Was bedeutet Spannungsfall? Erklärung, Berechnung und Grenzwerte

Eine elektrische Leitung soll elektrische Energie möglichst zuverlässig vom Einspeisepunkt zum Verbraucher transportieren. In der Praxis kommt die Spannung, die am Verbraucher anliegt, jedoch nicht immer exakt in der Höhe an, die am Anfang der Leitung vorhanden ist. Der Grund dafür ist der sogenannte Spannungsfall.

Besonders bei langen Leitungswegen, großen Leistungen und hohen Strömen spielt der Spannungsfall eine wichtige Rolle. Deshalb muss er bereits bei der Planung elektrischer Anlagen berücksichtigt werden.

Doch was genau ist ein Spannungsfall? Wie entsteht er, wie lässt er sich berechnen und welche Grenzwerte gelten? In diesem Beitrag erklären wir die wichtigsten Grundlagen und zeigen anhand von Praxisbeispielen, warum der Spannungsfall in der Elektroplanung eine wichtige Rolle spielt.

Was bedeutet Spannungsfall? Erklärung, Berechnung und Grenzwerte

Was ist Spannungsfall?

Als Spannungsfall bezeichnet man die Differenz zwischen der Spannung am Anfang einer elektrischen Leitung und der Spannung, die am Ende der Leitung tatsächlich zur Verfügung steht.

Vereinfacht gesagt:

Je weiter der Strom durch eine Leitung fließen muss, desto größer kann die Differenz zwischen der Spannung am Anfang und am Ende der Leitung werden.

Der Grund dafür liegt im elektrischen Widerstand der Leitung. Jeder elektrische Leiter besitzt einen bestimmten Widerstand. Fließt Strom durch diesen Leiter, entsteht dadurch ein Spannungsabfall.

Ein einfaches Beispiel:

Am Anfang einer Leitung liegen 230 V an. Aufgrund des Widerstands der Leitung kommen am Ende jedoch nur 225 V an.

Der Spannungsfall beträgt dann:

230 V − 225 V = 5 V

Der Spannungsfall kann entweder als absolute Spannung in Volt oder als prozentualer Wert angegeben werden.

In diesem Beispiel entspricht ein Spannungsfall von 5 V bei einer Nennspannung von 230 V etwa 2,2 %.

Spannungsfall bedeutet nicht Spannungsverlust

Die Begriffe „Spannungsfall“ und „Spannungsverlust“ werden häufig synonym verwendet, technisch ist der Begriff Spannungsfall jedoch korrekt.

Beim Spannungsfall geht es um die Differenz der elektrischen Spannung zwischen zwei Punkten einer Leitung.

Gleichzeitig entstehen aufgrund des Leitungswiderstands reale elektrische Verluste. Diese werden als Verlustleistung in Wärme umgesetzt.

Das Prinzip lässt sich mit dem Ohmschen Gesetz beschreiben:

U = R × I

Dabei steht:

• U für die Spannung

• R für den elektrischen Widerstand

• I für die Stromstärke

  
  

Je größer also der Widerstand einer Leitung oder die Stromstärke ist, desto größer fällt auch der Spannungsfall aus.

Wie entsteht ein Spannungsfall?

Der Spannungsfall wird vor allem durch vier Faktoren beeinflusst:

• die Länge der Leitung

• den Leiterquerschnitt

• die Stromstärke

• das Leitermaterial

1. Leitungslänge

Je länger eine Leitung ist, desto größer ist grundsätzlich ihr elektrischer Widerstand.

Das lässt sich gut an einem einfachen Beispiel verdeutlichen: Eine Steckdose, die sich nur wenige Meter von der Unterverteilung entfernt befindet, hat normalerweise einen deutlich geringeren Leitungswiderstand als ein Verbraucher, der über eine mehrere hundert Meter lange Leitung versorgt wird.

Deshalb ist der Spannungsfall insbesondere bei langen Leitungswegen ein wichtiges Planungsthema.

2. Leiterquerschnitt

Auch der Querschnitt des Leiters hat einen entscheidenden Einfluss.

Ein größerer Leiterquerschnitt bedeutet einen geringeren elektrischen Widerstand. Dadurch fällt bei gleichem Strom auch weniger Spannung über der Leitung ab.

Vereinfacht gilt:

Je größer der Leitungsquerschnitt, desto geringer der Spannungsfall.

Das ist einer der Gründe, warum Leitungen für leistungsstarke Verbraucher entsprechend dimensioniert werden müssen.

3. Stromstärke

Mit steigender Stromstärke steigt auch der Spannungsfall.

Das ist besonders bei leistungsstarken Verbrauchern relevant. Eine Wallbox, ein elektrischer Durchlauferhitzer oder eine leistungsstarke Maschine benötigt beispielsweise deutlich mehr Strom als eine einzelne LED-Leuchte.

Bei gleicher Leitungslänge und gleichem Querschnitt führt der höhere Strom zu einem größeren Spannungsfall.

4. Leitermaterial

Auch das verwendete Material beeinflusst den Spannungsfall.

In der Gebäudeinstallation werden insbesondere Kupfer und Aluminium als Leitermaterialien eingesetzt. Kupfer besitzt eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Aluminium. Für einen vergleichbaren Spannungsfall müssen deshalb bei Aluminium entsprechende Querschnitte berücksichtigt werden.

Spannungsfall berechnen

Um zu überprüfen, ob eine Leitung ausreichend dimensioniert ist, kann der Spannungsfall rechnerisch bestimmt werden.

Eine vereinfachte Berechnung basiert auf dem Widerstand der Leitung:

ΔU = R × I

Für eine konkrete Leitung muss dabei unter anderem berücksichtigt werden, wie lang die Leitung ist, welchen Querschnitt sie besitzt, welches Material verwendet wird und wie hoch die Stromstärke ist.

Bei Wechselstromanlagen muss außerdem zwischen verschiedenen Netzsystemen und der Anzahl der belasteten Leiter unterschieden werden.

Für einen einfachen einphasigen Stromkreis kann beispielsweise folgende Beziehung verwendet werden:

ΔU = 2 × l × I × ρ / A

Dabei steht:

• ΔU = Spannungsfall in Volt

• l = Leitungslänge in Metern

• I = Stromstärke in Ampere

• ρ = spezifischer Widerstand des Leitermaterials

• A = Leiterquerschnitt in mm²

Der Faktor 2 entsteht bei einem einphasigen Stromkreis dadurch, dass der Strom über Hin- und Rückleiter fließt.

Bei einem Drehstromsystem wird die Berechnung entsprechend angepasst.

Einfaches Rechenbeispiel

Nehmen wir einen einphasigen Stromkreis mit folgenden Eigenschaften:

• Leitungslänge: 20 m

• Leiterquerschnitt: 2,5 mm²

• Stromstärke: 16 A

• Kupferleitung

Der Strom fließt dabei insgesamt über eine Länge von 40 m durch Hin- und Rückleiter (Faktor 2 in der Formel).

Für Kupfer nehmen wir vereinfacht den spezifischen Widerstand bei einer Raumtemperatur von 20 °C an (ρ ≈ 0,0175 Ω ⋅ mm²/m).

(Hinweis: Unter Vollast erwärmt sich die Leitung im Betrieb. Dadurch steigt der Widerstand leicht an – bei der maximal zulässigen Leitertemperatur von 70 °C rechnet man in der Praxis mit einem höheren Wert von ca. 0,0225 Ω ⋅ mm²/m.)

Die Berechnung für den kalten Zustand:

Bei einer Nennspannung von 230 V entspricht das einem Spannungsfall von rund 4,5 V bzw. knapp 2 %.

In der erwärmten Praxisleitung bei voller Auslastung würde der Wert bei etwa 5,8 V (ca. 2,5 %) liegen.

Das Beispiel zeigt: Auch bei vergleichsweise kurzen Leitungswegen entsteht ein spürbarer Spannungsfall, der bei der Planung immer berücksichtigt werden muss.

Welche Grenzwerte gelten beim Spannungsfall?

Die Frage nach dem maximal zulässigen Spannungsfall lässt sich nicht pauschal mit einem einzigen Prozentwert beantworten.

Welche Anforderungen gelten, hängt unter anderem von der Art der elektrischen Anlage, dem betrachteten Stromkreis und den jeweils anzuwendenden Normen und Planungsgrundlagen ab.

In der Praxis wird häufig mit prozentualen Spannungsfallwerten gearbeitet. Dabei wird der Spannungsfall ins Verhältnis zur Nennspannung gesetzt:

Spannungsfall in % = (ΔU / UN) × 100

Bei einer Nennspannung von 230 V und einem Spannungsfall von 5 V ergibt sich beispielsweise:

5 V / 230 V × 100 ≈ 2,2 %

Für die Planung ist es wichtig, nicht einfach pauschal einen Grenzwert anzunehmen. Stattdessen müssen die für die jeweilige Anlage relevanten normativen Anforderungen und planerischen Vorgaben geprüft werden.

Typische Planungswerte

Die wichtigsten Richtwerte nach DIN VDE 0100-520 und DIN 18015-1:

• 3 % für Verbraucherstromkreise (Licht-/Steckdosenstromkreise ab der Zähleranlage) nach DIN VDE 0100-520.

• 0,5 % bis 2 % für die Hauptzuleitung (vom Hausanschluss bis zum Zähler bzw. Verteiler) nach DIN 18015-1 (je nach Anlagenleistung/Leistungsklasse).

• 4 % als allgemeiner Höchstwert vom Speisepunkt der Kundenanlage bis zum Verbraucher (DIN VDE 0100-520 Anhang G).

Was passiert bei einem zu hohen Spannungsfall?

Ein zu großer Spannungsfall kann unterschiedliche Auswirkungen haben.

Geringere Spannung am Verbraucher

Die offensichtlichste Folge ist, dass am Verbraucher eine geringere Spannung anliegt als vorgesehen.

Bei einfachen Verbrauchern kann das zunächst unproblematisch erscheinen. Bei empfindlicheren oder leistungsstärkeren Geräten kann eine zu geringe Spannung jedoch zu Funktionsproblemen führen.

Geringere Leistung

Bei bestimmten Verbrauchern kann eine niedrigere Spannung dazu führen, dass nicht die gewünschte Leistung zur Verfügung steht.

Besonders relevant kann das beispielsweise bei elektrischen Heizungen, Motoren oder anderen leistungsstarken Verbrauchern sein.

Probleme beim Anlauf von Motoren

Elektromotoren benötigen insbesondere beim Anlauf hohe Ströme. Ist der Spannungsfall in der Zuleitung bereits groß, kann die Spannung am Motor während des Anlaufvorgangs stärker absinken.

Das kann zu Problemen beim Start oder zu einer beeinträchtigten Funktion führen.

Leitungsverluste

Ein höherer Strom führt außerdem zu höheren Verlusten in der Leitung. Diese Verluste werden als Wärme abgegeben.

Damit ist der Spannungsfall nicht nur eine Frage der Versorgungsspannung, sondern steht auch mit der Energieeffizienz einer elektrischen Anlage in Zusammenhang.

Wie lässt sich der Spannungsfall reduzieren?

Wenn der berechnete Spannungsfall zu hoch ist, gibt es verschiedene Möglichkeiten, ihn zu reduzieren.

Größeren Leitungsquerschnitt wählen

Eine der häufigsten Maßnahmen ist die Vergrößerung des Leiterquerschnitts.

Durch den größeren Querschnitt sinkt der elektrische Widerstand der Leitung und damit auch der Spannungsfall.

Leitungslänge reduzieren

Auch eine kürzere Leitung kann den Spannungsfall reduzieren.

Deshalb kann es bei größeren Gebäuden sinnvoll sein, die Position von Unterverteilungen frühzeitig in der Planung zu berücksichtigen.

Verbraucher sinnvoll verteilen

Bei mehreren leistungsstarken Verbrauchern kann außerdem eine sinnvolle Verteilung auf verschiedene Stromkreise beziehungsweise Unterverteilungen dazu beitragen, Leitungen entsprechend zu dimensionieren und unnötig lange Leitungswege zu vermeiden.

Bereits in der Planung berücksichtigen

Besonders wichtig ist, den Spannungsfall nicht erst nach der Installation zu betrachten.

Wenn die Leitung bereits verlegt wurde und sich anschließend herausstellt, dass der Querschnitt nicht ausreichend dimensioniert ist, kann eine nachträgliche Anpassung aufwendig und kostenintensiv sein.

Eine sorgfältige Elektroplanung berücksichtigt deshalb bereits frühzeitig:

• die zu erwartenden Leistungen

• die Leitungslängen

• die Leitungsquerschnitte

• die Art der Verbraucher

• die Verteilung der Lasten

• die geltenden normativen Anforderungen

Fazit: Warum der Spannungsfall nicht unterschätzt werden sollte

Der Spannungsfall entsteht durch den elektrischen Widerstand einer Leitung und wird insbesondere durch Leitungslänge, Leiterquerschnitt, Stromstärke und Leitermaterial beeinflusst.

Je länger eine Leitung ist und je höher die darüber übertragene Leistung beziehungsweise Stromstärke ist, desto genauer muss der Spannungsfall betrachtet werden.

Für eine zuverlässige Elektroanlage ist es deshalb wichtig, den Spannungsfall bereits während der Planung zu berechnen und die Leitungen entsprechend zu dimensionieren.

Dabei gilt: Es gibt nicht den einen pauschalen Grenzwert für jede elektrische Anlage. Die zulässigen beziehungsweise planerisch anzusetzenden Werte hängen vom jeweiligen Anwendungsfall und den geltenden Normen und Vorgaben ab.

Eine gute Elektroplanung berücksichtigt den Spannungsfall daher nicht erst am Ende, sondern von Anfang an.