Wie entstehen Oberschwingungen im Stromnetz?

Oberschwingungen entstehen, sobald ein Verbraucher den Strom nicht mehr sauber sinusförmig aus dem Netz zieht. Hier erfährst du in zwei Schritten, wo sie herkommen und was sie in deinem Netz anrichten.

Deine Netzspannung ist ein sauberer 50-Hz-Sinus. Ein klassischer Verbraucher (Glühlampe, Heizung) zieht dazu einen ebenso sinusförmigen Strom – dann entstehen keine Oberschwingungen. Ein nichtlinearer Verbraucher dagegen zieht den Strom nur in kurzen Stromspitzen oder Blöcken, nicht proportional zur Spannung. Dieser verzerrte, nicht-sinusförmige Strom ist die eigentliche Quelle der Oberschwingungen.

Der verzerrte Strom fließt durch die Impedanz (Widerstand + Induktivität) deiner Leitungen und Trafos. Nach dem Ohm'schen Gesetz erzeugt jeder Stromanteil dort einen Spannungsabfall – auch die verzerrten Anteile. Dadurch wird die ursprünglich saubere Sinusspannung am Anschlusspunkt selbst verformt. So springen Oberschwingungen von einem Verbraucher auf das ganze Netz über und stören auch benachbarte Geräte.

Ein verzerrter Strom lässt sich per Fourier-Analyse in eine Summe reiner Sinusschwingungen zerlegen: die Grundschwingung mit 50 Hz plus Oberschwingungen mit ganzzahligen Vielfachen. Die 3. Oberschwingung liegt bei 150 Hz, die 5. bei 250 Hz, die 7. bei 350 Hz. In symmetrischen Netzen dominieren die ungeraden Ordnungen (3., 5., 7., …); gerade Ordnungen heben sich meist gegenseitig auf.

Oberschwingungen entstehen überall dort, wo Leistungselektronik im Spiel ist: Schaltnetzteile (PC, Ladegeräte), LED-Beleuchtung und Dimmer, Frequenzumrichter an Motoren und Pumpen, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Wallboxen fürs E-Auto sowie Wechselrichter von PV-Anlagen und Batteriespeichern. Je mehr solcher Geräte gleichzeitig laufen, desto stärker die Verzerrung.

Die 3. Oberschwingung (150 Hz) und ihre Vielfachen sind sogenannte Nullsystem-Anteile. In einem Drehstromnetz löschen sie sich nicht im Neutralleiter aus, sondern addieren sich dort auf. Deshalb kann der Neutralleiter höher belastet sein als die Außenleiter – ein häufiger Grund für überhitzte N-Leiter und ausgelöste Schutzeinrichtungen in Gebäuden mit vielen Schaltnetzteilen.

Verzerrte Ströme und Spannungen bedeuten zusätzliche Verluste und Erwärmung in Kabeln, Trafos und Motoren, brummende Betriebsmittel, ausgelöste Sicherungen sowie gestörte Elektronik. Als Maß dient der Klirrfaktor (THD), der den Anteil aller Oberschwingungen gegenüber der 50-Hz-Grundschwingung angibt. Gegensteuern kannst du mit Netzdrosseln, passiven Saugkreisen oder aktiven Oberschwingungsfiltern.

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Oberschwingungen entstehen immer dann, wenn ein Verbraucher den Strom nicht gleichmäßig sinusförmig aus dem Netz zieht, sondern in kurzen, verzerrten Stromspitzen. Verantwortlich dafür sind sogenannte nichtlineare Verbraucher: Geräte mit Leistungselektronik wie Frequenzumrichter, Schaltnetzteile, Gleichrichter, LED-Treiber, Ladegeräte oder drehzahlgeregelte Antriebe. Sie entnehmen dem Netz den Strom nicht über die ganze Sinuswelle hinweg, sondern nur in bestimmten Phasenabschnitten. Dadurch weicht die Stromkurve von der reinen Sinusform ab – und genau diese Verzerrung ist die Ursache der Oberschwingungen.

Physikalisch lässt sich jede verzerrte, aber periodische Kurve als Summe von Sinusschwingungen beschreiben: der Grundschwingung mit 50 Hz plus einer Reihe von Oberschwingungen, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind (150 Hz, 250 Hz, 350 Hz und so weiter). Diese überlagerten Oberschwingungsströme fließen vom Verbraucher zurück ins Netz und erzeugen an den Netzimpedanzen zusätzliche Spannungsabfälle. So überträgt sich die Verzerrung vom Strom auf die Netzspannung und wirkt auch auf benachbarte Verbraucher. Kurz gesagt: Oberschwingungen entstehen nicht im Netz selbst, sondern werden von nichtlinearen Verbrauchern erzeugt und ins Netz zurückgespeist.