Digitalisierung der Stromnetze

Einleitung

Die Elektrifizierung schreitet weiter voran, um die Anteile der fossilen Energieträger im Energiemix weiter zu verringern. Die neuen Regelwerke, die eine weitreichende messtechnische Überwachung von Kundenanlagen legitimieren, werden noch nicht großflächig umgesetzt. Bei Digitalisierungsvorhaben sollten die normativen Neuerungen aber keinesfalls außer Acht gelassen werden. Derzeit wird die Digitalisierung des Verteilnetzes in vielen Ländern der Welt vorangetrieben. Die Konzepte reichen von einem „digitalen Schleppzeiger“ bis zu Strom- und Spannungsmessungen bis 2 kHz. Hierbei werden oftmals die Daten der EN 50160 überprüft. Die große Gemeinsamkeit aller Vorhaben ist es, eine größtmögliche Anzahl von Ladestationen für E-Autos und Wärmepumpen ohne zusätzlichen Netzausbau zulassen zu können.
Neben den synthetisch erzeugten Sinuskurven der einspeisenden alternativen Energiequellen sind die angeschlossenen Verbraucher sogenannte nichtlineare Lasten, die dem Netz einen verformten Strom entnehmen. Dieser verformte Strom beeinflusst die Spannungsqualität am gesamten Anschluss

Verzerrung der Versorgungsspannung an der Sammelschiene durch nichtlineare Lasten

Über die grundlegenden Kirchhoffschen Gesetze bestätigt sich, dass die elektrische Energie das einzige Produkt ist, bei dem der Kunde selbst die Qualität maßgeblich beeinflusst. In Deutschland wurde den EVUs mit den im Jahr 2019 überarbeiteten Technischen Anlagen Richtlinien (TAR) ein Regelwerk bereitgestellt, dass die Verteilnetze vor diesen Rückwirkungen schützen soll. Strommessungen und Grenzwerte bis 9 kHz für Mischanlagen, Bezugsanlagen, Erzeugungsanlagen oder Speicheranlagen wurden legitimiert. Definierte Maximalwerte dürfen durch die Kundenanlage nicht überschritten werden. Eventuell könnte die Entwicklung ähnlich der Geschichte der Blindleistung verlaufen. War anfangs die Blindleistung für den Kunden kostenlos, so konnte doch eine nicht unerhebliche Mehrbelastung der Netze festgestellt werden. Als Folge musste die Blindleistung durch den Kunden wie die Wirkleistung ebenfalls vergütet werden. Ähnliches ist mit der Verzerrungsblindleistung zu erwarten.

In einigen Regelwerken wird die zusätzliche Belastbarkeit von Betriebsmitteln durch Oberschwingungen bereits eindeutig definiert. Zum Beispiel spezifiziert die IEEE für Transformatoren im Verteilnetz einen THDi von kleiner gleich 5 Prozent als Normalbetrieb. Liegt eine größere Verzerrung des Stroms vor, muss die Nominalleistung des Transformators abgesenkt werden.
So sollen die zusätzlichen Verluste des Transformators, die durch die Stromoberschwingungen auftreten, begrenzt werden. Vor allem bei Gewerbekunden können Verbraucher eingesetzt werden, die einen erheblich größeren Verzerrungsfaktor des Stroms aufweisen.

Beispiele

Beispielsweise generieren Frequenzumrichter ohne Dämpfungsdrossel oftmals einen THDi von bis zu 100 %. LED-Leuchtmittel bis 25 W werden durch keinerlei Produktnorm hinsichtlich des Verzerrungsfaktors reglementiert.
THDi-Werte bis zu 70 % sind hier keine Seltenheit. Neben den Stromharmonischen werden durch Photovoltaikanlagen und Brückengleichrichter DC-Anteile in das Netz eingespeist. Diese werden durch die TAR ebenfalls auf maximal 20 mA begrenzt. Eine messtechnische Überprüfung wird hier durch das EVU in der Regel ebenfalls nicht vorgenommen.
In wissenschaftlichen Veröffentlichungen übertreffen bereits 67 % der untersuchten Umrichter für Photovoltaikanlagen den Maximalwert von 20 mA teilweise deutlich. Bei üblichen Ortsnetztransformatoren bedeuten bereits DC-Pegel von 250 mA eine starke Halbwellensättigung, welche als lautes Brummen zu vernehmen ist.

Perspektiven

Wenn die Netze in Zukunft stärker von stromintensiven Verbrauchern genutzt werden, müssen die in den Verordnungen definierten Messungen zwingend umgesetzt werden. Ansonsten wird die Lebensdauer der Anlagen in den Stromversorgungsnetzen langfristig negativ beeinflusst. Hier sollte der Verursacher durch Filtersysteme oder höherwertige Geräte Abhilfe schaffen. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass Leistungstransformatoren unter Berücksichtigung von Resonanzstellen und Schaltungskonfigurationen prinzipiell Strom- und Spannungsoberschwingungen übertragen können. Daher sind jetzt umfassende Messungen der Netzqualität auf allen Spannungsebenen ratsam.

Möglichkeiten von NEO Messtechnik

Der PQM 100 bietet 4 Spannungs- und bis zu 32 Stromeingänge. Der PQM 200 bietet bis zu 40 konfigurierbare Eingangskanäle.