{"id":10828,"date":"2020-09-03T14:15:22","date_gmt":"2020-09-03T12:15:22","guid":{"rendered":"https:\/\/blog.mi.hdm-stuttgart.de\/?p=10828"},"modified":"2023-08-06T21:43:27","modified_gmt":"2023-08-06T19:43:27","slug":"stromnetze","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.mi.hdm-stuttgart.de\/index.php\/2020\/09\/03\/stromnetze\/","title":{"rendered":"Stromnetze"},"content":{"rendered":"\n

Strom wird f\u00fcr fast alles ben\u00f6tigt. Von Computern und Servern, welche ausfallsicher laufen sollen um den Nutzern zuverl\u00e4ssig ihren Service bieten zu k\u00f6nnen, bis hin zu Wasserpumpen und Medizinischen Ger\u00e4ten, die die Grundversorgung bereitstellen und das \u00dcberleben sichern – ein Ausfall dieser Infrastruktur ist daher sehr ung\u00fcnstig.<\/p>\n\n\n\n

In diesem Beitrag geht es um mehrere Aspekte von sicheren Systemen: Nicht nur die Ausfallsicherheit spielt bei Stromnetzen eine gro\u00dfe Rolle, sondern auch die Sicherheit der Menschen, die mit diesen Systemen in Ber\u00fchrung kommen. Um die Basis zu schaffen, wann Strom gef\u00e4hrlich werden kann und wie m\u00f6gliche Schutzmechanismen funktionieren, wird als erstes bildhaft beschrieben, was Strom \u00fcberhaupt ist. Darauf aufbauend geht es um den sogenannten Isolationstransformer, welcher auf der einen Seite eine Sicherheit gibt und einen Fehler im System zul\u00e4sst, auf der anderen Seite wiederum Gefahren entstehen, und wieso er in nassen Umgebungen oder kritischen Infrastrukturen wie beispielsweise einem Krankenhaus eingesetzt werden kann.
Nachdem die f\u00fcr den betrieb und teilweise Faktoren, die auf den Menschen einen direkten Einfluss haben, gezeigt wurden, wird im darauf folgenden Abschnitt der allgemeine Netzaufbau erl\u00e4utert und wie die Stabilit\u00e4t gew\u00e4hrleistet werden kann. Um die Steuerung des Stromnetzes zu verstehen muss zuerst der Drehstrom erkl\u00e4rt werden, danach die Aufteilung der Stromerzeuger und zum Schluss das Thema Smart Grid.<\/p>\n\n\n\n

Spannungen in Stromnetzen sind meistens lebensgef\u00e4hrlich und somit ist von Arbeiten an diesen Netzen ohne die notwendige Ausbildung abzusehen. Insbesondere die im Kapitel “Isolationstransformer” genannten Vorteile bergen Risiken, die f\u00fcr den Menschen noch gef\u00e4hrlicher sein k\u00f6nnen. Verharmlosende Begriffe wie “ungef\u00e4hrlich<\/em>“, “sicher<\/em>“, “ohne Probleme<\/em>” oder \u00e4hnlich sind somit nicht als verharmlosend zu verstehen, sondern beinhalten nach wie vor t\u00f6dliche Gefahren<\/span>.
Diese Systeme werden nur beispielhaft zur Verst\u00e4ndnis beschrieben, der Autor \u00fcbernimmt keinerlei Haftung.<\/span><\/strong><\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n

Was ist Strom?<\/h2>\n\n\n\n

Strom kann sich wie ein Wasserfluss vorgestellt werden. Wasser flie\u00dft angetrieben durch eine Pumpe durch den Gartenschlauch dorthin, wo der Gartenschlauch endet.
Analog dazu funktioniert der elektrische Strom, nur das man ihn nicht sieht. Wie in er Abbildung dargestellt gibt es eine Pumpe, die sogenannte Spannungsquelle. Sie sorgt f\u00fcr ein Ungleichgewicht (Ladungstrennung) der Elektronen, auf der Minus Seite gibt es einen \u00dcberfluss an Elektronen, was einem hohen Wasserdruck entspricht. Die Elektronen flie\u00dfen anschlie\u00dfend durch das Kabel (Analogie: Schlauch) zum Verbraucher, in diesem Fall eine Gl\u00fchlampe. Danach flie\u00dfen die Elektronen wiederum auf die Seite, wo ein Elektronenmangel herrscht (Pluspol). Der Verbraucher k\u00f6nnte in der “Wasserwelt” beispielsweise ein M\u00fchlenrad sein. Eine Pumpe pumpt Wasser hoch, um es auf das Rad zu bef\u00f6rdern. Durch die Schwerkraft flie\u00dft das Wasser durch das Rad nach unten und treibt somit das Wasserrad an (Elektrisch: Gl\u00fchbirne). Unter dem Rad befindet sich ein Auffangbecken, wo das Wasser wieder gesammelt wird. Um das M\u00fchlenrad dauerhaft antreiben zu k\u00f6nnen, muss das Wasser von dort wieder nach oben gepumpt werden, dies entspricht der elektrischen Ladungstrennung.

Diese Beschreibung ist der physikalische Stromkreislauf, allerdings wird bei der Elektrischen die Bezeichnung von Plus und Minuspol umgedreht: Der Strom flie\u00dft elektrisch gesehen von + nach -, und physikalisch gesehen von – nach +.
F\u00fcr diesen Beitrag ist es korrekt, wenn man von einem Stromfluss von + nach – ausgeht, da es leichter zu verstehen ist.<\/p>\n\n\n\n

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Quelle: [1]<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Wann ist Strom gef\u00e4hrlich?<\/h2>\n\n\n\n

Strom an sich ist nicht gef\u00e4hrlich, wenn er nicht flie\u00dfen kann – wenn also keine Verbindung durch einen Verbraucher wie eine Gl\u00fchbirne von + nach – besteht, kann der Strom auch nicht durch den Verbraucher flie\u00dfen. Als Beispiel aus der realen Welt kann ein Stromzaun genommen werden. Es wird hohe Spannung auf einen Zaun gegeben (+), und der – Pol wird mit einem Nagel an die Erde verbunden. Wenn man an den Zaun fasst, kann der Strom durch einen hindurch in den Boden flie\u00dfen, der Stromkreis ist somit geschlossen und der Mensch ist somit ein Verbraucher. Wenn man allerdings auf einer Gummimatte steht, welche einen von der Erde isoliert, kann man den Stromzaun problemlos anfassen ohne einen Schlag zu bekommen<\/em>. Die Gummimatte unterbricht den Stromkreis.

F\u00e4lschlicherweise wird oft angenommen, dass nur Spannung gef\u00e4hrlich ist. Tats\u00e4chlich ausschlaggebend f\u00fcr Stromunf\u00e4lle ist allerdings auch Strom, also die Menge an Elektronen, die durch den Verbraucher hindurch flie\u00dfen, und nat\u00fcrlich die Dauer des Stromflusses [2]. Analog dazu wieder das Wasserrad: Spannung entspricht dem Druck des Wassers, und Strom(st\u00e4rke) der Menge des Wassers, das in einer Zeiteinheit gepumpt wird.
Da der Stromzaun eine hohe Spannung hat, kann der Strom durch einen Verbraucher flie\u00dfen, allerdings liefert er nur einen sehr geringen Strom und diesen nur \u00fcber eine kurze Zeit, weshalb er nur schmerzhaft<\/em> ist.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n

Isolationstransformer<\/h2>\n\n\n\n

Der Isolationstransformer dient zur galvanischen Trennung vom eigentlichen Stromnetz. Oder: Er trennt einen Stromkreis von einem anderen, wodurch keine direkte Verbindung mehr besteht. Im Falle eines Isolationstransformer wird durch eine Spule ein Magnetfeld erzeugt, welches von einer zweiten Spule wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird. Somit besteht zwischen der einen Spule und der anderen keine Verbindung, wo Strom flie\u00dfen kann.

In der Abbildung gibt es nun kein + und – mehr, sondern ein L und ein N, da das Stromnetz in Europa mit Wechselspannung arbeitet. L ist der Leiter, wo das Spannungspotential zur Erde anliegt, die Erde ist so zu sagen der Nullpunkt (in der Abbildung N f\u00fcr Neutral, ist mit der Erde verbunden) und L das wechselnde Spannungspotential.
Der Generator\/Transformator (in der Abbildung links oben) “erzeugt” den Strom, der auf L liegt. Die Ger\u00e4te sind an L und N angeschlossen, das entspricht zum Beispiel einer normalen Steckdose.
Die Verbraucher haben allerdings einen Defekt und L ist mit dem Geh\u00e4use der Verbraucher verbunden. Im Falle des linken M\u00e4nnchens, wo kein Isolationstransformer vor dem Verbraucher geschalten ist, kann der Strom von L, \u00fcber den Defekt auf das Geh\u00e4use und somit in den K\u00f6rper gelangen. Da N mit der Erde verbunden ist, ist der Stromkreis zwischen L und N geschlossen (roter Pfad), und der Strom kann durch den Menschen flie\u00dfen – er ist somit direkt mit der Netzspannung verbunden.<\/p>\n\n\n\n

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Quelle: [3]<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Auf der rechten Seite ist ein Isolationstransformator vor dem Verbraucher installiert. Durch das \u00dcbertragen der Energie durch das Magnetfeld gibt es keinen Physikalischen Leiter, der direkt mit L oder N verbunden ist. Wenn das Geh\u00e4use nun ber\u00fchrt wird, wird eine Verbindung zwischen der Erde und dem Geh\u00e4use hergestellt, aber nicht zu L. Somit ist der Stromkreis nur innerhalb des Verbrauchers geschlossen (die Spule auf der Seite des Verbrauchers ist so zu sagen ein eigenes N und L, wo nun ein isoliertes Elektronenpotential zwischen N und L herrscht), und nicht durch den Generator und dem Menschen. Somit kann sicher<\/em> an oder mit Ger\u00e4ten gearbeitet werden, wo eine Geh\u00e4useisolation nicht m\u00f6glich ist oder eine hohe Gefahr besteht, mit dem Stromnetz in Ber\u00fchrung zu kommen. Der Isolationstransformer ist also ein Mittel, um in einem Stromnetz einen Fehlerfall zu tolerieren, in diesem Fall einen Isolationsfehler zur Erde. Das System muss somit bei einem Kontakt zur Erde nicht abgeschaltet werden, da keine <\/em>Gefahr besteht. Allerdings entsteht dadurch eine andere Gefahr.<\/p>\n\n\n\n

Der FI Schalter…<\/h2>\n\n\n\n

ist ein Fehlerstromschalter, der nach der Vorschrift VDE 0100-410:2018-10 <\/strong>in Haushalten vorgeschrieben ist[4][5]. Er sch\u00fctzt vor Str\u00f6men, die aus einem Stromnetz “entkommen”, beispielsweise durch das linke M\u00e4nnchen in der Abbildung. Der FI Schalter wird nach dem Transformator zwischen L und N eingebaut. Er pr\u00fcft, ob der Strom, der durch L flie\u00dft, auch durch N flie\u00dft. Wenn das der Fall ist, ist der komplette Strom durch den Verbraucher geflossen und nicht durch die Erde. Wenn nun in einem Fehlerfall Strom durch die Erde zur\u00fcck zum Generator flie\u00dft, misst der FI Schalter einen gr\u00f6\u00dferen Stromfluss durch L und einen geringeren durch N. Somit kann der “Verlust” von Strom gemessen werden und aus Sicherheit wird der Strom abgeschaltet. Durch ein rechtzeitiges Abschalten flie\u00dft nur sehr kurz Strom durch den Menschen und die \u00dcberlebenschancen k\u00f6nnen somit signifikant erh\u00f6ht werden.
Bei Betrachtung des rechten Scenarios (mit Isolationstransformer) flie\u00dft aber niemals der Strom durch die Erde. Wenn das M\u00e4nnchen nun mit einer zweiten Hand in das Ger\u00e4t fassen w\u00fcrde, die eine Hand auf der linken Seite der unteren Spule (Sekund\u00e4rwicklung) und mit der zweiten Hand an die rechte (Erinnerung: Die Spule agiert hier als eigener Generator, der durch das Magnetfeld angetrieben wird und somit ein “eigenes L und N besitzt”), wird der Stromkreis geschlossen – mit dem Unterschied, dass der Mensch nun als Last in einem System agiert und kein Fehlerstrom mehr durch die Erde existiert, der Strom flie\u00dft nun direkt vom L zum N nach dem Magnetfeld. Auf der oberen Seite des Transformers (Prim\u00e4rwicklung) wird nur ein Magnetfeld erzeugt, weshalb der Fehler auf der unteren Seite (Sekund\u00e4rseite) nicht messbar ist. Der FI Schalter kann bei einem Einsatz von einem Isolationstransformer also nicht mehr Sch\u00fctzen.<\/p>\n\n\n\n

Einsatzm\u00f6glichkeiten des Isolationstransformers<\/h2>\n\n\n\n

Der Isolationstransformer erlaubt einen Fehlerfall in einem System, was besonders in kritischen Umgebungen wie beispielsweise bei einer Operation in einem Krankenhaus Vorteile bringt. Es w\u00e4re nicht gut f\u00fcr den Patienten, wenn aufgrund eines defekten Ger\u00e4tes im Nachbarraum nun der Gesamte Strom bei den OP R\u00e4umen ausfallen w\u00fcrde, oder wenn ein Ger\u00e4t im Raum kaputt geht, die Sicherung des Raumes “rausfliegt und der Strom somit f\u00fcr den Raum weg ist. Mit einem Isolationstransformer ist so ein Ausfall ohne die Beeintr\u00e4chtigung anderer Ger\u00e4te m\u00f6glich, denn wie in dem Bild zu sehen ist, ist ein Kurzschluss mit einem Geh\u00e4use erlaubt und das System kann aktiv bleiben, die OP also fortgef\u00fchrt werden.
Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz auf einer Baustelle, wo durchaus im Regen gearbeitet werden muss oder leitf\u00e4hige Baumaterialien verarbeitet werden. Wenn der Bauarbeiter im Regen bei Benutzen einer Bohrmaschine einen kurzen Schlag bekommt und dann der FI Schalter abschalten w\u00fcrde, w\u00e4re ein Arbeiten im Nassen nicht nur unm\u00f6glich, sondern auch sehr gef\u00e4hrlich f\u00fcr die Person. Durch den Isolationstransformer wird die Leitung durch die Erde unterbrochen und die Bohrmaschine funktioniert theoretisch auch im nassen.

Dennoch, bei solch einem Einsatz sind durch die bereits erw\u00e4hnten Risiken ebenfalls wiederum andere Schutzmechanismen und Vorbereitungen zu treffen, beispielsweise eine Ger\u00e4tesicherung, die bei zu viel Stromverbrauch das Ger\u00e4t abschaltet.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n

Drehstrom<\/h2>\n\n\n\n

Gro\u00dfteile der Strom\u00fcbertragung finden \u00fcber Drehstrom statt und wird Hochspannungs-Drehstrom-\u00dcbertragung (HD\u00dc) genannt [6]. Der Drehstrom besteht aus drei sogenannten Phasen, die jeweils um 120\u00b0 verschoben sind.<\/p>\n\n\n\n

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Quelle: [7]<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Dies ist ein stark vereinfachtes Bild eines Generators. In der Mitte befindet sich ein Permanentmagnet, welcher rotiert und in den umliegenden drei Spulen, welche jeweils um 120\u00b0 versetzt sind, eine Spannung induziert. Dies ist dann der sogenannte Drehstrom. Wenn man die Erde als Anhaltspunkt (Bezugspotential, Masse, Nul) nimmt, und somit immer “0” ist, also die X-Achse, sieht eine Umdrehung des Magneten folgenderma\u00dfen aus:<\/p>\n\n\n\n

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Quelle: [8]<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die drei Spannungen aus den drei Spulen erzeugen jeweils einen Sinus. Als Beispiel U1, welcher rot eingezeichnet ist: Wenn das Magnetfeld in der Spule durch die Rotation des Permanentmagneten aufgebaut wird, steigt die Spannung an (Maximum bei 90\u00b0). Anschlie\u00dfend, wenn sich der Magnet weiter dreht, f\u00e4llt die Spannung wieder ab bis Sie auf 0 ist (180\u00b0), weil sich das Magnetfeld weiter dreht und somit “schw\u00e4cher” wird. Da nun der Magnet um 180\u00b0 gedreht ist, wird wieder eine Spannung aufgebaut, dieses mal allerdings eine negative (Minimum bei 270\u00b0). Bei 360\u00b0 ist die Spannung wieder auf 0, und eine Periode ist vorbei – der Generator ist wieder in der Ausgangssituation.<\/p>\n\n\n\n

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Quelle: [9]<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

In Europa hat die Netzfrequenz 50Hz, also der Magnet w\u00fcrde sich in dem Bild 50 mal pro Sekunde drehen. Die Steckdose in einem Haus benutzt von den drei Phasen allerdings nur eine Phase, also wird einfach nur “eine Spule” genommen, und der zweite Anschluss ist der Neutralleiter, der sp\u00e4ter im System geerdet sein muss – das sind dann die zwei Anschl\u00fcsse, die jeder kennt.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n

Netzregelung<\/h2>\n\n\n\n

Geregelt wird das netz “durch sich selber”, es ist selbst der Informationstr\u00e4ger. Ein Generator verh\u00e4lt sich wie eine Wasserpumpe: Wenn man viel Wasser pumpen m\u00f6chte, ben\u00f6tigt man eine gro\u00dfe Pumpe. Sobald also Last an ein System angeschlossen wird, muss diese Energie, die der Verbraucher dem System entzieht, am Generator durch Rotationsenergie hinzugef\u00fcgt werden, sprich der Magnet l\u00e4sst sich schwerer drehen und wenn die Rotationsenergie des Magneten nicht erh\u00f6ht wird, dreht sich der Magnet langsamer und die Netzfrequenz sinkt. Wenn nun Verbraucher vom Netz genommen werden, dem Magneten aber viel Rotationsenergie hinzugef\u00fcgt wird, dreht er sich schneller und die Netzfrequenz steigt.
Das bedeutet im Klartext: Wenn die Netzfrequenz unter 50Hz ist m\u00fcssen die Kraftwerke mehr Strom erzeugen und mehr Kraft auf die Generatoren geben, wenn sie \u00fcber 50Hz ist m\u00fcssen die Generatoren etwas heruntergefahren oder vom Netz genommen werden. Da die Generatoren und Verbraucher alle \u00fcber das Stromnetz verbunden sind, sind f\u00fcr alle die 50Hz Ausschlaggebend und k\u00f6nnen als Indikator f\u00fcr die Auslastung des Stromnetzes genommen werden.

Als Beispiel, wie kritisch die Netzfrequenz ist, ein Blick ins Jahr 2018: Im Kosovo wurde zu wenig Strom erzeugt und somit konnte die Netzfrequenz \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum nicht auf durchschnittlich 50Hz gehalten werden, sondern war \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum darunter. Da viele Haushaltsger\u00e4te die Netzfrequenz als Taktgeber f\u00fcr die Uhr benutzen, laufen diese nach – im Kosovostreit waren es 359 Sekunden, die sie nachgelaufen sind. Um diese Zeit wieder aufzuholen hat es nach einer Einigung fast einen Monat gedauert, in der aktiv die Netzfrequenz erh\u00f6ht wurde und die Uhren somit schneller laufen [10][11].

Die aktuelle Netzfrequenz kann hier angeschaut werden: https:\/\/www.netzfrequenzmessung.de\/<\/a><\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n

Netzbetrieb<\/h2>\n\n\n\n

Stromnetze lassen sich in unterschiedliche Netzebenen unterteilen [12]:<\/p>\n\n\n\n