Oberschwingungen Kapitel 6: Kosten aufgrund von Oberschwingungen und Leistungsverlusten in belasteten Netzen

6 Kapitel zu Oberschwingungen und Netzqualität in Stromversorgungsnetzen

Autor: Alexander Kamenka

Inhalt des 6. Kapitels – Kosten aufgrund von Oberschwingungen und Leistungsverlusten in belasteten Netzen:

• Einführung
• Zusätzliche Verluste aufgrund von Oberschwingungsverzerrung
• Vorzeitiges Altern von Anlagen

Einführung

Die Kosten, die durch Oberschwingungen entstehen, sind weit schwieriger abzuschätzen als andere Kosten im Kontext der Netzqualität. Welche Auswirkungen Oberschwingungen auf die Wirtschaftlichkeit haben, ist im Allgemeinen bekannt, z.B.:

• Produktionsausfälle
• Unwiederbringliche Ausfallzeiten/Ressourcenverluste
• Prozessneustartkosten
• Schäden an Anlagen
• Höherer Aufwand für Fehlersuche
• Imageverlust – das Unternehmen wird als nicht «grün» bzw. «energieeffizient» wahrgenommen

In etlichen weltweiten Studien zur Netzqualität wurden Beispiele für solche Kosten zusammengetragen. Die Ergebnisse waren stets dieselben: Im industriellen Umfeld können Netzqualitätsstörungen in elektrischen Anlagen schnell finanzielle Einbußen von mehreren Millionen Dollar pro Störfall verursachen. Durch die Implementierung entsprechender Betriebsmittel, z.B. Oberschwingungsfilter, lassen sich solche Störfälle vermeiden.

Im Gegensatz zu diesen gründlich recherchierten Zahlen ist es nach wie vor schwierig, den Anteil nicht nutzbarer Energie zu quantifizieren. Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) hat dennoch eine Norm entwickelt (IEEE 1459-2000), anhand derer sich der Leistungsverbrauch in elektrischen Dreiphasensystemen genauer segmentieren und quantifizieren lässt. Die Auswirkungen (Verluste) von Oberschwingungen wurden in den herkömmlichen Ansätzen nicht berücksichtigt. Einsparungen hinsichtlich der Blindleistung sind leicht zu berechnen. Im Gegensatz dazu ist es schwierig, Kosteneinsparungen zu quantifizieren, die sich durch weniger Anlagenverschleiß, geringerem Aufwand für die Fehlersuche oder gar die Verhinderung von Ausfallzeiten ergeben. Studien haben gezeigt, dass sich die weltweit damit verbundenen Kosten jährlich auf Milliardenhöhe summieren. Prinzipiell ist es möglich, die Auswirkungen von Spannungs- und Stromoberschwingungen auf Betriebsmittel bzw. das gesamte Stromversorgungssystem zu identifizieren. Die wichtigsten sind:

• Höherer (zusätzlicher) Energieverlust im Vergleich zu einem oberschwingungsfreien Stromversorgungssystem
• Vorzeitiges Altern der Anlagen und geringere System- und Anlagenzuverlässigkeit aufgrund von Oberschwingungen
• Geringere Leistung sowie Betriebsausfälle im Vergleich zum Sollzustand

Zusätzliche Verluste aufgrund von Oberschwingungsverzerrung

Wie in den vorherigen Kapiteln erläutert, bewirkt eine höhere Oberschwingungsverzerrung höhere Effektivstromwerte und damit eine vermehrte Wärmeabgabe in den Anlagen. Dies führt zu einer schnelleren Alterung der Isolation in Transformatoren, Motoren und Kondensatorblöcken. Im Kontext der Oberschwingungsproblematik spielt neben den Anlagen selbst noch ein anderer Aspekt des Stromversorgungsnetzes eine wichtige Rolle. Die Wirkleistung, die an eine Last übertragen wird, ist eine Funktion der Grundkomponente I₁ des Stroms. Der Effektivwert einschließlich der Oberschwingungsströme muss anhand der einzelnen Oberschwingungsanteile ermittelt werden. Ausgehend von der Definition von THDi:

Es lässt sich also feststellen, dass die Gesamtverluste bei Vorliegen einer Oberschwingungsverzerrung als Addition der Einzelverluste bei jeder Oberschwingungsfrequenz anzugeben sind. Enthält der von der Last aufgenommene Strom Oberschwingungen, so ist der Effektivwert des Stroms I_rms höher als der Grundstrom I₁. Einfacher ausgedrückt sind Oberschwingungsverluste annähernd die gesamte zusätzliche Wärmeverlustbildung, die von nichtlinearen Lasten erzeugt wird, verglichen mit linearen Lasten derselben Größe, wenn sie parallel von der gleichen Quelle gespeist werden. Da die Spezifikation der meisten elektrischen Anlagen auf 50-/60-Hz Parametern basiert, wird die Fähigkeit einer Anlage, im Nennleistungsbereich zu arbeiten, durch zusätzliche Oberschwingungsverluste beeinträchtigt.

Mittlerweile sind Messgeräte sowie Online- und Offline-Tools erhältlich, mit denen sich die wirtschaftlichen Auswirkungen zusätzlicher Oberschwingungsverluste direkt messen und kalkulieren lassen.

Vorzeitiges Altern von Anlagen

Elektrische und elektronische Systeme arbeiten in der Regel im Hochleistungsbetrieb. Sogar unter normalen Verhältnissen ist dies hinsichtlich der thermischen Belastung eine Herausforderung. Thermisches Management in Elektrosystemen soll permanenten und intermittierenden schwerwiegenden Ausfällen, wie z.B. Verlust der elektronischen Funktion, vorbeugen. Dazu ist es erforderlich, grosse Temperaturschwankungen zu eliminieren. Wenn ein System nicht für den Einsatz in oberschwingungsbelasteten Stromversorgungsnetzen ausgelegt ist, verursacht zusätzliche Wärme zahlreiche technische Probleme. Temperaturen über dem Bemessungswert bedeuten hohen thermomechanischen Stress und können zu einer übermäßigen Belastung der Anlagen führen. Darüber hinaus verursachen Temperaturen oberhalb der Gerätespezifikation eine vorzeitige Alterung der entsprechenden Anlagen, die infolgedessen früher ausgetauscht werden müssen. Oft werden dann  überdimensionierte Anlagen eingesetzt, die damit verbundenen Kosten sind allerdings höher als beim Einsatz geeigneter Filter zur Oberschwingungsreduktion.

Quellen:

• European Power Quality Survey, Leonardo-Energy, 2008
• Benchmarking on PQ desk survey: What PQ levels do different types of customer need? Work package 3 from Quality of Supply and Regulation Project, Arnhem, 7 June 2007