der elektrischen Energieversorgung sind sie die Hauptursache für kostspielige ungeplante Produktionsstillstände. In der IEC 61000 2-8 werden die Auswirkungen von Spannungseinbrüchen beschrieben. Bei einer Restspannung von weniger als 85 % der Netznennspannung treten typischerweise Probleme an Frequenzumrichtern und Schaltnetzteilen auf. Nach eigenen Untersuchungen sind handelsübliche Schütze bei einer Restspannung von weniger als 80 % auch dann schon in einem undefinierten Zustand, wenn der Spannungseinbruch nur eine Netzperiode (20 ms) dauert. Selbst robuste Verbraucher wie Asynchronmotoren werden gestört, wenn die Spannung über mehrere Netzperioden auf unter 75 % der Nennspannung einbricht.


Harmonische Spannungsverzerrungen

Mit zunehmender Anzahl von drehzahl- und leistungsgeregelten Verbrauchern steigt die Anzahl von Lasten mit nichtlinearen U-I-Kennlinien in den Energienetzen. Nach Fourier ergibt sich aus dieser nicht-sinusförmigen Stromaufnahme der Geräte eine Fülle von Frequenzanteilen, welche zur Grundschwingung zusätzlich aufgenommen bzw. abgegeben werden. Diese Frequenzen entsprechen in der Regel dem Vielfachen der Grundschwingung, beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz und werden Oberschwingungen oder Harmonische genannt. Treffen diese Stromoberschwingungen auf unsere Energienetze mit einem dazugehörigen Innenwiderstand, so stellt sich eine entsprechende Oberschwingungsspannung ein und belastet das interne oder vorgelagerte Netz. Jedes Gerät oder Bauteil in diesem Stromnetz, ob nun mechanisch oder elektrisch, ist nur in einem bestimmten Rahmen belastbar und kann nur unter festgelegten Voraussetzungen einwandfrei arbeiten. Möchte man Fehlfunktionen oder gar Zerstörungen vermeiden, muss die Belastbarkeit des Betriebsmittels den Betriebsbedingungen entsprechen. Für die elektrischen Umgebungsbedingungen müssen die zu erwartenden Störpegel bekannt sein und mit entsprechenden Verträglichkeitspegeln der Geräte und Anlagen koordiniert werden. Umgekehrt müssen sich die Belastbarkeitsgrenzen der elektrischen Betriebsmittel an den Verträglichkeitspegeln der Spannungsqualität orientieren. Je höher die Erfordernisse des ungestörten Betriebs sind, desto höher müssen die Anforderungen hinsichtlich der Spannungsqualität und der Störfestigkeit des Betriebsmittels sein.


Resonante Spannungsverzerrungen

Verursacht werden diese - physikalisch gesehen - durch Spannungsverzerrungen. Jedoch im direkten Vergleich liegt ein eklatanter Unterschied zu den Harmonischen vor. Oberschwingungsprobleme treten üblicherweise bei niedrigen Ordnungszahlen wie z. B. bei der 5. Harmonischen auf, Resonanzen jedoch bei deutlich höheren Frequenzen. Diese destabilisieren das Netz und somit die Verbraucher und Normgrenzen noch mehr. Bedingt durch das komplexe Zusammenwirken aus Netz & Transformator, welches Gebilde vorwiegend als induktiv zu betrachten ist, und den im betrachteten Netzbereich zugeschalteten kapazitiven Elementen, wie z.B. EMV-Filtern (Kondensatoren), ergibt sich eine Vielzahl von Polstellen im genannten Frequenzbereich (oberhalb von 850 Hz). Fließt nun ein Oberschwingungsstrom bei der entsprechenden Ordnung (anregende Größe), reicht bereits eine vergleichsweise geringe Amplitude aus, um einen ggf. massiven Spannungspegel hervorzurufen.


Blindströme

 

Elektrische Verbraucher wie Motoren, Transformatoren, Schweißmaschinen und dergleichen, arbeiten nach dem Induktionsprinzip und benötigen zum Aufbau der Magnetfelder induktive Blindleistung. Diese Leistungwird nicht wie die Wirkleistung in mechanische Arbeit oder Wärme umgesetzt, sondern pendelt zwischen Generator und Verbraucher hin und her. Die Kosten für die Bereitstellung der induktiven Blindleistung wird dem Kunden vom Versorgungsunternehmen in Rechnung gestellt. Es gibt hierbei jedoch Freigrenzen. Die allgemeine Vorgabe für Industriekunden wird im Netzbereich der Westnetz-RWE mit einem cos phi ≈ 0,9 beziffert (Freimenge Blindarbeit = 50 % der bezogenen Wirkarbeit). Darüber hinaus wird der induktive Bezug von Blindleistung mit einem Arbeitspreis von z.B. 0,92 Cent/kvarh berechnet (Preisblatt 10 der Westnetz). Somit wird neben der Wirkleistung (Wirkarbeit) mit der Stromrechnung auch der Blindstrom-Überverbrauch (Blindarbeit in kvarh) verrechnet. Diese Mehrkosten lassen sich durch eine Blindstromkompensationsanlage vermeiden indem der induktive Blindstrom-Überbezug mit verdrosselten Kondensatoren, in Leistungsstufen automatisch geregelt, bereitgestellt wird.

 


Frequenzstörungen

Der Strom aus der Steckdose hat nicht immer die gleiche Qualität. Das merkt ein Nutzer von Elektrogeräten normalerweise nicht. Für ihn gibt es nur die zwei Zustände: Strom da oder Strom nicht da, also Stromausfall. Doch mit einem Messgerät lässt sich die Stromqualität leicht erkennen. Sie verrät sich nämlich durch die Frequenz der Wechselspannung. Im Normalfall ändert die elektrische Spannung ihre Richtung mit einer Frequenz von 50 Hertz. Die zeitliche Veränderung der Spannungshöhe entspricht dabei einer wohlgeformten Sinuskurve. In ganz Deutschland, ja ganz Europa – zumindest im europäischen UCTE-Verbundnetz - arbeiten alle Kraftwerke, Überlandleitungen und elektrischen Geräte schön synchron im Takt mit eben diesen 50 Hertz, zumindest theoretisch. In der Praxis ist die Netzfrequenz nicht völlig stabil, sondern schwankt ein wenig. Strom mit perfekter Qualität hat 50 Hertz. Je stärker die Frequenz von diesem Normwert abweicht, umso schlechter ist die Qualität. Und das kann dramatische Auswirkungen haben. Bei zu starken Abweichungen der Netzfrequenz vom Idealwert, droht der Zusammenbruch der Stromversorgung – ein Blackout. So lange man sich seinen Strom nicht mit Hilfe von Generatoren oder einem privaten Kraftwerk selbst bereitstellt, kann man auf die genannten Frequenzstörungen nicht einwirken. Für dieses Problem ist einzig und allein der Stromversorger zuständig.


Einschaltstrombegrenzungsdrosseln

Einschaltstrombegrenzungsdrosseln begrenzen den Strom, der im Einschaltmoment in den Kondensator fließt, mit den folgenden Vorteilen:

• Reduktion des netzseitigen Spannungseinbruchs beim Einschalten

• leichtere Auslegung des vorgelagerten Leistungsschalters

• leichteres Einhalten der Selektivitätskriterien

• unproblematisches Parallelschalten mehrerer Kondensatorbatterien

• Reduktion des Einschaltstroms (Î) gemäß Norm < 100 x IN (IEC 60871) 


Optimale Belüftung

Im internen Aufbau von Kondensatoren werden organische Folien als Dielektrikum verwendet, deren Lebenserwartung
stark von der thermischen Belastung und den Kühlmöglichkeiten abhängt.
Ein möglichst offener Aufbau einer Kondensatorbank erlaubt im Allgemeinen eine optimale Kühlung ohne Zwangsbelüftung. Speziell für größere Leistungen mit entsprechend hoher Verlustwärme empfiehlt sich daher eine Bauform in IP00-Ausführung. Alle Condensator-Dominit-Anlagen werden so konzipiert, dass sie eine Lebenserwartung von durchschnittlich 15 Jahren erreichen.


Unverdrosselt entgegen Verdrosselt

Unverdrosselte Kondensatoren, bzw. unverdrosselte Kompensationsanlagen, verschlechtern die Spannungsqualität in Ihrem elektrischen Netz. Störung oder gar Zerstörung von im Netz befindlichen Betriebsmitteln, kostspielige Maschinenausfälle und ungeplante Stillstände sind die Folge.
Unverdrosselte Kompensationsanlagen stellen ein kostspieliges Risiko dar!

Verdrosselte Kondensatoren, bzw. verdrosselte Kompensationsanlagen, verschlechtern die Spannungsqualität in Ihrem elektrischen Netz oberhalb deren Abstimmfrequenz NICHT. Sie führen dort sogar zu einer Verbesserung der Spannungsqualität.

Die nötige Abstimmfrequenz ergibt sich aus dem Verdrosselungsgrad, der üblicherweise in Prozent angegeben wird.

Typische Verdrosselungsgrade:

• 189 Hz = 7 %

• 141 Hz = 12,5 %

• 134 Hz = 14 %

Eine deutliche Verbesserung der Spannungsqualität in Ihrem elektrischen Netz erreichen Sie, wenn Sie eine Filterkreisanlage zur Filterung der destabilisierenden 5. Harmonischen installieren. Siehe auch: SOFIA


Entladezeit von Kondensatoren

Kondensatoren sind Energiespeicher. Unmittelbar nach dem Abschalten einer Kompensationsanlage muss davonausgegangen werden, dass die Kondensatoren evtl. noch unter Spannung stehen. Dies kann zum eineneine Gefährdung von Personen darstellen, zum anderen ist ein Wiedereinschalten einer geladenen Kondensatorbankunter dem Aspekt der Lebensdauer nicht zu empfehlen.

• Sofern nicht explizit anders vertraglich vereinbart, enthalten alle Mittelspannungskondensatoren der Firma Condensator Dominit eine interne Entladeeinrichtung, die eine normgerechte Entladung sicherstellt.

• Die Norm für Mittelspannungskondensatoranlagen verlangt eine Entladung auf 75 V Restspannung innerhalb von 10 Minuten.

• Alle Anlagenregler der Firma Condensator Dominit stellen sicher, dass die Schaltung von Kondensatorbänken erst nach einer angemessenen Entladezeit erfolgt.

• Herkömmliche AC-Spannungsprüfer sind nicht geeignet, die Entladung eines Kondensators sicher zu prüfen – Achtung: Gleichspannung (DC-Spannungsprüfer verwenden)! 


Störlichtbogen

Der Energiegehalt eines Störlichtbogens, insbesondere einer Mittelspannungsanlage, kann erheblich sein. Der Schaden, der durch einen Störlichtbogen verursacht wird, wird im Allgemeinen umso größer, je höher die Spannung ist, je höher die Kurzschlussleistung des Netzes ist umso länger der Störlichtbogen ansteht. Tritt bei einer Kompensationsanlage der Störlichtbogen hinter der Antiresonanzdrossel auf, fällt der Störlichtbogenstom deutlich kleiner aus. Dies hat den Vorteil, dass das Störlichtbogen-Risiko bei einer Kompensationsanlage im Allgemeinen kleiner ist als bei einer Schaltanlage, allerdings ist dies bei der Einstellung von evt. vorgelagerten Leistungsschaltern zu berücksichtigen.

Der Energieinhalt eines Störlichtbogens, der bei einer Spannung von ca. 20 kV für 1 sec ansteht, entspricht der Sprengkraft von ca. 1 kg TNT pro 10 kA Kurzschlussstrom!!! 


IP-Schutzklassen

Besonders für Mittelspannungsanlagen im Außenbereich sind der Schutz von Personen gegen unbeabsichtigte Berührung und der Schutz der Anlage gegen Witterung und
unbefugtes Betreten wichtig. In der Nomenklatur der IP-Schutzklasse beschreibt die erste Zahl den Staubschutz, die zweite Zahl den Schutz gegen eindringendes Wasser und in manchen Fällen ein angehängter Buchstabe Besonderheiten des Personenschutzes. Es bedeuten häufig verwendete Schutzarten zum Beispiel:

• IP00 – kein Berührungsschutz, kein Schutz vor Witterungseinflüssen, komplett offen. Solche Anlagen müssen separat durch einen Zaun gesichert oder in eine Halle gebaut werden.

• IP21 – Schutz gegen Fremdkörper mit Durchmesser > 12 mm und Wassertropfen von oben; solche Anlagen eignen sich in erster Linie im Innenraum für abgeschlossene elektrische Betriebsräume.

• IP42 – Schutz gegen Eindringen von Körpern mit Durchmesser > 1 mm und schräg eintreffendes Wasser; Einsatzorte sind zum Beispiel Fabrikhallen mit Sprinkleranlagen oder Freiluftaufstellung.

• IP34D – Schutz gegen Eindringen von Körpern mit Durchmesser > 2,5 mm, Spritzwasser aus allen Richtungen, „D” bedeutet erhöhten Personenschutz.

Auch mit einem Draht oder Werkzeug können nach 100 mm Eindringtiefe keine spannungsführenden Teile erreicht werden.


Betauung

Elektrotechnische Anlagen in geschlossenen Gebäuden oder Stationen sind vor direkten Witterungseinflüssen geschützt. Allerdings ist eine optimale Belüftung für die Lebensdauer von Kompensationsanlagen in geschlossenen Gebäuden sehr wichtig, so dass die Anlagen indirekt Witterungseinflüssen ausgesetzt sind. Um diesen Widerspruch aufzulösen, sind die Betonstationen der Firma Condensator Dominit zweigeteilt.

Steuerungselektronik, speicherprogrammierbare Bausteine und ähnliche empfindliche Komponenten sind in einem getrennten klimatisierten Schrank oder einem klimatisierten Abteil der Station untergebracht.

Diese Komponenten erzeugen kaum Abwärme, und die Klimatisierung lässt sich leicht realisieren.

Die eigentlichen Leistungskomponenten sind so ausgelegt, dass sie durch doppelte Tränkung und ähnliche Maßnahmen witterungsunempfindlich sind. 


Luft und Eisen

Eisenkerndrosseln sind kompakt, haben kaum Streufelder, sind ideal für Innenraumaufstellung und erlauben hohe Induktivitäten auf kleinem Raum. Luftdrosseln benötigen um sich herum eisenfreie Räume, um magnetische Einkopplungen zu vermeiden, sind ideal für Außenaufstellung und eignen sich insbesondere für hohe Leistungen. Typischerweise machen Luftdrosseln bei Applikationen ab 20 kV und Stufenleistungen ab 2,5 Mvar sehr viel Sinn, bei Spannungen unter 20 kV oder Stufenleistungen kleiner 2,5 Mvar sind in den meisten Fällen Eisenkerndrosseln vorzuziehen. 


Warum eigentlich DAS Filter und nicht DER Filter?

Während im alltäglichen Sprachgebrauch die maskuline Form vorherrscht (z. B. der Kaffeefilter), wird im technischen oder fachlichen Zusammenhang die Neutrumform bevorzugt: das Farbfilter, das Luftfilter.

Im Allgemeinen definieren wir das Filter wie folgt:
Das Filter ist eine aus elektrischen Schwingkreisen bestehende Vorrichtung, die nur Wechselstrom bestimmter Frequenzen hindurchlässt.