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Wie sich ein stabiles Stromnetz für Wolkenkratzer sicherstellen lässt

| Redakteur: Thomas Kuther

Stromnetze von großen Gebäuden wie Wolkenkratzern versorgen verschiedenste nicht-lineare Lasten. Aktive harmonische Filter können die so verursachten Beeinträchtigungen der Netzqualität verhindern.

Die Skyline von Shanghai: Stromnetze von Wolkenkratzern versorgen verschiedenste nicht-lineare Lasten, was zu Beeinträchtigungen der Netzqualität führen kann.
Die Skyline von Shanghai: Stromnetze von Wolkenkratzern versorgen verschiedenste nicht-lineare Lasten, was zu Beeinträchtigungen der Netzqualität führen kann.
(Bild: ©daizuoxin - stock.adobe.com )

Komplexe Stromnetze von Wolkenkratzern und anderen großen Gebäuden versorgen verschiedenste nicht-lineare Lasten. Dadurch verursachte Beeinträchtigungen der Netzqualität lassen sich durch den Einsatz von aktiven harmonischen Filtern der EPCOS PQSine S-Serie verhindern. Neben der verbesserten Netzqualität ermöglichen sie gleichzeitig Energieeinsparungen.

In Wolkenkratzern und anderen Gebäudekomplexen wird umfangreiche Leistungselektronik verwendet. Dazu zählen nicht-lineare Lasten wie drehzahlveränderbare Antriebe, USV-Systeme, Rechner und Server, Lichttechnik, TV-Geräte u.v.m. All diese Lasten verursachen Oberschwingungen, die zu negativen Netzrückwirkungen führen und die Gebäudebetreiber vor große Herausforderungen stellen.

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TDK-Applikationsingenieure arbeiten eng mit auf Netzqualitätslösungen spezialisierten Distributionspartnern zusammen. Gemeinsam entwickeln sie auf Basis aktiver harmonischer Filter der PQSine S-Serie zukunftsweisende Lösungen zur Verbesserung der Netzqualität.

Oberschwingungen im Netz bergen Gefahren

Die nicht-lineare Stromaufnahme führt zu Oberschwingungsströmen, die in Folge Verzerrungen der Sinusspannung bewirken, welche wiederum andere Verbraucher stören. Oberschwingungen sind ganzzahlige Vielfache der Grundschwingung, also der Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz, die unterschiedliche Amplituden aufweisen und sich bis in den oberen kHz-Bereich erstrecken. Oberschwingungen haben eine Reihe negativer Auswirkungen, unter anderem:

  • Funktionsstörungen anderer Verbraucher aufgrund der schlechten Netzqualität;
  • zusätzliche Strombelastung des Neutralleiters, da sich dort harmonische Oberschwingungsströme der 3., 9., 15., 21. Ordnung usw. summieren und zu unzulässig hohen Strömen führen;
  • Phasen-Asymmetrie (besonders bei Verwendung von 1-phasigen Schaltnetzteilen), welche zusätzlich die Erzeugung von Oberschwingungen begünstigt.
  • Darüber hinaus können Oberschwingungen empfindliche Geräte in ihrer Funktion beeinträchtigen oder sie sogar zerstören. Ein typisches Beispiel dafür sind IT-Netzwerke und deren Server und Rechner, deren Fehlfunktion eine Datenverfälschung mit verheerenden Folgeschäden verursachen kann.

Herausforderung für die Hochhaus-Netzqualität

Die enorme Größe eines Wolkenkratzers führt zu einer hohen Komplexität seiner diversen Verbraucher und Systeme. In der Folge ist die Sicherstellung der Netzqualität neben der Vermeidung von Überhitzung, Prozessstillständen und technischen Störungen ausschlaggebend für eine möglichst hohe Energieeffizienz und niedrige Betriebskosten.

Die wesentlichen elektrischen Lasten und ihre Eigenschaften sind:

  • Aufzüge: Mitunter mehr als 100 Aufzüge erfordern eine dynamische Blindleistungskompensation, die im Betrieb und bei der Leistungsrückspeisung in das Netz sehr schnell zwischen induktiv und kapazitiv wechselt. Der hohe Oberschwingungsanteil (Klirrfaktor) im Strom ist ebenfalls sehr dynamisch. Die harmonischen Oberschwingungen finden sich vor allem in der 5., 7., 11. und 13. Ordnung.
  • Innen- und Außenbeleuchtung: Als Leuchtmittel werden ausschließlich energiesparende LED- und Kompaktleuchtstofflampen verwendet. Diese verursachen harmonische Verzerrungen im Bereich von 150 Hz bis 2500 Hz. Hinzu kommen digitale Werbetafeln mit LED-Großbildschirmen (Dot-Matrix-Displays) mit oftmals einer Gesamtfläche von 2000 m2 und mehr sowie mit einem harmonischen Haupt-Oberwellenstrom der 3. Ordnung, aber auch Verzerrungen bis zur 50. Ordnung.
  • Klimaanlagen: Die hierfür verwendeten Wechselrichter verursachen ebenfalls Oberschwingungen und erfordern eine Blindleistungskompensation. Sie erzeugen harmonische Oberschwingungen vor allem der 5., 7., 11. und 13. Ordnung, aber auch der 17. und 19. Ordnung.
  • Gebläse, Wasserpumpen, Kühlgeräte und Brandschutzanlagen: Die zahlreichen kleineren sechspulsigen Stromrichter im System tragen zu harmonischen Oberschwingungen der 5. und 7. Ordnung und höher bei.
  • IT-Netzwerke, USVs, Sicherheitsanlagen und Zugangskontrollsysteme: Die vielen Schaltnetzteile in den Servern, Clients und anderen Netzwerk-Geräten erzeugen harmonische Oberschwingungen der 3. bis zur 23. Ordnung und höher. Darüber hinaus ist für sie eine sichere, unterbrechungsfreie Stromversorgung unerlässlich.

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