Netzspannung
Als Netzspannung bezeichnet man die von den Energieversorgern in den Stromnetzen bereitgestellte elektrische Spannung, die zur Übertragung elektrischer Leistung eingesetzt wird. Neben der Spannung der Hoch- und Mittelspannungsnetze wird unter Netzspannung häufig die Höhe der einphasigen Wechselspannung in den Niederspannungsnetzen verstanden.
Kenndaten
Der effektive Nennwert der sinusförmigen Netzwechselspannung beträgt in Europa sowie den meisten anderen Gebieten der Erde 230 Volt bei 50 Hertz zwischen den Außenleitern zum Neutralleiter bzw. der Erde. In Privathaushalten liegen diese 230 Volt letztlich an den Kontakten der Steckdosen an.
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Dreiphasenwechselstrom
Neben dieser Spannung gibt es noch die Übertragung mit ca. 400 Volt zwischen je zwei Außenleitern; dieser wird umgangssprachlich auch Drehstrom, Kraftstrom oder Starkstrom genannt. Mehr über diese Technik gibt es im Artikel Dreiphasenwechselstrom.
Verteilung
An die Abnehmer verteilt wird die Netzspannung meistens mit:
- den drei Außenleitern (Phasen) (L1, L2 und L3),
- einem Neutralleiter (N) und
- einem Schutzleiter (PE)
oder
- mit einem PEN-Leiter. Bei diesem Leiter sind der Neutralleiter und der Schutzleiter in einem einzigen Leiter kombiniert.
Normung
Die Spannung 230 V wurde in der internationalen Norm International Electrotechnical Commission|IEC 60038:1983 als Standardspannung festgelegt. Bis 1987 betrug die Netzspannung in Deutschland 220 V mit einer Toleranz (Technik) von ±10 %. Danach erfolgte zunächst eine Umstellung in mehreren Abstufungen auf 230 V +6 % und -10 %. Von 2009 an darf die Netzspannung von 230 V um ±10 % abweichen. Dann sind 207 Volt bis 253 Volt in der Toleranz möglich.
In den USA und weiten Teilen des Amerika|amerikanischen Kontinents beträgt der Nennwert der Netzwechselspannung zwischen 110 und 120 Volt. Für größere Verbraucher wie Klimaanlagen sind auch 240 V gebräuchlich. Die Nennfrequenz beträgt dort und auch in Südamerika 60 Hz mit Ausnahme von Argentinien und Chile. Die häufig angegebenen 120 Volt sind ein gerundeter Wert.
Japan besitzt mit 100 Volt die niedrigste Netzspannung.
Erhöhung von 220 auf 230 bzw. 380 auf 400 Volt
Bis 1987 betrug der Nennwert in Deutschland 220 Volt bzw. 380 Volt. Für 220 V bzw. 380 Volt spezifizierte elektrische Verbraucher können meistens auch an der 4,5 % höheren Spannung betrieben werden.
Die erhöhte Netzspannung führte bei nichtgeregelten Verbrauchern wie etwa Glühlampen zu einem erhöhten Energieverbrauch und vorzeitigem Defekt. Auch eine Reihe von Geräten, deren Nennspannung 220 V betrug, wurden durch die erhöhte Spannung zerstört. Die Erhöhung der Spannung um etwa 5 % führt zu einer Erhöhung des Energieverbrauches bei diesen Geräten um etwa 10 %. Höhere Spannung bedeutet aber auch niedrigere Energieverluste auf den Leitungen, wenn die gleiche Leistung übertragen wird. Da sich die Verlustleistung proportional zum Quadrat des Stroms verhält, ändert sich die Verlustleistung bei gleicher Leistungsaufnahme um den Faktor (220/230)², sinkt also um knapp 10 %. Bei höherer Spannung können Leiter mit geringerem Querschnitt bei gleicher Anschlussleistung verwendet werden, da die Stromstärke sinkt. Der geringere Energieverlust und Leiterquerschnitt sind auch die Hauptgründe, weshalb bei Freileitungen sehr hohe Spannungen (bis 400.000 Volt) verwendet werden.
Störung der Netzspannung
Der sinusförmige Verlauf der Netzspannung wird zunehmend durch nichtlineare Verbraucher gestört. Dazu zählen Gasentladungslampen, Gleichrichter, Dimmer (Thyristor- und Triac-Steller), Frequenzumrichter und Schaltnetzteile ohne Leistungsfaktorkorrektur|Power-Faktor-Korrektur (PFC).
Auch Asynchronmotoren verursachen verursachen Netzverunreinigungen; das sogenannte Nutenpfeifen. Es entsteht durch die Unterteilung des Käfigläufers und die dadurch hervorgerufene, ins Netz zurückgespeiste Wechselspannung mit höherer, drehzahlabhängiger Frequenz.
Die Netzfrequenz wird heute entsprechend den Anforderungen des Europäisches Verbundsystem sehr genau eingehalten, so dass man sie als Referenzwert, zum Beispiel zur Steuerung von elektrischen Uhren, verwenden kann.
Schutz gegen Berührung
Die Netzspannung ist lebensgefährlich. Sie liegt weit oberhalb der Schutzkleinspannung beziehungsweise Sicherheitskleinspannung. Aus diesem Grund müssen sowohl für die Versorgungsleitungen als auch für die mit Netzspannung betriebenen Geräte entsprechende Maßnahmen gegen Berührung spannungsführender Leitungen getroffen werden.
Dazu gehören Schutzisolation, Schutzerdung und Schutztrennung, die verhindern, dass berührbare leitfähige Teile (z. B. Gehäuse) bei einen Defekt lebensgefährliche Spannungen annehmen.
Steckdosen müssen gegen Berührung der spannungsführenden Teile gesichert sein.
Zum Schutz von Kindern gibt es zusätzlich Kindersicherungen, die ein Einführen von Gegenständen in die Öffnungen von Steckdosen verhindern sollen.
Spannungen in Hochspannungsnetzen
Auch in Hochspannungsnetzen werden fast immer genormte Spannungen verwendet. So beträgt die Spannung im Höchstspannungsnetz in Europa 220 kV bis 400 kV und im Hochspannungsnetz 110 kV.
Im Mittelspannungsnetz ist als Normspannung 20 kV vorgesehen, allerdings ist wegen zahlreicher Kabel in städtischen Gebieten, die für niedere Spannung ausgelegt sind, die Anpassung schwierig.
Bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung gibt es keine normierten Spannungen.
Bei Bahnstrom-Speisenetzen beträgt die Normspannung in Deutschland und Österreich 110 kV, in der Schweiz 66 kV und 132 kV.
Bahnstrom
Im Bahnbetrieb selbst (Oberleitungen) haben sich zahlreiche Spannungen durchgesetzt. Bei Vollbahnen dominieren die folgenden fünf Systeme (siehe hierzu Liste der Bahnstromsysteme):
- Einphasenwechselstrom 50 Hz, 25 kV
- Einphasenwechselstrom 60 Hz, 25 kV
- Einphasenwechselstrom 16,66…16,7 Hz, 15 kV (Deutschland, Österreich usw.)
- Gleichstrom, 3 kV
- Gleichstrom, 1,5 kV
Bei U- und Straßenbahnen ist die Spannung nicht genormt. In Deutschland wird bei U- und Stadtbahnen meistens Gleichstrom mit 500 bis 750 Volt verwendet.
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