Drehstromsystem: Strang- und Außenleiterspannung

Wer mit Drehstrom arbeitet, hört eine ganze Reihe von Begriffen: Phase, Strang, Außenleiter, Leiter, L1/L2/L3, R/S/T. In der Werkstatt werden sie oft synonym verwendet. Für ein sauberes Verständnis lohnt es sich, die Begriffe einmal sauber zu trennen.

Die Leiterbezeichnungen

In einem Drehstromsystem treffen wir auf bis zu fünf Leiter:

• L1, L2, L3 — die drei Außenleiter (führen Spannung gegenüber dem Sternpunkt)
• N — der Neutralleiter (verbunden mit dem Sternpunkt)
• PE — der Schutzleiter (mit Erde verbunden)

Diese Bezeichnungen sind nach IEC und ÖVE in Österreich und ganz Europa Standard.

Außenleiter vs. Strang — der entscheidende Unterschied

Ein Strang ist eine einzelne Wicklung — sei es im Generator, im Motor oder im Transformator. Drei Stränge, drei Wicklungen.

Ein Außenleiter ist die Leitung, die einen Strang nach außen führt — vom Generator zum Verbraucher.

Beim Generator hat jeder Strang zwei Anschlüsse: einen, der zum Sternpunkt führt, und einen, der über den Außenleiter zum Verbraucher geht. Im Sternpunkt sind alle drei Strang-Enden zusammengeführt — daraus entsteht der Neutralleiter, sofern er ausgeführt wird.

„Phase“ — der unscharfe Begriff

Umgangssprachlich nennt man die Außenleiter oft „Phasen“ („Phase aufgelegt“, „drei Phasen anschließen“). Streng genommen meint „Phase“ in der Elektrotechnik aber den Phasenwinkel — also den momentanen Zustand eines Sinusverlaufs. Wer es genau nimmt, sagt „Außenleiter L1″ statt „Phase L1″. In der Praxis hat sich „Phase“ für „Außenleiter“ eingebürgert und wird verstanden — aber im Lehrbuch und auf Plänen ist „Außenleiter“ der saubere Begriff.

Alte Bezeichnungen R, S, T

Auf älteren Anlagen, Klemmen oder Schaltplänen finden sich noch die Bezeichnungen R, S, T (für die drei Außenleiter) und Mp (Mittelpunktleiter, heute Neutralleiter N). Diese Bezeichnungen sind nicht mehr aktuell, kommen aber bei Wartungsarbeiten an Bestandsanlagen noch vor.

Die Strangspannung ist die Spannung, die über einer einzelnen Wicklung anliegt — egal ob im Generator, im Motor oder am Transformator. Sie ist die Spannung, mit der jeder Strang „arbeitet“. Im österreichischen Niederspannungsnetz beträgt sie 230 V.

Definition

Die Strangspannung U_Str ist die Spannung, die zwischen den beiden Enden einer einzelnen Wicklung gemessen wird. Beim Drehstromgenerator sind die drei Stränge typischerweise zum Sternpunkt zusammengeführt — dort ist ein Ende jeder Wicklung verbunden, das andere Ende führt nach außen zum Außenleiter. In diesem Fall lässt sich die Strangspannung auch als Spannung zwischen einem Außenleiter und dem Sternpunkt messen.

Übliche Bezeichnungen:

• U_Str oder U_Phase — allgemein
• U_1N, U_2N, U_3N — die drei Strangspannungen, jeweils gemessen zwischen Außenleiter (L1, L2 oder L3) und Neutralleiter

Der Wert in Österreich: 230 V

Im öffentlichen Niederspannungsnetz beträgt die Strangspannung in Österreich 230 V als Effektivwert. Diese Festlegung gilt europaweit nach EN IEC 60038, mit definierten Toleranzbereichen für den Normalbetrieb.

Drei Spannungen, drei Phasenwinkel

In einem Drehstromsystem haben die drei Strangspannungen denselben Effektivwert, sind aber zeitlich gegeneinander verschoben — jeweils um 120°. Das heißt: Wenn U_1N gerade ihr Maximum erreicht, ist U_2N eine Drittel-Periode später dran, U_3N nochmal eine Drittel-Periode später. Bei 50 Hz Netzfrequenz entspricht eine Periode 20 ms, eine Drittel-Periode also etwa 6,67 ms.

Diese gleichmäßige Verschiebung ist der Kern des Drehstromsystems. Sie ist Grundvoraussetzung dafür, dass die Außenleiterspannungen sauber konstruiert werden können — und dass aus dem System ein Drehfeld entsteht.

Während die Strangspannung jede Wicklung einzeln beschreibt, beschreibt die Außenleiterspannung das Verhältnis zwischen den Außenleitern selbst. Im österreichischen Netz sind das 400 V — und genau diese Spannung steht zur Verfügung, wenn ein Drehstrommotor angeschlossen wird oder eine CEE-Steckdose verwendet wird.

Definition

Die Außenleiterspannung U_L ist die Spannung zwischen zwei Außenleitern. In einem dreiphasigen System gibt es davon drei Stück:

• U_12 — zwischen L1 und L2
• U_23 — zwischen L2 und L3
• U_31 — zwischen L3 und L1

Auch andere Bezeichnungen sind gebräuchlich: U_L für „Leiter-Leiter-Spannung“, U_LL oder „verkettete Spannung“ — die letzte Bezeichnung erinnert daran, dass die Stränge in der Schaltung „verkettet“ auftreten.

Der Wert in Österreich: 400 V

Im öffentlichen Niederspannungsnetz beträgt die Außenleiterspannung 400 V (Effektivwert). Das ist der Wert, der auf den meisten Drehstrommotor-Typenschildern in der oberen Hälfte steht, etwa „400 V Y“ oder „Y/Δ 400/230 V“.

Wie entsteht die Außenleiterspannung?

Die Außenleiterspannung ist keine eigenständig erzeugte Größe — sie ergibt sich rein durch Differenzbildung aus zwei Strangspannungen. Zwischen L1 und L2 misst man genau die Differenz zwischen U_1N und U_2N: U_12 = U_1N − U_2N. Analog gilt U_23 = U_2N − U_3N und U_31 = U_3N − U_1N.

Da die drei Strangspannungen zeitlich um 120° gegeneinander verschoben sind, ergibt diese Differenz nicht einfach „doppelt so viel“, sondern einen wohldefinierten Zeigerunterschied — das wird im Zeigerdiagramm anschaulich.

Im Diagramm sieht man: Die Außenleiterspannung U_12 (rot) ist deutlich länger als jeder einzelne Strangzeiger (blau). Genau wie viel länger — das klärt das nächste Kapitel.

Das Verhältnis 400 V zu 230 V ist kein Zufallswert — es ist ein präzise definiertes mathematisches Verhältnis, nämlich der Faktor √3 (etwa 1,732). Diese Zahl taucht überall in der Drehstromtechnik auf: bei Spannungen, bei Strömen, bei Leistungen. Wer sie versteht, hat einen großen Teil der Drehstromrechnung im Griff.

Die Formel

Umgekehrt formuliert:

Mit den österreichischen Netzwerten:

• 400 V / √3 = 230,94 V → gerundet 230 V
• 230 V · √3 = 398,37 V → gerundet 400 V

Die kleinen Rundungsabweichungen ergeben sich daraus, dass im realen Netz nicht exakt 230,94 V eingestellt wird, sondern auf glatte Werte normiert. Die Spannungswerte 230 V und 400 V sind daher streng genommen die Nennwerte — mit Toleranzbändern nach EN IEC 60038.

Wo kommt der Faktor √3 her?

Geometrisch lässt sich der Faktor √3 aus dem Zeigerdiagramm direkt herleiten. Wenn man die Außenleiterspannung U_12 als Vektorsumme aus U_1N und dem invertierten Zeiger −U_2N konstruiert, entsteht ein gleichschenkliges Dreieck. Beide Schenkel haben die Länge U_Str. Der Spitzenwinkel (zwischen den beiden Schenkeln) beträgt 120°, die beiden Basiswinkel je 30°.

Teilt man dieses Dreieck mit der Höhe in zwei rechtwinklige Dreiecke, lässt sich U_L aus U_Str über den Basiswinkel 30° berechnen. Im rechtwinkligen halben Dreieck ist die halbe Basis U_L/2 die Ankathete zum 30°-Winkel, U_Str ist die Hypotenuse:

Damit folgt:

So entsteht der Faktor √3 nicht aus einer Festlegung, sondern direkt aus der geometrischen Beziehung der drei um 120° versetzten Spannungszeiger.

In der Praxis begegnen einem Strang- und Außenleiterspannung an völlig unterschiedlichen Stellen — manchmal beide an derselben Steckdose. Wer weiß, welche Spannung wo anliegt, vermeidet Anschlussfehler und kann Motoren, Verteiler und Anlagen sicher in Betrieb nehmen.

Die Schuko-Steckdose: Strangspannung

Die übliche Haushaltssteckdose (Schuko, CEE 7/3) hat nur einen Außenleiter, den Neutralleiter und den Schutzleiter. Zwischen L und N misst man die Strangspannung: 230 V. Das ist die Spannung, die in jeder Wohnung an jeder normalen Steckdose anliegt.

Die CEE-Drehstromsteckdose: beides gleichzeitig

Die rote CEE-Steckdose (16 A oder 32 A) führt alle drei Außenleiter, den Neutralleiter und den Schutzleiter heraus. An ihr stehen damit zur Verfügung:

• Zwischen je zwei Außenleitern: 400 V (Außenleiterspannung) — dreimal vorhanden (L1-L2, L2-L3, L3-L1)
• Zwischen jedem Außenleiter und N: 230 V (Strangspannung) — dreimal vorhanden

Welche dieser Spannungen tatsächlich genutzt wird, entscheidet der Anschluss am Verbraucher.

Das Motorklemmbrett: Stern oder Dreieck

Auf einem typischen Drehstrommotor steht ein Typenschild mit zwei Spannungsangaben, zum Beispiel „400/230 V Y/Δ“. Das bedeutet:

• In Sternschaltung (Y) liegt an jedem Strang die Strangspannung an. Wenn das Netz 400 V Außenleiterspannung hat, dann liegen am einzelnen Strang 230 V an. Der Motor passt damit für ein 400-V-Netz.
• In Dreieckschaltung (Δ) liegt an jedem Strang die volle Außenleiterspannung an. Wenn der Motor für 230 V pro Strang gebaut ist, passt er nur an ein 230-V-Außenleiterspannungsnetz — nicht ans österreichische 400-V-Netz.

Diese Logik ist die Grundlage für die Wahl der Schaltungsart und für den Anlauf-Trick „Stern-Dreieck“, bei dem ein Motor beim Anlauf in Stern (weniger Strangspannung, weniger Strom) und im Betrieb in Dreieck (volle Spannung, volle Leistung) läuft.

Das österreichische Niederspannungsnetz

Das öffentliche Niederspannungsnetz in Österreich ist ein TN-System mit 400 V Außenleiterspannung und 230 V Strangspannung. Diese Werte sind nach EN IEC 60038 europaweit vereinheitlicht. Anlagen mit höherem Spannungsniveau — etwa 690 V Außenleiterspannung in größeren Industriebetrieben — verwenden dasselbe Prinzip, nur eben mit höherer Strangspannung von rund 400 V.