Netzfrequenz

Frequenzen für Wechselspannungen in einem Stromnetz werden als Netzfrequenz bezeichnet. Sie ist einheitlich und wird in Hertz angegeben.

Während in Inselnetzen die Netzfrequenz konstant gehalten wird, schwankt sie im Verbund-Netzwerk in engen Grenzen nach strengen Netzregeln um ihren Nennwert.

Im Verbund-Netzwerk folgen alle zugeschalteten Synchron-Generatoren (inklusive deren fest gekuppelter Antriebsmaschine) starr der Netzfrequenz, d.h. die Netzfrequenz wirkt sich unmittelbar auf die Drehzahl des Turbosatzes aus (siehe auch Polpaarzahl und Drehzahl).

Da die Leistung bzw. Leistungsfähigkeit des Generators und seiner Antriebsmaschine von der Drehzahl abhängig ist (z.B. Kühlluftauslegung der Lüfterräder für die Rotorwicklung oder bei der Gasturbine der durch den internen Verdichter zu erzeugende Luftmassenstrom) kommt der Netzfrequenz eine enorme Bedeutung zu.

Spannungsverlauf bei 230 V/50 Hz (blau) und bei 110 V/60 Hz (rot)

Netzfrequenzen und Netze

Netzfrequenzen und Netzspannungen weltweit

Die Unterschiede sind durch die historische Entwicklungsgeschichte der ersten Stromnetze in den 1880er und 1890er Jahren bedingt und haben heute keinen technischen Grund.

Öffentliche Verbund-Stromnetze

Weltweit haben sich 2 Verbund-Netzfrequenzen etabliert:

1. In Europa, in großen Teilen Asiens, Australien, dem Großteil von Afrika und Teilen von Südamerika wird eine Netzfrequenz von 50 Hz verwendet.
2. Die 60 Hz Netzfrequenz findet man in Nordamerika, Saudi-Arabien, Thailand etc.

Bahnstromnetze

Einige Eisenbahnen wie die ÖBB, SBB und die Deutsche Bahn nutzen für ihre Bahnstromversorgung eine nominale Frequenz von 16,7 Hz. Früher betrug die nominale Bahnnetzfrequenz 16²⁄₃ Hz, was genau einem Drittel der im Verbundnetz verwendeten 50 Hz entspricht. Einige Eisenbahnen und auch industrielle Abnehmer in Nordamerika werden aus historischen Gründen mit einer Netzfrequenz von 25 Hz versorgt. Die vergleichsweise niedrigen Netzfrequenzen resultieren aus der technologischen Entwicklung der ersten elektrischen Maschinen: Anfang des 20. Jahrhunderts konnte man elektrische Maschinen größerer Leistung nur mit diesen niedrigen Frequenzen bauen. Wegen des großen Umstellungsaufwandes werden jedoch die damals eingeführten niedrigen Netzfrequenzen auch noch heute beibehalten.

Bordnetze

In speziellen Bereichen, z.B. im Bordnetz von Flugzeugen, sind höhere Netzfrequenzen üblich, z.B. 400 Hz, da sich dafür kleinere und leichtere Transformatoren bauen lassen und die Leitungslängen kurz sind.

Zuordnung zum Schall

Der Netzfrequenz kann eine Tonhöhe zugeordnet werden, 50 Hz entsprechen fast einem Kontra-G (‚G). Der Ton, welcher beispielsweise aus einer örtlichen Transformatorenstation als Brummton wahrzunehmen ist, hat wegen der Magnetostriktion des Eisenkerns die doppelte Netzfrequenz, nämlich 100 Hz, und entspricht dem um eine Oktave höheren G.

Qualitätsindikator für Netzbelastung

Verlauf der Netzfrequenz in Westeuropa vom 4. November 2006, als es durch eine Abfolge von Fehlern zu dem bisher größten Stromausfall im europäischen Verbundnetz kam.

Die Netzfrequenz und deren Abweichung vom Nennwert ist ein wichtiger direkter Qualitätsindikator für die Netzbelastung. Wechselstrom-Energie kann in Verbundnetzen elektrisch nicht gespeichert, sondern nur zwischen Erzeuger und Verbraucher verteilt werden.

Damit das Verbundnetz störungsfrei betrieben werden kann, muss die erzeugte Wirk-Leistung zu jedem Zeitpunkt eine gleich große Wirk-Leistungsabnahme gegenüberstehen. Da dies niemals erfolgen kann, fluktuiert die Netzfrequenz in Europa im erlaubten Bereich ± 200 mHz.

Bei einem Überangebot von elektrischer Wirkleistung kommt es zu einer Erhöhung der Netzfrequenz, bei einem Unterangebot zu einer Absenkung. Eine Frequenzabweichung von 0,2 Hz entspricht im europäischen Verbundsystem einer Leistungsdifferenz von ca. 3 GW, welche auch gleich dem sogenannten Referenzausfall aus dem Continental Europe Operation Handbook entspricht und ca. dem ungeplanten Ausfall von zwei größeren Kraftwerksblöcken entspricht. Die Aufgabe der Leistungsregelung in Verbundnetzen ist es, die zeitlichen Schwankungen auszugleichen und so die Netzfrequenz im erlaubten Frequenzbereich zu halten. Je kleiner ein Stromversorgungsnetz ist und je schlechter die Netzregelung funktioniert, desto stärkere Schwankungen treten bei der Netzfrequenz auf.

Nicht kompensierbare Fehler führen zu einem massiven Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage von elektrischer Leistung, sind entsprechend starke Netzfrequenzschwankungen die Folge, wie es nebenstehende Abbildung für den Stromausfall in Europa im November 2006 darstellt. Dargestellt ist der Verlauf der Netzfrequenz für einen Teil des westeuropäischen Verbundnetzes: Zum Zeitpunkt des Ausfalles kam es zu einem massiven Unterangebot an elektrischer Leistung und damit zu einer Unterfrequenz. Im gleichen Zeitrahmen kam es im osteuropäischen Teil des Verbundnetzes zu einem Überangebot und einer Steigerung der Netzfrequenz. Im Zeitbereich des Ausfalls wurde das Verbundnetz durch Schutzeinrichtungen automatisch in mehrere autonome Segmente aufgeteilt, welche asynchron zueinander arbeiteten. Durch Lastabwurf konnten diese Netzsegmente stufenweise synchronisiert und dann wieder zusammengeschaltet werden.

Während die Wirkleistungssituation in den Verbundnetzen Auswirkungen auf die Netzfrequenz hat, führen die schwankenden Blind-Leistungen zur Netz-Spannungsänderung.

Maßnahmen durch Netzmanagement

Die komplexen Verbund-Netzwerke werden durch Mitglieder im Verband Europäischer Übertragungsnetzbetreiber (European Network of Transmission System Operators for Electricity – ENTSO-E) überwacht, geführt und gesteuert. Länderspezifische Netzführungs-Regelwerke (Grid Codes) sind zu beachten. In Deutschland gibt es vier für die Verbund-Netzwerke zuständige Übertragungsnetzbetreiber: Tennet TSO, 50Hertz Transmission, Amprion und TransnetBW.

Zur Erhaltung der Netzfrequenz dient die Last-Frequenz Regelung (Load-Frequency Control), wofür den Übertragungsnetzbetreibern verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung stehen:

• Primär-, Sekundär- (und Minutenreserve), Tertiärregelleistung
• Redispatch
• Abschaltbare Lasten

Die Anzahl der kritischen Störungen, auf welche die Übertragungsnetzbetreiber reagieren müssen, hat in den vergangenen Jahren zugenommen.

Netz-Störung 2018

Obwohl die gemittelten Frequenzabweichungen im europäischen Verbundnetz durch die Quartärregelung über Jahre hinweg gering waren und sich die Abweichungen von der internationalen Atomzeit im Bereich von einigen ±10 Sekunden hielten, kam es Anfang 2018 zu einer länger anhaltenden Unterfrequenz. Die Abweichung führte bei Synchronuhren dazu, dass sie Anfang März 2018 bis zu sechs Minuten nachgingen. Am 3. März 2018 wurde mit −359 Sekunden die höchste Abweichung erreicht.

Verursacher für die Abweichung der Netzfrequenz war ein Streit in der Regelzone „Serbien, Montenegro und Mazedonien“ (SMM) zwischen Kosovo und Serbien um Regelleistung. Das Kosovo produzierte zu wenig elektrische Regelleistung und Serbien weigerte sich zunächst, die entstandene Lücke durch verstärkten Kraftwerkseinsatz aufzufüllen. Am 8. März teilte der Verband Europäischer Übertragungsnetzbetreiber (ENTSO-E) mit, dass die Unregelmäßigkeiten zwischen den beiden Parteien beseitigt sind. Einen knappen Monat später am 3. April 2018 waren die Abweichungen durch die Quartärregelung behoben.

Netz-Störung 2021

Am 8. Januar 2021 gab es um 14:04:50 Uhr einen signifikanten Abfall bzw. Anstieg der Frequenz im europäischen Verbundnetz. Im nordwestlichen Netzteil fiel die Frequenz zunächst auf 49,74 Hz und stabilisierte sich rund 15 Sekunden später bei 49,84 Hz. Gleichzeitig stieg die Frequenz im südöstlichen Netzteil auf 50,6 Hz, bevor sie sich ebenfalls bei Werten zwischen 50,2 und 50,3 Hz stabilisierte. In der Folge wurde das Netz getrennt, sodass Griechenland, Bulgarien, Rumänien, Kroatien und die Türkei vorübergehend im Inselbetrieb waren. Die Ursache der Störung liegt in der Abschaltung eines Überspannungsschutzes in einem kroatischen Umspannwerk.

Zur Kompensation wurden von den Übertragungsnetzbetreibern im nordwestlichen Netzteil 1,7 GW abschaltbare Lasten aus der Industrie abgerufen und 480 MW zusätzliche Erzeugung aus Skandinavien und Großbritannien eingespeist. Im südöstlichen Netzteil wurden Kraftwerke abgeschaltet. Um 15:07 Uhr konnten die beiden Teilnetze wieder synchronisiert werden.

Kriterien zur Wahl der Netzfrequenz

Die Wahl der Netzfrequenz ist ein Kompromiss aus verschiedenen technischen Randbedingungen. Die Festlegung erfolgte in der Anfangszeit der Elektrifizierung, also um die Jahrhundertwende zwischen dem 19. und dem 20. Jahrhundert. Die maßgeblichen Randbedingungen waren also diejenigen, die sich zu jenem Zeitpunkt ergaben. Hier sind einige davon:

• Im Gegensatz zu Gleichstrom kann man Wechselstrom durch Transformatoren in der Spannung umsetzen. Dadurch wird ermöglicht, dass man verhältnismäßig niedrige und damit relativ ungefährliche Spannungen zum Endverbraucher führt, während man hohe Spannungen für die Minimierung von Verlusten in Überlandleitungen einsetzen kann.
• Höhere Frequenzen erlauben es, kleinere Transformatorkerne zu verwenden. Die Transformatoren werden dadurch bei gleicher Leistung kleiner, leichter und billiger. (Dieser Umstand wird heutzutage durch Schaltnetzteile ausgenutzt.)
• Höhere Frequenzen erzeugen größere Verluste in Leitungen durch den Skin-Effekt. Dadurch wird in der Praxis die maximale wirtschaftliche Dicke einer Leitung festgelegt.
• Die Netzfrequenz in einem Verbundsystem muss überall gleich und synchronisiert sein.
• Höheren Frequenzen entsprechen kürzere Wellenlängen. In räumlich weit verteilten Verbundsystemen machen sich dadurch eher Phasenverschiebungen bemerkbar, wodurch die Synchronisation erschwert wird.
• Die Netzfrequenz steht in direktem Bezug zur Drehzahl und zur Polzahl von Generatoren und von Motoren. Eine Steigerung der Frequenz erfordert entweder eine Steigerung der Drehzahl (mögliche Probleme mit Flieh- bzw. Zentripetalkräften und/oder Lagern) oder eine Vergrößerung der Polzahl. Das technische Minimum liegt bei 2 Polen. Frequenzen über 50 (bzw. 60 Hz) wären bei zwei Polen nur möglich, wenn die Drehzahl über 3000/min (bzw. 3600/min) läge. Dies ist jedoch auf Grund der eingangs erwähnten Drehzahlproblematik kaum möglich (Turbogenerator). Bei 4 Polen wären immer noch über 1500/min bzw. 1800/min erforderlich.
• Eine Frequenzumsetzung ist aufwendig. Zu Beginn der Elektrifizierung standen als Umformer nur Kopplungen aus Motor und Generator zur Verfügung. Transformatoren sind nicht in der Lage, die Frequenz umzusetzen. Heutzutage setzt man dafür geeignete Leistungselektronik (Stromrichter) ein. Im Bereich der Energieversorgung und zur Kopplung asynchroner Stromnetze finden die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) und die HGÜ-Kurzkopplung Anwendung.
• Wechselstrom hat im Gegensatz zu Gleichstrom aufgrund seiner Natur regelmäßig einen Nulldurchgang, der das Schalten großer Ströme vereinfacht, da dadurch für Gelegenheiten zur Löschung eines Lichtbogens gesorgt ist.
• Wechselstrom bietet als Bestandteil eines Drehstromsystems die Möglichkeit, ein Drehfeld zu generieren. Dafür sind mindestens zwei Phasen notwendig.
• Bogenlampen flackern, wenn sie mit Wechselstrom unter etwa 42 Hz versorgt werden.
• Eine Änderung im bestehenden Netz würde eine Vielzahl teurer Änderungen erfordern.

Messung

Zungenfrequenzmesser mit Messbereich 45–55 Hz bei 49,9 Hz

Da Abweichungen von der korrekten Netzfrequenz oft zu Problemen führen, vor allem in Verbundnetzen oder bei der Parallelschaltung mehrerer Stromerzeuger, ist es von immenser Wichtigkeit, die Netzfrequenz zu überwachen. So können bei Problemen Maßnahmen zum Schutz des Netzes eingeleitet werden, zum Beispiel Lastabwurf.

Zur Messung der Netzfrequenz gibt es mehrere verschiedene Bauarten von Instrumenten. Klassischerweise und primär für die manuelle Ablesung werden Zungenfrequenzmesser eingesetzt. In größeren Netzen wird die Netzfrequenz an mehreren Punkten automatisch mittels digitaler Messtechnik und elektronischen Frequenzmessern gemessen und der Verlauf aufgezeichnet.

Analyse in der Forensik

Durch zeitbedingte geringe Abweichungen von der idealen Netzfrequenz hat die Betrachtung ebendieser in den letzten Jahren in der Forensik an Bedeutung gewonnen. Schon auf einen kurzen Zeitraum betrachtet weisen die Unregelmäßigkeiten ein einzigartiges Muster auf. Je nach Qualität und Kodierung einer Audio- oder Videoaufnahme kann mithilfe von Filtern ein Rückschluss auf die zum Aufnahmezeitpunkt aufgetretenen Frequenzabweichungen im Stromnetz gemacht werden.

Es entsteht eine Art digitales Wasserzeichen, welches mit einer Datenbank, wie sie z.B. von Netzbetreibern oder Kriminalämtern geführt wird, abgeglichen werden kann. Im besten Fall ist hiermit eine Aussage oder zumindest Eingrenzung über den Aufnahmeort und -zeitpunkt möglich.

Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de

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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 17.01. 2024