Netzspannung

Weltkarte der Netzspannungen und Netzfrequenzen (Stand 2015)

Weltkarte des Zugangs der Bevölkerung zum Niederspannungsnetz (Stand 2017) als Maß für die Elektrifizierung

80,1 %–100 %

60,1 %–80 %

40,1 %–60 %

20,1 %–40 %

0–20 %

Als Netzspannung wird die von den Energieversorgern in den Stromnetzen bereitgestellte elektrische Spannung bezeichnet, die zur Übertragung elektrischer Leistung eingesetzt wird. Im engeren Sinn wird unter Netzspannung häufig die Höhe der Wechselspannung in den Niederspannungsnetzen verstanden, im Gegensatz zu den Spannungen im Hochspannungsnetz.

Niederspannung

Kenndaten

Die vom Energieversorger (in Deutschland: Verteilnetzbetreiber) am Netzanschlusspunkt bereitgestellte Netzspannung ist gemäß IEC 60038 (in Deutschland: DIN EN 60038 VDE 0175-1) charakterisiert durch ihre

Nennspannung:
- bei Einphasen-Systemen: Effektivwert der sinusförmigen Wechselspannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter
- bei Dreiphasensystemen: Effektivwert der sinusförmigen Wechselspannung zwischen zwei Außenleitern
Toleranz der Nennspannung
Nennfrequenz

In Europa sind weitere Merkmale der Spannung (Frequenz, Höhe, Kurvenform und Symmetrie der Außenleiterspannungen) in der EN 50160 festgelegt.

Verteilung

Europa

Aufbau Niederspannungsnetz

An die Abnehmer im Niederspannungsnetz wird die Netzspannung meist mit folgenden Konfigurationen in TN-Systemen verteilt:

den drei Außenleitern (umgangssprachlich Phasen) (L1, L2 und L3),
einem Neutralleiter (N) und
einem Schutzleiter (PE = protective earth oder Potential Erde)

oder

den drei Außenleitern (Phasen) (L1, L2 und L3) und
einem PEN-Leiter. Bei diesem sind Neutralleiter und Schutzleiter in einem einzigen Leiter kombiniert.

In Europa beträgt die Netzspannung 230 V ± 23 V bei einer Netzfrequenz von 50 Hz ± 0,2 Hz.

In Dreiphasensystemen beträgt der Effektivwert der sinusförmigen Netzwechselspannung zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter 230 V, zwischen zwei Außenleitern ca. 400 Volt.

Nord- und Südamerika

In Kanada, den USA, Mexiko und einigen nördlichen Staaten Südamerikas beträgt der Nennwert der Netzwechselspannung 120 V (früher 110 V). Für größere Verbraucher wie Klimaanlagen ist auch die doppelte Netzspannung von 240 V (früher 220 V) gebräuchlich. Die Netzfrequenz beträgt 60 Hz. Die Niederspannungsnetze sind in diesen Ländern als Einphasen-Dreileiternetz realisiert, ein Dreiphasenwechselstrom ist für kleinere Abnehmer oft nicht verfügbar; falls er existiert, so beträgt die Spannung 208 oder 415 V.

In Brasilien werden je nach Region 110 V, 127 V oder 220 V angeboten, jeweils mit 60 Hz. Die südlichen Länder Chile, Argentinien, Bolivien, Paraguay und Uruguay verfügen über 220 V bei 50 Hz.

Asien

Im japanischen Stromnetz hat die Netzspannung mit 100 V (regional 50 Hz oder 60 Hz) den weltweit niedrigsten Wert. In Taiwan beträgt die Netzspannung 110 V, in China, Hongkong und Thailand 220 V (50 Hz). Indien hat wie Europa ein 230-V-Netz (bei 50 Hz).

Geschichte

Bis 1987 betrug die Netzspannung in weiten Teilen Europas, auch in Deutschland, Österreich und der Schweiz, $220(\pm 22)\mathrm{V}$ , während sie im Vereinigten Königreich $240(\pm 24)\,\mathrm{V}$ betrug. Die seither in Europa gültige Spannung von $230(\pm 23)\,\mathrm{V}$ wurde in der internationalen Norm IEC 60038:1983 als Standardspannung festgelegt.

Ab 1987 erfolgte zunächst eine Umstellung in mehreren Abstufungen auf $230^{+13,8}_{-23}\,\mathrm{V}$ . Seit 2009 darf die Netzspannung $230(\pm 23)\,\mathrm{V}$ betragen, womit 207 Volt bis 253 Volt erlaubt sind.

Für 220 Volt spezifizierte elektrische Verbraucher konnten bei der Berücksichtigung der von 1987 bis 2009 gültigen Toleranzen auch mit $230^{+13,8}_{-23}\,\mathrm{V}$ betrieben werden, ohne die Toleranzbedingungen ernsthaft zu verletzen: Bei $220^{+22}_{-22}\,\mathrm{V}$ lag die maximale Spannung bei 242 V. Bei $230^{+13,8}_{-23}\,\mathrm{V}$ lag die maximale Spannung bei 243,8 Volt. Seit 2009 gilt dies nicht mehr, da die maximale Spannung nun 253 V beträgt.

Bei der minimalen Spannung wurde und wird das Toleranzband nicht verletzt: Während früher 198 Volt zulässig waren, sind es jetzt mindestens 207 Volt.

Die Erhöhung der Spannung um etwa 5 % führt bei vielen Geräten zu einer Erhöhung der Leistung. Bei Geräten, deren Funktion auf dem Ohmschen Widerstand beruht, z.B. Heizlüfter oder Wasserkocher, steigt der Verbrauch quadratisch im Verhältnis zum Spannungsanstieg, also um etwa 10 % der Leistung. In vielen Fällen bleibt die zu bezahlende Energiemenge in etwa gleich, da beispielsweise ein Wasserkocher aufgrund der höheren Leistung die gegebene Wassermenge entsprechend schneller aufwärmt und früher abschaltet.

Bei Glühlampen ist diese Erhöhung auf Grund der üblichen Kaltleiter-Charakteristik der Glühfäden etwas geringer. Erhöhte Spannungen verursachen höhere Ströme in den Leitungen. Bei Glühlampen kommt es über eine höhere Glühfadentemperatur jedoch zu einer Verkürzung der (statistisch wahrscheinlichen) Lebensdauer.

Störung der Netzspannung

Der sinusförmige Verlauf der Netzspannung wird zunehmend durch nichtlineare Verbraucher gestört. Dazu zählen Gasentladungslampen, Gleichrichter, Dimmer (Thyristor- und Triac-Steller), Frequenzumrichter, Kompaktleuchtstofflampen und Schaltnetzteile ohne Blindleistungskompensation (Power-Factor Correction, PFC).

Am 1. Januar 2001 trat eine EMV-Norm in Kraft, die Vorschriften über das zulässige niederfrequente Störspektrum (Oberschwingungen) für elektronische Verbraucher ab 75 Watt festlegt.

Auch Asynchronmotoren 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 Europäischen Verbundnetzes sehr genau eingehalten, so dass sie als Referenzwert verwendet werden kann, z.B. zur Steuerung elektrischer Uhren oder für spannungsgeführte Wechselrichter zur Einspeisung von Solarstrom.

Schutz gegen Berührung

Die Berührung von Netzspannung führenden Leitern kann lebensgefährlich sein. Die Netzspannung liegt oberhalb der Schutzkleinspannung beziehungsweise Sicherheitskleinspannung. Aus diesem Grund müssen sowohl für die Versorgungsleitungen als auch für die mit Netzspannung betriebenen Geräte Schutzmaßnahmen gegen den elektrischen Schlag bei Berührung spannungsführender Leitungen getroffen werden.

Dazu gehören Schutzisolierung, Schutzerdung und Schutztrennung, die verhindern, dass berührbare leitfähige Teile (z.B. Gehäuse) bei einem Defekt gefährliche 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.

Mittelspannung

Größere Abnehmer wie beispielsweise Industriebetriebe oder Krankenhäuser werden üblicherweise direkt mit dem Mittelspannungsnetz mit Spannungen von 10 kV (Kilovolt) oder 20 kV über eine oder mehrere betriebseigene Transformatorenstationen angeschlossen.

Hochspannung

Auch in Hochspannungsnetzen werden fast immer genormte Spannungen verwendet. So werden im Höchstspannungsnetz in Europa überwiegend die Spannungen 220 kV und 380 kV verwendet. Das Hochspannungsnetz wird im Regelfall mit 110 kV betrieben, allerdings gibt es auch 60-kV-Netze (insbesondere in Großstädten mit älteren Kabelsystemen).

In anderen Gebieten sind zum Teil andere Spannungsebenen üblich: So existieren in Russland Höchstspannungsnetze mit 1150 kV, 750 kV, 500 kV und 330 kV, während die Spannungen in den Höchstspannungsnetzen in den USA 765 kV, in Kanada 735 kV, 500 kV und 345 kV betragen. Für Hochspannungsnetze ist in den USA der Wert 132 kV üblich.

Im Mittelspannungsnetz sind neben 20 kV vor allem in städtischen Gebieten wegen der dort älteren Kabelsysteme auch 10 kV üblich. Bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung gibt es keine normierten Spannungen.

In Bahnstrom-Speisenetzen beträgt die Normspannung in Deutschland und Österreich 110 kV, in der Schweiz 66 kV und 132 kV.

Bahnstrom

Fahrleitung (16⅔ Hz, 15 kV) deutscher Bauart am Bahnhof Thayngen, Schweiz (2018)

Im Bahnbetrieb selbst (Oberleitungen) haben sich zahlreiche Spannungen durchgesetzt. Bei Vollbahnen dominieren die folgenden fünf Systeme:

Einphasenwechselspannung 50 Hz, 25 kV
Einphasenwechselspannung 60 Hz, 25 kV
Einphasenwechselspannung 16⅔ Hz, 15 kV (nur Deutschland, Österreich und Schweiz [alle: mit wenigen Ausnahme-Strecken, seit 1995: 16,7 Hz]; Norwegen, Schweden)
Gleichspannung 3 kV
Gleichspannung 1,5 kV (u.a. Frankreich und Niederlande [neue Schnellfahrstrecken: 50 Hz, 25 kV])

Bei Straßen- und U-Bahnen ist die Spannung nicht genormt. In Deutschland, Österreich und der Schweiz werden hier meist Gleichspannungen von 500 V bis 750 V verwendet.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de