Oberschwingungen. im Stromversorgungsnetz. Planertag am und

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1 Oberschwingungen im Stromversorgungsnetz Planertag am und Dipl. - Ing. (FH) Oberschwingungen170217, Stand: Seite 1

2 Dipl. - Ing. (FH) Technische Dienst- und Ingenieurleistungen, etec Sachverständige zum Prüfen elektrischer Anlagen (VdS) Thermografie Seminare Esslinger Str. 17 Tel D Esslingen a. N. Fax Mobil a.englert@etec-es.de Zur Beachtung: Die in dieser Zusammenstellung enthaltenen Informationen, Bilder und Texte unterliegen ausdrücklich dem gesetzlich geschützte Urheberrecht des Autors. Ohne vorherige Zustimmung dürfen diese Unterlagen - auch auszugsweise - weder nachgedruckt noch vervielfältigt werden. Sie dürfen auch nicht in anderer Weise missbräuchlich verwendet werden. Die Unterlagen sind ausschließlich für die Teilnehmer dieses Planertages bestimmt und geben die Meinungen und Ansichten des Verfassers wieder. Es sind immer die Gesetze, Normen und allgemein anerkannten Regeln der Technik anzuwenden und einzuhalten. Um die Lesbarkeit zu erhöhen, wird bei allen personenbezogenen Begriffen die männliche Form verwendet. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sowohl Männer als auch Frauen damit angesprochen und gemeint sind. Oberschwingungen170217, Stand: Seite 2

3 Elektroplanung Ingenieurleistungen Sachverständige Beratung Planung Ausschreibung Bauleitung Elektrotechnik - Starkstrom - Schwachstrom - Beleuchtung - Datentechnik Bautechnik - Landesbauordnung - Brandschutz - Gefahrenmanagement Sachverständige Prüfung elektrischer Anlagen Sachverständige Schäden an und durch elektrische Anlagen Abnahme Abrechnung Betreuung von Versicherungsschäden Projektsteuerung Terminüberwachung Systemuntersuchung Wirtschaftlichkeit Gebäudeautomatisierung Notfall- / Gefahrenmanagement Prüffeld, Labor Brandschutzkonzepte Produktentwicklung Thermografie Elektrische Messtechnik Seminare Oberschwingungen170217, Stand: Seite 3

4 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5 Lineare Verbraucher I Ohm scher Widerstand Drossel Kondensator = Induktivität = Kapazität ~ U L1 Zeit Oberschwingungen170217, Stand: Seite 4 Strom

5 Wechselstrom sinusförmig mit Gleichstrom Aus einer Wechselspannungsquelle in Reihe mit einer Gleichspannungsquelle wird durch einen ohm schen Widerstand ein Wechselstrom mit Gleichstromanteil getrieben: I = ~ U Strom 1,5 1 L1 Gleich Gleich+Wechsel 0,5 0-0, Zeit -1-1,5 Oberschwingungen170217, Stand: Seite 5

6 2 Wechselströme sinusförmig mit f1 und f3=3xf1 Aus einer Wechselspannungsquelle mit Frequenz f1 in Reihe mit einer Wechselspannungsquelle mit Frequenz f2 wird durch einen ohm schen Widerstand ein nichtsinusförmiger Strom getrieben: I ~ f1 ~ U f3 = 3 x f1 Strom 1,5 1 L1 f3=3xf1 f1+f3 0,5 0-0, Zeit -1-1,5 Oberschwingungen170217, Stand: Seite 6

7 2 Wechselströme sinusförmig mit f1 und f5=5xf1 Aus einer Wechselspannungsquelle mit Frequenz f1 in Reihe mit einer Wechselspannungsquelle mit Frequenz f2 wird durch einen ohm schen Widerstand ein nichtsinusförmiger Strom getrieben: I ~ ~ f1 U f5 = 5 x f1 L1 1,5 f5=5xf1 1 f1+f5 0,5 0 Zeit Strom -0,5-1 -1,5 Oberschwingungen170217, Stand: Seite 7

8 Symmetrische Strombelastung Oberschwingungen170217, Stand: Seite 8

9 Nicht symmetrische Strombelastung Oberschwingungen170217, Stand: Seite 9

10 Strombelastung des Neutralleiters - Praxis L1 50 Hz Lineare Verbraucher im Drehstromsystem L2 L3 N Strom im Neutralleiter maximal Außenleiterstrom bei einphasiger Belastung Oberschwingungen170217, Stand: Seite 10

11 Belastbarkeit von Kabeln und Leitungen {Tab. 3} Querschnitt für den Außenleiter bei 50 Hz Oberschwingungen170217, Stand: Seite 11

12 VDE Querschnitt des Neutralleiters {524.2} Falls genauere Angaben nicht vorliegen, gilt das Folgende: Neutralleiter müssen gleichen Querschnitt S wie Außenleiter haben in einphasen Wechselstromkreisen in mehrphasigen Wechselstromkreisen mit Außenleiter S 16mm² Cu / 25 mm² Al in dreiphasigen Wechselstromkreisen (Drehstromkreisen), wenn voraussichtlich Oberschwingungen 3. Ordnung und ungerade Vielfache 3. Ordnung zum Fließen kommen und die Gesamt- Oberschwingungsverzerrung im Außenleiterstrom zwischen 15 % und 33 % liegt. Die hier angesprochenen Drehstromkreise sind Verteilungsstromkreise. Die Oberschwingungsverzerrung bezieht sich auf die Gesamtheit aller Oberschwingungen der 3. Ordnung und Vielfache davon, da ausschließlich diese zu einer zusätzlichen Neutralleiterbelastung führen Wenn die Oberschwingung 3. Ordnung und ungerade Vielfache der Oberschwingung 3. Ordnung mehr als 33 % Gesamt-Oberschwingungsverzerrung betragen, kann es notwendig sein, den Querschnitt des Neutralleiters zu vergrößern (siehe VDE : , Anhang B). Oberschwingungen170217, Stand: Seite 12

13 VDE Querschnitt des Neutralleiters {524.2} Bei mehrphasigen Stromkreisen, in denen der Querschnitt der Außenleiter > 16 mm² für Kupfer ist, darf der Neutralleiter einen kleineren Querschnitt als die Außenleiter haben, wenn die folgenden Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind: - Der im ungestörten Betrieb zu erwartende Strom im Stromkreis ist auf die Außenleiter symmetrisch verteilt, UND die Oberschwingung 3. Ordnung sowie ungerade Vielfache der Oberschwingung 3. Ordnung sind nicht größer als 15 % des Außenleiterstroms. UND. - Der Neutralleiter ist bei Überstrom durch Maßnahmen nach DIN VDE : , geschützt. UND - Der Querschnitt des Neutralleiters ist nicht kleiner als 16 mm² für Kupfer oder 25 mm² für Aluminium. sollte nicht mehr in Anspruch genommen werden, da. siehe folgende Seiten Oberschwingungen170217, Stand: Seite 13

14 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5 S Strombelastung des Neutralleiters - 3. OS-Praxis L Z 50 Hz 150 Hz Nicht lineare Verbraucher im Drehstromsystem L2 L3 N L3 L2 L1 150 Hz - Anteil Strom im Neutralleiter größer als im Außenleiter Oberschwingungen170217, Stand: Seite 14

15 Auswirkung von Oberschwingungsströmen auf symmetrisch belastete Drehstromsysteme {Anhang B} Umrechnung bei Oberschwingungsströme in vier- oder fünfadrigen Kabeln/Leitungen mit vier belasteten Adern Falls der Neutralleiter ohne entsprechende Reduzierung der Belastung der Außenleiter Strom führt Voraussetzungen für nachfolgende Betrachtungen: Symmetrisches 3-Phasen-System drei Außenleiter sind gleich belastet bis maximal 50% Unsymmetrie Neutralleiter führt Strom Neutralleiter gleicher Querschnitt und gleiches Material wie Außenleiter Oberwellenanteil der 5., 7., 11., 13. Ordnung < 10 % die Erwärmung der Außenleiter durch den Oberwellenstrom ist in den Reduktionsfaktoren berücksichtigt Neutralleiterstrom > Außenleiterstrom Nennquerschnitt nach Neutralleiterstrom ermitteln Achtung: Neutralleiterstrom 100 % bis 135 % des Phasenstromes Strombelastbarkeit muss bei 4 belasteten Leitern reduziert werden f= 0,8 Neutralleiterstrom > 135 % des Phasenstromes ist wie folgt zu verfahren Oberschwingungen170217, Stand: Seite 15

16 Neutralleiterstrom > 135 % des Phasenstromes {Anhang B} Hinweis: Wird das Kabel/Leitung nach dem Neutralleiterstrom ausgewählt, sind die 3 Außenleiter nicht voll belastet. Die Verringerung der Erwärmung durch die Außenleiter gleichen Erwärmung durch Neutralleiter aus. kein Reduktionsfaktor für die Außenleiter Dritte Oberschwingung Anteil am Phasenstrom Reduktionsfaktor Auswahl des Querschnitts nach dem Phasenstrom 0 bis 15 % 1,00 - Über 15% bis 33 % 0,86 - Über 33 % bis 45 % - 0,86 Über 45% - 1,00 Auswahl des Querschnitts nach dem Neutralleiterstrom Oberschwingungen170217, Stand: Seite 16

17 Beispiel 1 Vorgabe: Symmetrische Last mit 3 x 39 A Tabellen aus VDE 0298 Teil 4 gelten NYM-Leitung am Leiter max. 70 C an der Wand verlegt Verlegeart C Umgebungstemperatur 30 C Häufung keine Lösung bei keine Oberschwingungen 50 Hz Strom Tabelle 3 Spalte 11 bis 41 A Querschnitt 6 mm² Oberschwingungen170217, Stand: Seite 17

18 Beispiel 2 Vorgabe: Symmetrische Last mit 3 x 39 A Tabellen aus VDE 0298 Teil 4 gelten NYM-Leitung am Leiter max. 70 C an der Wand verlegt Verlegeart C Umgebungstemperatur 30 C Häufung keine Lösung bei 20 % der 3. Oberschwingung Dritte Oberwelle Anteil am Phasenstrom Reduktionsfaktor Auswahl des Querschnitts nach dem Phasenstrom 0 bis 15 % 1,00 - Über 15% bis 33 % 0,86 - Über 33 % bis 45 % - 0,86 Über 45% - 1,00 Auswahl des Querschnitts nach dem Neutralleiterstrom 39 A Last: = 45 A 0,86 Fiktiver 50 Hz Strom Tabelle 3 Spalte 11 bis 57 A Querschnitt 10 mm² Oberschwingungen170217, Stand: Seite 18

19 Beispiel 3 Vorgabe: Symmetrische Last mit 3 x 39 A Tabellen aus VDE 0298 Teil 4 gelten NYM-Leitung am Leiter max. 70 C an der Wand verlegt Verlegeart C Umgebungstemperatur 30 C Häufung keine Lösung bei 40 % der 3. Oberschwingung Dritte Oberwelle Anteil am Phasenstrom Reduktionsfaktor Auswahl des Querschnitts nach dem Phasenstrom 0 bis 15 % 1,00 - Über 15% bis 33 % 0,86 - Über 33 % bis 45 % - 0,86 Über 45% - 1,00 Auswahl des Querschnitts nach dem Neutralleiterstrom? Oberschwingungen170217, Stand: Seite 19

20 50 Hz Symmetrische Belastung im Drehstromsystem Grafische Ermittlung der Ströme Quelle: etec Oberschwingungen170217, Stand: Seite 20

21 50 Hz Symmetrische Belastung im Drehstromsystem Grafische Ermittlung der Ströme - Resultierende = Neutralleiterstrom Neutralleiterstrom 0 A Quelle: etec Oberschwingungen170217, Stand: Seite 21

22 3.Os im symmetrischen Drehstromsystem Neutralleiterstrom 3. Oberschwingung Neutralleiterstrom 1,5 x 3.Os Strom Quelle: etec Oberschwingungen170217, Stand: Seite 22

23 Beispiel 3 Vorgabe: Symmetrische Last mit 3 x 39 A Tabellen aus VDE 0298 Teil 4 gelten NYM-Leitung am Leiter max. 70 C an der Wand verlegt Verlegeart C Umgebungstemperatur 30 C Häufung keine Lösung bei 40 % der 3. Oberschwingung Dritte Oberwelle Anteil am Phasenstrom Reduktionsfaktor Auswahl des Querschnitts nach dem Phasenstrom 0 bis 15 % 1,00 - Über 15% bis 33 % 0,86 - Über 33 % bis 45 % - 0,86 Über 45% - 1,00 Auswahl des Querschnitts nach dem Neutralleiterstrom Achtung, jetzt ist zuerst der Strom im Neutralleiter zu berechnen: 40 % vom Laststrom im Außenleiter: Je Außenleiter 0,4 x 39 A = 15,6 A Bei 3 Phasen und 150 Hz gilt im Neutralleiter: 3 x Außenleiterstrom 150 Hz 3 x 15,6 A = 46,8 A = Neutralleiterstrom 46,8 A Last: = 54,4 A 0,86 Tabelle 3 Spalte 11 bis 57 A Querschnitt 10 mm² Fiktiver 50 Hz Strom Oberschwingungen170217, Stand: Seite 23

24 Beispiel 4 Vorgabe: Un-Symmetrische Last mit L1:39 A, L2: 58,5 A, L3: 19,5 A L1=100%, L2=150%, L3=50% NYM-Leitung am Leiter max. 70 C an der Wand verlegt Verlegeart C Umgebungstemperatur 30 C Häufung keine Lösung bei 40 % der 3. Oberschwingung Dritte Oberwelle Anteil am Phasenstrom Reduktionsfaktor Auswahl des Querschnitts nach dem Phasenstrom 0 bis 15 % 1,00 - Über 15% bis 33 % 0,86 - Über 33 % bis 45 % - 0,86 Über 45% - 1,00 Auswahl des Querschnitts nach dem Neutralleiterstrom Tabellen aus VDE 0298 Teil 4 gelten Achtung, jetzt ist zuerst der Strom im Neutralleiter zu berechnen: Neutralleiterstrom = Anteil 50 Hz + Anteil 3. Oberschwingung Oberschwingungen170217, Stand: Seite 24

25 50 Hz unsymmetrische Belastung - Neutralleiterstrom Grafische Ermittlung der Ströme - Resultierende = Neutralleiterstrom Neutralleiterstrom ca. 80 % Außenleiterstrom L1 (=100%) Quelle: etec Oberschwingungen170217, Stand: Seite 25

26 Beispiel 4 Vorgabe: Un-Symmetrische Last mit L1:39 A, L2: 58,5 A, L3: 19,5 A L1=100%, L2=150%, L3=50% NYM-Leitung am Leiter max. 70 C an der Wand verlegt Verlegeart C Umgebungstemperatur 30 C Häufung keine Lösung bei 40 % der 3. Oberschwingung Dritte Oberwelle Anteil am Phasenstrom Reduktionsfaktor Auswahl des Querschnitts nach dem Phasenstrom 0 bis 15 % 1,00 - Über 15% bis 33 % 0,86 - Über 33 % bis 45 % - 0,86 Über 45% - 1,00 Auswahl des Querschnitts nach dem Neutralleiterstrom Tabellen aus VDE 0298 Teil 4 gelten Achtung, jetzt ist zuerst der Strom im Neutralleiter überschlägig zu berechnen: Anteil 50 Hz: ca. 0,8 x 39 A = 31,2 A 40 % vom Laststrom im Außenleiter: Außenleiter L1 0,4 x 39 A = 15,6 A Bei 3 Phasen und 150 Hz gilt im Neutralleiter: 3 x Außenleiterstrom 150 Hz 3 x 15,6 A = 46,8 A = 3.Os Neutralleiterstrom Tabelle 3 Spalte 11 bis 96 A Querschnitt 25 mm² 46,8 A Last: = 54,4 A 0,86 Somit Neutralleiterstrom ca. 31,2 A + 54,4 A = 85,6 A (als fiktiver 50 Hz Strom) Oberschwingungen170217, Stand: Seite 26

27 Beispiel 5 Vorgabe: Symmetrische Last mit 3 x 39 A Tabellen aus VDE 0298 Teil 4 gelten NYM-Leitung am Leiter max. 70 C an der Wand verlegt Verlegeart C Umgebungstemperatur 30 C Häufung keine Lösung bei 50 % der 3. Oberschwingung Dritte Oberwelle Anteil am Phasenstrom Reduktionsfaktor Auswahl des Querschnitts nach dem Phasenstrom 0 bis 15 % 1,00 - Über 15% bis 33 % 0,86 - Über 33 % bis 45 % - 0,86 Über 45% - 1,00 Auswahl des Querschnitts nach dem Neutralleiterstrom Achtung, jetzt ist zuerst der Strom im Neutralleiter zu berechnen: 50 % vom Laststrom im Außenleiter: Je Außenleiter 0,5 x 39 A = 19,5 A Bei 3 Phasen und 150 Hz gilt im Neutralleiter: 3 x Außenleiterstrom 150 Hz 3 x 19,5 A = 58,5 A = Neutralleiterstrom 58,5 A Last: = 58,5 A 1,00 Tabelle 3 Spalte 11 bis 76 A Querschnitt 16 mm² Fiktiver 50 Hz Strom Oberschwingungen170217, Stand: Seite 27

28 Zusammenfassung Beispiel 1-5 Ergebnis: Auswahl Querschnitt für 39 A Querschnitt 25 mm² Beispiel 1 Beispiel 2, 3 Beispiel 5 Beispiel 4 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Oberschwingungen170217, Stand: Seite 28