Niederspannungsnetz

Niederspannungsnetze sind ein Teil des Stromnetzes zur Verteilung der elektrischen Energie an den größten Teil der elektrischen Endverbraucher, der aus Niederspannungsgeräten besteht. Um Spannungsverluste zu vermeiden, sind Niederspannungsnetze in der räumlichen Ausdehnung auf einen Bereich von einigen 100 m bis zu einigen wenigen Kilometern beschränkt. Sie werden daher regional über Transformatorenstationen aus einem übergeordneten Mittelspannungsnetz gespeist. Niederspannungsnetze sind im Unterschied zu den anderen Spannungsebenen nicht als Drei-, sondern als Vierleitersysteme aufgebaut, um den Anschluss einphasiger Verbraucher zu ermöglichen. Sie werden in Mitteleuropa üblicherweise mit Spannungen zwischen 230 V / 400 V (einphasig/ dreiphasig) bis zu 1000 V betrieben. Die Bemessungsleistungen liegen bei 250, 400 oder 630 kVA.

Arten

Dachständer mit Freileitungen, Teil des Niederspannungsnetzes

Die Arten der in Europa gebräuchlichen Netzausführung für Dreiphasenwechselstrom sind von der International Electrotechnical Commission (IEC) festgelegt und unterteilen sich in:

• TN-System (frz. Terre Neutre): Es ist in Mitteleuropa die gebräuchlichste Ausführung, besitzt einen starr geerdeten Sternpunkt, und in verschiedenen Teilausführungen wird der Schutzleiter bzw. gemeinsam der Neutral- und Schutzleiter als sogenannter PEN-Leiter von der Transformatorenstation bis zu den einzelnen Unterverteilungen geführt. Damit sind fünf bzw. vier parallele Leiter notwendig. Das TN-System unterteilt sich je nach konkreter Ausführung des Schutzleiters bzw. Neutralleiters und deren Kombinationen in das TN-C-System, TN-S-System und das gebräuchlichste, das TN-C-S-System.
• TT-System (frz. Terre Terre): Der Sternpunkt beim Trafo wie auch der beim Verbraucher ist mit der Erdungsanlage galvanisch verbunden. Es existiert aber zwischen Verbraucher und Transformatorstation keine gemeinsame Schutzleiterverbindung, die Verbindung des Schutzleiters erfolgt ausschließlich über das Erdreich. Dieses System ist kostengünstiger als das TN-System, da dabei der zusätzliche Leiter für den Schutzleiter im Bereich der Hauptverteilung entfallen kann. Allerdings setzt es geringe Erdungswiderstände voraus, die nicht immer gewährleistet werden können.
• IT-System (frz. Isolé Terre): Sogenanntes isoliertes Netz. Verwendung in meist kleinräumigen Industrienetzen und in Spitälern. Als Besonderheit ist in diesem Netz der Sternpunkt nicht geerdet. IT-Netze haben den Vorteil, dass ein einfacher Erdschluss nicht sofort zu einem Ausfall führt. Der Fehler wird von einem Isolationsüberwachungsgerät angezeigt und kann dann unter Umständen ohne Unterbrechung behoben werden. An der Fehlerstelle fließt ein geringer kapazitiver Strom. Die Höhe des Stromes ist von der Kapazität der in dem Netzbereich zusammengeschalteten Netzkabel abhängig. Der Einsatz von Fehlerstromschutzschaltern ist in diesem Netz nur bei Zwei- oder Mehrfachfehlern zur sofortigen Abschaltung möglich.

Außerhalb von Europa sind auch noch weitere Niederspannungsnetze üblich. Im nordamerikanischen Raum und teilweise im asiatischen Raum ist das Einphasen-Dreileiternetz und das darauf aufbauende Red-Leg Delta System verbreitet.

Topologie

Hauptverteilung mit NH-Sicherungen

Niederspannungsnetze sind ausgehend vom Bereich der Hauptverteilung üblicherweise in mehrere Kabelstränge unterteilt, welche einzelne Häuser oder Häusergruppen in der näheren Umgebung versorgen. Die Stränge werden meist sternförmig realisiert, wobei im Bereich des Hausanschlusses über einen so genannten Schleifenkasten die Abzweigungen zu den Unterverteilung erfolgen. Bei den in ländlichen Gegenden noch üblichen Freileitungen erfolgt die Ausspeisung über Dachständer. In Sonderfällen kann ein Niederspannungsnetz auch als Ring aufgebaut sein und von mehreren Stellen gespeist sein.

Im Bereich der Unterverteilung erfolgt eine sternförmige Speisung der einzelnen Verbraucher und Steckdosen. In England und in manchen ehemaligen englischen Kolonien kommen auch ringförmige Verteilungen im Rahmen der Norm BS 1363 in Wohnungen vor. Die Ringtopologie hat den Vorteil, dass bei gleicher Leistung geringere Leiterquerschnitte verwendet werden können, allerdings ist der Installationsaufwand höher.

Speisung

Transformator zur Ausspeisung

Niederspannungsnetze werden aus dem Mittelspannungsnetz durch lokale Transformatorenstationen gespeist. Manchmal wird ein etwas kostengünstigerer Trafo mit der Schaltgruppe Yy0 (Stern-Stern 0) verwendet, wobei die Sekundärseite der Wicklungen an einem Ende zum Sternpunkt zusammengeschaltet sind. Besser als die Sternschaltung ist die Schaltgruppe Yz5 (Stern-Zickzack 5), bei der durch die Verteilung des unsymmetrischen Außenleiterstromes auf je 2 Schenkelhälften eines Trafos die Unsymmetrie weitestgehend ausgeglichen wird. Geschieht dieser Ausgleich nicht, dann werden die einzelnen Außenleiterspannungen beim Verbraucher ungleich hohe Spannungswerte aufweisen und Schieflasten sind die Folge.

Alle Wicklungen, gleichgültig welche der beiden Trafos verwendet werden, sind auf einer Seite verbunden, ausgenommen beim Einsatz im IT-Netz, und der Sternpunkt mit Erde verbunden, die einen geringen Erdübergangswiderstand aufweist. Gewöhnlich R_E ≤ 2 Ω. Ist dieser Wert durch Alterung, Beschädigung oder Bodentrockenheit etc. höher, kann es im Fehlerfall zu unzulässig hohen Berührungsspannungen oder Schrittspannungen kommen. Würde bei Sturm etc. durch Baumwurf ein oberes Außenleiterseil reißen und zu Boden fallen, dann flösse, je nach Bodenbeschaffenheit, Feuchte usw., Strom in den Boden und darin zum Trafo zurück, wobei er bei der Erdungsanlage aus dem Boden austritt, und zum Trafosternpunkt zurück. Da man diesen Zustand wegen der Personengefährdung vermeiden muss, sind am Ausgangspunkt des Stromes (beim Trafo) bzw. im Verteilerkasten der Trafostation Schmelzsicherungen eingebaut, die vom Strom durchflossen werden. Ein Stromwert, der weit über dem üblichen Stromwert liegt, bringt die Sicherung zum Durchschmelzen. Womit der Strom an der Gefahrenstelle abgeschaltet bleibt.

Leiterbezeichnungen

• Außenleiter (L1, L2, L3): Bezeichnung für das hohes Potential führende Ende der Trafospule. Es sind 3 um 120 elektr. Grade versetzte Außenleiter im Drehstromsystem. Umgangssprachlich wird der Außenleiter auch als Phase bezeichnet. Ein Außenleiter gegen Neutralleiter wird umgangssprachlich als Lichtstrom und das Drehstromsystem als Kraftstrom bezeichnet.

• Neutralleiter (N): Dies beschreibt den ausgleichenden Sternpunktleiter im Drehstromsystem. Bei einem symmetrisch belasteten Drehstromsystem heben sich die Ströme in den Außenleitern auf. In dem mitgeführten Sternpunkt (Neutralleiter) fließt kein elektrischer Strom. Erst wenn durch einen 230-V-Verbraucher eine unsymmetrische Last entsteht, gleicht der Strom im Neutralleiter die Unsymmetrie aus.

• Schutzleiter (PE): Dies beschreibt den Leiter, der ausschließlich zum Schutz vor gefährlichen Berührungsspannungen an leitenden Oberflächen verwendet wird. Er ist immer grün/gelb gekennzeichnet und an den metallisch leitenden Gehäusen der Elektrogeräte angeschlossen.

• PEN-Leiter (PEN): Ein Neutralleiter aus dem TN-C-Netz, der die Schutzleiterfunktion mit wahrnimmt. Diese Ausführung ist problematisch, weil im Fehlerfall die Außenleiterspannung an leitenden Oberflächen anliegen kann. Die Rückleitung im unsymmetrischen Drehstromnetz würde im Fehlerfalle fehlen und die Spannung auch auf den Gehäusen anliegen.

• Erdung: Wenn von geerdet oder Erdung gesprochen wird, so ist immer eine leitende Verbindung zur Erde gemeint. Diese wird durch einen Erder hergestellt. Üblich sind Fundamenterder im Hausfundament, Staberder bis 20 m Tiefe oder Bandeisenerder, die 15 m lang 1 m tief eingegraben werden. Die Erder der Trafostationen sollen nicht mehr als 2 Ω Widerstand haben. Alle anderen Erder sind meist wesentlich schlechter und stark vom Boden und dem Wetter abhängig.

• Potentialausgleich: Man schließt damit leitende Oberflächen an den Erder an, die normalerweise keinen Stromanschluss besitzen. Dies betrifft zum Beispiel Duschwannen, Badewannen, Heizungsrohre, Wasserrohre und Gasrohre.

Die Bahn muss unter ihren Fahrleitungen alle metallischen Teile in den Potenzialausgleich einbeziehen, auch Geländer, Uhren und Verkleidungen. Im Rissbereich der Fahrleitung müssen die Leitungen sogar 25 kA/1 s thermische Kurzschlussströme aushalten. Der elektrische Spannungsabfall durch Fahrleitungskurzschlüsse würde sonst zu hohe Spannungen erzeugen.

Farbgebung

Zur Unterscheidung der Außenleiter und des Neutralleiters sind bei Kabelsystemen für Niederspannung je nach Region einheitliche Farben festgelegt. In der EU ist die Farbgebung durch die Norm IEC 60446 (EN 60446) festgelegt. In anderen Ländern werden auch davon abweichende Farbschemata verwendet. Einige übliche Farbgebungen in Dreiphasensystemen sind:

	L1	L2	L3	Neutralleiter N	Erde/ Schutzerde
EU, inklusive aller Länder, welche den CENELEC Standard IEC 60446 anwenden [1]	nicht einheitlich	nicht einheitlich	nicht einheitlich	Blau	 Grün-Gelb gestreift
Deutschland[2][3]	Braun oder Schwarz (bei Altinstallationen, L1 liegt zwischen N und Erde)	Schwarz oder Braun (bei Altinstallationen)	Grau oder Schwarz (bei Altinstallationen)	Blau	 Grün-Gelb gestreift oder blanker außen liegender Kupferleiter zwischen Mantel und Füllmantel (genannt: konzentrischer Schutzleiter)
Schweiz	Braun (bei Altinstallationen) Schwarz	Schwarz (bei Altinstallationen) Rot	Grau (bei Altinstallationen)  Weiß	Blau (bei Altinstallationen) Gelb	 Grün-Gelb gestreift (bei Altinstallationen)  Rot-Gelb gestreift
Österreich	Braun oder Schwarz	Schwarz oder Braun	Grau oder Braun	Blau	 Grün-Gelb gestreift
Frankreich	Braun	Schwarz	Schwarz	Blau	 Grün-Gelb gestreift
Vereinigte Staaten, nicht einheitlich festgelegt. Farben sind teilweise im NEC festgelegt	Schwarz oder Braun	Rot oder Orange oder Violett	Blau oder Gelb	 Weiß oder Grau	 Grün-Gelb gestreift oder blanke Kupferleitung
Kanada (verpflichtend von der Canadian Standards Association festgelegt)	Rot	Schwarz	Blau	 Weiß	Grün oder blanke Kupferleitung
Australien und Neuseeland (Festgelegt im Standard AS/NZS 3000:2007)	Rot	 Weiß	Dunkelblau	Schwarz	 Grün-Gelb gestreift
China (Festgelegt im Standard GB 50303-2002 Abschnitt 15.2.2)	 Weiß	Grün	Rot	Hellblau	 Grün-Gelb gestreift

Weitere Anwendungen

Niederspannungsnetze werden nicht nur zur elektrischen Energieversorgung verwendet, sondern auch zur Nachrichtenübertragung. Insbesondere erfolgen über Niederspannungsnetze die Übertragung von Steuersignalen der Rundsteuertechnik und in manchen Länder auch höherfrequente Datensignale mittels Trägerfrequenzmodems (engl. powerline).

Literatur

• Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme - Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie, Springer Verlag 2006, ISBN 3-540-29664-6

Einzelnachweise

1. ↑ Harmonised Colours and Alphanumeric Marking, in IEE Wiring Matters, Frühjahr 2004
2. ↑ laut VDE 0293
3. ↑ Informationen zur Harmonisierung der Aderfarben