Essentials - Strom, die Grundlagen

Wichtige Infos kurz & knapp zusammengefasst...

Essentials - Strom, die Grundlagen

von volker » 11. Sep 2014, 10:14

Grundsätzliches zu Strom

In Deutschland wird jeder Haushalt über das sogenannte Niederspannungsnetz mit Strom versorgt, bei dem man fünf Leiter/Kabel unterscheidet. Deshalb sind in den Drehstromkabeln auch fünf verschiedenfarbige Adern vorhanden.

In einer roten CEE-Steckdose sind alle drei 230 V Wechselstrom Phasen vorhanden. Dabei liegt die Spannung von 230 V jeweils zwischen einer Phase und dem Neutralleiter an. Die Spannung zwischen einer Phase und einer beliebigen anderen Phase, also z.B. zwischen L1 und L3, beträgt 400 V. Weil der sinusförmige Wechelstrom in jeder Phase um 120° gegeneinander verschoben ist, nennt man diesen Strom Drehstrom.
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Außenleiter L1, L2, L3

Haben in Deutschland die Aderfarben schwarz, braun und grau. Jeder der drei Leiter, auch Phasen genannt, hat jeweils 230 V Wechselstrom. In einer normalen Schukosteckdose liefert also eine einzige der drei Phasen den Strom, der über den Verbraucher und dann über den gleich vorgestellten Neutral- oder Nullleiter zurückfließt.

Elektrische Maschinen, die eine hohe Leistung haben, wie z.B. Kreissägen, werden an diesem dreiphasigen 400 V Drehstrom oder auch Kraftstrom genannt betrieben. Auch ein Model S kann mit allen drei Phasen gleichzeitig geladen werden, was die Ladezeit im Vergleich zur einphasigen Ladung wesentlich verkürzt.

Neutralleiter oder Nullleiter (N)

Hat in Deutschland die Aderfarbe blau. Der Neutralleiter ist der Leiter für den Sternpunkt im Drehstromsystem. Bei einem symmetrisch belasteten Drehstromsystem heben sich die Ströme von den Außenleitern im Sternpunkt auf: Im Neutralleiter fließt kein elektrischer Strom. Erst wenn durch einen 230-V-Verbraucher eine unsymmetrische Last entsteht, fließt ein Strom im Neutralleiter, der die Unsymmetrie ausgleicht.

Schutzleiter (PE, engl. für protective earth)

Hat in Deutschland die Aderfarbe grün/gelb. Der Schutzleiter stellt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den berührbaren, elektrisch leitfähigen Teilen eines Betriebsmittels und der Erdungsanlage her und bildet so einen Stromkreis für den Fehlerfall. Er erdet also nicht nur jedes elektrische Gerät (wie z.B. eine Waschmaschine), sondern auch ein Elektroauto beim Laden. Dabei sind die Berührungskontakte in den Steckern konstruktiv immer so ausgeführt (z.B. durch einen etwas längeren Pin bei den roten CEE Steckern), dass zuerst der Schutzleiter verbunden ist und dann erst die anderen Leiter.

Stromstärke

Die Stromstärke misst, wie viel Strom zu einem Zeitpunkt fließt. Ein elektrischer Verbraucher (z.B. Lampe, Bohrmaschine, Herd oder Model S) zieht die Stromstärke aus der Leitung, die seiner Leistung entspricht.
Beispiel: Ein Föhn mit 1500 Watt Leistung braucht nach der Formel: Stromstärke = Leistung / Spannung :arrow: Stromstärke = 1500 W / 230 V = 6,5 A während seines Betriebes. Der eine Außenleiter wird in dem Moment daher mit 6,5 Ampere belastet. Hat der Föhn nur 1000 Watt Leistung, belastet er die Phase nur mit 4,3 Ampere.

Eine häufiges Missverständnis drückt die Frage aus, ob man den Strom umwandeln muss, um eine CEE-Dose installieren zu können? Antwort: Nein, es wird nichts umgewandelt.

16 Ampere oder 32 Ampere?

Eine Schukosteckdose darf kurzzeitig mit 16 A belastet werden (z.B. Wasserkocher) und dauerhaft mit 10 A. Eine CEE-Steckdose und die Typ 2 Stecker dürfen wegen ihrer Konstruktion (längere Pins und sicherer Halt) dauerhaft mit ihrem Nennwert belastet werden. Also eine CEE 16 A Dose dauerhaft mit 16 A, eine CEE 32 A Dose dauerhaft mit 32 A, ein Typ 2 32 A Ladekabel dauerhaft mit 32 A.

Ein Model S mit Doppellader kann dreiphasig mit maximal 32 A geladen werden (mit Einzellader maximal mit 3x16 A). Dies ergibt eine Ladeleistung von 3 (Phasen) x 230 V x 32 A = 22080 Watt, also 22 kW (mit Einzellader 11040 Watt, also 11 kW).

Im Model X und im Model S nach dem Facelift vom April 2016 gibt es nur noch den 11kW Einzellader (16A) mit Option auf Freischaltung des "Hochstrom-Ladegerätes" für 50% mehr Leistung, also 16,5kW (24A). Wer das nutzen will, sollte seine Installation für 22kW (32A) auslegen.

Sicherungen

Jeder Stromkreis ist mit einer entsprechenden Sicherung (oder auch Leitungsschutzschalter, LSS) versehen, die den Stromfluss unterbricht, wenn z.B. bei einem Kurzschluss sehr hohe Ströme mit entsprechenden Stromstärken durch die Leitung fließen und diese durch die entstehende Hitze beschädigt/zerstört würde. Die Leitung zur Schukosteckdose muss deshalb mit einer 16 A Sicherung abgesichert sein. Die Leitung zu einer 22 kW Wallbox oder einer CEE 32 A Dose muss mit einem dreipoligen Leitungsschutzschalter 32 A abgesichert sein.

Eine Sicherung schützt die Leitung vor Überlastung. Sie schützt nicht die Menschen vor Stromschlag. Dafür gibt es den

Fehlerstromschutz

Im Haushalt üblich ist der Fehlerstrom-Schutz (FI) vom Typ A. Er entdeckt, wenn in einem Stromkreis mit Wechsel- oder Drehstrom ein Fehlerstrom fließt (also nicht über die Leitungen zurückkommt, sondern durch ein schadhaftes Gerät oder durch einen Menschen fließt), und schaltet ab. Die Schwelle für den Fehlerstrom ist üblicherweise 30mA. FIs vom Typ A sind für Steckdosen in Bädern und im Außenbereich/in der Garage vorgeschrieben. Es macht Sinn, alle Stromkreise im Haus mit FIs abzusichern.

Gleichstrom-Fehlerströme
Beim Laden eines Elektroautos kann es zur Funktionsunfähigkeit eines FI Typ A kommen! Alle anderen Dosen und Geräte, die am gleichen Leitungsstrang wie der FI Typ A hängen, haben dann keinen Fehlerstromschutz mehr. Das Problem entsteht, weil man beim Laden eines E-Autos zwei Stromquellen hat:

A. Eine Wechselstromquelle aus dem Stromnetz

Ist in der Drehstromkiste* oder einer anderen Wallbox z.B. die Isolation eines Kabels nicht mehr in Ordnung, kann ein geringer Wechselstrom über das Gehäuse zur Erde fließen, der aber zu klein ist, um die Sicherungen auszulösen (die nur die Leitungen vor zu hohen Strömen jenseits 32 A und den damit verbundenen Temperaturen schützen sollen). Dieser Wechselstrom könnte auch über einen Menschen zur Erde fließen; wenn man die Box anfasst, bekäme man eine "geschmiert". Um das zu verhindern, misst ein FI Typ A den Stromfluss. Fließt dabei mehr Strom über die Phasen zum Verbraucher, als über N zurückfließt, weil ein geringer Teil über Gehäuse, Mensch und Erde abgeleitet wird, merkt das ein FI Typ A und schaltet im Millisekundenbereich den Wechselstromfluss sofort komplett ab. Diesen Schutz wird keiner missen wollen. Ein FI Typ A erkennt dabei Wechselströme und pulsierende Gleichströme.

Aber nicht glatte Gleichströme! Fließt ein glatter Gleichstrom durch einen FI Typ A, hat das den Effekt, dass dessen Spule vormagnetisiert und der FI Typ A funktionsunfähig wird! Jetzt ist aber durch Normen festgelegt, dass jeder FI Typ A glatte Gleichfehlerströme bis 6 mA aushalten können muss, ohne dass die Vormagnetisierung und damit die Funktionsunfähigkeit eintritt. Dh. jeder glatte Gleichstrom bis 6 mA ist völlig unproblematisch und in Ordnung, jeder glatte Gleichstrom über 6 mA kann zum Ausfall des FI Typ A führen und damit zum Wegfall des Schutzes gegen Stromschläge aus der Wechselstromquelle Netz!

*) Drehstromkiste (DSK)= ein Ladepunkt des -> Drehstromnetzes.

B. Zweite Stromquelle im Ladesystem ist neben dem Stromnetz die Gleichstromquelle aus der Hochvoltbatterie des E-Autos.
Diese liefert einen glatten Gleichstrom. Wird das Auto über ein Ladekabel an die Wallbox angeschlossen, und hat der Autohersteller keine Vorsorge getroffen, dass eine völlige Trennung zwischen Wechselstrom einerseits und Gleichstrom andererseits erfolgt, was technisch ohne weiteres möglich ist, können geringe Gleichströme über das Ladekabel durch die Wechselstromleitung fließen. Ist dieser glatte Gleichstromfluss über 6 mA, wie bei der ZOE, tritt obiger Effekt ein und ein FI Typ A in der Leitung ist funktionsunfähig. Der Schutz gegen den Wechselstromschlag ist durch die glatte Gleichstromquelle Hochvoltbatterie des E-Autos in diesem Fall ausgehebelt.


Jeder logisch denkende Mensch kommt nun auf die Idee, wieso geht man dann nicht hin und verpflichtet per Normen die Autohersteller zur völligen Trennung zwischen Wechselstrom und Gleichstromquelle?
Weil die Autolobby dies nicht gewollt und sich durchgesetzt hat. Und nun haben eben andere das Problem, die die Gefahr aber nicht geschaffen haben.

Nämlich entweder der Aufsteller einer Wallbox, der statt eines FI Typ A nun einen FI in die Wechselstromleitung setzen muss, der auch glatte Gleichströme über 6 mA erkennt und dann den Stromfluss komplett stoppt. Dies können der neu entwickelte FI Typ A EV und ein FI Typ B.

Oder der Ladebox Hersteller, in dem er die glatte Gleichstromquelle Auto mit einem FI Typ A EV oder einem FI Typ B oder einem anderen Differenzstromüberwachungsgerät beim Vorliegen eines glatten Gleichstroms über 6 mA trennt und so einen in der Leitung verbauten FI Typ A funktionsfähig hält.

Dass Problem ist, diese Bauteile kosten mehrere hundert Euro, was eine damit ausgestattete Wallbox erheblich verteuert. Die Hersteller bieten ihre Modelle daher meist ohne diese Schutzfunktion an, und verweisen in der Installationsanleitung auf die Pflicht, diesen in der Zuleitung einzubauen.

Danke an Klaus B und viele andere Beitragende!
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Essentials - Leitungsberechnung

von volker » 5. Jun 2016, 16:36

Bei der Installation von Lademöglichkeiten muss die elektrische Zuleitung ausreichend dimensioniert sein. Dies ist Expertenarbeit. Eine grobe Plausibilitätsprüfung durch den (privaten) Auftraggeber kann aber nicht schaden, insbesondere wenn der ausführende Elektriker noch wenig Erfahrung mit dem Thema hat. Bei hohen Dauerströmen muss besonderes Augenmerk auf den Spannungsabfall und die entstehende Abwärme in der Zuleitung gerichtet werden.

Ein Anhaltspunkt liefert diese Nachschlage-Tabelle:
http://www.zaehlerschrank24.de/info/str ... belle.html

Die Verlustleistung kann man mit dem Leitungsberechner ermitteln
http://www.zaehlerschrank24.de/info/berechnungen.html

und den Effekt des nächst größereren Kabelquerschnitts untersuchen. Etwas mehr Kupfer amortisiert sich unter Umständen schnell.
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