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Blindstrom

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

Englisch: reactive current

Kategorien: elektrische Energie, physikalische Grundlagen

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 12.07.2010; letzte Änderung: 03.01.2017

Blindströme sind ein Phänomen, welches nur bei Wechselstrom und Drehstrom auftritt, nicht bei Gleichstrom. Der Einfachheit halber nehmen wir im Folgenden an, dass sowohl die elektrische Spannung als auch die von einem Verbraucher (Gerät) bezogene Stromstärke sinusförmig mit der Netzfrequenz von 50 Hz oszillieren.

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 Energie 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 in der Praxis verursacht werden sowohl von induktiven Lasten, wie oben gezeigt, als auch von Kondensatoren (kapazitiven Lasten), wobei bei den letzteren der Stromfluss um 90° vorverschoben anstatt verzögert ist. Beispiele für induktive Lasten sind Elektromotoren durch die enthaltenen Spulen, wobei der entstehende Phasenwinkel des Stroms aber auch stark von der Drehzahl abhängen kann. Spulen sind auch in anderen Geräten enthalten, z. B. als Drosselspulen in einfachen konventionellen Vorschaltgeräten für Leuchtstofflampen. Kapazitive Lasten entstehen oft durch Kondensatoren.

Wenn andere (z. B. kleinere) Werte der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung auftreten, erfolgt der Transport von Leistung 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.

Kapazitive Blindströme können induktive Blindströme (von Motoren und Transformatoren) ganz oder teilweise kompensieren (→ Blindleistungskompensation). Wenn eine ideale Induktivität und eine ideale Kapazität parallel geschaltet werden, besteht zwischen den Strömen durch sie ein Phasenunterschied von 180°, d. h. die beiden Ströme sind zu jeder Zeit entgegengesetzt gerichtet. Wenn zusätzlich die Stärke der Induktivität und Kapazitäten für die entsprechende Netzfrequenz richtig ausbalanciert sind, werden diese Ströme gleich hoch. In der gemeinsamen Zuleitung gleichen sie sich dann komplett aus, so dass dort kein Strom mehr fließt.

Typische Beispiele für zumindest teilweise induktive Lasten sind Drosselspulen, Transformatoren (insbesondere wenn sie sekundärseitig nicht oder nur schwach belastet sind), Elektromotoren und Stromleitungen bei hohen Lasten. Kapazitive Lasten dagegen entstehen durch Kondensatoren und durch schwach belastete Stromleitungen, insbesondere Hochspannungsleitungen in Form von Erd- oder Seekabeln.

Kraftwerke müssen nicht nur Wirkleistung liefern, sondern auch die von Netz und Verbrauchern bezogene Blindleistung. 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. Mit solchen Methoden kann beispielsweise eine erhöhte Einspeisung von Photovoltaikanlagen in Niederspannungsnetzen erfolgen, ohne dass Netzausbauten nötig werden.

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. Diese Verluste sind allerdings keineswegs so hoch wie die Blindleistung selbst; ihre 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.

Diverse Verbraucher (z. B. Elektromotoren und Transformatoren) wie auch die Hochspannungsleitungen selbst (v. a. bei Erdkabeln und Seekabeln) verursachen gewisse Blindströme. Diese können an manchen Stellen im Netz (oder direkt bei den Verbrauchern) durch geeignete Anlagen kompensiert werden, welche jedoch zusätzliche Kosten und ebenfalls gewisse Energieverluste verursachen. 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.

Auch manche Generatoren erzeugen unerwünschte Blindleistung; dies gilt insbesondere für Asynchrongeneratoren, die nicht vollständig blindstromkompensiert werden können. Synchrongeneratoren dagegen können für die gezielte Blindleistungserzeugung eingesetzt werden. Auch Wechselrichter können so konstruiert werden, dass sie variable Blindleistungen erzeugen.

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.

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.

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.


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