Oberschwingungen: Was sie sind und warum sie stören
Oberschwingungen sind unerwünschte Anteile im Wechselstrom, die dein Netz verzerren und Verluste erzeugen. Hier bekommst du in zwei Absätzen die Definition und dann die Ursachen, Folgen und Gegenmittel.
Oberschwingungen – auch Harmonische genannt – sind sinusförmige Strom- oder Spannungsanteile, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz ist. In Deutschland liegt die Grundschwingung bei 50 Hz. Die 3. Oberschwingung schwingt also mit 150 Hz, die 5. mit 250 Hz, die 7. mit 350 Hz. Überlagern sich diese Harmonischen mit der Grundschwingung, entsteht statt einer sauberen Sinuskurve eine verzerrte Kurvenform. Diese Verzerrung ist das, was Techniker als Oberschwingungsbelastung bezeichnen.
Verursacher sind nichtlineare Verbraucher – Geräte, die den Strom nicht gleichmäßig über die Sinuskurve aufnehmen, sondern in Impulsen. Dazu zählen Schaltnetzteile (PCs, Ladegeräte), LED- und Leuchtstoff-Vorschaltgeräte, Frequenzumrichter, Motorantriebe, Dimmer und auch Wechselrichter von PV-Anlagen und Batteriespeichern. Je mehr solcher Verbraucher an einem Netzabschnitt hängen, desto stärker wird die Kurvenform verzerrt. Klassische ohmsche Verbraucher wie Heizstäbe erzeugen dagegen praktisch keine Oberschwingungen.
Oberschwingungen erzeugen zusätzliche Verluste und Wärme. Sie belasten Transformatoren und Leitungen thermisch, können Kondensatoren überlasten und lassen Elektromotoren unruhiger laufen. Ein Sonderfall ist die 3. Oberschwingung und ihre Vielfachen (sogenannte Nullsystem-Harmonische): Sie addieren sich im Neutralleiter eines Drehstromnetzes, statt sich aufzuheben – so kann der Neutralleiter stärker belastet werden als die Außenleiter. Außerdem können empfindliche Geräte, Messtechnik und Steuerungen gestört werden.
Das gängige Maß ist der Gesamtoberschwingungsgehalt THD (Total Harmonic Distortion). Er setzt die Summe aller Oberschwingungen ins Verhältnis zur Grundschwingung und wird in Prozent angegeben – man unterscheidet THD_u für die Spannung und THD_i für den Strom. Ergänzend betrachtet man die einzelnen Ordnungszahlen (3., 5., 7., 11., 13. …), weil in Wechselstromnetzen vor allem die ungeraden Ordnungen auftreten. Gemessen wird mit Netzanalysatoren, die die Kurvenform per Fourier-Analyse zerlegen.
Für die Spannungsqualität im öffentlichen Netz gilt in Europa die Norm EN 50160, die zulässige Oberschwingungspegel und einen Grenzwert für den gesamten Oberschwingungsgehalt der Spannung festlegt. Für die Störaussendung von Geräten ist die Normenreihe IEC/EN 61000 maßgeblich (z. B. EN 61000-3-2 für den Oberschwingungsstrom von Geräten). Prüfe im konkreten Fall immer die aktuelle Fassung der Norm und die Vorgaben deines Netzbetreibers, da sich Grenzwerte nach Anschlussleistung und Netzebene unterscheiden.
Gegen zu hohe Oberschwingungen helfen passive Netzdrosseln vor Frequenzumrichtern, Saugkreise (abgestimmt auf einzelne Ordnungen) sowie aktive Oberschwingungsfilter, die die Verzerrung gezielt kompensieren. Auch die Auswahl netzfreundlicher Geräte (z. B. Wechselrichter mit niedrigem THD_i) reduziert das Problem an der Quelle. Der erste Schritt ist immer eine Messung über einen repräsentativen Zeitraum – erst danach lässt sich sinnvoll dimensionieren, welche Maßnahme wirtschaftlich ist.