Spannungsfall

Spannungsfall ist die Spannungsreduktion, die auftritt, wenn elektrischer Strom durch einen Leiter fließt. Wenn Strom durch ein beliebiges Kabel oder eine beliebige Leitung fließt, führt der Widerstand des Leiters zu Energieverlust in Form von Wärme, und die Spannung am fernen Ende ist notwendigerweise niedriger als an der Quelle. Dieser Spannungsverlust nimmt mit der Entfernung und der Stromstärke zu und macht den Spannungsfall zu einer praktischen Einschränkung in der Stromverteilung, nicht zu einem theoretischen Problem.

Die Höhe des Spannungsfalls hängt von drei Faktoren ab: dem Widerstand pro Längeneinheit des Leiters, der Gesamtlänge der Leitung und dem durch sie fließenden Strom. Ein 10 mm²-Kupferkabel mit 100 Ampere über 50 Meter verliert je nach Leitertyp und Temperatur etwa 10 bis 15 Volt. Aluminiumleiter sind leichter und günstiger, haben aber eine höhere Resistivität als Kupfer und erzeugen bei gleichem Strom und gleicher Entfernung einen größeren Spannungsfall. Ingenieure berechnen den erwarteten Fall während der Planung und wählen die Leiterquerschnitte entsprechend, wobei sie die Formel verwenden: Fall (Volt) = 2 × Widerstand (Ohm pro km) × Länge (km) × Strom (Ampere).

Wo Spannungsfall in der Praxis eine Rolle spielt

Bei Fernübertragung wird der Spannungsfall durch Hochspannungs-Umschaltung geregelt. Ein 10 MW-Signal, das mit 100 kV über 200 km übertragen wird, verliert proportional weniger Leistung als das gleiche Signal bei niedrigerer Spannung; deshalb transformieren Kraftwerke die Spannung unmittelbar nach der Stromerzeugung hinauf. Verteilnetze, die Wohngebiete versorgen, arbeiten mit niedrigeren Spannungen, typischerweise 400 oder 230 Volt, wo der Spannungsfall deutlicher wird. Ein zu dünnes Servicekabel zu einem entfernten Nebengebäude kann dazu führen, dass die Beleuchtung merklich dunkler wird, wenn schwere Lasten eingeschaltet werden, weil der Spannungsfall unter Last in Relation zur niedrigen Ausgangsspannung erheblich wird.

In industriellen Steuerkreisen und Datensystemen kann ein zu großer Spannungsfall verhindern, dass Geräte zuverlässig funktionieren. Ein Motor-Anlasser, der über ein zu dünnes Kabel versorgt wird, kann seine Haltespule möglicherweise nicht freigeben, auch nachdem sie erregt wurde, wenn der Spannungsfall unter Spulenstrom die Spannung an den Spulenklemmen zu niedrig lässt. Ebenso können speicherprogrammierbare Steuerungen und Sensoren, die über lange Kabelstrecken versorgt werden, zurückgesetzt werden oder ausfallen, wenn der Spannungsfall die Versorgungsspannung unter ihren Mindestbetriebswert senkt.

Installateure bekämpfen den Spannungsfall durch Überquerschnittung der Leiter, Verkürzung der Leitungswege wo möglich, Einsatz höherer Spannungen in langen Leitungen oder durch Spannungsregler. Baunormen und Standards begrenzen den zulässigen Spannungsfall typischerweise auf 3 Prozent auf Stichkreisen und 5 Prozent insgesamt für Haupt- plus Stichleitung, gemessen bei maximal erwarteter Laststrom. Auch Wärmeeffekte spielen eine Rolle: Der Spannungsfall nimmt zu, wenn Leiter sich erwärmen, da der Widerstand mit der Temperatur ansteigt; Berechnungen müssen daher den Widerstand des heißen Leiters berücksichtigen, nicht nur seinen Wert bei 20 Grad Celsius.