Netzanalyse

Eine Netzanalyse ist die systematische Untersuchung eines elektrischen Stromnetzes, um die Qualität der Stromversorgung zu bewerten, Fehlerquellen zu identifizieren und Optimierungspotenziale zu erkennen. Sie umfasst das Messen, Überwachen und Analysieren verschiedener elektrischer Parameter, um Netzstörungen, Spannungsschwankungen und Leistungsprobleme zu erkennen.

Typische Parameter, die bei einer Netzanalyse gemessen werden

• Spannung (V) – Gleich- und Wechselspannung sowie Spannungsschwankungen
• Strom (A) – Stromstärke in den Phasen und Neutralleitern
• Frequenz (Hz) – Stabilität der Netzfrequenz (50 Hz in Europa)
• Oberschwingungen (THD) – Verzerrungen durch nicht-lineare Lasten
• Leistungsfaktor (cos φ) – Verhältnis zwischen Wirk- und Scheinleistung
• Blindleistung (kVAr) – Anteil der elektrischen Leistung, der nicht genutzt wird
• Kurzzeitige Spannungseinbrüche und -überhöhungen

Die Netzanalyse ist ein Instrument für die Industrie, das Handwerk und Energieversorger, um die Stabilität, Effizienz und Sicherheit von Stromnetzen zu gewährleisten. Sie hilft dabei, Netzprobleme frühzeitig zu erkennen, deren Ursachen zu identifizieren und geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen.

Sicherstellung einer stabilen Stromversorgung

Netzstörungen wie Spannungsschwankungen, Unsymmetrien und Frequenzabweichungen können empfindliche Maschinen beeinträchtigen oder sogar zum Stillstand bringen. Durch eine Netzanalyse lassen sich solche Probleme frühzeitig identifizieren und beheben, wodurch die Betriebssicherheit erhöht und Produktionsausfälle vermieden werden.

Reduktion von Netzstörungen und Schäden an Anlagen

Störungen im Stromnetz, etwa durch Oberschwingungen oder Flicker, können zu Schäden an elektrischen Geräten führen und deren Lebensdauer verkürzen. Eine Netzanalyse hilft, diese Probleme aufzudecken und Gegenmaßnahmen zu ergreifen, um eine zuverlässige und störungsfreie Energieversorgung sicherzustellen.

Optimierung der Energieeffizienz und Kostensenkung

Durch eine detaillierte Analyse des Stromnetzes lassen sich ineffiziente Verbraucher erkennen und unnötige Blindleistung reduzieren. Dadurch kann nicht nur der Energieverbrauch gesenkt, sondern auch die Netzqualität verbessert und hohe Netzentgelte vermieden werden.

Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und Normen

Industriebetriebe sind verpflichtet, bestimmte Netzqualitätsnormen wie DIN EN 50160 und IEC 61000 einzuhalten. Eine Netzanalyse stellt sicher, dass diese Vorgaben erfüllt werden und schützt Unternehmen vor Vertragsstrafen oder Netzproblemen, die zu Produktionsausfällen führen könnten.

Prävention und Früherkennung von Netzproblemen

Durch regelmäßige Netzanalyse können potenzielle Störungen frühzeitig erkannt und behoben werden, bevor sie größere Schäden oder kostenintensive Ausfälle verursachen. Dies ermöglicht eine vorausschauende Instandhaltung und trägt zur langfristigen Stabilität des Stromnetzes bei.

Obwohl die Begriffe Netzanalyse und Netzüberwachung oft synonym verwendet werden, gibt es wesentliche Unterschiede in ihrer Funktion, Anwendung und Zielsetzung.

Kriterium	Netzanalyse	Netzüberwachung
Ziel	Detaillierte Untersuchung von Netzproblemen, Ursachenanalyse und Optimierung der Netzqualität	Kontinuierliche Überwachung der Netzparameter zur Früherkennung von Problemen
Anwendung	Zeitlich begrenzte Messungen, oft zur Fehlersuche oder Netzbewertung	Dauermessung, um Netzwerte in Echtzeit zu erfassen
Einsatzbereich	Vorbeugende Analyse, Störungsdiagnose, Optimierung von Netzlasten	Laufende Überwachung in kritischen Infrastrukturen wie Rechenzentren oder Industrieanlagen
Typische Messgrößen	Oberschwingungen, Spannungsspitzen, Netzrückwirkungen, Blindleistung, Frequenzabweichungen	Spannung, Strom, Frequenz, Leistungsfaktoren
Messgeräte	Netzanalysegeräte, Netzqualitätsanalysatoren, Power Quality Analyzer	Netzüberwachungsgeräte, SCADA-Systeme, Smart Meter

Damit eine Netzanalyse sinnvoll durchgeführt werden kann, ist es wichtig, die grundlegende Funktionsweise des Stromnetzes zu verstehen. Das Stromnetz stellt sicher, dass elektrische Energie stabil und effizient von der Erzeugung bis zum Endverbraucher transportiert wird. Dabei spielt die Netzstruktur eine zentrale Rolle, da unterschiedliche Spannungsebenen, Netzformen und Verbraucher unterschiedliche Auswirkungen auf die Netzqualität haben.

Aufbau und Funktionsweise von Stromnetzen

Ein Stromnetz besteht aus mehreren Komponenten, die eng miteinander verbunden sind. Die Energieerzeugung erfolgt in Kraftwerken oder durch erneuerbare Quellen wie Photovoltaik- und Windkraftanlagen. Von dort aus wird der Strom über Hochspannungsleitungen zu Umspannwerken transportiert, die die Spannung auf ein für den regionalen Verbrauch geeignetes Niveau herabsetzen. Anschließend verteilt das Mittelspannungsnetz die Energie an industrielle Großverbraucher oder weiter an lokale Niederspannungsnetze, die Haushalte, Gewerbebetriebe und kleinere Unternehmen versorgen. Schaltanlagen und Transformatoren sorgen dabei für eine sichere Netzführung und verhindern Überlastungen oder Spannungsschwankungen. Damit das Netz stabil bleibt, müssen alle diese Komponenten kontinuierlich überwacht und analysiert werden.

Arten von Stromnetzen: Niederspannung, Mittelspannung, Hochspannung

Das Stromnetz ist in verschiedene Spannungsebenen unterteilt, die sich nach ihrem jeweiligen Verwendungszweck unterscheiden. Hochspannungsnetze, die mit Spannungen zwischen 110 kV und 400 kV arbeiten, sind für den überregionalen Transport elektrischer Energie zuständig. Sie verbinden große Kraftwerke mit den Umspannwerken und ermöglichen eine effiziente Energieübertragung über lange Strecken. Mittelspannungsnetze, die Spannungen von 1 kV bis 36 kV nutzen, verteilen den Strom innerhalb regionaler Versorgungsgebiete und versorgen Großverbraucher wie Industriebetriebe oder Krankenhäuser. Niederspannungsnetze mit 230 V oder 400 V sind schließlich für die Stromversorgung von Haushalten, kleinen Gewerbebetrieben und Bürogebäuden verantwortlich. Da Netzprobleme auf jeder Spannungsebene auftreten können, ist es wichtig, dass eine Netzanalyse alle relevanten Netzparameter erfasst und auswertet.

Unterschiedliche Netzformen: IT-, TT-, TN-Systeme

Je nach Einsatzbereich werden verschiedene Netzformen genutzt, die sich durch ihre Erdungssysteme unterscheiden. Das in Deutschland am häufigsten verwendete TN-System verbindet den Neutralleiter direkt mit der Erde und sorgt für eine hohe Betriebssicherheit. Das TT-System hingegen trennt den Schutzleiter von der Neutralleiter-Erdung, was insbesondere in ländlichen Gebieten Vorteile bietet, jedoch einen höheren Wartungsaufwand erfordert. Das IT-System, bei dem der Neutralleiter nicht direkt geerdet ist, wird vor allem in sicherheitskritischen Bereichen wie Krankenhäusern oder Industrieanlagen eingesetzt, da es eine hohe Störfestigkeit aufweist und auch im Fehlerfall weiter betrieben werden kann. Die Wahl des Netzsystems beeinflusst maßgeblich die Netzqualität, weshalb es bei einer Netzanalyse berücksichtigt werden muss.

In einem modernen Stromnetz können verschiedene Probleme auftreten, die sowohl die Netzstabilität als auch die Effizienz der Stromversorgung beeinträchtigen. Solche Probleme haben weitreichende Auswirkungen auf industrielle Prozesse und können im schlimmsten Fall zu Maschinenausfällen oder erheblichen Produktionsverlusten führen. Eine regelmäßige Netzanalyse ist entscheidend, um diese Netzstörungen frühzeitig zu identifizieren und geeignete Maßnahmen zu ergreifen. Im Folgenden werden die häufigsten Probleme im Stromnetz beschrieben.

Spannungsschwankungen und -einbrüche

Spannungsschwankungen treten auf, wenn die Spannung im Netz unregelmäßig ansteigt oder abfällt. Diese Schwankungen können von verschiedenen Faktoren verursacht werden, wie etwa dem plötzlichen Einschalten großer Maschinen, Wetterbedingungen oder Problemen in der Energieerzeugung. Spannungseinbrüche, bei denen die Spannung kurzzeitig unter den Normalwert fällt, sind besonders kritisch, da sie empfindliche elektronische Geräte stören oder sogar zum Ausfall führen können. Gerade in der Industrie, wo kontinuierliche und stabile Energieversorgung wichtig ist, stellen Spannungsschwankungen ein ernsthaftes Risiko dar. Sie können zu Produktionsunterbrechungen und erhöhtem Verschleiß an Maschinen führen.

Oberschwingungen (Harmonische Verzerrungen)

Oberschwingungen sind Verzerrungen in der elektrischen Spannung oder im Strom, die durch nicht-lineare Verbraucher wie Frequenzumrichter, Schaltnetzteile oder LED-Beleuchtung erzeugt werden. Diese Verbraucher erzeugen zusätzliche Frequenzen, die zu einer Überlagerung der Grundfrequenz (50 Hz) führen und das Stromnetz belasten. Die Auswirkungen von Oberschwingungen sind vielfältig: Sie können Transformatoren und Motoren überhitzen, Kondensatoren beschädigen und die Energieeffizienz von Anlagen verringern. Langfristig führen sie zu erhöhtem Verschleiß an elektrischen Geräten und können sogar Ausfälle verursachen, wenn sie nicht rechtzeitig erkannt und korrigiert werden.

Flicker (Spannungsflimmern)

Flicker, auch als Spannungsflimmern bekannt, entsteht durch rasche und unregelmäßige Änderungen der Spannung. Diese Spannungsänderungen werden häufig von großen Verbrauchern verursacht, die plötzlich hohe Strommengen ziehen, wie zum Beispiel Schweißgeräte oder große Antriebe. Flicker äußert sich in einem sichtbaren Flimmern von Beleuchtungssystemen und kann empfindliche elektronische Geräte stören. In industriellen Anwendungen kann Flicker den reibungslosen Betrieb von Maschinen beeinträchtigen und zu erhöhten Störungen führen, insbesondere in Produktionsprozessen, die auf gleichmäßige Bedingungen angewiesen sind.

Unsymmetrien im Drehstromnetz

Unsymmetrien im Drehstromnetz entstehen, wenn die drei Phasen eines Stromnetzes unterschiedlich belastet werden. In einem idealen Drehstromnetz sind die Lasten gleichmäßig auf alle Phasen verteilt, was zu einer stabilen Spannungsversorgung führt. In der Praxis kommt es jedoch häufig vor, dass bestimmte Phasen stärker belastet sind als andere, beispielsweise durch einseitige Verbraucheranschlüsse. Dies führt zu Spannungsschwankungen und erhöhten Verlusten im Netz. Unsymmetrien können Transformatoren, Generatoren und Motoren überlasten und deren Effizienz beeinträchtigen. Zudem können sie zu einer ungleichmäßigen Erwärmung von Geräten führen, was langfristig deren Lebensdauer verringert.

Spannungsüberhöhungen und -abfälle

Neben Spannungseinbrüchen stellen auch Spannungsüberhöhungen ein ernstzunehmendes Problem im Stromnetz dar. Eine Spannungsüberhöhung tritt auf, wenn die Spannung für eine bestimmte Zeit über dem zulässigen Niveau liegt. Sie kann durch plötzliche Entlastung des Netzes oder fehlerhafte Regelungen entstehen. Beide Phänomene – Überhöhungen und Abfälle – führen zu einem instabilen Netzbetrieb und können elektrische Geräte dauerhaft beschädigen oder deren Funktion beeinträchtigen.

Blindleistung und ihre Auswirkungen

Blindleistung ist ein Anteil der elektrischen Energie, der nicht für die eigentliche Arbeit genutzt wird, sondern zwischen den Stromerzeugern und Verbrauchern hin und her pendelt. Sie entsteht durch die magnetischen Felder in Transformatoren, Motoren und anderen induktiven Lasten. Obwohl Blindleistung für den Betrieb vieler Geräte notwendig ist, belastet sie das Stromnetz und führt zu höheren Energieverlusten. Unternehmen müssen häufig zusätzliche Kosten tragen, da sie für die Bereitstellung und den Transport von Blindleistung zahlen müssen. Die Reduktion von Blindleistung ist daher ein wichtiger Faktor zur Verbesserung der Energieeffizienz und Senkung der Betriebskosten.

Kurzzeitige und langanhaltende Netzstörungen

Netzstörungen können sowohl kurzzeitig als auch langfristig auftreten und sind oft schwer vorhersehbar. Kurzzeitige Störungen, wie Spannungseinbrüche oder -spitzen, können durch vorübergehende Ereignisse im Netz verursacht werden, etwa durch das Schalten großer Lasten oder äußere Einflüsse wie Blitzschläge. Langfristige Netzstörungen resultieren häufig aus einer dauerhaft hohen Belastung des Netzes, schlechten Netzstrukturen oder überalterter Infrastruktur. Beide Arten von Störungen beeinträchtigen die Netzstabilität und können im schlimmsten Fall zu Ausfällen oder erheblichen Schäden an Anlagen führen.

Die Durchführung einer Netzanalyse erfolgt in mehreren Schritten – von der Planung und Auswahl des richtigen Messgeräts über die Messung selbst bis hin zur Auswertung der Ergebnisse. Dabei ist es entscheidend, sowohl gezielte Kurzzeitmessungen als auch Langzeitanalysen durchzuführen, um wiederkehrende Störungen und sporadische Netzprobleme zuverlässig zu erkennen.

Planung und Vorbereitung einer Netzanalyse

Bevor eine Netzanalyse durchgeführt wird, ist eine detaillierte Planung erforderlich. Zunächst sollte geklärt werden, welches Ziel die Analyse hat. Soll eine bestimmte Störung identifiziert werden, oder geht es um eine allgemeine Überprüfung der Netzqualität? Basierend auf diesen Anforderungen wird festgelegt, welche Messgrößen erfasst werden müssen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Auswahl der richtigen Messpunkte. Diese sollten so gewählt werden, dass alle relevanten Netzbereiche erfasst werden. In einer industriellen Umgebung sind dies oft die Einspeisepunkte von Transformatoren, Hauptverteilungen oder bestimmte Maschinenanschlüsse. Je nach Netzstruktur und Verdacht auf Störungen kann es sinnvoll sein, an mehreren Stellen gleichzeitig zu messen, um Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Netzbereichen zu analysieren.

Sicherheitsaspekte spielen ebenfalls eine zentrale Rolle bei der Planung. Da Messungen in aktiven Stromnetzen durchgeführt werden, müssen alle Sicherheitsvorschriften eingehalten werden. Das Tragen von persönlicher Schutzausrüstung und die Verwendung von Messgeräten mit geeigneter Schutzklasse sind unerlässlich.

Auswahl des richtigen Netzanalysegeräts

Die Wahl des passenden Netzanalysegeräts hängt von den gewünschten Messparametern ab. Handelt es sich um eine kurzfristige Störungsanalyse, kann ein mobiles Netzanalysegerät eingesetzt werden, das flexibel an verschiedenen Punkten im Netz angeschlossen werden kann. Bei einer dauerhaften Überwachung der Netzqualität bieten sich stationäre Netzanalysatoren an, die fest in die elektrische Anlage integriert werden.

Wichtige Auswahlkriterien für ein Netzanalysegerät sind:

• Die Anzahl der zu messenden Phasen (Einphasig oder Drehstrom)
• Der Messbereich für Spannung und Strom
• Die Fähigkeit zur Erfassung von Oberschwingungen, Flicker und Kurzzeitstörungen
• Speicherkapazität und Datenübertragungsmöglichkeiten (z. B. USB, WLAN, Cloud-Anbindung)
• Benutzerfreundlichkeit der Analyse-Software

Durchführung der Messung

Nach der Vorbereitung wird das Netzanalysegerät an den ausgewählten Messpunkten installiert. Dabei wird darauf geachtet, dass die Spannungsmessleitungen und Stromwandler korrekt angeschlossen sind. Falsche Verkabelungen können zu fehlerhaften Messwerten führen oder das Gerät beschädigen.

Sobald die Installation abgeschlossen ist, beginnt die eigentliche Messung. Die Dauer der Messung hängt vom Untersuchungsziel ab. Eine kurze Momentaufnahme kann bereits grundlegende Informationen liefern, doch um zyklische Netzprobleme oder sporadische Störungen zu erkennen, ist eine Langzeitmessung erforderlich. Typischerweise laufen solche Messungen über mehrere Stunden bis hin zu mehreren Tagen.

Während der Messung erfassen die Geräte kontinuierlich Daten und protokollieren ungewöhnliche Netzereignisse, wie Spannungseinbrüche oder Oberschwingungsspitzen. Moderne Geräte ermöglichen eine Live-Überwachung der Messwerte, sodass kritische Ereignisse direkt erkannt und analysiert werden können.

Interpretation der Messergebnisse

Nach Abschluss der Messung werden die gesammelten Daten ausgewertet. Moderne Netzanalysegeräte bieten Softwarelösungen, die Messwerte grafisch darstellen und automatisch Auswertungen erstellen. Wichtige Fragen, die bei der Analyse der Daten beantwortet werden sollten, sind:

• Gibt es deutliche Spannungsschwankungen oder wiederkehrende Spannungseinbrüche?
• Sind hohe Oberschwingungsanteile vorhanden, die elektrische Geräte beeinträchtigen können?
• Weicht die Netzfrequenz von den zulässigen Werten ab?
• Ist die Lastverteilung auf die Phasen gleichmäßig, oder gibt es Unsymmetrien?
• Liegen Spannungsspitzen oder Flicker-Effekte über den zulässigen Grenzwerten?

Die Ergebnisse der Netzanalyse werden anschließend mit den relevanten Normen verglichen, insbesondere mit der DIN EN 50160, die Anforderungen an die Spannungsqualität definiert. Falls Abweichungen festgestellt werden, müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden.

Ableitung von Maßnahmen zur Netzverbesserung

Nach der Auswertung der Messergebnisse können gezielte Maßnahmen zur Optimierung der Netzqualität eingeleitet werden. Abhängig von den identifizierten Problemen gibt es verschiedene Lösungsansätze:

• Spannungsschwankungen reduzieren: Installation von Stabilisatoren oder Nachjustierung der Netzregelung
• Oberschwingungen minimieren: Einsatz von Oberschwingungsfiltern oder Austausch nicht-linearer Verbraucher
• Unsymmetrien ausgleichen: Optimierung der Lastverteilung auf die Phasen
• Blindleistung kompensieren: Installation von Kompensationsanlagen zur Reduzierung von Blindstromkosten
• Schutz vor Flicker-Effekten: Nutzung von Netzfiltern oder Anpassung der Schaltstrategien großer Verbraucher

In vielen Fällen ist eine Kombination mehrerer Maßnahmen erforderlich, um eine nachhaltige Verbesserung der Netzqualität zu erreichen. Besonders in der Industrie kann es sinnvoll sein, stationäre Netzanalysegeräte dauerhaft zu installieren, um Veränderungen im Stromnetz kontinuierlich zu überwachen und frühzeitig auf neue Probleme reagieren zu können.

Die Qualität der elektrischen Energieversorgung unterliegt strengen Normen und Richtlinien, die sicherstellen sollen, dass das Stromnetz zuverlässig, effizient und störungsfrei funktioniert. Diese Normen definieren unter anderem Grenzwerte für Spannungsschwankungen, Oberschwingungen und Frequenzabweichungen sowie Anforderungen an Messverfahren und -geräte. Insbesondere in der Industrie ist die Einhaltung dieser Vorschriften entscheidend, um Netzprobleme zu vermeiden und eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten.

DIN EN 50160 – Merkmale der Spannung in öffentlichen Stromnetzen

Die DIN EN 50160 dient vor allem Netzbetreibern als Grundlage, um die Qualität ihrer Stromversorgung sicherzustellen. Unternehmen und Industriebetriebe nutzen sie als Referenz, um festzustellen, ob ihre Netzprobleme durch Abweichungen von diesen Vorgaben verursacht werden. Die wesentlichen dabei einzuhaltenden Merkmale sind:

• Spannungshöhe und -schwankungen: Die Netzspannung darf um ±10 % vom Nennwert (z. B. 230 V bei Niederspannung) abweichen.
• Frequenzstabilität: In Europa beträgt die Netzfrequenz 50 Hz und darf im Normalbetrieb nur geringfügig schwanken.
• Oberschwingungen und Verzerrungen: Die Norm legt Grenzwerte für harmonische Verzerrungen fest, um sicherzustellen, dass nicht-lineare Verbraucher das Netz nicht übermäßig belasten.
• Kurzzeitige Spannungsänderungen und Flicker: Spannungsschwankungen, die durch große Laständerungen verursacht werden, müssen innerhalb definierter Grenzen bleiben.
• Unsymmetrien: Ungleichmäßige Belastungen in Drehstromnetzen dürfen bestimmte Werte nicht überschreiten.

IEC 61000 – Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Netzqualität

Die IEC 61000 ist eine internationale Normenreihe zur Beurteilung elektromagnetischer Störungen und Netzqualitätsprobleme. Sie umfasst verschiedene Teile, die sich mit der Messung und Bewertung von Störungen in elektrischen Netzen befassen.

Besonders relevant für die Netzanalyse sind:

• IEC 61000-4-30: Diese Norm definiert Messmethoden zur Beurteilung der Netzqualität. Sie legt fest, wie Netzanalysatoren Spannungsschwankungen, Oberschwingungen, Flicker, Spannungseinbrüche und andere Netzprobleme erfassen müssen. Die Norm unterscheidet dabei verschiedene Messklassen, je nach Genauigkeitsanforderungen.
• IEC 61000-3-2 und IEC 61000-3-4: Diese Teile der Norm legen Grenzwerte für Oberschwingungsströme fest, die von elektrischen Geräten ins Netz eingespeist werden dürfen. Sie sind insbesondere für Hersteller von elektronischen Geräten relevant, da sie sicherstellen müssen, dass ihre Produkte das Netz nicht übermäßig belasten.

Die IEC 61000 ist von besonderer Bedeutung für Industriebetriebe, die ihre Netzqualität überprüfen wollen, da sie klare Vorgaben zu Messverfahren und zulässigen Netzstörungen macht.