Was ist ein Spannungsabfall?
Definition
Der Spannungsabfall bezeichnet die Differenz zwischen der Spannung am Anfang und am Ende einer elektrischen Leitung. In einem elektrischen Netz kann die Spannung durch den Widerstand und die Impedanz der Leitungen reduziert werden, wodurch eine geringere Spannung am Verbraucher ankommt, als ursprünglich eingespeist wurde. Dieser Spannungsverlust ist besonders in langen Leitungen oder bei hohen Lasten relevant und beeinflusst die Effizienz und Stabilität eines Stromversorgungsnetzes.
Spannungsabfälle in der Mittel- und Hochspannung
In der Mittelspannung (1 kV bis 36 kV) und Hochspannung (36 kV bis 150 kV) können Spannungsabfälle aus verschiedenen Ursachen entstehen. Eine der Hauptursachen sind hohe Ströme, die durch lange Leitungen fließen, was zu einem erhöhten Widerstand und damit zu einem Spannungsverlust führt. Dieser Verlust kann besonders in ländlichen Gebieten auftreten, wo die Abstände zwischen Umspannwerken und Verbrauchern groß sind.
Weitere Ursachen für Spannungsabfälle in der Mittel- und Hochspannung können sein:
- Hohe Lastschwankungen: In Zeiten hoher Netzlast kann die Spannung im Netz absinken.
- Schlecht gewartete Leitungen oder Transformatoren, die höhere Widerstände aufweisen.
- Wetterbedingungen, wie starke Winde oder Stürme, die zu Leitungsbeschädigungen und damit zu Spannungsabfällen führen können.
Die Auswirkungen dieser Spannungsabfälle können von geringfügigen Schwankungen in der Stromversorgung bis hin zu schwerwiegenden Netzstörungen reichen. In extremen Fällen kann es zu einem Spannungskollaps (Blackout) kommen, was den gesamten Netzbetrieb gefährden kann.
REGSys®
Unser »Spannungsregelsystem REGSys®« ist speziell darauf ausgelegt, Spannungsschwankungen und Spannungsabfälle in Hoch- und Mittelspannungsnetzen zu kompensieren. Neben der automatischen Regelung, der Überwachung und dem Monitoring von Transformatoren mit Stufenschaltern, kann REGSys® individuell nach Anwendungsfall durch Zusatzfunktionen wie Stromeinfluss (z.B. Kompensation der Leitungsimpedanzen) oder Parallelbetrieb ergänzt werden.
Spannungsabfälle in der Niederspannung
Im Niederspannungsbereich (bis 1 kV) treten Spannungsabfälle aus ähnlichen Gründen wie in der Mittel- und Hochspannung auf, wobei zwei Ursachen für Spannungsabfälle hier eine besonders häufig auftretende Problematik darstellen:
- Spannungsabfälle in Leitungssträngen in Parallelschaltungen bei Versorgung mehrerer Haushalte über eine gemeinsame Niederspannungsleitung: Wenn viele Verbraucher gleichzeitig eine hohe Last erzeugen – z.B. Abends/Nachts, während der typischen Ladezeiten von Elektrofahrzeugen – kann die Spannung auf der gemeinsamen Leitungen abfallen.
- Spannungsabfälle durch lange Leitungswege: Je länger die Leitung, desto höher ist der Widerstand und damit auch der Spannungsverlust. Besonders in ländlichen Gebieten mit langen Übertragungsleitungen führt diese Ursache häufig zu einem Spannungsabfall.
In beiden Fällen können Spannungsabfälle zu Problemen wie Ausfällen, ineffizientem Betrieb von elektrischen Geräten, erhöhtem Energieverbrauch oder sogar zu Schäden an empfindlichen Geräten führen.
LVRSys®
Das »LVRSys®-Niederspannungsregelsystem« wurde speziell entwickelt, um Spannungshaltungsprobleme im Niederspannungsnetz aufgrund der Integration von Elektromobilität, Photovoltaik und Wärmepumpen oder langer Übertragungsleitungen zu lösen. Es stellt eine wirtschaftliche & flexible Alternative zum kosten- und zeitintensiven Leitungsausbau dar. Das System ist bewährt, einfach in das Netz zu integrieren und wartungsfrei.
Richtlinien zur Spannungsversorgung für Energieversorger
Energieversorger müssen strikte Normen und Richtlinien einhalten, um eine stabile und zuverlässige Spannungsversorgung sicherzustellen. Diese Normen definieren den zulässigen Spannungsabfall und die zulässigen Schwankungen der Netzspannung.
- Deutschland (national): In Deutschland gilt die DIN EN 50160, die den zulässigen Spannungsabfall für Energieversorger festlegt. Sie definiert, dass die Netzspannung innerhalb eines Toleranzbereichs von ±10 % des Nennwertes bleiben muss.
- Europa (international): Auf europäischer Ebene gilt ebenfalls die Norm EN 50160, die ähnliche Anforderungen an die Spannungsqualität stellt.
- Internationale Normen: Weltweit gibt es verschiedene Normen, die den zulässigen Spannungsabfall festlegen, darunter die IEC-Normen (International Electrotechnical Commission). Diese Normen variieren je nach Region, aber das Ziel bleibt gleich: die Sicherstellung einer gleichmäßigen Spannungsversorgung.
Insgesamt zielen diese Richtlinien darauf ab, die Versorgungssicherheit zu gewährleisten und Netzstörungen durch unzulässige Spannungsabfälle zu verhindern.
Wo treten Spannungsabfälle typischerweise auf?
In elektrischen Netzen können Spannungsabfälle an verschiedenen Stellen auftreten, einige häufig auftretende typische Ursachen für Spannungsabfälle sind:
Spannungsabfall in Parallelschaltungen
In Parallelschaltungen teilt sich der Strom auf mehrere Pfade auf, sodass der Gesamtwiderstand geringer ist als in einer Reihenschaltung. Dennoch können auch hier Spannungsabfälle auftreten. Bei einer Parallelschaltung bleibt die Spannung zwar für alle Verbraucher gleich, aber der Strom verteilt sich auf die einzelnen Zweige, was bei hohen Strömen zu Spannungsabfällen auf den Verbindungsleitungen führen kann. Ein Beispiel für einen Spannungsabfall in Parallelschaltungen ist die Versorgung mehrerer Haushalte über eine gemeinsame Niederspannungsleitung. Wenn viele Verbraucher gleichzeitig Strom beziehen, kann die Spannung auf den gemeinsamen Leitungen abfallen (z.B. durch E-Mobilität und immer mehr installierte Wärmepumpen).
Spannungsabfall in Leitungen und Kabeln
Der Spannungsabfall in Leitungen ist eine der häufigsten Ursachen für Spannungsverluste in elektrischen Systemen. Je länger die Leitung, desto höher ist der Widerstand, und desto größer ist der Spannungsverlust. Diese Ursache für einen Spannungsabfall (Leitungslänge) führt besonders in ländlichen Gebieten mit langen Übertragungsleitungen zu häufig Problemen.
- Ein Beispiel ist der Spannungsabfall in Kabeln im Übertragungs- oder Verteilnetz, also insbesondere bei hohen Stromstärken und langen Kabellängen. Der Kabelquerschnitt spielt bei dieser Art Spannungsabfall eine entscheidende Rolle, da ein kleiner Querschnitt bei hohen Strömen zu erheblichen Spannungsverlusten führt.
- Ein Spannungsabfall durch lange Kabel kann neben dem öffentlichen Energienetz aber auch in der Industrie auftreten, wo häufig lange Kabelwege nötig sind, um Maschinen und Anlagen zu betreiben.
Spannungsabfall an Widerständen in elektrischen Versorgungsnetzen
Ein typischer Ort, an dem ein Spannungsabfall entsteht, ist durch den elektrischen Widerstand von Bauteilen wie Transformatoren, Schaltern und Verbrauchern. Diese Widerstände führen dazu, dass die Spannung abnimmt, wenn der Strom hindurchfließt.
Beispiele für Spannungsabfall am Widerstand:
- Jeder Verbraucher setzt dem elektrischen Strom einen Widerstand entgegen. Je größer der Widerstand, desto höher der Spannungsabfall.
- In Transformatoren führt der Wicklungswiderstand zu Spannungsabfällen, die die Ausgangsspannung reduzieren.
- In Schaltern und Sicherungen kann der Kontaktwiderstand für zusätzliche Spannungsverluste sorgen.
- In Mittel- und Hochspannungsleitungen entstehen Spannungsverluste durch den ohmschen Widerstand der Leitungen, insbesondere bei langen Übertragungsdistanzen.
Kurzer Einschub – Spannungsabfall am Widerstand berechnen
Um den Spannungsabfall am Widerstand zu berechnen, nutzt man das Ohmsche Gesetz. Dieses beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Widerstand in einem elektrischen Stromkreis.
Formel:
Erklärung der Variablen:
- ΔU: Spannungsabfall (in Volt, V)
- I: Stromstärke, die durch den Widerstand fließt (in Ampere, A)
- R: Widerstand des Bauteils oder der Leitung (in Ohm, Ω)
Berechnung:
Um den Spannungsabfall zu berechnen, multipliziert man die Stromstärke, die durch den Widerstand fließt, mit dem Widerstandswert.
Beispiel:
Wenn ein Strom von I=5 AI = 5 \, \text{A}I=5A durch einen Widerstand von R=10 ΩR = 10 \, \OmegaR=10Ω fließt, berechnet sich der Spannungsabfall wie folgt:
Der Spannungsabfall am Widerstand beträgt in diesem Beispiel also 50 Volt.
Spannungsabfall an Widerständen in Gleichstrom- und Wechselstromsystemen
Sowohl in Gleichstrom- als auch in Wechselstromsystemen kommt es zu Spannungsabfällen über Widerstände. Im Gleichstromnetz ist der Spannungsabfall direkt proportional zum Widerstand, während im Wechselstromnetz neben dem ohmschen Widerstand auch die Induktivität und Kapazität der Leitungen eine Rolle spielen.
- Bei Gleichstrom tritt der Spannungsabfall zum Beispiel in Batteriesystemen auf. Dies tritt typischerweise dann auf, wenn der Innenwiderstand der Batterie den Stromfluss behindert.
- Im Wechselstromnetz beeinflussen sowohl der ohmsche Widerstand als auch die Reaktanz der Leitungen den Spannungsabfall Wechselstrom, was zu komplexeren Spannungsverlusten führt.
Wie kann ein Spannungsabfall gemessen werden?
Der Spannungsabfall in einem elektrischen Netz kann durch direkte Messung der Spannung an verschiedenen Punkten des Systems festgestellt werden. Um den Spannungsabfall zu messen, vergleicht man die Spannung am Anfang und am Ende einer Leitung, eines Stromkreises oder vor und hinter einem Verbraucher. Der Unterschied zwischen den beiden Spannungswerten entspricht dem Spannungsabfall.
- Zur Messung des Spannungsabfalls wird die Spannung an zwei Punkten gleichzeitig oder nacheinander gemessen, zum Beispiel an der Einspeisestelle und am Verbraucher.
- Wichtig ist, dass die Messung unter Lastbedingungen erfolgt, da der Spannungsabfall nur bei fließendem Strom auftritt.
Spannungsabfall mit einem Multimeter messen
Ein einfaches Werkzeug, um den Spannungsabfall zu messen, ist das Multimeter. Ein Multimeter kann Spannungen im Niederspannungsbereich (< 1000 Volt) präzise messen und ist oft das erste Gerät, das in kleineren Anwendungen wie der Installation oder Wartung von elektrischen Systemen verwendet wird. Um den Spannungsabfall mit einem Multimeter zu messen, wird das Gerät parallel zur Last geschaltet und die Spannung am Eingang und Ausgang des Stromkreises gemessen.
Vorgehensweise:
- Das Multimeter wird auf den Spannungsmessmodus eingestellt.
- Die Messleitungen werden an den Anfang und das Ende der zu untersuchenden Leitung oder Komponente angeschlossen.
- Der Spannungsabfall wird als Differenz der beiden Messwerte berechnet.
Spannungsabfall an der Sicherung messen
Der Spannungsabfall an Sicherungen kann durch den Widerstand der Sicherung selbst verursacht, unsaubere Kontaktstellen oder eine fehlerhafte Installation. Wenn der Strom durch die Sicherung fließt, verursacht der Widerstand einen Spannungsabfall, der in der Regel gering ist, aber bei Überlastung oder hohem Stromfluss zunimmt. Um den Spannungsabfall an einer Sicherung zu messen, wird das Multimeter ebenfalls parallel zur Sicherung angeschlossen. Durch Messen der Spannung vor und nach der Sicherung kann festgestellt werden, ob die Sicherung einen signifikanten Widerstand hat und somit einen Spannungsabfall verursacht.
Grenzen von Multimetern
Multimeter sind nützlich für einfache Messungen, haben jedoch Grenzen, wenn es um komplexere Analysen oder die Überwachung des Netzbetriebs geht. Während man mit einem Multimeter den Spannungsabfall messen kann, sind sie nicht in der Lage, detaillierte und komplexere Analysen und Einblicke in die Netzqualität zu geben oder gar Spannungsschwankungen über einen längeren Zeitraum zu erfassen. Multimeter haben eine sehr begrenzte Funktionalität und geben immer nur eine Momentaufnahme der aktuellen Spannung wider.
Netzanalysatoren von A. Eberle – hochgenaue und leistungsfähige Geräte die mehr können als nur Spannungsabfallmessung
Eine umfassendere und hochgenaue Analyse der Netzqualität sowie eine langfristigere Betrachtung von Spannungsabfällen, bzw. Spannungsschwankungen zur Fehleranalyse und Fehlerprophylaxe ist nur durch den Einsatz von Netzanalysatoren möglich. Netzanalysatoren von A. Eberle bieten im Vergleich zu Multimetern eine Vielzahl von Funktionen, die speziell für die Anforderungen von öffentlichen und industriellen Energieversorgungsnetzen entwickelt wurden. Sie messen nicht nur den Spannungsabfall, sondern liefern auch Informationen über Spannungsschwankungen, Oberschwingungen, Flicker und andere Netzqualitätsparameter.
Einige Vorteile von A. Eberle Netzanalysatoren gegenüber Multimetern
- Langzeitüberwachung: Netzanalysatoren von A. Eberle ermöglichen die kontinuierliche Überwachung des Netzes und können Spannungsschwankungen über längere Zeiträume aufzeichnen und somit einen aussagekräftigen Einblick in die Netzqualität am Messpunkt liefern.
- Störschriebe: Unsere fest installierten Netzanalysatoren zeichnen transient auftretende Störungen und Abweichungen im Netzstrom und -spannung auf und erzeugen ein Störschrieb-Diagramm, um Fehler-Ursachen und deren Auswirkungen detailliert analysieren zu können (Funktionalität abhängig von den gewählten Bestellmerkmalen).
- Analyse der Netzqualität: Neben der Messung des Spannungsabfalls erfassen unsere Netzanalysatoren detaillierte Daten zur Spannungsqualität, was besonders in Übertragungs- und Verteil- und Industrienetzen von Bedeutung ist.
- Hohe Präzision: A. Eberle Netzanalysegeräte messen Spannungsabfälle und andere Netzanomalien mit sehr hoher Genauigkeit und liefern Daten, die für die Netzplanung und -optimierung entscheidend sind. Alle Netzanalysatoren von A. Eberle sind hochgenaue Messgeräte der Klasse A. In der Norm IEC 61000-4-30 Klasse A sind Netzqualitätsparameter für Messverfahren, die zeitliche Aggregation, Genauigkeit und Auswertung festgelegt. Dies stellt zuverlässige, wiederholbare und vergleichbare Messergebnisse sicher.
- Zusatzfunktionen: Im Gegensatz zu Multimetern bieten unsere Netzanalysatoren die Möglichkeit, verschiedene Netzparameter zu analysieren, die auf Spannungsprobleme hinweisen, wie Spannungsschwankungen, Oberschwingungen/Harmonische, Phasenverschiebungen, Transienten oder Flicker.
PQMobil – unsere mobilen Netzanalysatoren
Spannungsabfälle/Spannungsschwankungen und Netzverschmutzungen wie Oberschwingungen, Flicker, und Transienten zuverlässig detektieren
Die PQ-Box Familie besteht aus leistungsstarken, tragbaren Netz-, Frequenzanalysatoren, Leistungsmessern und Transientenrekordern zur Spannungsüberwachung und Power Quality Messung.
Die Bedienerfreundlichkeit wie auch der praxistaugliche Einsatz stand bei der Entwicklung im Vordergrund. Um einen Verursacher von Netzstörungen schnell zu lokalisieren, sind die Geräte mit einer Vielzahl von Triggermöglichkeiten ausgestattet.
Alle mobilen Power Quality Analysatoren erfüllen die hohe Schutzklasse IP65 und können auch im Freien installiert und betrieben werden. Außerdem verfügen die PQ-Boxen über einen sehr großen Temperaturbereich von – 20°C bis + 60°C.
Zudem erfüllen sie alle Anforderungen der Messgerätenormen IEC61000-4-30 Ed.3, IEC62586-1 und IEC62586-2 Ed.2 für Klasse A Geräte.
PQSys – unsere festinstallierten Power Quality Netzanalysatoren und Störschreiber
Bereits heute für die Anforderungen von morgen gewappnet sein
Die festinstallierten Störschreiber und Power Quality Netzanalysatoren PQI-LV, PQI-DA smart, PQI-DE und PQI-D sind die zentralen Komponenten in einem System, mit dem alle Messaufgaben in einem Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetz gelöst werden können. Die Analysatoren können als Störschreiber mit bis zu 41kHz Abtastrate, als Power Quality Messgeräte nach EN50160 / IEC 61000-2-2/4 oder als Leistungsanalysator eingesetzt werden.
Die Komponenten sind geeignet, Bezugsqualitäten oder Qualitätsvereinbarungen zwischen Energieversorger und seinem Kunden zu überwachen, zu registrieren und zur Auswertung bzw. Speicherung bereitzustellen.
Moderne Spannungsqualitäts-Messgeräte arbeiten nach der Norm IEC 61000-4-30 Ed. 3. Diese Norm definiert Messmethoden, um für den Anwender eine vergleichbare Basis zu schaffen.
Wie wird ein Spannungsabfall berechnet?
Um den Spannungsabfall zu berechnen, gibt es unterschiedliche Formeln, die je nach Art des Stroms – Gleichstrom, Wechselstrom oder Drehstrom – variieren.
Grundformel für den Spannungsabfall
Die einfachste Formel für den Spannungsabfall basiert auf dem ohmschen Gesetz und lautet:
ΔU = I * R
Hierbei steht:
- ΔU: der Spannungsabfall (in Volt)
- I: der Strom (in Ampere)
- R: der elektrische Widerstand der Leitung oder des Kabels (in Ohm)
Diese Grundformel ist insbesondere für Gleichstromanwendungen und einfache Widerstandsnetze anwendbar. Für Wechsel- und Drehstromnetze müssen weitere Faktoren berücksichtigt werden.
Spannungsabfall bei Gleichstrom berechnen
Um den Spannungsabfall bei Gleichstrom zu berechnen, verwendet man die bereits genannte Formel ΔU=I⋅R\Delta U = I \cdot RΔU=I⋅R, wobei der Widerstand der Leitung oder des Kabels eine wesentliche Rolle spielt.
Für den Widerstand RRR einer Leitung gilt:
R = ( p * L ) / A
Hierbei steht:
- ρ: spezifischer Widerstand des Leitermaterials (in Ohm·mm²/m)
- L: Länge der Leitung (in Metern)
- A: Querschnitt der Leitung (in mm²)
Die vollständige Spannungsabfall-Gleichstrom-Formel lautet somit:
ΔU = I * ( ( p * L ) / A )
Beispiel: Um den Spannungsabfall eines Kabels bei Gleichstrom zu berechnen, wird der Strom in der Leitung, die Länge des Kabels und der Querschnitt verwendet.
Spannungsabfall bei Wechselstrom berechnen
Der Spannungsabfall bei Wechselstrom ist komplexer als bei Gleichstrom, da zusätzlich zur ohmschen Komponente auch der induktive und kapazitive Widerstand (Reaktanz) berücksichtigt werden muss. Die Formel für den Spannungsabfall bei Wechselstrom lautet:
ΔU = I * Z
Hierbei ist Z der Scheinwiderstand (Impedanz) der Leitung und wird bestimmt durch:
Z = √( R² + ( XL - XC )² )
Hierbei steht:
- R: der ohmsche Widerstand der Leitung
- XL: die Induktivität der Leitung (in Ohm)
- XC: die Kapazität der Leitung (in Ohm)
Die Impedanz ist abhängig von der Frequenz und den elektrischen Eigenschaften der Leitung, was die Berechnung des Spannungsabfalls bei Wechselstrom schwieriger macht. Für viele praktische Anwendungen wird der kapazitive Anteil häufig vernachlässigt, sodass die Impedanz als Kombination aus ohmschem Widerstand und Induktivität berechnet wird.
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