Glossar

A-Z ABC DEF GHI JKL MNO PQRS TUV WXYZ

Ampere

Das Ampere mit Einheitenzeichen A, nach André Marie Ampère benannt, ist die SI-Basiseinheit der elektrischen Stromstärke mit Formelzeichen I. Seit 1948 wird das Ampere wie folgt definiert: Ein zwei im Vakuum parallel im Abstand 1 Meter voneinander angeordneten, geradlinigen, unendlich langen Leitern von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigen Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern pro Meter Leiterlänge die Kraft 2×10−7 Newton hervorrufen würde. Ein Ampere entspricht einem Fluss von 1 Coulomb pro Sekunde durch den Leiterquerschnitt:
1 Ampere = 1 Coulomb / Sekunde
1 A = 1 C / s = 1 C • s-1
Dies bedeutet – nach dem von CODATA 2006 allgemein empfohlenen Wert – einen Durchsatz von, 241 509 65 (16) × 1018 Elektronen pro Sekunde.
1 Ampere = 1 Watt / Volt
1 A = 1 W / V = 1 W • V-1


Blindleistung

Blindleistung ist ein Begriff der Elektrotechnik. Im elektrischen Energieversorgungsnetz soll Energie vom Erzeuger zum Verbraucher übertragen werden. In mit Wechsel- bzw. Drehstrom betriebenen Netzen fließt zusätzlich Energie, die zwischen Erzeuger, wie einem Kraftwerk, und bestimmten elektrischen Verbrauchern, wie beispielsweise elektrischen Maschinen, pendelt. Dieser zusätzliche Energiefluss trägt nichts zur Wirkleistung („tatsächlichen Leistung“) bei und ist daher im Allgemeinen unerwünscht. Die pendelnde Energie pro Zeit wird als Blindleistung bezeichnet. Bei ohmscher Belastung haben Spannung und Strom einen phasengleichen Verlauf, der Phasenverschiebungswinkel ist φ = 0. Die gesamte vom Erzeuger gelieferte Energie wird beim Verbraucher umgesetzt (z. B. als thermische oder chemische Energie).

Bei einem induktiven Verbraucher (z. B. Drosselspule, Transformator, Asynchronmotor) wird vom Erzeuger gelieferte Energie verwendet, um das magnetische Feld aufzubauen. Die Energie wird zunächst im Magnetfeld gespeichert, jedoch mit dem periodischen Wechsel im Vorzeichen der Spannung wird das Feld wieder abgebaut und die Energie ins Netz zurückgespeist. Bei rein induktiver Belastung läuft der Strom der Spannung um eine Viertelperiode nach, der Phasenverschiebungswinkel beträgt 90°. Das Produkt aus u und i befindet sich abwechselnd im positiven und negativen Bereich, wobei die Frequenz der Leistung die doppelte der Grundfrequenz ist. Wenn sich die Leistung p im negativen Bereich befindet, bedeutet das, dass Energie in das Netz zurückgeliefert wird. Im Mittelwert summiert sich diese Leistung zu null; sie erzeugt aber „blinden“ Stromfluss, der im versorgenden Netz nur hin- und herpendelt. Für diesen Fall ergibt sich



Entsprechendes gilt auch für kapazitive Verbraucher (z. B. Kondensatormotoren, Erdkabel), die jedoch statt des magnetischen ein elektrisches Feld erzeugen, das die Phase zwar in die andere Richtung verschiebt, aber sonst dasselbe liefert: Die zum Auf- und Abbau des Feldes pro Periode transportierte Energie stellt Blindleistung dar. Die Blindleistung tritt in der Regel bei allen am Netz angekoppelten Komponenten und auch beim Leitungsnetz in einem Stromkreis im Prinzip immer die drei passiven linearen Eigenschaften Kapazität, Induktivität und ohmscher Widerstand entweder in diskreten Bauelementen oder als „Leitungsbelag“ vorhanden sind, liegt in einem Wechselstrom-Versorgungsnetz praktisch immer eine Blindleistungsbelastung vor.

Die Leistung p wird über das Versorgungsnetz bezogen, wenn Spannung und Strom dasselbe Vorzeichen haben und wieder zurückgespeist, wenn die Vorzeichen gegensätzlich sind. Die Rückspeisung bewirkt Blindleistung und einen Blindstrom, der bei steigendem Blindleistungsbedarf der Verbraucher ansteigt. Um der Erwärmung der Leitung entgegenzuwirken, werden größere Leiterquerschnitte in den Versorgungsleitungen sowie größere Generatoren und Transformatoren nötig. Elektrische Großverbraucher in der Industrie müssen neben der bezogenen Wirkenergie auch für ihren Blindenergiebezug bezahlen. Privat- und Kleinverbraucher, die im Gegensatz zur Industrie überwiegend Strom für Wärmegeräte (Herd, Leuchtmittel, Heizgeräte) verbrauchen, verursachen geringe Blindleistungsbelastung und werden deswegen und wegen des hohen Aufwandes für deren Erfassung von den Kosten freigestellt, bzw. finden sich letztere im Preis der Wirkarbeit (angegeben in kWh) wieder. Außerdem bewirken Blindlaständerungen wesentlich größere Spannungsänderungen im Netz, da der Innenwiderstand von Generatoren und Transformatoren überwiegend induktiv ist.


Elektrische Leistung

Elektrische Leistung ist die Leistung (engl.: power), welche als elektrische Energie pro Zeit bezogen oder geliefert wird.

Angaben über den Bedarf von elektrischer Wirkleistung auf elektrischen Maschinen und Gebrauchsgegenständen wie beispielsweise Heizgeräten, Motoren oder auch Lampen erfolgen in Watt (Einheitenzeichen W).

Dabei ist wesentlich, welche Art von Leistung auf dem Typenschild angegeben ist. So wird bei Motoren die lieferbare mechanische Leistung angegeben, bei Lampen, Staubsaugern oder Lautsprechern dagegen die aufgenommene elektrische Leistung. Bei Generatoren, wie auch Fahrraddynamos oder Autolichtmaschinen, wird die abgegebene elektrische Leistung angegeben.

Die elektrische Leistung P, die in einem Bauelement umgesetzt wird, ist bei Gleichstrom das Produkt der elektrischen Spannung U und der Stromstärke I:



Verhält sich der Verbraucher als ohmscher Widerstand, kann man die Leistung auch anders ausdrücken:



Bei Wechselstrom sind die Größen Spannung und Strom von der Zeit abhängig, u(t) und i(t).

Hier sind folgende Leistungsbegriffe zu unterscheiden:

• Augenblickswert der Leistung oder auch Momentanleistung



• Wirkleistung P, die tatsächlich umgesetzte Energie pro Zeit.
• Scheinleistung S, auch als Anschlusswert oder Anschlussleistung bezeichnet. Sie wird in Voltampere (Einheitenzeichen VA) angegeben.
• Blindleistung Q, eine zwischen Quelle und Verbraucher pendelnde, im Regelfall unerwünschte und nicht nutzbare Energie pro Zeit. Sie wird in Var (Einheitenzeichen var) angegeben.

Die Größen S, P und Q sind durch Mittelwertbildung gewonnene Größen.



Dabei ist T bei periodischen Vorgängen die Periodendauer oder bei statistischen Vorgängen eine hinreichend lange Zeit (mathematisch streng: lim T → ∞).

Die Scheinleistung wird aus den Effektivwerten der Spannung U und des Stromes I gebildet, diese sind die quadratischen Mittelwerte von Spannung und Strom,



und die Gesamt-Blindleistung aus



Einzelheiten zu Leistungsmessern und zugehörigen Messschaltungen sind in Wirkleistung und Blindleistung erläutert. Messgeräte für Scheinleistung sind nicht üblich.

Einen Effektivwert der Leistung gibt es gemäß der Definition oben nicht. Die „RMS-Leistung“
ist eine formale Größe in der Audiotechnik, hat jedoch mit der physikalischen Größe "Leistung" nichts zu tun.


Elektrischer Strom

Elektrischer Strom ist die Bezeichnung für den gerichteten Anteil einer Bewegung von Ladungsträgern, zum Beispiel von Elektronen oder Ionen, in einem Festkörper, einer Flüssigkeit, einem Gas oder im Vakuum. Ruhende Ladungsträger können durch unterschiedliche Kräfte in Bewegung gesetzt werden:
• Redoxreaktion in Batterien,
• Coulombkraft in Kondensatoren oder
• Lorentzkräfte in Generatoren.

Einmal in Bewegung, können sich die Ladungsträger auch in feldfreien Räumen weiterbewegen. Ein Beispiel dafür ist die Elektronenbewegung in einer Elektronenröhre.

Umgangssprachlich wird elektrischer Strom auch „Strom“ genannt. Manchmal ist damit die Übertragung oder Bemessung von elektrischer Energie gemeint, was jedoch physikalisch nicht korrekt ist. Auch wird die physikalische Größe der Stromstärke, also die pro Zeit fließende Ladung, umgangssprachlich als Strom bezeichnet.

Das Formelzeichen für die zeitlich konstante elektrische Stromstärke ist I. Die zeitabhängige Stromstärke wird mit i oder auch als i(t) bezeichnet. Gemessen wird die Stromstärke in Ampere, benannt nach dem französischen Physiker und Mathematiker André Marie Ampère. Das Einheitenzeichen ist das A. Das Ampereist SI-Basiseinheit.

Die technische Nutzung des elektrischen Stromes begann in der Mitte des 19. Jahrhunderts mit der Telegrafie und der Galvanik. Für beide Anwendungen reichten zunächst die Leistung von Batterien aus. Um 1866 fand Werner von Siemens das dynamoelektrische Prinzip und nutzte es bei der Entwicklung des ersten elektrischen Generators, den er als Zündmaschine für die Zündung von Sprengladungen vermarkten konnte. Ab 1880 entwickelten sich diese Generatoren immer mehr zu Großmaschinen, um den Strombedarf der immer größer werdenden Stromnetze befriedigen zu können. In erster Linie dienten diese Netze zur Bereitstellung von elektrischem Strom für die Beleuchtung mit Bogen- und Glühlampen in der Öffentlichkeit und den ersten Privathaushalten. Eine weitere Anwendung des elektrischen Stromes bestand in seinem Einsatz in Leuchttürmen, da die Bogenlampe eine wesentlich höhere Lichtstärke besitzt als die zuvor verwendeten Kerzen oder Petroleumlampen. Infolgedessen entstanden die ersten Kraftwerke, die zunächst nochmit einfachen Wasserturbinen und Dampfmaschinen angetrieben wurden. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts stehen leistungsfähigeDampfturbinen zur Verfügung, die bis in die Gegenwart als Kraftmaschinen bei der Stromerzeugung dominieren.

In den letzten Jahren des 19. Jahrhunderts fiel nach dem sogenannten Stromkrieg die Entscheidung zwischen Gleichstrom- und Wechselstromsystem zugunsten des Wechselstroms. Ausschlaggebend für die heutige Form der elektrischen Energieverteilung waren unter anderem folgende Punkte:
• Die verlustarme Transformierbarkeit des Wechselstromes auf beliebige Werte von beispielsweise 6 V für Ladegeräte bis 500.000 V für Röntgengeräte.
• Bei der Leistung eines typischen Großkraftwerkes mit 1000 MW Leistung und einer bei Kleinverbrauchern üblichen Niederspannung von 230 V würde sich eine Stromstärke von etwa 4,5 MA ergeben. Dieser hohe Strom lässt sich unmöglich in einem Verteilernetz handhaben. Mit Netztransformatoren lassen sich diese Leistungen mittels Hochspannung in den sogenannten Verbundnetzen verteilen. Das erzwang aber Wechselstrom.
• Die Drehstrommaschine ist robust und benötigt keinen Kommutator, der sich abnutzen kann, funktioniert aber nur mit Wechselstrom.

Nachteile sind die sich ständig ändernde Spannung, was z. B. zur Folge hat, dass alle elektronischen Geräte über Gleichrichter gespeist werden. Problematisch ist auch das Auftreten von Blindleistung im Stromnetz, was seit Mitte des vergangenen Jahrhunderts zum Einsatz der Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragung ( HGÜ ) geführt hat.

Die Speicherung des Gleichstromes in Akkumulatoren versprach zunächst Vorteile und mit den gleichzeitig gebauten Straßenbahnnetzen war ein interessanter Markt für diese Stromart vorhanden. Aus heutiger Sicht wären auch extrem große Akkumulatoren erheblich zu klein, um nennenswerte Ladungen zu speichern. Durch die Entwicklung der Leistungselektronik lassen sich beide Stromarten problemlos ineinander umwandeln, wie moderne Mehrsystemfahrzeuge beweisen.


Elektrischer Widerstand

Der elektrische Widerstand ist in der Elektrotechnik ein Maß dafür, welche elektrische Spannung erforderlich ist, um einenbestimmten elektrischen Strom durch einen elektrischen Leiter fließen zu lassen. Als Formelzeichen für den elektrischen Widerstand wird in der Regel R – wahrscheinlich abgeleitet vom Lateinischen resistere für „widerstehen“ (evtl. vom Englischen bzw. Französischen "resistance") verwendet. Der Widerstand hat die SI-Einheit Ohm, sein Einheitenzeichen ist das große Omega (Ω).
Verwandt mit dem Widerstand ist der spezifische elektrische Widerstand (Formelzeichen ρ). Bei diesem Wert handelt es sich um eine temperaturabhängige Materialkonstante, die eine von der geometrischen Form des ausgeführten Leiters unabhängige Beschreibung der Widerstandseigenschaft ermöglicht.
Die elektrische Ladung war seit Coulomb bekannt, die elektrische Spannung seit Volta und die Wirkung des elektrischen Stromes seit Ampère. Georg Simon Ohm kannte die Kraftwirkung der elektrischen Spannung, deshalb konnte er Spannungen durch Kraftmessungen bestimmen. Die Stärke von Strömen konnte er anhand chemischer Prozesse quantitativ bestimmen. Man wusste, dass elektrische Ströme etwas mit der Bewegung der coulombschen Ladungen zu tun haben. Die gesetzmäßigen Zusammenhänge zwischen Spannung und Stromstärke waren unbekannt.
Erste Versuche ließen keine klaren Gesetzmäßigkeiten erkennen. stromdurchflossenen Draht auf möglichst konstanter Temperatur zu halten, erkannte er die Proportionalität zwischen Spannung U und Stromstärke I :



Diese Proportionalität zwischen Spannung und Stromstärke wird durch das von ihm formulierte und nach ihm benannte ohmsche Gesetz beschrieben:



Der von U und I unabhängige Proportionalitätsfaktor R ist der elektrische Widerstand. Dieses einfach erscheinende Gesetz wurde zu einer Zeit gefunden, als es noch keine „richtigen“ Spannungsquellen gab, geschweige denn Spannungs- oder Strommesser. Zudem waren die Messungen von anderen physikalischen Effekten überlagert. Auch waren die Begriffe Spannung, Stromstärke und Widerstand noch nicht allgemein etabliert. Erst vor diesem Hintergrund kann man seine wissenschaftliche Leistung würdigen.

Ohm war aber in Deutschland kein angesehener Wissenschaftler, Professuren wurden ihm zunächst verweigert. Das änderte sich erst, als ihm zahlreiche Würdigungen aus dem Ausland zuteil wurden.

Ein ohmscher Widerstand ist ein elektrischer Widerstand, dessen Widerstandswert im Idealfall unabhängig von der Spannung, der Stromstärke und der Frequenz ist. An einem solchen ohmschen Widerstand gilt das ohmsche Gesetz für beliebige Spannungen, Ströme und Frequenzen. Wenn man die Spannung U über der Stromstärke I in Form eines U-I-Diagramms aufträgt, erhält man eine Ursprungsgerade, der Zusammenhang also ist direkt proportional :



Näherungsweise und mit Einschränkungen kann ein ohmscher Widerstand durch ein Bauelement, im einfachsten Fall einen Metalldraht, realisiert werden, das üblicherweise ebenfalls einfach Widerstand – siehe Widerstand (Bauelement) − genannt wird.

Wenn Strom durch einen Widerstand fließt und Spannung daran abfällt, wird elektrische Leistung gemäß



in Wärmeleistung umgesetzt.

Der ohmsche Widerstand wird auch als Gleichstromwiderstand bezeichnet. Sein Kehrwert, also der Proportionalitätsfaktor zwischen Stromstärke und Spannung, heißt elektrischer Leitwert G des Leiters. Es gilt also:



Der ohmsche Widerstand eines Körpers lässt sich aus seinen geometrischen Abmessungen und einer materialspezifischen Konstante, dem spezifischen Widerstand ρ, berechnen.



Für einen in Längsrichtung durchflossenen geraden Leiter mit konstanter Querschnittsfläche A und der Länge l gilt:



Die Querschnittsfläche A berechnet sich für runde Drähte mit dem Durchmesser d nach der Formel:



Der spezifische Widerstand selbst ist im Allgemeinen von der Temperatur und eventuell noch weiteren Größen abhängig.


FI-Schalter

Ein Fehlerstromschutzschalter, FI-Schutzschalter oder FI-Schalter, neue Bezeichnung RCD (Residual Current protective Device), ist eine Schutzeinrichtung in Stromnetzen. In Europa werden Fehlerstromschutzschalter normalerweise zusätzlich zu den
(in Deutschland vorgeschriebenen) Überstromschutzeinrichtungen im Sicherungskasten installiert. In Deutschland sind Fehlerstrom- schutzschalter seit 1984 für Steckdosen in Räumen mit Badewanne und Dusche und für Außensteckdosen vorgeschrieben. Seit 1. Februar 2009 müssen außerdem alle Steckdosenstromkreise, welche durch elektrotechnische Laien genutzt werden, mit einem Fehlerstromschutzschalter ausgestattet sein (in Innenräumen Stromkreise bis 20 Ampere, im Außenbereich bis 32 Ampere). Ein Fehlerstromschutzschalter schützt im Fehlerfall vor zu hohen Berührungsspannungen. Er ist ein effizientes Mittel zur Vermeidung von gefährlichen (zum Teil tödlichen) Stromunfällen (Erdschluss über den menschlichen Körper) und dient zusätzlich derBrandverhütung. Im Gegensatz dazu dienen Überstromschutzeinrichtungen, wie Leitungsschutzschalter oder Schmelzsicherungen, die allgemein als „Sicherungen“ bezeichnet werden, hauptsächlich dem Schutz von Geräten und Installationen und bieten deshalb keinen hinreichenden Schutz vor einem Stromschlag. „Die Sicherung schützt die Leitung“
„Der FI-Schalter schützt den Menschen“.


Frequenz

Die Frequenz (lat. frequentia, Häufigkeit) beschreibt die Häufigkeit eines sich regelmäßig wiederholenden Vorgangs. Die Frequenz bezeichnet man in Gleichungen durch das Formelzeichen f (in der Technik) oder ν (ny, in der Physik); definiert wird sie durch dieZahl von Ereignissen ΔN innerhalb eines wählbaren Zeitintervalls Δt und zwar bezogen auf dieses Zeitintervall



Der Zeitraum Δt ist beliebig wählbar und nicht notwendig auf eine Zeiteinheit festzulegen. Es ist gleichgültig, ob man z. B. zählt
1 Schwingung in 20 ms, 50 Schwingungen in 1 s, 750 Schwingungen in 15 s oder 3000 Schwingungen in 1 min,

die Frequenz ist in allen diesen Fällen dieselbe.

Als Zahl ΔN ist jede positive reelle Zahl möglich; die Frequenz ist eine stufenlose oder analoge Größe. Die Frequenz ist aber eine besonders leicht digital erfassbare Größe, weil ΔN durch Zählung bestimmt werden kann und dann als natürliche Zahl angegeben wird, wodurch ein gestufter oder digitaler Messwert entsteht; siehe auch Digitale Messtechnik unter Zählkode.
Sinnvoll ist die Angabe einer Frequenz bei regelmäßig wiederholten Ereignissen, also Ereignissen mit festem Zeitabstand voneinander, der Periodendauer oder Schwingungsdauer T. Die Frequenz ist der Kehrwert der Periodendauer;



Die Einheit der Frequenz ist das Hertz mit dem Einheitenzeichen Hz. Sie ist nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz benannt. Gemäß vorstehender Gleichung ist die Einheit abgeleitet von der SI-Basiseinheit Sekunde mit dem Einheitenzeichen s durch



Diese Einheit wird ausschließlich für die Frequenz verwendet und nicht für spezielle Größen, die auch in 1/s angegeben werden, wie beispielsweise Drehzahl oder Kreisfrequenz


Hochspannung

Eine elektrische Spannung über 1.000 Volt (1KV) wird im Allgemeinen als Hochspannung bezeichnet. In den VDE-Vorschriften werden einheitlich Spannungen bis 1 KV als Niederspannung und über 1 KV als Hochspannung bezeichnet. In der elektrischen Energietechnik sind weitere begriffliche Unterteilungen der Hochspannung in die Unterbegriffe Mittelspannung, Hochspannung und Höchstspannung üblich, wobei die Grenzen nicht einheitlich geregelt sind. Hochspannung wird oft zur verlustarmen elektrischen Energieübertragung verwendet.

Die in der Energieübertragung üblichen und beispielhaften Nennspannungen sind wie folgt:

• Mittelspannung von 3 KV, 6 KV, 10 KV, 15 KV, 20 KV, 30 KV:
Die Anwendungsbereiche liegen bei Großabnehmern wie Industriebetrieben und der Versorgung von einzelnen Stadtteilen oder mehreren Ortschaften.

• Hochspannung von 60 KV, 110 KV:
Die Anwendungsbereiche sind die Versorgung kleinerer Städte und die Überlandversorgung. Auch der Anschluss kleinerer Kraftwerke erfolgt in dieser Spannungsebene.

• Höchstspannung von 220 KV, 380 KV, 500 KV, 700 KV, 1150 KV:
Sie dienen der Großraumversorgung mit Verbundnetzen zum überregionalen Energieaustausch und Anschluss von Großkraftwerken.

Von der Nennspannung zu unterscheiden ist die sogenannte Bemessungsspannung. Sie gibt jene maximale Spannung an, für die die Isolierung von Schaltgeräten ausgelegt sein muss. Die Bemessungsspannung liegt immer über der Nennspannung.


Kleinspannung

Als Kleinspannung, umgangssprachlich auch Niedervolt oder Schwachstrom, werden in der Elektrotechnik Wechselspannungen (AC) bis 50 Volt Effektivwert und Gleichspannungen (DC) bis 120 Volt bezeichnet. Sie ist ein Teilbereich der Niederspannung. Diese Spannungen gelten beim Berühren für erwachsene Menschen als nicht lebensbedrohlich und entsprechen der maximalen dauernden Berührungsspannung beziehungsweise Fehlerspannung.

Die europäische Niederspannungsrichtlinie gilt daher auch für den oberen Bereich der Kleinspannung (AC über 50 Volt Effektivwertund DC über 75 Volt).

Bei Spannungen unter 25 Volt AC oder 60 Volt DC kann gänzlich auf einen Schutz gegen Berühren verzichtet werden; diese Spannungen gelten auch für Tiere und Kinder als ungefährlich.

In Bereichen der Feuchtraum-Installationen gelten andere Bedingungen: auf Isolation gegen Berühren kann nicht verzichtet werden und die Spannungen sind auf 25 Volt AC oder 60 Volt DC oder gar auf nur 12 Volt begrenzt.

Es wird unterschieden zwischen:
SELV (früher „Sicherheitskleinspannung“) ist eine kleine elektrische Spannung, die aufgrund ihrer geringen Höhe und der Isolierung im Vergleich zu Stromkreisen höherer Spannung besonderen Schutz gegen einen elektrischen Schlag bietet.

Mit SELV betriebene Geräte, die selbst keine höheren Spannungen erzeugen, werden gemäß DIN EN 61140 (VDE 0140-1) mit der Schutzklasse III bezeichnet.

Die Spannung ist so klein, dass elektrische Körperströme im Normalfall ohne Folgen bleiben. Die Spannungsquelle kann entweder ein Generator sein, zum Beispiel ein Fahrraddynamo, oder eine Batterie.
Andernfalls müssen besondere Anforderungen an die Isolierung gegenüber netzspannungsführenden Teilen (z. B. Primärwicklung eines Transformators) eingehalten werden, die als sichere Trennung bezeichnet werden.
Bei SELV-Spannungsquellen gemäß EN 60960 ist kein Schutzleiter vorhanden. Metallische Gehäuse dürfen nicht geerdet werden.

Netz-Transformatoren zur Erzeugung von SELV müssen z. B. so gebaut werden, dass ein Kurzschluss zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung sowie deren Anschlüssen nicht möglich ist. Die Wicklungen können nur dann übereinander liegen, wenn dazwischen eine doppelte oder verstärkte Isolierung liegt. Diese Trennung wird als galvanische Trennung bezeichnet. Oft werden die Wicklungen über- oder nebeneinander in getrennten Isolierstoffkammern untergebracht. Solche Transformatoren mit sicherer elektrischer Trennung werden als Sicherheitstransformatoren (EN 61558-2-6 gemäß VDE-Verlag) bezeichnet.

Die Prüfspannung (Bemessungsstoßspannung) hängt von der Überspannungskategorie und der Nennspannung des Stromversorgungssystems ab (IEC EN 60664-1, Tabelle 1; Fachgrundnorm). So beträgt diese im Falle der Überspannungskategorie II für einen einphasigen Anschluss an einem 230V-Wechselstromnetz (Spannung Leiter-Neutralleiter zwischen 150 und 300V) 2,5kV. Bei der doppelten Isolation müssen beide Basisisolationen dieser Bemessungsstoßspannung standhalten. Häufiger wird für die sichere Trennung die verstärkte Isolierung verwendet. Dabei wird die Bemessungsstoßspannung eine Klasse höher angesetzt, das sind im genannten Beispiel 4kV (IEC EN 60664-1, Tabelle 1).

Mit der o. g. Bemessungsstoßspannung und dem Verschmutzungsgrad kann die erforderliche Mindestluftstrecke für die sichere Trennung (SELV) ermittelt werden (IEC EN 60664-1, Tabelle 2). Es wird dabei empfohlen, die Bedingung inhomogenes Feld auszuwählen. Im o. g. Beispiel ergeben sich dabei 3mm (Stoßspannung 4kV, inhomogenes Feld, Verschmutzungsgrad 2).
Die Mindestkriechstrecken für die elektrische Trennung werden mit Hilfe der Tabellen 3a, 3b und 4 der IEC EN 60664-1 ermittelt. Dazu wird neben der Kenntnis der o. g. Arbeitsspannung (im o. g. Beispiel Klasse bis 250V) und des o. g. Verschmutzungsgrades auch die Kenntnis der Isolierstoffgruppe benötigt (z. B. Isolation im Trafo, CTI-Wert). Diese beträgt im o. g. Beispiel 1,8 mm (IG II, 250V, Verschmutzungsgrad 2). Für die sichere Trennung (SELV) muss dieser Wert verdoppelt werden (im Beispiel nun 3,6mm).

Ist die Nennspannung bei Wechselspannung kleiner als 25 V beziehungsweise bei Gleichspannung kleiner als 60 V, so erübrigt sich bei SELV ein Schutz gegen direktes Berühren. Beispiele sind Kleinspannungs-Halogenglühlampen (z. B. Seilsysteme) oder Modelleisenbahn-Transformatoren.
Ist die Spannung höher, muss ein Schutz gegen direktes Berühren sichergestellt werden, zum Beispiel durch Isolierung, Abdeckungen oder Umhüllungen.

Bekannte Quellen von SELV sind Batterien sowie Klingeltransformatoren und Trafos für die Modelleisenbahn sowie Netzteile in Geräten der Schutzklasse II (z. B. Steckernetzteile oder Ladegeräte).
Bei Kinderspielzeug darf eine Wechselspannung nicht 50 V, sondern maximal 24 V betragen.

Bei Arbeiten in engen Räumen und gefährdeten Bereichen zum Beispiel im Innern von Kesseln und Tanks ist für Elektro-Handgeräte u. a. eine Schutzkleinspannung von 42 V üblich.

PELV (Schutzkleinspannung, früher „Funktionskleinspannung mit sicherer Trennung“) bietet ebenfalls Schutz gegen elektrischen Schlag. Sie wird in EN 50178 behandelt.

In Bezug auf die Erdung von PELV-Stromkreisen ist eine Betrachtung verschiedener Normen sinnvoll. DIN VDE 0100- 410:2007-06 legt in Abschnitt 414.4.1 fest: "PELV-Stromkreise und/oder Körper der durch die PELV-Stromkreise versorgten Betriebsmittel dürfen geerdet werden." In Abschnitt 6.4.1 der EN60204-1:2006 (VDE 0113-1) ist die strengere Forderung zu finden, dass eine Seite des Stromkreises oder ein Punkt der Energiequelle des PELV-Stromkreises an das Schutzleitersystem angeschlossen werden muss. Was wie ein Widerspruch zwischenzwei verschiedenen Normen erscheint, kann damit erklärt werden, dass in der VDE0100-410 das Hauptaugenmerk auf die zu versorgenden Betriebsmittel gelegt wird, während die VDE0113-1 explizit die Energiequelle nennt. In der Praxis bedeutet das, dass z.B. der Ausgang eines Kleinspannungsnetzteils bei der Verwendung in PELV-Anlagen geerdet werden muss, während das Schirmgeflecht einer Signalleitung für ein Betriebsmittel in der selben Anlage geerdet werden kann.

Sichere Trennung bedeutet wie bei SELV-Spannungsquellen, dassder Primärstromkreis von Netz-Transformatoren vom Sekundärstromkreis durch eine doppelte oder verstärkte Isolierung getrennt sein muss. Für die Ermittlung der erforderlichen Bemessungsstoßspannungen sowie der Mindestkriech- und Luftstrecken gilt das im Kapitel "SELV" besagte.

PELV wird eingesetzt, wenn aus betrieblichen Gründen aktive Leiter der Kleinspannung oder die Körper der Betriebsmittel geerdet werden müssen. Das ist beispielsweise der Fall, wenn man einen Potentialausgleich zur Vermeidung von Funkenbildung in Behältern und explosionsgefährdeten Räumen realisieren muss.
Ein weiteres Beispiel sind Audiogeräte und -verstärker, bei denen die Gehäuse aus Gründen der Abschirmung von Störungen geerdet sein müssen. Die Erdung dient hier nicht als Schutzmaßnahme bzw. Schutzerdung, sondern der Funktion. Dementsprechend bezeichnet man sie als Funktionserdung.
Durch die Gehäuseerdung können unabhängig von der Kleinspannung gefährliche Ableitströme über den Körper fließen, wenn Störungen an anderen Geräten oder Einrichtungen auftreten,bei denen deren berührbare leitfähige Teile Netzspannung annehmen.

FELV (früher „Funktionskleinspannung ohne sichere Trennung“) ist eine kleine elektrische Spannung, die hinsichtlich ihrer Höhe an sich keine Gefahr beim Berühren darstellt, ihre Erzeugung beinhaltet jedoch keine Schutzmaßnahmen, die im Fehlerfall Gefahren ausschließen.
Doppelte oder verstärkte Isolierungen sind hier nicht vorgesehen.
Erdungen und Verbindungen der Stromkreise mit Schutzleitern sind zulässig. Gehäuse und Körper müssen mit dem Schutzleiter der Primärseite verbunden sein.

Typische Anwendungen sind Steuerungen von Maschinen.
Um den Schutz gegen direktes Berühren gewährleisten zu können muss die Isolierung entsprechend der Nennspannung des Primärstromkreises der Stromquelle gewählt werden oder wahlweise auch durch Abdeckungen oder Umhüllungen (Abdeckungen oder Umhüllungen sind dafür bestimmt, das Berühren aktiver Teile zu verhindern). Die Körper der Betriebsmittel des FELV-Stromkreises müssen mit dem Schutzleiter des Primärstromkreises der Stromquelle verbunden werden. (DIN VDE 0100-410)

Die Erdung des Sekundärkreises kann jedoch bei Masseschlüssen zur Selbsteinschaltung von Schützen führen. In nicht geerdeten Sekundärkreisen sind dagegen doppelte Körper- oder Erdschlüsse nötig (zum Beispiel vor und hinter den Schaltgeräten), um Selbsteinschaltung hervorzurufen. Ein Körperschluss oder Erdschluss spannungsführender Leiter führt jedoch bei geerdetem Sekundärkreis zu einer Abschaltung der Überstromschutzorgane, sodass auch ein einzelner Fehler erkannt werden kann.
Bei der Konstruktion von Maschinen muss daher zwischen diesen Fällen abgewogen werden.


Niederspannung

Als Niederspannung bezeichnet man Wechselspannungen bis 1000 Volt und Gleichspannungen bis 1500 Volt. Höhere Spannungen werden als Mittelspannung oder Hochspannung bezeichnet. DieGrenzenwerte sind hier nicht eindeutig definiert.

Der Bereich der Niederspannung umfasst neben Kleinspannungen zum Beispiel die im Haushalt verwendete Netzspannung von 400 Volt zwischen den drei Außenleitern und 230 Volt zwischenjedem Außenleiter und dem Neutralleiter.


Scheinleistung

Scheinleistung ist ein Begriff aus der Elektrotechnik. Die Scheinleistung S ist die geometrische Summe aus Wirkleistung P und Blindleistung Qges bzw. das Produkt aus den Effektivwerten von Strom I und Spannung U. Die Blindleistung Qges besteht aus der Blindleistung der Grundschwingung Q und der Verzerrungsblindleistung D.





In Sonderfällen (bei verschwindender Blindleistung), wie beispielsweise bei Gleichspannung, ist die Scheinleistung gleich der Wirkleistung P. Davon abgesehen ist die Scheinleistung im Allgemeinen größer als die Wirkleistung. Elektrische Betriebsmittel, die Leistung übertragen, wie Transformatoren oder elektrische Leitungen, müssen entsprechend der übertragbaren Scheinleistung ausgelegt sein. Bei sinusförmigen Größen gibt es keine Verzerrungsblindleistung. Deshalb ist die Blindleistung Qges gleich der Grundschwingungsblindleistung Q.



Wenn in einem elektrischen Verbraucher oder einem Versorgungsnetz lineare Induktivitäten oder Kapazitäten zugeschaltet sind, benötigen diese zum Aufbau des magnetischen oder elektrischen Feldes eine elektrische Arbeit, die jedoch mit jeder Halbperiode der Frequenz wieder an das Netz zurückgegeben wird. Der zeitliche Verlauf der Blindleistungswerte ist gegenüber dem der Wirkleistung um eine Viertelperiode (bzw. 90°) verschoben und ergibt komplex (bzw. „geometrisch“) zusammengerechnet mit dieser den Wert der Scheinleistung.

Die Scheinleistung wird gemäß DIN 40110-1 zur Unterscheidung von der Wirkleistung in der Einheit Voltampere (Einheitenzeichen VA) anstelle von Watt (Einheitenzeichen W) angegeben, die Blindleistung in Var (Einheitenzeichen var).

Da neben dem Strom für die Erbringung der Wirkleistung auch der Strom für die Blindleistung aufgebracht werden muss, müssen das Netz und die Betriebsmittel wie z. B. die versorgenden Generatoren und Transformatoren dennoch sämtlich für den Wert der Scheinleistung bemessen werden. Dies gilt nur dann nicht,wenn eine Blindstromkompensation den Blindstrom-Fluss auf die örtlichen verbraucherinternen Leitungsverbindungen begrenzt.

In der komplexen Wechselstromrechnung, welche nur bei eingeschwungenen sinusförmigen Spannungs- bzw. Stromverlauf anwendbar ist, ist die Scheinleistung definiert als Betrag der komplexen Scheinleistung und als geometrische Summe aus Wirkleistung P und Blindleistung Q. Die komplexe Scheinleistung ist definiert als das Produkt der komplexen Spannung mit dem konjugiert komplexen Strom .







Treten in einem elektrischen Netzwerk nicht nur sinusförmige Spannungen und Ströme auf, treten auch sogenannte Oberschwingungen auf. Auch bei nicht stationären Vorgängen, wiebeispielsweise Schaltvorgängen, treten nicht sinusförmige Größenauf. Die Scheinleistung muss dann um eine weitere Komponente der Blindleistung, der so genannten Verzerrungsblindleistung D erweitert werden, welche den Anteil der Oberschwingungen an der Blindleistung beschreibt:



Jedes periodische Signal lässt sich mittels der Fourieranalyse in eine Reihe von einzelnen Sinusschwingungen, sogenannten Spektralkomponenten, zerlegen. Zur Berechnung der Scheinleistung im allgemeinen Fall ist daher eine Erweiterung des Begriffes auf beliebig viele Frequenzen notwendig. In diesem Fall lässt sich die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung nicht mehr einfach mit einem einzigen Winkel ausdrücken. An dessen Stelle tritt im allgemeinen Fall der Leistungsfaktor Λ:



Wichtig ist diese Verallgemeinerung immer, wenn nicht auf den Sonderfall reiner Sinusgrößen zurückgegriffen werden kann. Zur Verdeutlichung, wo diese Erweiterung des Begriffes notwendig ist, einige Beispiele dafür:
• Nichtlineare Verbraucher, betrieben an einer sinusförmigen Spannungsquelle. Dies sind beispielsweise Gleichrichter, wie sie in Schaltnetzteilen zu finden sind. Es tritt dabei Verzerrungsblindleistung auf, welche einen Teil der Scheinleistung darstellt.
• Bei der Phasenanschnittsteuerung kommt neben Oberschwingungen und der damit verbundenen Verzerrungsblindleistung zu einer zeitlichen Verschiebung und somit zu einer zusätzlichen Blindleistung in der Grundschwingung – auch bei rein ohmscher Last, welche über eine Phasenanschnittsteuerung in ihrem Leistungsumsatz geregelt wird. Diese Blindleistung wird aufgrund der Ansteuerung mittels Phasenanschnitt Steuerblindleistung genannt, sie ist Teil der Scheinleistung.
• Magnetischen Kreise mit ferromagnetischem Kernmaterial, das nichtlineare Sättigungs- und Hystereseeffekte zeigt − wie z. B. Spulen oder Transformatoren, die daher nichtlineare Induktivitäten darstellen.
• Ein an einer Wechselspannungsquelle mit rechteckigem Signalverlauf betriebener ohmscher Widerstand, wie beispielsweise das Dimmen von Glühlampen mittels Pulsweitenmodulation (PWM).


Spannung

Die elektrische Spannung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Arbeit bzw. Energie nötig ist, um ein Objekt mit einer bestimmten elektrischen Ladung innerhalb eines elektrischen Feldes zu bewegen. Spannung ist also das spezifische Arbeitsvermögen der Ladung. Sie ist eine Feldgröße, die in einem großen Größenordnungsbereich auftritt. Das Formelzeichen der Spannung ist U – abgeleitet vom lat. urgere (drängen, treiben, drücken). Sie wird im internationalen Einheitensystem in der Einheit Volt (Einheitenzeichen: V) angegeben, benannt nach Alessandro Volta.
Auf „natürliche“ Weise entsteht elektrische Spannung zum Beispiel durch Reibung, bei Gewittern und bei Redoxreaktionen. Zur technischen Nutzung werden Spannungen meistens durch elektromagnetische Induktion sowie durch Elektrochemie erzeugt.
Die umgangssprachliche Bezeichnung „Stromspannung“ ist fachlich inkorrekt und sollte bei eindeutigem Zusammenhang durch „Spannung“ und sonst durch „elektrische Spannung“ bzw.„Netzspannung“ ersetzt werden. Die elektrische Spannung ist der Quotient aus der zur Verschiebung einer Ladung Q erforderlichen Arbeit und dieser Ladung.


Wirkleistung

Die Wirkleistung P ist die elektrische Leistung, die für die Umwandlung in andere Leistungen (z. B. mechanische, thermische oder chemische) verfügbar ist. Sie ist abzugrenzen von der Blindleistung, die für diese Umwandlung nicht verwendbar ist.

Die Wirkleistung P wird in der Einheit Watt angegeben. Bei gleichbleibender Spannung und gleichbleibendem Strom ist die Wirkleistung das Produkt von Spannung U und Strom I:



Bei veränderlichen Werten ist die Wirkleistung der arithmetische Mittelwert der Augenblicksleistung p.



Für periodische Spannungen und Ströme ist über eine Periode mit der Periodendauer T zu mitteln:



Der sinusförmige Verlauf des Stromes tritt nur dann auf, wenn sich ausschließlich lineare Verbraucher im Netz befinden. Bei ohmschen Verbrauchern verlaufen Spannung und Strom gleichphasig. Beim Auftreten kapazitiver oder induktiver Verbraucher tritt zusätzlich eine Phasenverschiebung zwischen dem Verlauf von Strom und Spannung auf. Mit den Effektivwerten von Spannung U und Strom I, den Amplituden und , dem Phasenverschiebungswinkel φ sowie der Kreisfrequenz ω = 2π f wird



Durch Anwenden der trigonometrischen Beziehung



folgt



und mit der Verwendung der Effektivwerte



Der Ausdruck enthält
1. einen zeitunabhängigen Summanden, die Wirkleistung , und
2. einen zeitlich mit doppelter Frequenz und der Amplitude schwingenden Summanden, dessen Mittelwert gleich null ist. Die Größe S nennt man die Scheinleistung

Wenn die Spannung sinusförmig ist, der Strom aber nicht, bleibt die Gleichung
unter der Einschränkung gültig, dass I und φ Parameter der Grundschwingung des Stromes sind. Oberschwingungen gehen in P nicht ein.