Netzfrequenz

Frequenzen für Wechselspannungen in einem Stromnetz werden als Netzfrequenz bezeichnet (umgangssprachlich auch als Leitungsfrequenz). Sie ist innerhalb eines Verbundnetzes einheitlich und wird in der Einheit Hertz angegeben. Die Netzfrequenz ist, bis auf kleinere regeltechnische Abweichungen vom Nennwert die durch die Schwankungen von Nachfrage und Angebot nach elektrischer Leistung beeinflusst werden, zeitlich konstant. Übliche Nennwerte der Netzfrequenz sind je nach Region verschieden und betragen 50 Hz (Europa, Teile von Asien) und 60 Hz (Nordamerika).

In Verbundnetzen müssen alle Stromerzeuger wie Synchrongeneratoren in Kraftwerken synchron, also starr mit der Netzfrequenz, laufen.

Netzfrequenzen und Netze

Siehe auch Elektrifizierung#Netzfrequenz.

Die Unterschiede sind durch die historische Entwicklungsgeschichte der ersten Stromnetze in den 1880er und 1890er Jahren bedingt und haben heute keinen technischen Grund.^[1][2][3]

Öffentliche Verbund-Stromnetze

Weltweit haben sich zwei 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 sich unter anderem in Nordamerika, Saudi-Arabien und Teilen von Japan.

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.^[4] 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.^[1]

Das 1903 bei Innsbruck errichtete Sillkraftwerk arbeitete anfangs mit 42,5 Hz, speiste die Stubaitalbahn, um später auch ein anderes Kraftwerk einzubinden wurde auf 50 Hz umgestellt.

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.

Industrielle Anwendungen

Zur Erzielung höherer Drehzahlen bei Werkzeugmaschinen und Reduzierung von Größe und Gewicht bei handgeführten Elektrogeräten wie Geradschleifern, Bohrmaschinen, Winkelschleifern und Knabbern werden in Industrie und Gewerbe Frequenzen von 200 Hz oder 400 Hz eingesetzt, die gelegentlich als Schnellfrequenz bezeichnet werden.^[5]

Frequenzen von erzeugtem Licht, Schall und Bewegung

Leuchtmittel, mit ausreichend geringer Trägheit, die im Netzstromkreis liegen oder mit Netzfrequenz angespeist werden, erzeugen blinkendes Licht von typisch doppelter Netzfrequenz, also 100 Hz. Das Auge kann daher das Blinken von Leuchtstoffröhre (mit konventionellem Vorschaltgerät) und anderen Gasentladungslampen wie Glimmlampe, Neonröhre nicht sehen, allerdings gibt es Effekte, wenn vorbeibewegte Objekte oder Muster ins Blickfeld kommen. Glühlampen haben eine so große Abklingzeit (der Temperatur des Glühfadens), dass die Lichtaussendung fast ganz gleichmäßig erfolgt. Bedeutsam ist Lichtflackern bei Fotografie und Bewegtbildaufnahmen insbesondere bei zeilenweiser Abtastung des Bilds.

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 von 100 Hz und entspricht dem um eine Oktave höheren G.

Nur auf Elektromagneten basierende Vorrichtungen wie Haltemagnet, einfacher Summer, Schütz, Relais und manche Haarschneideapparate erzeugen je nach Bauweise (Anker ist Permanentmagnet oder aber aus Eisen) Bewegungen bzw. Kraftwirkung mit einfacher bzw. doppelter Netzfrequenz.

Qualitätsindikator für Netzbelastung

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 der erzeugten 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.^[6] 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, entsprechend sind 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.^[7]

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),^[8] 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.^[9]

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.^[10] Die Abweichung führte bei Synchronuhren dazu, dass sie Anfang März 2018 bis zu sechs Minuten nachgingen.^[11] Am 3. März 2018 wurde mit −359 Sekunden die höchste Abweichung erreicht.^[12]

Verursacher für die Abweichung der Netzfrequenz war ein Streit in der Regelzone „Serbien, Montenegro und Mazedonien“ (SMM) zwischen Kosovo und Serbien um Regelleistung.^[13][14] Das Kosovo produzierte zu wenig elektrische Regelleistung und Serbien weigerte sich zunächst, die entstandene Lücke durch verstärkten Kraftwerkseinsatz aufzufüllen.^[15] Am 8. März teilte der Verband Europäischer Übertragungsnetzbetreiber (ENTSO-E) mit, dass die Unregelmäßigkeiten zwischen den beiden Parteien beseitigt sind.^[16] Einen knappen Monat später am 3. April 2018 waren die Abweichungen durch die Quartärregelung behoben.^[17]

Netz-Störung 2021

Am 8. Januar 2021 gab es um 14:04:50 Uhr einen signifikanten Abfall bzw. Anstieg der Frequenz im europäischen Verbundnetz.^[18] Im nordwestlichen Netzgebiet 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 Netzgebiet auf 50,6 Hz, bevor sie sich ebenfalls bei Werten zwischen 50,2 und 50,3 Hz stabilisierte.^[19] In der Folge wurde das Netz getrennt, sodass Griechenland, Bulgarien, Rumänien, Kroatien und die Türkei vorübergehend im Inselbetrieb waren.^[20] Die Ursache der Störung lag in der Abschaltung eines Überspannungsschutzes in einem kroatischen Umspannwerk. Dies wurde durch eine Überproduktion von Strom im südöstlichen Netzgebiet, bedingt durch die dortigen Feiertage und den Strommarkt, hervorgerufen.^[19][21]

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 kürzeren 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 (vgl. 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.^[2]
• Eine Änderung im bestehenden Netz würde eine Vielzahl teurer Änderungen erfordern.

Messung

Zur Messung der Netzfrequenz gibt es mehrere verschiedene Bauarten von Instrumenten. Historisch und primär für die manuelle Ablesung werden mechanische Zungenfrequenzmesser eingesetzt, deren Messgenauigkeit liegt im Bereich von einigen 100 mHz. In größeren Verbundnetzen wird an mehreren, räumlich getrennten Punkten automatisch mittels digitaler Messtechnik und elektronischen Frequenzmessern kontinuierlich gemessen und der Verlauf der Netzfrequenz über die Zeit aufgezeichnet. Dabei wird die Netzfrequenz mit einer Genauigkeit unter 1 mHz erfasst und die aktuellen Daten werden auch öffentlich im Web zur Verfügung gestellt.^[22]

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.^[23] 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^[24] geführt wird, abgeglichen werden kann. Im besten Fall ist hiermit eine Aussage oder zumindest Eingrenzung über den Aufnahmeort und -zeitpunkt möglich.

Netzfrequenzen weltweit

• siehe Länderübersicht Steckertypen, Netzspannungen und -frequenzen

Literatur

• CENELEC (Hrsg.): EN 60196:2009-07 IEC-Normfrequenzen. Beuth-Verlag. 

Weblinks

• Online-Messung der Netzfrequenz:
  • www.netzfrequenzmessung.de – Aktuelle Netzfrequenz mit Darstellung des zeitlichen Verlaufs
  • www.netzfrequenz.info – Netzfrequenzmessung mit verschiedenen Anzeigen der aktuellen Netzfrequenz
  • Wide Area Monitoring – Anzeige aktueller europäischer Netzfrequenzen und Spannungswinkeldifferenzen nebst Abweichungen im Webauftritt der Swissgrid
• Verbund-Netz Regelmanagement^[25]
• Methoden beim Landeskriminalamt - Dem Verbrechen auf der Spur. Süddeutsche Zeitung (Bericht über die Verwendung der Netzfrequenz-Messwerte zur Verbrechensaufklärung in Deutschland)

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} B.G. Lamme: The Technical Story of Frequencies. In: Transaction. Band 37, Teil 1. IEEE, 26. Januar 1918, S. 65–89. 
2. ↑ ^{a b} Gerhard Neidhöfer: Der Weg zur Normfrequenz 50 Hz. Wie aus einem Wirrwarr von Periodenzahlen die Standardfrequenz 50 Hz hervorging. VDE-Verlag, 2008 ([1] [PDF; 1,8 MB] Bulletin SEV/AES 17). 
3. ↑ Warum haben wir heute die Frequenz 50 Hz? 14. September 2021, abgerufen am 14. September 2021 (deutsch). 
4. ↑ C. Linder: Umstellung der Sollfrequenz im zentralen Bahnstromnetz von 16 2/3 Hz auf 16,70 Hz. In: Elektrische Bahnen. Heft 12. Oldenbourg-Industrieverlag, 2002, ISSN 0013-5437. 
5. ↑ Veronika Siedt: Die Einführung der Schnellfrequenz-Bohrmaschine in den Kaligruben der DDR 1957 bis 1962, publiziert 1978. In: DeGruyter.com
6. ↑ Continental Europe Operation Handbook, Policy P1: Load-Frequency Control and Performance. UCTE OH, 2009, abgerufen am 10. Juni 2018. 
7. ↑ UCTE (Hrsg.): Final Report on the disturbances of 4. November 2006. (entsoe.eu [PDF]). 
8. ↑ Load-Frequency Control & Performance. 17. September 2021, abgerufen am 17. September 2021. 
9. ↑ Kein Blackout, aber Warnzeichen: Stromausfall zeigt Risiken der Energiewende. Focus, 15. Januar 2021, abgerufen am 10. Oktober 2021. 
10. ↑ Starke Abweichungen der Netzfrequenz. In: netzfrequenz.info. 28. Februar 2018, abgerufen am 9. März 2018. 
11. ↑ Manuela Nyffenegger: Warum Ihre Backofenuhr plötzlich nachgeht – und vielleicht bald vorgehen wird. In: Neue Zürcher Zeitung. 5. März 2018, abgerufen am 9. März 2018. 
12. ↑ Abweichung der Netzzeit überschreitet 5 Minuten. In: netzfrequenzmessung.de. 3. März 2018, abgerufen am 9. März 2018. 
13. ↑ Continuing frequency deviation in the Continental European Power System originating in Serbia/Kosovo. ENTSO-E, 6. März 2018, abgerufen am 8. September 2021 (englisch, Pressemitteilung). 
14. ↑ Verursacher der Netzzeitabweichung von ENTSO-E bekannt gegeben. In: netzfrequenzmessung.de. 6. März 2018, abgerufen am 9. März 2018. 
15. ↑ Markus Grabitz: Warum so viele Uhren gerade nachgehen. In: Der Tagesspiegel. 8. März 2018, abgerufen am 8. März 2018. 
16. ↑ Deviations affecting frequency in Continental Europe have ceased; ENTSO-E working on step 2. ENTSO-E, 8. März 2018, abgerufen am 8. September 2021 (englisch, Pressemitteilung). 
17. ↑ Die Netzzeit hat sich normalisiert. Abgerufen am 10. Juni 2018. 
18. ↑ Aufteilung des Synchronnetzes am 08.01.2021. In: www.netzfrequenz.info. 9. Januar 2021, abgerufen am 10. Oktober 2021. 
19. ↑ ^{a b} EU-Stromnetz: Umspannanlage in Kroatien verursachte beinahe Blackout. In: www.heise.de. Heise online, 27. Januar 2021, abgerufen am 10. Oktober 2021. 
20. ↑ Kurz vor Blackout: Europas Stromnetz wäre im Januar fast zusammengebrochen. In: www.handelsblatt.com. Handelsblatt, 15. Januar 2021, abgerufen am 10. Oktober 2021. 
21. ↑ Final report on the separation of the Continental Europe power system on 8 January 2021. 15. Juli 2021, abgerufen am 5. Januar 2022. 
22. ↑ Current grid key figures. swissgrid, abgerufen am 20. Januar 2022. 
23. ↑ Digital audio recording analysis: the Electric Network Frequency (ENF) Criterion. In: journals.equinoxpub.com. Archiviert vom Original am 23. Januar 2016; abgerufen am 23. Januar 2016 (englisch).  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/journals.equinoxpub.com 
24. ↑ Methoden beim Landeskriminalamt: Dem Verbrechen auf der Spur. In: Süddeutsche Zeitung. ISSN 0174-4917 (sueddeutsche.de [abgerufen am 23. Januar 2016]). 
25. ↑ Verbundnetz Systemführung. 14. September 2021, abgerufen am 14. September 2021 (deutsch).