Supraharmonische in modernen Stromnetzen – eine Herausforderung für die Netzqualität
June 3, 2026
Einleitung – ein Netz im Wandel
Das elektrische Stromnetz durchläuft einen dramatischen Wandel. Ein einst vorhersehbares System mit unidirektionalem Energiefluss von zentraler Erzeugung zu passiven Verbrauchern hat sich zu einem dynamischen und dezentralen Netzwerk entwickelt. Nichtlineare Verbraucher erzeugen Harmonische in elektrischen Systemen. Verteilte Energieressourcen, Ladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge, Photovoltaikanlagen und elektronisch gesteuerte Lasten sind jetzt fest in Niedrig- und Mittelspannungsnetze integriert.
Ein intelligentes Stromnetz (Smart Grid) ist ein elektrisches Energiesystem, das digitale Kommunikation, Sensorik und automatisierte Steuerung nutzt, um die Erzeugung, die Verteilung und den Verbrauch von Elektrizität in Echtzeit zu überwachen und zu steuern. Dadurch werden Effizienz, Zuverlässigkeit und Flexibilität verbessert.
Dieser Wandel hat neue Komplexitäten in der Netzqualitätsanalyse eingeführt, insbesondere in Bereichen, die bisher kaum Beachtung fanden. Während harmonische Verzerrungen unter 2 kHz gut verstanden und durch Normen wie IEC 61000-3-2 und IEEE 519 geregelt sind, tritt eine neuere Klasse von Störungen auf. Eine schlechte Netzqualität liegt vor, wenn Spannungs-, Strom- oder Frequenzstörungen – wie Einbrüche, Spitzen, Harmonische oder Unterbrechungen – den zuverlässigen und effizienten Betrieb elektrischer Anlagen beeinträchtigen. Wir müssen uns dieser Störungen bewusst sein, um ihre unerwünschten Auswirkungen zu bewältigen und die Netzqualität zu verbessern.
Was sind Supraharmonische?
Supraharmonische sind Störungen, die den Frequenzbereich zwischen 2 kHz und 150 kHz betreffen.
Sie existieren an der Schnittstelle zwischen klassischer Oberschwingungsanalyse und elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV). Infolge der zunehmenden Verbreitung umrichterbasierter Technologien wird dieser Frequenzbereich immer stärker belegt.
Oberschwingungsfilter sind dafür ausgelegt, Harmonische niederer Ordnung – typischerweise bis etwa 2–3 kHz (die klassischen Vielfachen von 50/60 Hz) – zu reduzieren. Diese Filter – ob passiv (abgestimmte LC-Filter) oder aktiv – beseitigen wirksam Verzerrungen, die durch nichtlineare Lasten wie Gleichrichter oder Antriebe verursacht werden.
Im Gegensatz zu klassischen Harmonischen, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz darstellen und mit der Grundschwingung synchronisiert sind, entstehen Supraharmonische durch hochfrequentes Schalten in leistungselektronischen Umrichtern. Ihr Spektralgehalt ist daher nicht konstant. Stattdessen besteht er aus Schaltfrequenzen, deren Vielfachen und Modulations-Seitenbändern, die sich in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen verschieben können.
Diese fehlende Synchronisation stellt eine Herausforderung für herkömmliche Netzqualitätsmessverfahren dar, die oft von einer Periodizität ausgehen, die an die Grundfrequenz gekoppelt ist.
Quellen von Supraharmonischen
Supraharmonische Emissionen stammen fast ausschließlich von leistungselektronischen Umrichtern. Dazu gehören Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, Photovoltaik-Wechselrichter, Windturbinen-Umrichter, LED-Treiber, drehzahlregelbare Antriebe, Klimaanlagen und Schaltnetzteile, die in Computern sowie in industriellen und gewerblichen Umgebungen eingesetzt werden.
Der zugrunde liegende Mechanismus ist dem Halbleiterschalten inhärent. Bauelemente wie IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder Halbleiter mit großer Bandlücke arbeiten, indem sie Strom schnell ein- und ausschalten. Diese Übergänge erzeugen hochfrequente Komponenten, die sich weit über die nominelle Schaltfrequenz hinaus erstrecken.
Selbst wenn diese Ströme relativ klein sind, können sie aufgrund der frequenzabhängigen Netzimpedanz erhebliche Auswirkungen haben.
Warum kleine Ströme große Auswirkungen haben
Bei höheren Frequenzen steigt die Impedanz elektrischer Netze an. Die Reaktanz nimmt aufgrund induktiver Effekte zu, und der Widerstand steigt durch den Skin-Effekt.
Wenn die Frequenz steigt, können bereits geringe Stromstärken erhebliche Spannungsverzerrungen verursachen. Dies ist eines der kennzeichnenden Merkmale von Supraharmonischen. Ein geringer Strom im Zehnkilohertz-Bereich kann Spannungsschwankungen und Störungen erzeugen, die mit denen deutlich größerer Ströme bei niedrigeren Frequenzen vergleichbar sind.
Für Ingenieure, die im Bereich der Netzqualitätsprüfung und Netzdiagnostik arbeiten, bedeutet dies einen Perspektivwechsel. Messempfindlichkeit und Bandbreite werden genauso wichtig wie Spannungsregelung oder absolute Stromstärke.
Ausbreitung und Wechselwirkung im Netz
Supraharmonische propagieren sich in Anlagen auf eine Weise, die sich grundlegend von der Ausbreitung klassischer Harmonischer unterscheidet. Bei höheren Frequenzen weisen induktive Pfade wie Kabel und Transformatoren eine hohe Impedanz auf, während kapazitive Elemente in angeschlossenen Geräten niedrige Impedanzen bieten.
Infolgedessen neigen hochfrequente Ströme dazu, lokal zwischen Geräten zu zirkulieren, anstatt zum Transformator zurückzufließen. Dadurch entsteht ein Netzwerk mit komplexer elektrischer Kopplung zwischen den Geräten.
Jedes Gerät kann bezüglich der Ausbreitung von Supraharmonischen sowohl als Quelle als auch als Teilnehmer wirken. Ein Umrichter erzeugt eine primäre Emission, während andere Geräte durch ihre Eingangsimpedanz auf die verzerrte Spannung reagieren. Diese Reaktion führt oft zu einem zusätzlichen Stromfluss bei denselben Frequenzen, der die ursprüngliche Störung verstärkt.
Geräten mit aktiver Blindleistungskompensation kommt in diesem Zusammenhang eine besondere Bedeutung zu. Ihre Regelungssysteme versuchen, Strom in Phase mit der Eingangsspannung aufzunehmen. Ist eine supraharmonische Verzerrung vorhanden, dann replizieren sie dieses Verhalten bei höheren Frequenzen und verstärken so die Störung durch einen Rückkopplungsmechanismus.
Resonanz und Verstärkung
Mit der zunehmenden Dichte elektronischer Geräte steigt auch die Wahrscheinlichkeit von Resonanzen im Netz. Bei Resonanzen sinkt die Impedanz auf ein Minimum, und die zirkulierenden Ströme können dramatisch ansteigen. In modernen Anlagen ist dieser Zustand wahrscheinlicher, weil die Systemkapazität mit der Anzahl angeschlossener Geräte wächst, während die Kabelinduktivität relativ konstant bleibt.
Wenn Resonanzfrequenzen mit den Schaltfrequenzen der Umrichter übereinstimmen, kann es zu einer lokalen Verstärkung der supraharmonischen Verzerrungen kommen. Dies kann zu Spannungsbeanspruchungen führen, die deutlich höher sind als erwartet.
Stehende Wellen in Verteilungsnetzen
Bei supraharmonischen Frequenzen wird die Wellenlänge der elektrischen Signale mit der physikalischen Länge der Verteilungsleitungen vergleichbar. Dies führt zur Möglichkeit von stehenden Wellen, bei denen sich an bestimmten Punkten entlang des Netzes Spannungsspitzen und -minima ausbilden.
In der Praxis bedeutet dies, dass an bestimmten Stellen eine erhöhte Spannungsbeanspruchung auftreten kann, selbst wenn die allgemeinen Spannungsniveaus im System akzeptabel erscheinen. Diese lokalen Effekte können die Alterung der Isolierung beschleunigen und langfristig zu Zuverlässigkeitsproblemen bei Kabeln und empfindlichen Geräten führen.
Auswirkungen auf Geräte und Systeme
Die Auswirkungen von Supraharmonischen werden in modernen Anlagen zunehmend sichtbar, auch wenn sie ohne Messfähigkeiten mit hoher Bandbreite oft schwer zu diagnostizieren sind.
Kondensatoren, die in EMV-Filtern verwendet werden, sind besonders anfällig. Aufgrund ihrer niedrigen Impedanz bei hohen Frequenzen absorbieren sie supraharmonische Ströme, was zu innerer Erwärmung und einer verkürzten Lebensdauer führt. Auch Leiter und Transformatorwicklungen sind betroffen, da hochfrequente Ströme die Verluste durch den Skin-Effekt und andere Mechanismen erhöhen.
Auf Systemebene wurden Supraharmonische mit einer Reihe von Funktionsstörungen in Verbindung gebracht, darunter Flimmern von LED-Beleuchtung, Überhitzung von Netzteilen sowie Fehlauslösungen von Schutzeinrichtungen. Zudem wurde über hörbares Rauschen in magnetischen Komponenten – insbesondere in Umgebungen mit hoher Umrichterdichte – berichtet.
Messung von Supraharmonischen in der Praxis
Eine der größten Herausforderungen im Zusammenhang mit Supraharmonischen ist ihre Messung. Herkömmliche Netzqualitätsanalysatoren sind typischerweise auf Frequenzen unter einigen zehn Kilohertz begrenzt und können die relevanten Phänomene nicht erfassen.
Für eine genaue Messung von Supraharmonischen sind Messgeräte mit deutlich höherer Bandbreite (oft bis 150 kHz oder darüber) sowie hohen Abtastraten und einem großen Dynamikumfang erforderlich. Die Auswahl der Sensoren ist ebenso wichtig, da standardmäßige Strom- und -Spannungswandler nicht für eine präzise Erfassung von Hochfrequenzsignalen ausgelegt sind.
Moderne Datenerfassungssysteme und Netzanalysatoren wie das Dewesoft SIRIUS® XHS sind darauf ausgelegt, diese Herausforderungen zu bewältigen, indem sie Hochgeschwindigkeitsabtastung, hohe Bandbreite und einen hohen Dynamikbereich in einem einzigen System kombinieren. In Kombination mit fortschrittlicher Datenerfassungs- und Analysesoftware wie DewesoftX können Ingenieure supraharmonische Anteile sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich visualisieren und so ein umfassenderes Verständnis des Systemverhaltens erlangen. DewesoftX ist im Lieferumfang aller Dewesoft-Datenerfassungsgeräte enthalten.
Diese Art von Messfähigkeit wird für Ingenieure, die in den Bereichen Netzqualitätsüberwachung, Netzkonformitätsprüfung und EMV-Diagnostik tätig sind, immer wichtiger.
Erfahren Sie mehr über die Netzqualitätsanalyselösung von Dewesoft.
Fazit – ein neuer Horizont für die Netzqualität
Supraharmonische sind längst keine theoretische Überlegung mehr, die auf die akademische Forschung beschränkt ist. Sie sind ein aufkommender und zunehmend wichtiger Aspekt realer Stromversorgungssysteme. Mit der zunehmenden Verbreitung von Leistungselektronik werden auch die Dichte und Komplexität der supraharmonischen Emissionen entsprechend zunehmen.
Die Herausforderung besteht darin, dass dieser Frequenzbereich bisher nicht durch die etablierten Normen und Messverfahren abgedeckt wird. Ingenieure müssen daher ihre Werkzeuge und Methoden über die traditionelle Oberschwingungsanalyse hinaus erweitern.
Die Bewältigung von Supraharmonischen erfordert verbesserte Messinfrastrukturen, tiefere analytische Einblicke sowie die schrittweise Entwicklung von Normen, die die modernen Netzbedingungen widerspiegeln. Für Organisationen, die bereits mit fortschrittlichen Datenerfassungs- und Hochgeschwindigkeitsmesssystemen arbeiten, ist der Übergang eine natürliche Erweiterung der vorhandenen Fähigkeiten.
Der Frequenzbereich zwischen 2 kHz und 150 kHz sollte nicht länger als eine Lücke betrachtet werden. Es handelt sich um einen aktiven und kritischen Bereich moderner Stromnetze, der für die Gewährleistung der Systemzuverlässigkeit und -leistung eine immer wichtigere Rolle spielen wird.
Wir haben drei weitere vertiefende Simulationen zu verschiedenen Aspekten von Supraharmonischen vorbereitet, die im White Paper und der begleitenden Simulator-Anwendung verfügbar sind.
Fordern Sie das vollständige White Paper an
Dieser Artikel basiert auf dem White Paper "Supraharmonics in Distribution Networks": Origins, Propagation, Effects von Urban Kuhar, Teo Podlesnik und Primož Sukič.
Um das vollständige Dokument zu erhalten, senden Sie bitte eine E-Mail mit dem Betreff „Anfrage um das White Paper zum Thema Supraharmonics“ und Ihren Kontaktdaten (Name, Unternehmen und Standort) an sales.de@dewesoft.com bzw. an sales.at@dewesoft.com.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Was sind Supraharmonische und warum sind sie wichtig?
Supraharmonische sind hochfrequente Verzerrungen im Frequenzbereich von 2 kHz bis 150 kHz, die in modernen Stromnetzen zunehmend auftreten. Sie sind wichtig, weil sie ein wachsendes, durch die weitverbreitete Nutzung von Leistungselektronik verstärktes Problem der Netzqualität darstellen. Mit der Entwicklung der Stromnetze hin zu dezentralen Energiesystemen mit Elektrofahrzeugen, erneuerbaren Energien wie Photovoltaik-Wechselrichtern und intelligenten Geräten werden Supraharmonische zu einem entscheidenden Faktor für Systemzuverlässigkeit, Effizienz und Normenkonformität.
Welche Geräte erzeugen die meisten supraharmonischen Emissionen?
Die wichtigsten Quellen für Supraharmonische sind umrichterbasierte Technologien wie Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Photovoltaik-Wechselrichter, LED-Beleuchtungssysteme und
industrielle Schaltnetzteile. Sie alle basieren auf hochfrequentem Halbleiterschalten, das inhärent hochfrequentes elektrisches Rauschen erzeugt, das sich ins Netz ausbreitet.
Warum sind Supraharmonische schwierig zu messen?
Supraharmonische sind schwierig zu messen, weil ihr Frequenzbereich außerhalb der Fähigkeiten der meisten herkömmlichen Netzqualitätsanalysatoren liegt, die in der Regel auf einige zehn Kilohertz begrenzt sind. Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungssysteme wie das SIRIUS XHS von Dewesoft sind speziell für diese Herausforderungen konzipiert.
Können Supraharmonische elektrische Geräte beschädigen?
Ja, Supraharmonische können elektrische Geräte mit der Zeit schädigen. Kondensatoren sind besonders anfällig, da ihre niedrige Impedanz bei hohen Frequenzen dazu führt, dass sie übermäßig Strom aufnehmen und sich überhitzen. Hinweis: Kondensatoren, die als EMV-Filter verwendet werden, sind in den meisten Haushaltsgeräten zu finden. Auch bei anderen Komponenten wie Transformatoren, Kabeln oder Netzteilen kann es zu erhöhten Verlusten, Isolationsbeanspruchungen oder einer verkürzten Lebensdauer kommen.
Was sind supraharmonische Resonanzen und warum sind sie gefährlich?
Supraharmonische Resonanzen treten auf, wenn die Eigenfrequenz des elektrischen Netzes mit der Schaltfrequenz von Leistungselektronik-Geräten übereinstimmt. An diesem Punkt sinkt die Impedanz, und die Stromstärken können signifikant ansteigen, was verstärkte Spannungsverzerrungen verursacht. Dies kann zu lokalen Überbeanspruchungen, unerwarteten Geräteausfällen und schwer diagnostizierbaren Netzqualitätsproblemen führen.
Wie wirken sich Supraharmonische auf LED-Beleuchtung und Elektronik aus?
Die in der elektrischen Spannung vorhandene geringe supraharmonische Anregung kann mit der Stromversorgung oder der PFC-Schaltung (Leistungsfaktorkorrektur) in Wechselwirkung treten und dort Resonanzen verursachen. Dadurch kann die LED auf der supraharmonischen Komponente ebenso viel Strom aufnehmen wie auf der Grundschwingung, was den gesamten Effektivstrom um bis zu 200 % erhöht und die Lebensdauer des Geräts erheblich verkürzt. In einigen Fällen – insbesondere in Umgebungen mit hoher Gerätedichte – führen Supraharmonische zu Überhitzung, hörbarem Rauschen oder Fehlfunktionen in Netzteilen und Steuerungselektronik.
Gibt es Normen für Supraharmonische?
Aktuell werden Supraharmonische durch die klassischen Oberschwingungsnormen wie IEC 61000-3-2 und die EMV-Vorschriften nicht abgedeckt. Das Fehlen standardisierter Grenzwerte und Messverfahren ist aktuell eine der größten Herausforderungen für Ingenieure. Allerdings sind Forschungs- und Standardisierungsbemühungen im Gange, da das Bewusstsein für das Problem weiter wächst.
Wie können Ingenieure Supraharmonische mindern?
Die Minderung von Supraharmonischen erfordert eine Kombination aus verbesserten Messmethoden, Systemdesign und Komponentenauswahl. Ingenieure können Filtertechniken einsetzen, Schaltstrategien von Umrichtern optimieren und die Netzimpedanz-Eigenschaften sorgfältig gestalten. Ebenso wichtig ist der Einsatz von Hochleistungsmesswerkzeugen wie dem Dewesoft SIRIUS XHS, um Quellen zu identifizieren, Ausbreitungspfade zu analysieren und Minderungsstrategien zu validieren.