mit freundlicher Unterstützung von Stephan Götze, Gecom Technologies

Wie sollte idealer Weise die Netzstromversorgung sein?

Es sollte eine dreiphasige Wechselspannung mit 230 V rms zwischen Nullleiter und Phase und 50 Hz Frequenz anliegen. Frei von Verzerrungen und frei von sonstigen Störungen. Amplitude und Frequenz konstant. Punkt.

Von diesem Ideal sind wir weit entfernt. Im Folgenden werde ich die einzelnen Störkomponenten, ihre Ursachen und Auswirkungen aufführen.

Stabilität der Spannung:

Die Stabilität der Netzspannung hängt davon ab, wie genau der Stromversorger die Stromzufuhr auf die Entnahme durch den Endkunden abstimmt. Dies erfolgt prognostisch mit mehr oder weniger genauem Resultat. Ergo schwankt die RMS-Amplitude um bis zu 5% je nach Lage und Situation.

Die Stromversorger versuchen natürlich die Netzspannung möglichst konstant zu regeln, ganz trivial ist dies jedoch nicht. AKW´s lassen sich so gut wie gar nicht steuern, Großkraftwerke sind träge, und Windparks produzieren Strom nur wenn es bläst. Und beim Wetter lässt sich nichts prognostizieren.

Welche Auswirkungen haben diese Spannungsschwankungen auf angeschlossene Verbraucher?

Hier muss man unterscheiden, ob der Verbraucher intern seine Betriebsspannung regelt oder nicht.

Verbraucher, die intern ihre Spannung nicht regeln, wie herkömmliche Glühbirnen, E-Herde oder auch im Audiobereich Geräte ohne Spannungsstabilisierung setzen diese Spannungsschwankungen direkt um. Eine herkömmliche Glühbirne leuchtet etwas heller oder dunkler. Der Verstärker hat mal mehr, mal weniger Leistung. Da die Spannungsschwankungen generell gering sind, stellen sie für die meisten Verbraucher kein Problem dar.

Verbraucher, die intern ihre Betriebsspannung regeln, sind von Stromschwankungen gar nicht betroffen.

Impulsstörungen auf der Netzspannung:

Beim Ein- und Ausschalten eines Verbrauchers können Nadelimpulse von einigen hundert Volt entstehen und das Netz überlagern. Ähnliche Impulsüberlagerungen verursachen Thyristorschaltungen in Windparks. Netzleitungen und/oder Geräte sollten daher über einen wirksamen Überspannungsschutz verfügen.

Ein Sonderfall sind Impulsstörungen durch Gewitter. Da hilft nur, den Netzstecker rechtzeitig zu ziehen.

Verzerrung der Netzspannung:

Die Netzspannung sollte ein reiner Sinus sein. Normal sind jedoch Verzerrungen im Bereich einstelliger Prozentzahlen.

Was versteht man unter diesen Verzerrungen, bzw. Klirrfaktor? Dies bedeutet, dass außer der Grundwelle, in diesem Falle 50 Hz die Harmonischen (= Vielfachen der Grundwelle) ebenfalls vorhanden sind, also 100Hz, 150Hz, usw. bis hin zu 1000Hz bis 2000Hz. Gerade Verbraucher, die sehr kleine Spannungen verarbeiten, reagieren hier empfindlich.

Gleichspannungsanteile auf der Netzspannung:

Häufig wird das Netz mit einigen Volt Gleichspannung unterlegt sein. Darauf reagieren Trafos empfindlich. Besonders Trafos ohne Luftspalt (z.B. Ringkerntafos) brummen dann vernehmlich. Gleichzeitig sinkt die Effizienz und der Trafo wird wärmer.

Frequenzschwankungen der Netzfrequenz:

Die Netzfrequenz ist zwar nicht völlig stabil, die Schwankungen sind jedoch relativ gering im Bereich von +/- 0,1Hz. Das ist marginal, trotzdem laufen DC-Plattenspielermotoren mit frequenzbestimmenden Netzteilen hörbar stabiler.

Hochfrequenzstörungen auf der Netzspannung – leitungsgebunden:

Jetzt kommen die Störungen die absichtlich oder unabsichtlich ins Netz gespeist werden.

Zum Beispiel die gezielt eingespeiste Datenübertragung: Seien es die Steuerimpulse zum Einschalten von vergünstigtem Nachtstrom oder Datenübertragung zur Internetnutzung (PLC). Diese Dienste stellen eine breitbandige und starke Störung im Netz dar, zumal die Signale eine sehr hohe Amplitude aufweisen.

Eine unabsichtlich eingespeiste Störung erfolgt durch Netzumrichter. Windrad und Solarpanel erzeugen primär keine Wechselspannung mit 50 Hz sondern Gleichspannung. Diese wird also in Invertern „zerhackt“ und dann in eine stufenförmige Sinusspannung umgeformt. Inverter erzeugen nicht nur keinen reinen Sinus sondern auch ein breites Störspektrum. Da sich regenerative Energien immer mehr durchsetzen nimmt dies Störspektrum kontinuierlich zu.

Schaltnetzteile sind da nicht besser. Wir treffen sie mittlerweile überall an. Im Handy-Ladegerät, Computer oder Fernseher. Prinzip eines Schaltnetzteiles ist, die ankommende Wechselspannung sofort gleichzurichten, wie beim Netzumrichter zu zerhacken und zu einer hochfrequenten Wechselspannung von 20 kHz bis zu einigen hundert kHz umzuformen. Je höher die Frequenz, desto kleiner kann der folgende Trafo bei gleicher Leistung ausfallen, der die gewünschte Spannung am Ausgang abgibt. Die hohe Effizienz, das ersparte Gewicht und die niedrigen Kosten bei Schaltnetzteilen erkaufen wir uns mit einem breiten Feld an Störungen, die die kleinen Biester mehr oder weniger ins Netz zurückgeben.

Wieviel “mehr oder weniger” Störungen zulässig sind, regelt das europäische Normenwerk. Geräte dürfen in der EU nur in Verkehr gebracht haben, wenn sie ein CE-Zeichen aufweisen. Dafür steht der Hersteller gerade. Sitzt er in Fernost, wird gerne mal ohne Prüfung die Plakette geklebt.

Gelangen HF-Störungen ungefiltert in die verarbeitenden Schaltkreise von empfindlicher Elektronik oder Verstärker, muss mit einer Beeinträchtigung der Performance gerechnet werden.

Hochfrequenzstörungen auf Netzleitungen – feldgebunden:

Alle im Raum verlegten Leitungen sind Antennen. Sofern sie nicht abgeschirmt sind, wird das elektromagnetische Feld von Rundfunk, Fernsehen, WLAN, Handyfunk direkt übertragen. Grundsätzlich gilt: Je höher die Frequenz ist, desto kürzer darf die Antenne sein.

Netzleitungen sind lang, also nehmen sie prinzipiell erst mal alles auf was sich anbietet. Von sehr niedrigen bis hin zu den höchsten Frequenzen, je nach Konstellation werden bestimmte Frequenzen bevorzugt oder aber auch unterdrückt.

Zusätzlich werden Störungen direkt von Geräten abgestrahlt. Allen voran digital arbeitende Geräte: Computer, Laptos, Monitore, Fernseher, sämtliche Geräte mit Schaltnetzteilen, Funkfernbedienungen, etc. Bei steigender Vielfalt der Geräte die obendrein mit Funk (WLAN) kommunizieren, nehmen die Störungen natürlich immer mehr zu.

Messungen

Wir werden nicht für alle Probleme der Netzversorgung eine Lösung finden, Blitzschlag und Netzausfall aussen vor, stören uns die Hochfrequenzanteile im Strom sowie der nicht saubere Sinus mit seinen Klirranteilen am meisten. Wieviel das ist, haben wir  nachgemessen und hier veranschaulicht:

Die obere breite durchgehende Kurve ist im „max-hold-mode“ aufgenommen, speichert den höchsten vorhandenen Wert. Die senkrechten Linien sind die bei einem 20ms Sweep detektierten Störer. Die Störungen sind also das breite weisse Band oberhalb der Grundlinie. CE-Prüfungen und Normen konzentrieren sich vordringlich auf den Frequenzbereich bis 30 MHz. Wie wir sehen, erstreckt sich das Störfeld über den kompletten Frequenzbereich bis 250 MHz.

So sieht sauberer Strom aus. Wie wir die Störungen aus dem Netz erfolgreich filtern können, lesen Sie im Artikel “Netzfilter”