Büro für Stromversorgung, Maschinen und Thermografie

Auswirkungen nichtlinearer Lasten auf Nulleiter

Betriebsmittel mit nichtlinearer Kennlinie sind Gleichstromversorgungen (Schaltnetzteile), Computer, elektron. Vorschaltgeräte (EVG), Unterhaltungselektronik, Dimmer sowie Strom-/Frequenzumrichter für Motorantriebe mit regelbarer Drehzahl. Diese belasten den Nulleiter in vorgelagerten Netzen mit Strömen höherer Frequenzen.

Die unentbehrlichen Glättungskondensatoren in Netzteilen und dgl., der massenhafte Einsatz, der hohe Gleichzeitigkeitsfaktor und die Stromversorgung über einen Außenleiter und Nulleiter treiben die Oberschwingungsströme sehr in die Höhe, insbesondere die 3. Ordnung.

Herkömmliche analoge Messgeräte zeigen diese Ströme nicht oder nicht richtig an.

Mit einer einfachen Messung kann ein OS-Problem festgestellt werden. Wenn der N-Leiterstrom größer ist, als der größte Unterschied zwischen den Außenleiterströmen, so sind Oberschwingungsströme zu erwarten.

Beispiel: I_L1=162A; I_L2=178A; I_L3=181A; I_N=165A --> I_diff = 181A-162A = 119A --> Hier liegt evt. ein OS-Problem vor.

Spannungen mit höheren Frequenzen, als die 50 Hz Grundschwingung, werden als harmonische bzw. interharmonische Oberschwingungen (OS) - auch Oberwellen bezeichnet und sind periodische Verzerrungen des Sinussignals (auch I oder P). Signale deren Frequenz einem ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz entsprechen sind harmonisch und alle anderen inter- oder auch als zwischenharmonisch bezeichnet.

Eine 50 Hz-Grundwelle ist die Welle 1. Ordnung, 100 Hz eine Welle 2. Ordnung, 3. Ordnung 150 Hz, 4. Ordnung 200 Hz, 5. Ordnung 250 Hz, 6. Ordnung 300 Hz, 7. Ordnung 350 Hz usw.

Die Oberschwingungen positiver und negativer Sequenz, also mit Drehfeld, heben sich im Sternpunkt bzw., wenn diese gleich groß sind, im N-Leiter auf. Nicht aber OS mit Null-Sequenz!

OS mit Null-Sequenz (3., 6., 9., 12., ...) - auch Nullssystem - kein Drehfeld
können bei asymmetrischer Last in einem 4- oder 5-Leiter-System auftreten. Die Ströme addieren sich bis zum ca. 1,73-fachen im Neutralleiter --> Überhitzungs- und Brandgefahr, da N-Leiter i.d.R. nicht durch Überstromschutzeinrichtung geschützt und evtl. auch noch einen reduzierten Querschnitt besitzen - verheerend!

Insbesondere in TN-C-Netzen, normalerweise alle mit Kabel/Leitungen ab 16...35 mm² , vagabundieren diese Neutralleiterströme im gesamten Potentialausgleichsystem über Erdungssysteme, Schirme von Datenleitungen, Kommunikationsanlagen, Wasser- und Heizungsrohre. Die Ströme können weiterhin zum Lochfraß sowie erhöhter Korrosion führen. Es lassen sich auch mit Kabel 35...240 mm² TN-S-Netze aufbauen!

Versorgungssysteme bergen ein hohes Risiko, wenn an ihnen u.a. Serverräume, Computerkabinette oder Maschinen mit Stromrichtern an Außenleiter und N-Leiter angeschlossen sind.

Eine turnusmäßige Überprüfung der Nulleiterströme muss deshalb die Grundlage sein, dass eine permanente Versorgungs-, Überspannungs- und vor allem Brandsicherheit gewährleistet ist.

Insbesondere in Gebäuden mit überwiegender Büro- oder Maschinennutzung.

Eine Basis ist auch die CE-Richtlinie 93/97/EWG Elektromagnetische Verträglichkeit.

Praxisbeispiel: Messung des Neutralleiterstromes einer UV in einem normalen Bürogebäude.

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Der Strom der 50 Hz Grundwelle beträgt nur 38,3 % vom Strom der 3. Oberschwingung!

Messung der Neutralleiterspannung

Die Höhe der Gleichspannung beträgt 710 % von der Höhe der reinen Sinusschwingung!

Folgen einer Nulleiterverbindung mit unendlichen oder sehr hohen Widerstand (z.B. offene/lose Klemmstelle)

Fazit:

Die Neutralleiter sind im hohen Maße überwachungswürdig, bezüglich der fehlenden Absicherung gegen Überstrom. Insbesondere dann, sobald nichtlineare Betriebsmittel in der Anlage installiert sind.
Ebenso die FI-Schutzschalter (RCD) Typ A, wenn ein hoher Gleichstromanteil vorhanden ist. Diese lösen im Fehlerfall nicht aus (Wandler ist in Sättigung), obwohl diese selbst in Ordnung und bei jeder Wiederholungsprüfung den Test bestehen! Denn, die gleichstromerzeugenden Betriebsmittel fehlen. Oder wird die Prüfung bei laufenden Büro- oder Maschinenbetrieb durchgeführt?

Literaturquellen:

• DIN EN 50160
• EMV-Sachverständiger (Kapitel OS)
• Fluke und Beha Messfibel
• Applikationshinweise zu IGBT-Umrichtern