Grundlagen zur Spannungsqualität
Spannungsqualität ist der Puls unseres Stromnetzes. Doch wie sieht ein „gesunder“ Puls aus, und ab wann wird aus einer kleinen Abweichung ein echtes Problem? Ein Blick auf die Grundlagen und Phänomene rund um die Qualität von Strom und Spannung.
Was ist Spannungsqualität?
Spannungsqualität beschreibt die Qualität von Strom und Spannung im Wechselstromnetz. Fachleute bewerten sie anhand von Amplitude, Frequenz und Kurvenform. Je näher die Spannungsqualität an der idealen Sinusform und innerhalb der spezifischen Grenzwerte liegen, desto besser ist sie.
Woran erkennt man gute Spannungsqualität?
In einer idealen Welt würde unsere Versorgungsspannung als perfekte Sinuskurve mit konstanter Frequenz verlaufen. In der Realität – wo Spannung und Frequenz durch das Zusammenspiel unzähliger Netzkomponenten beeinflusst werden, weicht der tatsächliche Spannungsverlauf immer wieder von seinem Idealzustand ab.
Die Qualität der Spannung und des Stroms wird anhand verschiedener Kenngrößen bewertet. Diese Parameter ergeben sich aus:
- Spannungshöhe (Amplitude)
- Frequenz
- Form des Spannungsverlaufs
Je geringer die Abweichungen von der Idealform sind, desto besser ist die Spannungsqualität. Doch einzelne Abweichungen sind nicht direkt ein Problem. Solange die Parameter sich innerhalb definierter Grenzen bewegen, können elektrische Anlagen das normalerweise tolerieren und arbeiten zuverlässig und sicher. Werden die Abweichungen jedoch zu groß oder treffen auf empfindliche Systeme, können Fehlfunktionen auftreten. Die Folgen reichen von Störungen und vorzeitigem Verschleiß bis hin zu Sach- und Personenschäden.
Ab wann ist schlechte Spannungsqualität ein Problem?
Die Auswirkungen von Netzstörungen lassen sich selten auf einen einzelnen Messwert oder ein einzelnes Ereignis reduzieren. Das macht die Beurteilung äußerst komplex. Ein Netz ist ein dynamisches System, in dem viele Faktoren gleichzeitig wirken. Entscheidend ist daher das Zusammenspiel verschiedener Phänomene (z. B. Oberschwingungen und Flicker), der angeschlossenen Verbraucher und Erzeuger sowie äußerer Einflüsse.
„Wir sehen das regelmäßig bei unseren Kunden. Wir haben Kunden, die haben Spannungsqualitätsreporte, die starke Verletzungen der Grenzwerte aufweisen und dennoch gibt es keinerlei Probleme im Unternehmen. Und dann haben wir Kunden, die haben ganz normale Werte. Hier und da ist mal ein Wert in der Nähe von einem Grenzwert und trotzdem gibt es so starke Störungen, dass sogar Experten gerufen werden müssen, um das zu lösen.“
Katrin Müller (Produktmanagerin bei Janitza) beschreibt die Herausforderung in der Praxis
Dieser scheinbare Widerspruch zeigt, warum Spannungsqualität weit mehr ist als das Einhalten von Normen und Grenzwerten. Nicht jede Grenzwertverletzung führt automatisch zu einer Störung. Umgekehrt können bereits kleine Abweichungen erhebliche Auswirkungen haben, wenn die Rahmenbedingungen ungünstig oder besonders empfindliche Verbraucher betroffen sind.
Genau deshalb beurteilen Fachleute die Spannungsqualität immer mit Blick auf das Gesamtsystem. Messwerte liefern wichtige Hinweise, doch ihre Bedeutung muss im jeweiligen Kontext richtig interpretiert werden.
Welche Spannungsqualitäts-Störungen gibt es?
Es gibt verschiedenste Phänomene, die die Spannungsqualität stören können. Im Folgenden erhalten Sie eine Übersicht, über die häufigsten Störungen und welche Auswirkungen diese auf Unternehmen haben können.
Welche Normen sind für die Spannungsqualität relevant?
Die Spannungsqualität wird durch internationale Normen beschrieben. DIN EN 50160 definiert die zulässigen Spannungsmerkmale im öffentlichen Netz, die IEC/EN 61000-Reihe legt Messverfahren sowie Verträglichkeits- und Emissionsgrenzen fest, und IEEE Std 1159-2019 beschreibt praxisnah Messverfahren und Auswertung von Spannungsqualität.
Welche Norm relevant ist, hängt unter anderem davon ab, welches Netz bzw. Betriebsmittel Anwender konkret betrachten. Zudem geben die Normen zwar klare Grenzwerte und Verfahren vor, für eine belastbare Beurteilung eines konkreten Systems genügen sie allein jedoch oft nicht.
Norm | Funktion |
DIN EN 50160 | Beschreibt Merkmale der Spannung im öffentlichen Netz und ist die zentrale Norm zur Beurteilung der Spannungsqualität am Netzanschlusspunkt (ZEP). Wichtigste Merkmale sind Frequenz, Spannungshöhe, Kurvenform und Symmetrie der Leiterspannung. |
IEC/EN 61000-4-30 | Legt die Verfahren zur Messung der Spannungsqualität fest |
IEC 61000-4-7 | Allgemeiner Leitfaden zu Messgeräten und Verfahren zur Erfassung von Oberschwingungen und Zwischenharmonischen in Versorgungsnetzen und daran angeschlossenen Geräten |
IEC 61000-4-15 | Beschreibt die Funktionsweise, Auslegung und Prüfung von Messgeräten zur Messung von Flickern |
IEC 61000-2-2 / 2-12 | Umgebungsbedingungen und Verträglichkeitspegel von Störgrößen und Signalübertragung in öffentlichen Nieder- bzw. Mittelspannungsnetzen |
IEC 61000-3-2 / IEC 61000-3-3 | Grenzwerte für Oberschwingungsströme sowie Spannungsänderungen und Flicker |
IEEE Std 1159-2019 | Beschreibt Phänomene der Spannungsqualität und gibt einen Überblick über Messgeräte, deren Anwendung und Analyse der erhobenen Daten. |
Warum reichen Normwerte allein nicht aus?
Viele der Normen geben klare Grenzwerte und Verfahren rund um die Spannungsqualität vor. Doch Daten über den Netzzustand und Grenzwerte geben nur einen oberflächlichen Einblick in die Spannungsqualität. Welche Abweichungen für ein spezifisches System relevant oder kritisch sind und welche Ursachen hinter den gemessenen Werten stecken, erfordert eine ausführliche Analyse. Betroffene benötigen Expertenwissen oder Experten, die die Daten entsprechend auswerten und beurteilen können.
Warum eine resiliente Wirtschaft Transparenz braucht
Zahlreiche kritische Infrastrukturen sind auf eine stabile und qualitativ hochwertige Energieversorgung angewiesen. Bereits geringe Störungen können weitreichende wirtschaftliche Auswirkungen haben. Daher sind Transparenz über den Netzzustand, kontinuierliches Monitoring und intelligente Frühwarnsysteme entscheidende Bausteine für resiliente Netze und eine stabile Wirtschaft.
Energiemonitoring-Systeme, die neben Verbrauchsdaten auch die Spannungsqualität erfassen, werden daher immer mehr zur Pflicht. Viele Unternehmen überwachen bereits die Spannungsqualität am Netzübergabepunkt, entweder mit Klasse A Spannungsqualitätsanalysatoren oder vergleichbaren Messgeräten, wie dem UMG 512-PRO.
Neben dem Übergabepunkt überwachen Unternehmen auch immer häufiger zentrale Knotenpunkte oder sogar einzelne Anlagen. Damit haben sie jederzeit den Überblick über Störungen im eigenen Netz, können Ursachen schnell ausfindig machen und vermeiden so kostspielige Ausfälle.
Neben der passenden Messtechnik benötigen Unternehmen dafür meist eine entsprechende Software, wie die GridVis®, die alle relevanten Daten optisch aufbereitet und passende Analysewerkzeuge und Berichte zur Verfügung stellt.
Häufige Fragen zur Spannungsqualität
Sie stellen die Fragen, wir haben die Antworten – in unseren FAQs finden Sie die häufigsten Fragen von Janitza-Kunden, die uns zum Thema Spannungsqualität erreichen.
Warum ist Spannungsqualität wichtig?
Eine unzureichende Spannungsqualität kann die Funktion, Lebensdauer und Verfügbarkeit elektrischer Anlagen beeinträchtigen. Ist die Spannungsqualität gestört, treten Fehlfunktionen an elektronischen Geräten auf, Motoren und Transformatoren überhitzen und Anlagen verschleißen frühzeitig. Daten können verloren gehen und im schlimmsten Fall sind ungeplante Stillstände und erhebliche Schäden an Anlagen oder Personen die Folge.
Überwachen Unternehmen die Spannungsqualität kontinuierlich, erkennen sie Störungen frühzeitig, grenzen deren Ursachen ein und verbessern die Anlagenverfügbarkeit. Zudem können Unternehmen mit objektiven Messdaten die Ursache der Netzstörungen einfacher ausfindig machen.
Wie messe ich meine Spannungsqualität am besten?
Die Spannungsqualität sollte mit einem fest installierten Spannungsqualitätsanalysator am Netzanschlusspunkt gemessen werden. Für normgerechte und gerichtsfeste Ergebnisse empfiehlt sich ein Messgerät der Klasse A nach IEC 61000-4-30.
Neben der Messung am Netzanschlusspunkt sollten Unternehmen auch an Anlagen oder einzelnen Gebäuden messen. Wie tief Unternehmen messen sollten und wo genau, hängt von der Größe und der Art des Unternehmens ab. Eine höhere Messtiefe bedeutet, dass Ursachen für Störungen einfacher eingegrenzt werden können.
Für die eingesetzten Messgeräte gilt die Faustregel: Je empfindlicher Prozesse und Anlagen im Unternehmen sind, umso präziser sollte die Spannungsqualität erfasst werden.
Welche Störungen der Spannungsqualität treten besonders häufig auf?
Die häufigsten Störungen der Spannungsqualität lassen sich in folgende Kategorien einteilen:
- Induktive und kapazitive Phasenverschiebung
- Flicker
- Oberschwingungen
- Events & Transienten
- Unsymmetrien
- Resonanzen
- Spannungseinbrüche
- Überspannung
- Frequenzschwankungen und doppelte Nulldurchgänge
Welche davon in einem konkreten Unternehmen auftreten, hängt stark von internen und externen Ursachen ab. Externe Ursachen umfassen Qualitätsprobleme mit der gelieferten Energie, etwa durch den Netzversorger oder umliegende Unternehmen, die Rückwirkungen im Netz verursachen. Externe Störungen lassen sich durch Energiemessungen am zentralen Übergabepunkt erfassen. Unternehmen benötigen dazu lediglich einen geeigneten Spannungsqualitätsanalysator. Interne Ursachen beziehen sich auf Anlagen und Geräte innerhalb des Unternehmens, die Störungen im Netz verursachen. Typische Beispiele hierfür sind Gleichrichter, große Motoren und Leistungselektronik.