Neutralleiter: Aufgabe und Belastung

Beim Drehstrom werden drei um 120° versetzte Wechselspannungen erzeugt. Verbindet man die drei Wicklungen an einem gemeinsamen Punkt, dem Sternpunkt, entsteht die Sternschaltung. Von diesem Sternpunkt führt ein vierter Leiter mit hinaus in die Anlage – der Neutralleiter (Kurzzeichen N). Er ist also direkt mit dem Mittelpunkt des Drehstromsystems verbunden.

Der Neutralleiter hat zwei Aufgaben. Erstens stellt er eine zweite Spannungsebene bereit: Zwischen zwei Außenleitern liegen 400 V, zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter 230 V. Erst dadurch lassen sich einphasige 230-V-Verbraucher – Steckdosen, Beleuchtung, Haushaltsgeräte – überhaupt am Drehstromnetz betreiben. Zweitens dient er als Rückleiter für genau diese einphasigen Lasten: Der Strom, der über einen Außenleiter zum Verbraucher fließt, muss einen Rückweg zum Sternpunkt finden, und den bietet der Neutralleiter.

Wichtig ist die Abgrenzung zu zwei verwandten Leitern. Der Schutzleiter (PE) führt im Normalbetrieb keinen Strom und dient ausschließlich der Sicherheit – er verbindet berührbare Metallteile mit Erde. Der Neutralleiter dagegen ist ein Betriebsleiter und führt im Normalbetrieb sehr wohl Strom. In manchen Netzformen werden beide Funktionen in einem einzigen Leiter zusammengefasst, dem PEN-Leiter; welche Netzform wo zum Einsatz kommt, ist aber ein eigenes Thema und wird hier nicht vertieft.

Hängt an allen drei Außenleitern dieselbe Last – gleicher Betrag, gleiche Art –, spricht man von symmetrischer Belastung. In diesem Fall sind die drei Strangströme gleich groß und genau wie die Spannungen um 120° gegeneinander versetzt. Und drei gleich große, um 120° verschobene Wechselgrößen ergeben in Summe zu jedem Zeitpunkt null.

Das lässt sich auf zwei Arten sehen. Im Zeigerdiagramm bilden die drei gleich langen Stromzeiger einen perfekt symmetrischen Stern; aneinandergehängt schließen sie sich zu einem geschlossenen Dreieck, der resultierende Zeiger hat die Länge null. Zeitlich betrachtet heißt das: Wenn ein Strom gerade sein Maximum erreicht, sind die beiden anderen negativ und summieren sich exakt zum Gegenwert auf. Die Momentanwerte heben sich in jedem Augenblick auf.

Bei symmetrischer Last gilt für die Effektivwerte also:

Genau deshalb darf der Neutralleiter bei rein symmetrischer Last theoretisch entfallen – etwa bei einem Drehstrommotor, der seine drei Wicklungen gleichmäßig belastet und gar keinen N-Anschluss hat.

Mit dem Rechner kannst du nachvollziehen, dass sich die drei Momentanwerte bei gleicher Amplitude zu jedem Zeitpunkt aufheben. Stelle die gemeinsame Amplitude und den Winkel ein und sieh dir die Summe an – sie bleibt null.

In der Praxis ist die Last fast nie exakt gleich verteilt. Ein Stromkreis zieht gerade viel, ein anderer wenig, ein dritter gar nichts. Sobald sich die drei Außenleiterströme in Betrag oder Art unterscheiden, spricht man von unsymmetrischer Belastung: Die Ströme heben sich nicht mehr vollständig auf, und der Neutralleiterstrom wird ungleich null. Sein Wert lässt sich nicht durch einfaches Zusammenzählen finden, denn die drei Ströme stehen wegen der 120°-Phasenlage geometrisch zueinander.

Man legt die drei Stromzeiger gedanklich in ein Koordinatensystem und zerlegt jeden in einen waagerechten und einen senkrechten Anteil. Mit L1 als Bezugsrichtung (0°), L2 bei −120° und L3 bei +120° ergibt sich:

Der Neutralleiterstrom ist dann der Betrag aus beiden Komponenten:

Für den häufigen Fall rein ohmscher Lasten – Heizungen, Glühlampen, also Verbraucher ohne Phasenverschiebung – lässt sich das zu einer geschlossenen Formel zusammenfassen:

Diese Formel gilt nur, solange alle Lasten rein ohmsch sind und damit in Phase mit ihrer jeweiligen Spannung liegen. Sobald induktive oder kapazitive Anteile ins Spiel kommen, muss man auf die Komponentenzerlegung zurückgreifen.

Zwei Sonderfälle prägt man sich am besten direkt ein. Ist nur ein einziger Strang belastet, fließt der gesamte Strom über den Neutralleiter zurück: I_N = I_Strang. Sind zwei Stränge mit gleichem Strom belastet und der dritte stromlos, ergibt die Formel I_N = I_Strang – der Neutralleiter führt genau so viel wie jeder der beiden belasteten Außenleiter.

Gib die drei Außenleiterströme ein und der Rechner liefert den Neutralleiterstrom nach der Formel für rein ohmsche Lasten.

Weil der Neutralleiter bei jeder Unsymmetrie Strom führt und im Einstrangfall sogar den vollen Außenleiterstrom übernimmt, wird er grundsätzlich genauso ausgelegt wie ein Außenleiter – gleicher Querschnitt, gleiche Belastbarkeit. Einen reduzierten Neutralleiterquerschnitt darf man nur dort vorsehen, wo dauerhaft annähernd symmetrische Belastung sichergestellt ist und keine nennenswerten Oberschwingungen auftreten. Die Errichtung elektrischer Anlagen in Österreich richtet sich dabei nach der ÖVE/ÖNORM E 8101; sie regelt, unter welchen Bedingungen ein reduzierter Querschnitt zulässig ist und wann der Neutralleiter voll dimensioniert werden muss.

Eine Besonderheit verdienen Oberschwingungen, also Stromanteile mit Vielfachen der Netzfrequenz. Bei nichtlinearen Verbrauchern – Schaltnetzteilen in IT-Geräten, LED-Beleuchtung, elektronischen Vorschaltgeräten – entsteht vor allem die dritte Harmonische (150 Hz). Das Tückische daran: Während sich die Grundschwingungen bei Symmetrie im Neutralleiter aufheben, addieren sich die dritten Harmonischen der drei Außenleiter dort auf, statt sich auszulöschen. In Anlagen mit vielen solchen Geräten kann der Neutralleiterstrom dadurch sogar größer werden als die Außenleiterströme – obwohl die Grundlast scheinbar gleichmäßig verteilt ist.

Genau deshalb verlangt die ÖVE/ÖNORM E 8101, dass bei nennenswertem Oberschwingungsanteil der Neutralleiter bei der Querschnittswahl besonders berücksichtigt wird: Er darf dann nicht reduziert werden und kann je nach Anteil sogar den maßgebenden Leiter für die Dimensionierung darstellen. Wer in der Praxis eine Verteilung für moderne Bürogebäude oder Beleuchtungsanlagen plant, muss den Neutralleiter also voll dimensionieren und darf sich nicht auf die scheinbare Symmetrie der Grundschwingung verlassen.

Der Neutralleiter ist im Betrieb stromführend und sicherheitsrelevant – deshalb darf er nicht wie ein gewöhnlicher Leiter behandelt werden. Eine Unterbrechung des Neutralleiters bei gleichzeitig unsymmetrischer Last hat ernste Folgen: Der gemeinsame Bezugspunkt der einphasigen Verbraucher löst sich vom Sternpunkt, und die Spannungen verteilen sich neu. An gering belasteten Strängen steigt die Spannung weit über 230 V an und kann sich im Extremfall der Außenleiterspannung von 400 V annähern, während stark belastete Stränge zu wenig Spannung bekommen. Geräte, die für 230 V ausgelegt sind, werden dabei zerstört.

Welcher Mechanismus genau hinter dieser Spannungsverlagerung steht und wie sie sich im Vektordiagramm darstellt, ist Gegenstand eines eigenen Topics zur Sternpunktverschiebung. Für den Neutralleiter zählt hier vor allem die praktische Konsequenz: Ein N-Bruch bei unsymmetrischer Last führt zu Überspannung an einem Teil der Verbraucher und damit zu Geräteschäden.

Daraus folgt eine wichtige Regel für die Installation: Der Neutralleiter wird nicht einzeln abgesichert oder einzeln geschaltet. Würde man ihn allein auftrennen, könnte genau der gefährliche Zustand entstehen, dass die Außenleiter noch unter Spannung stehen, der Rückweg aber fehlt. Geschaltet wird der Neutralleiter, wenn überhaupt, nur gemeinsam und gleichzeitig mit den Außenleitern.