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Blindstrom

Definition: ein Teil des Stroms bei Wechselstrom, der keine Wirkleistung überträgt

Englisch: reactive current

Kategorien: elektrische Energie, physikalische Grundlagen

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 12.07.2010; letzte Änderung: 10.11.2019

Blindströme sind ein Phänomen, welches nur bei Wechselstrom und Drehstrom auftritt, nicht bei Gleichstrom. Sie haben zur Folge, dass elektrische Energie zwischen Erzeuger und Verbraucher hin- und herpendelt, so dass die Leitungen ohne Nutzeffekt (Netto-Energieübertragung) belastet werden. Dagegen fließt die Energie bei einem reinen Wirkstrom systematisch in eine Richtung. Häufig tritt in der Praxis auch ein Gemisch von Blind- und Wirkstrom auf.

Einfache Beispiele

Im Folgenden wird das Phänomen der Blindströme anhand von für die Praxis typischen Beispielen erläutert. Der Einfachheit halber nehmen wir an, dass sowohl die elektrische Spannung als auch die von einem Verbraucher (Gerät) bezogene Stromstärke sinusförmig mit der Netzfrequenz von 50 Hz oszilliert.

Wenn der Verbraucher beispielsweise ein einfacher Heizwiderstand einer Elektroheizung ist, ist die Stromstärke in jedem Moment proportional zur Spannung (Abbildung 1). Die übertragene elektrische Leistung oszilliert zwar, ist aber immer gleich gerichtet (nämlich zum Verbraucher hin), und ist im Mittel halb so hoch wie die maximal auftretende Momentanleistung. Man spricht hier von einem reinen Wirkstrom; ein Blindstrom tritt nicht auf. Die mittlere Leistung (Wirkleistung) entspricht dem Produkt der Effektivwerte von Spannung und Strom.

Wirkstrom
Abbildung 1: Ein reiner Wirkstrom (grüne Kurve) ist “in Phase” mit der elektrischen Spannung (blau). Die übertragene Leistung hat immer dieselbe Richtung: vom Netz zum Verbraucher.

Wenn dagegen zwischen Stromstärke und Spannung eine Phasenverzögerung von 90° auftritt (d. h. eine zeitliche Verschiebung der Maxima um ein Viertel einer Periode), dann oszilliert die übertragene Leistung wie in Abbildung 2 gezeigt. Diese Situation kann an einer verlustlosen Drosselspule (einer rein induktiven Last) auftreten. Die Leistung nimmt abwechselnd positive und negative Werte an, d. h. die Energie pendelt zwischen Netz und Verbraucher hin und her, und im zeitlichen Mittel wird überhaupt keine elektrische Leistung übertragen, trotz des Stromflusses. Die Scheinleistung, das Produkt der Effektivwerte von Spannung und Strom, ist in diesem Beispiel gleich wie im vorherigen Fall, obwohl die tatsächlich im Mittel übertragene Leistung Null ist. Hier spricht man von einem reinen Blindstrom. Es wird nur eine Blindleistung übertragen, aber keine Wirkleistung. Die Blindleistung entspricht hier dem Produkt der Effektivwerte von Spannung und Blindstrom. Wenn sie zeitlich integriert wird, erhält man die Blindarbeit. Der Artikel hierzu enthält auch ein Rechenbeispiel.

Blindstrom
Abbildung 2: Ein reiner Blindstrom (grüne Kurve) ist um 90° in der Phase gegen die Spannung verschoben. Die übertragene Leistung oszilliert zwischen Netz und Verbraucher.

In der Praxis tritt häufig irgendein Phasenwinkel zwischen −90° und +90° auf, so dass sowohl Wirkleistung als auch Blindleistung übertragen werden; dies wird weiter unten diskutiert.

Induktive und kapazitive Lasten

Blindströme können sowohl von induktiven Lasten verursacht werden, wie oben gezeigt, als auch von kapazitiven Lasten, wobei bei den letzteren der Stromfluss um 90° vorverschoben anstatt verzögert ist.

Kapazitive Lasten entstehen vor allem durch Kondensatoren, aber auch durch durch die Kapazität von Leitungen, vor allem bei Hochspannungsleitungen in Form von Erd- oder Seekabeln. (Freileitungen weisen viel niedrigere Kapazitäten auf als Erd- oder Seekabel.) Hier wird elektrische Energie eingespeichert (übrigens im Raum außerhalb der Leiter), immer wenn die Spannung betragsmäßig zunimmt, und wieder entnommen, wenn die Spannung sinkt. Die momentan gespeicherte Energie ist proportional zum Quadrat der momentanen Spannung.

Induktive Lasten dagegen entstehen hauptsächlich durch elektromagnetische Effekte in verschiedenen Arten von Spulen, z. B. Drosselspulen, Transformatoren und Elektromagneten, beide auch als Teile von Elektromotoren. Spulen sind auch in anderen Geräten enthalten, z. B. als Drosselspulen in einfachen konventionellen Vorschaltgeräten für Leuchtstofflampen.

Im einfachsten Fall einer Spule mit vernachlässigbar kleinem Widerstand der Wicklung entsteht ein rein induktiver Strom, und die im Magnetfeld gespeicherte Energie ist proportional zum Quadrat der Stromstärke. Zum Zeitpunkt eines Spannungsmaximums ist die Stromstärke null; danach (wenn die Spannung schon wieder sinkt) wächst der Strom wieder an, und magnetische Energie wird eingespeichert. Erst nachdem die Spannung ihr Vorzeichen geändert hat und betragsmäßig wieder zunimmt, wird diese Energie wieder entnommen.

Bei realen (nicht widerstandslosen) Spulen kommt ein Wirkstromanteil dazu, der zu einer Erwärmung der Wicklung führt. Komplizierter ist die Situation bei Elektromotoren, wo der Wirkstromanteil häufig überwiegt. Der entstehende Phasenwinkel des Stroms kann stark von der Bauart des Motors und auch von der Drehzahl abhängen. Auch Transformatoren sind komplizierter zu verstehen; hier spielen natürlich durch zusätzliche Wicklungen fließende Ströme eine große Rolle für Blindströme in der Primärwicklung.

Auch gerade Leitungen haben eine gewisse Induktivität. Stark belastete Hochspannungsleitungen wirken deswegen oft netto induktiv, während bei niedriger Belastung kapazitive Blindströme überwiegen.

Wenn über eine gemeinsame Leitung sowohl induktive als auch kapazitive Lasten angeschlossen werden, können sich die entstehenden Blindströme gegenseitig ganz oder teilweise ausgleichen (kompensieren), so dass entsprechend geringere Blindströme durch die Zuleitung fließen. Die Blindströme fließen dann u. U. fast nur noch zwischen diesen Lasten, aber kaum mehr durch die gemeinsame Verbindung zur Spannungsquelle. Dies bezeichnet man als Blindleistungskompensation und wird durch entsprechende Maßnahmen oft gezielt eingesetzt – meist nicht perfekt, aber im Sinne einer Begrenzung des Blindstroms. Für die Blindleistungskompensation bei Verbrauchern mit induktiver Komponente setzt man Kondensatoren ein, ebenso dynamische Blindleistungsgeneratoren z. B. auf der Basis von Synchrongeneratoren oder Drosseln mit Phasenanschnittsteuerung.

In der Praxis kommen häufig Situationen vor, in denen ein gewisser Blindstrom gemeinsam mit einem Wirkstrom auftritt. Der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung ist dann nicht null, aber auch +90° oder −90°, sondern irgendwo dazwischen. Der Transport von Leistung erfolgt dann bevorzugt in einer Richtung (vom Netz zum Verbraucher) (siehe Abbildung 3), und es wird eine gewisse Durchschnittsleistung (Wirkleistung) übertragen, die allerdings kleiner ist als die Scheinleistung.

Blindstrom
Abbildung 3: Ein Strom mit 60° Phasenverschiebung gegenüber der Spannung (grüne Kurve). Hier gibt es einen Wirk- und Blindstromanteil. Die übertragene Leistung oszilliert, geht aber vorwiegend vom Netz zum Verbraucher.

Grundsätzlich kann man den Strom gedanklich in zwei Teile zerlegen: einen Wirkstromanteil, der für die übertragene Durchschnittsleistung verantwortlich ist, und einen Blindstromanteil, der nicht zur Durchschnittsleistung beiträgt. Die Wirkleistung ergibt sich als das Produkt der elektrischen Effektivspannung, der Effektivstromstärke und des Kosinus des Phasenwinkels φ zwischen Strom und Spannung. Häufig wird cos φ auf Typenschildern von elektrischen Geräten angegeben; im Idealfall (ohne Blindströme) ergibt sich der Wert 1, sonst ein kleinerer Wert.

Praktische Bedeutung von Blindströmen

Blindströme sind bei der Übertragung elektrischer Energie z. B. in Hochspannungsleitungen ungünstig, weil sie die Stromstärke in der Leitung erhöhen, ohne zur Energieübertragung beizutragen. Die erhöhte Stromstärke führt zu erhöhten Energieverlusten in der Leitung, soweit dies nicht z. B. durch entsprechend vergrößerte Leitungsquerschnitte ausgeglichen wird. Der Leistungsverlust durch Blindströme ist allerdings in der Regel weitaus kleiner als die Blindleistung selbst; seine Größe hängt von den Eigenschaften des Stromnetzes und der Erzeugung der Blindleistung ab.

Ein zusätzliches Problem entsteht für die Spannungshaltung: Durch die Blindstromproblematik kann die Spannung auf einer Stromleitung schneller abfallen, so dass sie schließlich für die Verbraucher zu gering wird. Dieses Problem muss dann durch zusätzliche Maßnahmen gelöst werden.

Die von Netz und Verbrauchern bezogene Blindleistung muss letztendlich von den Kraftwerken geliefert werden, soweit sie nicht mit anderen Methoden außerhalb der Kraftwerke (etwa Anlagen für Blindleitungskompensation) erzeugt wird. Die Verteilung der Blindleistungen auf die Kraftwerke muss dabei nicht zwingend der Verteilung der Wirkleistungen entsprechen. Ein Kraftwerk am Stromnetz kann Blindleistung oft in variabler Höhe einspeisen, ein Stück weit unabhängig von der eingespeisten Wirkleistung. Diese Funktion ist wichtig im Zusammenhang mit der Spannungshaltung. Kleinere Erzeuger wurden von solchen Pflichten früher oft ausgenommen; sie arbeiteten z. B. mit Asynchrongeneratoren ohne Blindstromkompensation oder mit einfachen Wechselrichtern. Jedoch sind heute z. B. elektronische Wechselrichter für Photovoltaikanlagen und optimierte Generatoren für Windenergieanlagen verfügbar, die ebenfalls eine einstellbare Blindleistungsproduktion ermöglichen.

Typische Haushaltsstromzähler reagieren nicht auf Blindströme, d. h. sie erfassen nur die Wirkleistung, also die effektiv gelieferten Energiemengen. Stromtarife für Großverbraucher können auch Blindleistung berücksichtigen, was einen Anreiz dafür setzt, Blindströme mit eigenen Anlagen zu kompensieren oder mit besser konstruierten Geräten gleich zu vermeiden. Auf diese Weise lässt sich die Energieeffizienz des Stromnetzes verbessern, indem Netzverluste reduziert werden, und die Spannungshaltung wird vereinfacht.

Probleme mit Blindströmen (oder den Nebenwirkungen der Blindstromkompensation) lassen sich vollständig vermeiden durch Gleichstromübertragung. Dies ist ein wesentlicher Vorteil der Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ), insbesondere bei Verwendung von See- und Erdkabeln.

Siehe auch: Blindleistung, Blindleistungskompensation, Leistung, Scheinleistung, Wirkleistung, Leistungsfaktor, Stromnetz, Hochspannungsleitung, Spannungshaltung
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, physikalische Grundlagen

Alles verstanden?


Frage: Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?

(a) Blindströme belasten Stromleitungen, ohne Nutzenergie zu übertragen.

(b) Eine gute Isolierung von Leitungen reduziert Energieverluste durch Blindströme.

(c) Blindströme, die von verschiedenen Verbrauchern verursacht werden, können sich unter Umständen gegenseitig aufheben.

(d) Für die Erzeugung von Blindleistungen braucht man nicht unbedingt Kraftwerke.

(e) Haushalte könnten Geld sparen mit Einrichtungen, die Blindströme so gut wie möglich kompensieren.


Siehe auch unser Energie-Quiz!

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Kommentare von Lesern

11.09.2017

Wie lässt es sich denn (physikalisch) erklären, dass Blindströme ebenfalls Leitungsverluste verursachen?

Einem ohmschen Widerstand ist die Phasenverschiebung des Stroms zur Spannung egal, diesen “interessiert” nur, wie viel (Betrag des komplexen Stroms) Strom fließt, richtig?

Warum ist Blindstrom dann nicht z. B. in einer Widerstandsheizung nutzbar?

Antwort vom Autor:

Die Leitung ist (vereinfacht betrachtet) gerade so ein ohmscher Widerstand, den es nur interessiert, wie hoch die Stromstärke ist. Genauer gesagt ist die Verlustleistung darin proportional zum mittleren Quadrat der Stromstärke. Es handelt sich um einen Verlust, da die Aufheizung der Stromleitungen in der Regel nicht nutzbar ist.

Eine Widerstandsheizung – also ein ohmscher Widerstand beim Verbraucher – heizt genauso entsprechend der Stromstärke. Sie verursacht aber keine Blindströme – genau deswegen nutzt sie keine! Sie zieht in jedem Moment eine Stromstärke proportional zur anliegenden Spannung, also ohne Phasenverschiebung.

27.11.2018

Warum ist Blindstrom nicht in einer Widerstandsheizung nutzbar?

Würde die Heizung sich erwärmen, wenn wir z.B. reinen Blindstrom haben. Eigentlich ja, denn die Leitung erwärmt sich ja auch (durch die Leitungsverluste). Das heißt ich könnte doch Energie umsetzten, auch mit reiner Blindleistung.

Würde eigentlich auch eine herkömmliche alte Glühbirne mit Glühwendel leuchten, bei reinem Blindstrom? Eigentlich ja, denn Strom würde ja trotzdem durch die Wendel fließen und diese zum leuchten bringen, oder?

Der Strom ist ja prinzipiell der gleiche, ob Wirkstrom oder Blindstrom; Strom ist Strom.

Antwort vom Autor:

Wenn Strom durch eine Widerstandsheizung fließt, haben Strom und Spannung dieselbe Phase, d. h. es ist reiner Wirkstrom, kein Blindstrom. Es geht eine gewisse Leistung in die Heizung, und dazu kommt eine (wesentlich kleinere) Verlustleistung in den Stromleitungen.

Blindströme gibt es z. B. bei induktiven Lasten; hier pendelt die Energie zwischen “Verbraucher” und Kraftwerk hin und her. In der induktiven Last wird zu manchen Zeiten mit Energieaufwand ein Magnetfeld aufgebaut, und zu anderen Zeiten wird es wieder abgebaut, wobei die Energie zurück ins Netz fließt.

23.01.2019

(anscheinend eine Nachfrage zur vorherigen Frage und Antwort, deutlich gekürzt)

Ein praktisches Beispiel: Ich schalte an die 230-V-AC-Steckdose einen Kondensator mit einer Glühlampe in Serie. Im Kondensator gibt es den Strom, der zur Spannung über dem Kondensator praktisch um 90 Grad phasenverschoben ist, weil Kondensatoren sind praktisch ideal (im Vergleich zu Drosseln). Jetzt schalte ich in Serie zum Kondensator eine Glühlampe. Diese bekommt exakt den selben Strom. Diesen “Blindstrom”, wenn man diesen so bezeichnen will. Nur, der Lampe ist es egal, wie man den Strom bezeichnet. Sie bekommt einfach nur Strom. Es ist der Lampe völlig egal, woher sie den AC-Strom bekommt, ob von einer Kapazität oder Induktivität. In der Lampe ist Strom und Spannung nicht phasenverschoben. Es entsteht Wärme und Licht durch die Wirkleistung.

Fazit aus dieser Überlegung wäre, es gibt weder Blindspannung noch Blindstrom, es gibt nur Blindleistung und dies nur im Bereich einer Kapazität oder Induktivität. Der Begriff “Blind” ist stets an die Phasenverschiebung gekoppelt und diese gibt es nicht beim Strom oder bei der Spannung alleine, nur in Relation mit Strom und Spannung und da ist es Leistung. Wirk- oder Blindleistung.

So und jetzt meine Frage: Was ist falsch in meiner Formulierung?

Antwort vom Autor:

Der erste Abschnitt ist komplett richtig, das Fazit aber für mich nicht nachvollziehbar. Es ist sehr wohl sinnvoll, von Blindströmen zu reden, etwa in Ihrem Kondensator – eben Ströme, die gegen die Spannung um 90 Grad phasenverschoben sind. Den Begriff “Blindspannung” würde ich allerdings auch nicht benutzen.

29.03.2019

Die Standard-Formel zur Berechnung des Leitungsverlustes ist das Produkt von Spannungsabfall “ΔU” über der Leitung und der Stromstärke I, also PVerlust = ΔU * I.

Meine Frage: Handelt es sich bei der Stromstärke “I” um den Effektivwert des Gesamtstroms oder nur des Wirkstroms?

Antwort vom Autor:

Der gesamte Strom ist relevant für die Aufheizung der Leitung. Der Leitung ist es egal, wie die Phasenverhältnisse in irgend einem Verbraucher woanders sind; sie “spürt” nur den Gesamtstrom.

15.09.2019

Ich habe eine grundsätzliche Verständnisfrage. Platt ausgedrückt kann man festhalten, dass Strom nur bei einer gegebenen Potentialdifferenz bzw. angelegten Spannung fliessen kann. Wie ist es dann bei einer Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom von z. B. 90° möglich, dass die Wechselspannung ein entgegengesetztes Vorzeichen haben kann gegenüber dem Strom? Das würde ja bedeuten, dass ein elektrischer Wechselstrom zeitweise gegen die Wirkungsrichtung der angelegten Wechselspannung fließt. Wie ist das möglich bzw. wie kann man das physikalisch erklären?

Antwort vom Autor:

Tatsächlich fließt der Strom zeitweise gegen die Richtung, die die derzeitige Spannung eigentlich antreiben wollte. Das bedeutet, dass Energie in Richtung zum Kraftwerk zurückfließt. Das ist dadurch möglich, dass eine kapazitive oder induktive Last eine gewisse Menge Energie speichert, die sie kurzzeitig wieder abgegeben kann.

10.11.2019

Warum müssen Kraftwerke und Energieversorger Blindstrom über extra Hochspannungsleitungen übertragen – und wie wird dieser Blindstrom erzeugt?

Antwort vom Autor:

Blindströme fließen unweigerlich über die Hochspannungsleitungen – nicht etwa über separate (“extra”) Leitungen – wenn man Verbraucher und Leitungen an Kraftwerke anschließt. Wenn es in einem Netz nur ein einziges Kraftwerk gäbe, müsste dies zwingend die Blindströme abgeben, die Verbraucher und Leitungen nun mal verlangen, sobald man ihnen die Wechselspannung anbietet. (Die dahinter stehenden induktiven und kapazitiven Effekte werden ja im Artikel erklärt.) Bei mehreren Kraftwerken kann man natürlich die Erzeugung der Wirk- und Blindströme beliebig verteilen.

Man kann im Prinzip überall Blindströme kapazitiver oder induktiver Form erzeugen, etwa mit Kondensatoren oder Spulen. In Kraftwerken verwendet man dafür aber die ohnehin vorhandenen Synchrongeneratoren als wirtschaftlichste Lösung. Die technischen Details sind kompliziert – nicht in wenigen Sätzen leicht verständlich erklärbar.

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