Was der Spannungsfall aussagt
Der Spannungsfall ist die Differenz zwischen der Spannung am Speisepunkt und der Spannung am Verbraucher. Er entsteht, weil jeder Leiter einen Widerstand hat und der Betriebsstrom darüber eine Spannung abfallen lässt.
Ein zu großer Spannungsfall hat Folgen: Motoren laufen heißer, Leuchten werden dunkler, und elektronische Geräte können außerhalb ihres zulässigen Bereichs arbeiten. Deshalb begrenzt die Norm den zulässigen Anteil der Spannung, der über die Leitung verloren gehen darf.
Der Spannungsfall wird als Absolutwert in Volt und als Anteil der Nennspannung in Prozent angegeben. Für den Nachweis zählt der Prozentwert, denn nur er lässt sich mit dem Grenzwert vergleichen.
Welche Grenzwerte gelten
Die IEC 60364 empfiehlt, den Spannungsfall zwischen dem Speisepunkt der Anlage und dem Verbraucher zu begrenzen. Als Richtwert nennt die Norm in Teil 5 einen Wert von rund 4 % der Nennspannung für Anlagen, die direkt aus dem Niederspannungsnetz versorgt werden. In bestimmten Fällen kann ein etwas höherer Wert angesetzt werden.
Nationale Regelwerke konkretisieren diese Empfehlung und unterscheiden häufig nach der Nutzung. Verbreitet sind rund 3 % für Beleuchtungsstromkreise und bis zu 5 % für alle übrigen Stromkreise. Maßgebend ist immer die nationale Festlegung des jeweiligen Landes.
| Bereich | Richtwert |
|---|---|
| Empfehlung IEC 60364 | rund 4 % |
| Beleuchtung (national) | rund 3 % |
| Sonstige Stromkreise (national) | bis rund 5 % |
Der Grenzwert gilt für die gesamte Strecke bis zum Verbraucher, nicht nur für einen Leitungsabschnitt. Bei mehreren Abschnitten werden die Teilwerte addiert und mit dem Grenzwert verglichen.
Formeln für ein- und dreiphasige Stromkreise
Der Spannungsfall folgt aus der Leitungslänge, dem Strom, dem Querschnitt und dem Leitermaterial. Für die überschlägige Rechnung gilt für den einphasigen Stromkreis:
ΔU = 2 · l · I · cos φ / (κ · A)
Für den dreiphasigen Stromkreis tritt an die Stelle des Faktors 2 die Wurzel aus 3:
ΔU = √3 · l · I · cos φ / (κ · A)
Dabei steht l für die einfache Leitungslänge in Metern, I für den Strom, A für den Querschnitt in Quadratmillimetern und κ für die Leitfähigkeit des Materials. Der Faktor 2 beim einphasigen Stromkreis berücksichtigt Hin- und Rückleiter. Der Prozentwert ergibt sich aus ΔU geteilt durch die Nennspannung, multipliziert mit 100.
Leitungswiderstand richtig ansetzen
Für Kupfer wird in der Rechnung häufig eine Leitfähigkeit von rund 56 m/(Ω·mm²) verwendet. Das entspricht dem Wert bei 20 °C. Im Betrieb erwärmt sich der Leiter, sein Widerstand steigt und der Spannungsfall wächst.
Wer den ungünstigsten Fall abbilden will, rechnet mit dem Widerstand bei Betriebstemperatur. Das ist vor allem bei Kabeln und Leitungen mit dauerhaft hoher Auslastung sinnvoll.
Der induktive Anteil der Leitung kann bei kleinen Querschnitten meist vernachlässigt werden. Bei größeren Querschnitten und in der Nähe von Transformatoren gewinnt er an Bedeutung und sollte berücksichtigt werden.
Der Querschnitt wirkt über seinen Widerstand unmittelbar auf das Ergebnis. Eine Verdopplung des Querschnitts halbiert den ohmschen Anteil und damit auch den Spannungsfall, solange Material und Länge gleich bleiben.
Rechenbeispiel für einen einphasigen Kreis
Gegeben sei ein Steckdosenstromkreis mit 230 V, einem Strom von 16 A und einer Leitungslänge von 25 m in 2,5 mm² Kupfer. Der Leistungsfaktor wird mit cos φ = 1 angesetzt, die Leitfähigkeit mit 56 m/(Ω·mm²).
Eingesetzt ergibt sich ΔU = 2 · 25 · 16 / (56 · 2,5) = 800 / 140 ≈ 5,7 V. Bezogen auf 230 V sind das rund 2,5 %. Damit bleibt der Wert unter dem Richtwert für Beleuchtung und deutlich unter dem für sonstige Stromkreise.
Verdoppelt man die Länge auf 50 m, steigt der Spannungsfall auf rund 5 %. Dann nähert sich der Wert dem Grenzwert für sonstige Stromkreise, und ein größerer Querschnitt wird erforderlich. Das zeigt, wie stark die Länge das Ergebnis bestimmt.
Nachweis im Projekt führen
Der Nachweis wird für den ungünstigsten Stromkreis geführt, nicht für jeden einzelnen. Meist ist das der entfernteste Verbraucher mit dem längsten Weg oder der Stromkreis mit der größten Länge und dem kleinsten Querschnitt.
Wird der Spannungsfall über mehrere Abschnitte geführt, etwa von der Hauptverteilung über eine Unterverteilung bis zum Verbraucher, werden die Teilwerte addiert. So entsteht ein Gesamtwert, der mit dem Grenzwert verglichen wird.
Ändert sich die Planung, ist der Nachweis erneut zu führen. Ein zusätzlicher Verbraucher am Ende eines langen Stromkreises kann den zulässigen Wert überschreiten, auch wenn sich die Leitung selbst nicht ändert. In GorkyCAD Pro wird der Spannungsfall zusammen mit dem Querschnitt fortgeschrieben, sodass der Nachweis zur aktuellen Planung passt.
Sinnvoll ist, den maßgebenden Stromkreis je Verteiler festzuhalten. So muss nicht jeder Kreis nachgerechnet werden, sondern nur die Punkte, an denen sich Länge, Strom oder Querschnitt ändern.
Typische Fehler beim Nachweis
In der Praxis kehren einige Fehler immer wieder:
- Beim einphasigen Stromkreis wird der Rückleiter vergessen, sodass nur die halbe Länge angesetzt wird.
- Es wird nur ein Leitungsabschnitt betrachtet statt der ganzen Strecke bis zum Verbraucher.
- Gerechnet wird mit dem Nennstrom, obwohl der tatsächliche Betriebsstrom kleiner oder größer ist.
- Der Grenzwert wird auf einen Abschnitt statt auf den Gesamtweg bezogen.
- Die Erwärmung der Leitung und der damit steigende Widerstand bleiben unberücksichtigt.
Wer die volle Strecke ansetzt, den Rückleiter berücksichtigt und den ungünstigsten Stromkreis prüft, vermeidet die meisten dieser Fehler. Eine Kontrollrechnung mit geänderten Annahmen zeigt zusätzlich, wie viel Reserve bleibt.
Fazit
Der Spannungsfall wird aus Länge, Strom, Querschnitt und Material berechnet und als Anteil der Nennspannung mit dem Grenzwert verglichen. Die IEC 60364 nennt einen Richtwert von rund 4 %, nationale Regeln konkretisieren ihn häufig auf 3 % für Beleuchtung und bis zu 5 % für andere Stromkreise.
Der Nachweis gehört an den ungünstigsten Stromkreis und über die gesamte Strecke. Wird er mit der Planung fortgeschrieben, bleibt die Auslegung auch nach Änderungen belastbar. Im Zweifel hilft der Online-Rechner, um den Wert schnell gegenzuprüfen.
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FAQ
Welcher Grenzwert gilt für den Spannungsfall?
Die IEC 60364 nennt einen Richtwert von rund 4 %. Nationale Regeln unterscheiden oft rund 3 % für Beleuchtung und bis zu 5 % für sonstige Stromkreise.
Warum wird beim einphasigen Kreis mit Faktor 2 gerechnet?
Weil der Strom über den Außenleiter hin und über den Neutral- oder Schutzleiter zurückfließt. Die einfache Länge zählt daher doppelt.
Für welchen Stromkreis wird der Nachweis geführt?
Für den ungünstigsten Fall, meist den entferntesten Verbraucher mit dem längsten Weg und dem kleinsten Querschnitt.
Über welche Strecke wird gerechnet?
Über die gesamte Strecke vom Speisepunkt bis zum Verbraucher. Bei mehreren Abschnitten werden die Teilwerte addiert.
Wann darf der induktive Anteil entfallen?
Bei kleinen Querschnitten ist er meist vernachlässigbar. Bei großen Querschnitten und nahe Transformatoren sollte er berücksichtigt werden.