Netzspannung

Begriff und Kennwerte

Als Netzspannung wird die von Energieversorgern in Stromnetzen bereitgestellte elektrische Spannung bezeichnet. Sie dient der Übertragung elektrischer Energie. Im engeren Sinn meint Netzspannung häufig die Wechselspannung in Niederspannungsnetzen, im Gegensatz zu den höheren Spannungen in Hochspannungsnetzen.

Am Netzanschlusspunkt wird die Netzspannung nach IEC 60038 charakterisiert. In Deutschland gilt dafür DIN EN 60038 VDE 0175-1. Wichtige Kenndaten sind die Nennspannung, ihre Toleranz und die Nennfrequenz.

Bei Einphasensystemen beträgt die sinusförmige Wechselspannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter 230 V ± 10 %. Bei Dreiphasensystemen beträgt der Effektivwert zwischen zwei Außenleitern 400 V ± 10 %. Die zulässige Über- oder Unterschreitung von 10 % bezieht sich auf einen Mittelwert über 10 Minuten. In Europa legt EN 50160 außerdem Merkmale wie Frequenz, Spannungshöhe, Kurvenform und Symmetrie der Außenleiterspannungen fest.

Verteilung in Europa

In europäischen Niederspannungsnetzen wird die Netzspannung meist in TN-Systemen verteilt. Üblich sind drei Außenleiter, die umgangssprachlich Phasen genannt werden und mit L1, L2 und L3 bezeichnet sind, außerdem ein Neutralleiter N und ein Schutzleiter PE (protective earth beziehungsweise Potential Erde).

Eine weitere Konfiguration besteht aus den drei Außenleitern und einem PEN-Leiter. In diesem Leiter sind Neutralleiter und Schutzleiter in einem einzigen Leiter kombiniert.

In Europa beträgt die Netzspannung 230 V ± 23 V, die Netzfrequenz 50 Hz ± 0,2 Hz. In Dreiphasensystemen liegen zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter 230 V ± 10 % und zwischen zwei Außenleitern 400 Volt ± 10 %.

Internationale Unterschiede

In Kanada, den USA, Mexiko und einigen nördlichen Staaten Südamerikas beträgt der Nennwert der Netzwechselspannung 120 V; früher waren 110 V üblich. Für größere Verbraucher wie Klimaanlagen wird auch die doppelte Netzspannung von 240 V verwendet, früher 220 V. Die Niederspannungsnetze sind dort als Einphasen-Dreileiternetze mit 60 Hz ausgeführt. Eine Dreiphasenwechselspannung ist für Privathaushalte normalerweise nicht verfügbar; sofern sie angeboten wird, beträgt sie 208 beziehungsweise 415 V.

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

Japan hat mit 100 V, regional mit 50 Hz oder 60 Hz, die weltweit niedrigste Netzspannung. In Taiwan beträgt sie 110 V, in China, Hongkong und Thailand 220 V bei 50 Hz. Indien verwendet wie Europa 230 V bei 50 Hz.

Auf Schiffen hängt die Wahl der Niederspannung von den Verbrauchern und den Anforderungen des Schiffs ab. Häufig sind mehrere Spannungsebenen vorhanden, die meist dieselbe Netzfrequenz teilen. Beispiele sind 440 V für Container, 400 V für Kombüsengeräte und große europäische Geräte, 230 V oder 220 V für Beleuchtung und Kleingeräte sowie 690 V für große Pumpen und Aggregate. Auf Frachtschiffen sind 440 V mit 60 Hz verbreitet, weil Kühlcontainer häufig auf diesen Wert optimiert sind. Bei Passagierschiffen können die Herkunftsländer der Passagiere und Sicherheitsaspekte die Auswahl beeinflussen.

Historische Anpassung in Europa

Bis 1987 betrug die Netzspannung in weiten Teilen Europas, darunter Deutschland, Österreich und die Schweiz, 220 V ± 22 V. Im Vereinigten Königreich waren 240 V ± 24 V üblich. Danach wurde in der internationalen Norm IEC 60038 beziehungsweise EN 60038 eine Spannung von 230 V mit einem Toleranzbereich von ±10 % als europäische Standardspannung festgelegt.

Ab 1987 wurde die Spannung schrittweise auf 230 ^{+13,8}_{−23} V angehoben. Seit 2009 sind 230 (±23) V zulässig, also Spannungen von 207 bis 253 Volt.

Für 220 Volt ausgelegte Geräte konnten bei den von 1987 bis 2009 geltenden Toleranzen weiterhin betrieben werden. Bei 220 ± 22 V lag die maximale Spannung bei 242 V, bei 230 ^{+13,8}_{−23} V bei 243,8 Volt. Seit 2009 gilt diese Übereinstimmung mit der maximalen Spannung nicht mehr, weil nun bis zu 253 V zulässig sind. Die Mindestspannung stieg dagegen von früher zulässigen 198 Volt auf 207 Volt.

Die Erhöhung um etwa 5 % steigerte bei vielen Geräten die Leistung. Bei Geräten mit ohmschem Widerstand, insbesondere Heizlüftern und Wasserkochern, steigt der Strom proportional zur Spannung und die Leistungsaufnahme quadratisch; die Leistung nahm daher um rund 10 % zu. Die bezahlte Energiemenge änderte sich dadurch beispielsweise beim Wasserkocher kaum, weil das Wasser entsprechend schneller erwärmt wird und das Gerät früher abschaltet. Geregelte Schaltnetzteile halten die Leistung eher konstant, sodass sich ihr Strom reziprok zur Spannung verändert. Bei Glühlampen fällt die Leistungssteigerung wegen der Kaltleiter-Charakteristik der Glühfäden etwas geringer aus, doch die höhere Glühfadentemperatur verkürzt statistisch die Lebensdauer.

Störungen und Berührungsschutz

Der sinusförmige Verlauf der Netzspannung kann durch nichtlineare Verbraucher gestört werden. Dazu gehören Gasentladungslampen, Gleichrichter, Dimmer mit Thyristor- oder Triac-Stellern, Frequenzumrichter, Kompaktleuchtstofflampen und Schaltnetzteile ohne Blindleistungskompensation, also ohne Power-Factor Correction (PFC).

Seit dem 1. Januar 2001 legt eine EMV-Norm für elektronische Verbraucher ab 75 Watt das zulässige niederfrequente Störspektrum, insbesondere Oberschwingungen, fest. Auch Asynchronmotoren können Netzverunreinigungen verursachen. Dieses sogenannte Nutenpfeifen entsteht durch die Unterteilung des Käfigläufers und eine dadurch ins Netz zurückgespeiste Wechselspannung mit höherer, drehzahlabhängiger Frequenz.

Die Netzfrequenz wird nach den Anforderungen des Europäischen Verbundnetzes sehr genau eingehalten. Deshalb kann sie als Referenzwert dienen, etwa zur Steuerung elektrischer Uhren oder für spannungsgeführte Wechselrichter zur Einspeisung von Solarstrom. Die zunehmende und nicht konstante Einspeisung erneuerbarer Energien führt jedoch häufiger zu Abweichungen der Nennspannung nach oben. Nach dem Gesetz für den Ausbau erneuerbarer Energien müssen Netzbetreiber solche Anlagen vorrangig anschließen, auch wenn dafür zunächst eine Optimierung, Verstärkung oder ein Ausbau des Netzes erforderlich ist.

Das Berühren spannungsführender Leiter kann lebensgefährlich sein. Netzspannung liegt oberhalb der Schutzkleinspannung beziehungsweise Sicherheitskleinspannung. Schutzmaßnahmen wie Schutzisolierung, Schutzerdung und Schutztrennung sollen verhindern, dass berührbare leitfähige Teile, beispielsweise Gehäuse, bei einem Defekt gefährliche Spannungen annehmen. Steckdosen müssen gegen die Berührung spannungsführender Teile gesichert sein; Kindersicherungen sollen zusätzlich verhindern, dass Kinder Gegenstände in die Öffnungen einführen.

Weitere Spannungsebenen und Bahnstrom

Größere Abnehmer wie Industriebetriebe oder Krankenhäuser werden üblicherweise direkt aus dem Mittelspannungsnetz versorgt. Typische Spannungen sind 10 kV oder 20 kV, in Einzelfällen bis 30 kV. Die Versorgung erfolgt über eine oder mehrere betriebseigene Transformatorenstationen.

Im Bahnbetrieb gibt es mehrere etablierte Systeme. Bei Vollbahnen mit Oberleitung dominieren 25 kV bei 50 Hz, 25 kV bei 60 Hz, 15 kV bei 16,7 Hz, 15 kV bei 16 ²⁄₃ Hz sowie Gleichspannung von 3 kV oder 1,5 kV. Beispiele sind 25 kV und 50 Hz im europäischen Hochgeschwindigkeitsverkehr, 25 kV und 60 Hz im westlichen japanischen Hochgeschwindigkeitsverkehr, 15 kV und 16,7 Hz in Deutschland, Österreich und der Schweiz, 15 kV und 16 ²⁄₃ Hz etwa in Mecklenburg-Vorpommern, Norwegen und Schweden, 3 kV Gleichspannung in Belgien und Italien sowie 1,5 kV Gleichspannung in den Niederlanden und Südfrankreich. Straßen- und U-Bahnen haben keine einheitlich genormte Spannung; in Deutschland, Österreich und der Schweiz werden meist 500 V bis 800 V Gleichspannung verwendet.

In europäischen Höchstspannungsnetzen sind vor allem 220 kV und 380 kV üblich. Hochspannungsnetze werden im Regelfall mit 110 kV betrieben, teilweise auch mit 60 kV, besonders in Großstädten mit älteren Kabelsystemen. In Russland gibt es Höchstspannungsnetze mit 1150 kV, 750 kV, 500 kV und 330 kV. In den USA sind 765 kV und in Kanada 735 kV, 500 kV und 345 kV gebräuchlich; in US-amerikanischen Hochspannungsnetzen sind 132 kV üblich. Für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung existieren keine normierten Spannungen. In Bahnstrom-Speisenetzen betragen die Normspannungen in Deutschland und Österreich 110 kV, in der Schweiz 66 kV und 132 kV. Da das Bahnnetz dort mit 16,7 Hz statt 50 Hz betrieben wird, ist es getrennt vom allgemeinen 50-Hz-Stromnetz aufgebaut.