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Sternschaltung

Die Sternschaltung ist eine Art, Betriebsmittel in einem Drehstromsystem anzuschließen, nämlich jeweils zwischen den Außenleitern und dem Neutralleiter (Sternpunkt) wie in Abbildung 1 gezeigt. Vereinzelt taucht auch die Bezeichnung Y-Schaltung auf. Gebräuchlicher ist das "Y" im englischsprachigen Bereich. Die geometrische Form des Buchstabens symbolisiert hier den Stern.

Sternschaltung für elektrische Verbraucher

Häufig verwendet man die Sternschaltung für elektrische Verbraucher bei einem Vierleitersystem, wo die Stromquelle (z. B. eine Transformatorenstation) über vier Leiter die drei Phasen L1 bis L3 und den Neutralleiter (N) anbietet. Der letztere bildet den Sternpunkt. Beispielsweise kann man auf diese Weise drei Heizwiderstände anschließen, die typischerweise alle den gleichen elektrischen Widerstand haben und somit die gleiche Leistung aufnehmen. Sie werden alle mit der sogenannten Sternspannung betrieben, dass heißt mit der elektrischen Spannung zwischen einer Phase und dem Neutralleiter. Dies ist beispielsweise in einem deutschen Niederspannungsnetz eine Wechselspannung mit einem Effektivwert von 230 V (Nennspannung) und einer Frequenz von 50 Hz.

Die Dreieckspannung, d. h. die Spannung zwischen zwei Phasen, ist bei Dreiphasen-Wechselstrom um den Faktor 1,732 (Quadratwurzel von 3) höher als die Sternspannung.

Genauso können auch diverse andere Arten von Verbrauchern angeschlossen werden – beispielsweise Drehstrom-Elektromotoren, die drei gleichartige Wicklungen haben. In diesem Falle spielt die richtige Zuordnung zu den einzelnen Phasen eine wichtige Rolle, da sie die Drehrichtung des Motors bestimmt.

Bei einem Vierleitersystem können die dreiphasigen Verbraucher grundsätzlich in Stern- oder Dreieckschaltung angeschlossen werden – ohne weiteres auch gemischt. In beiden Fällen arbeiten alle drei Stränge voneinander unabhängig. Wenn beispielsweise einer durch einen Defekt unterbrochen wird, arbeiten die anderen beiden Stränge unverändert weiter – abgesehen davon, dass sich die Spannungsverhältnisse bei einer solchen Schieflast etwas ändern können.

Viele Kleingeräte werden einphasig gespeist, d. h. nur mit jeweils einer der drei Phasen. Dies ist nur mit der Sternschaltung möglich, nicht mit der Dreieckschaltung, da man grundsätzlich den Neutralleiter benötigt. Man versucht in der Regel die Last auf die drei Phasen einigermaßen gleichmäßig zu verteilen, also Schieflasten gering zu halten.

Bei gleicher Belastung aller Phasen heben sich die Ströme durch den Neutralleiter gegenseitig auf. Dies bedeutet, dass der Neutralleiter dann nicht unbedingt angeschlossen werden muss; auch mit einem Dreileitersystem (d. h. ohne verfügbaren Neutralleiter) erhält man das gleiche elektrische Potential des Sternpunkts. Dann arbeiten die drei Stränge allerdings nicht mehr unabhängig voneinander. Bei unsymmetrischer Belastung (etwa mit drei unterschiedlichen Widerständen, oder bei Unterbrechung des Anschlusses eines Widerstands) kommt es zu einer sogenannten Sternpunktverschiebung, d. h. das Potential des so gebildeten Sternpunkts entspricht nicht mehr dem Neutralleiterpotential. Dann kann es für ein oder zwei der Stränge zu einer Überspannung kommen, d. h. zu einer Überschreitung der Nennspannung. Unter Umständen kann ein Betriebsmittel dann zerstört werden.

Sternschaltung für Stromerzeuger

Auch in einem Drehstrom-Generator werden die drei Wicklungen häufig in der Sternschaltung genutzt, womit man ein Vierleitersystem (d. h. inklusive Neutralleiter) speisen kann. Ähnliches gilt für Drehstrom-Transformatoren (siehe unten). Die Dreieckschaltung scheidet häufig aus, weil sie den benötigten Neutralleiter nicht anbieten könnte.

Sternschaltung in Transformatoren

Vor allem für Transformatoren, die mit sehr hoher Spannung arbeiten, wird die Sternschaltung häufig bevorzugt, weil die Wicklungen dann mit der geringeren Sternspannung betrieben werden können anstatt mit der deutlich höheren Dreieckspannung. Damit wird der Isolationsaufwand geringer. Dafür wird die Stromstärke in den Wicklungen allerdings höher; aus diesem Grund wird auf die Dreieckschaltung bevorzugt, wenn es um die Übertragung hoher Ströme geht und auf den Sternpunkt verzichtet werden kann.

Transformatoren in Niederspannungs-Transformatorenstationen haben in Europa zumindest auf der Sekundärseite praktisch immer die Sternschaltung, weil der Neutralleiter benötigt wird.

Stern-Dreieck-Anlaufschaltung für Motoren

Für manche Drehstrom-Elektromotoren verwendet man eine Stern-Dreieck-Anlaufschaltung (YΔ-Schaltung). Dies bedeutet, dass ein solcher Motor für das Anlaufen (Anlassen) zunächst in Sternschaltung betrieben wird, weil der Anlaufstrom dann ca. 1,73-fach und die Leistungsaufnahme ca. dreifach niedriger ist; man vermeidet die Auslösung einer Überstromschutzeinrichtung. Wenn der Motor eine gewisse Drehzahl erreicht hat, wird auf die Dreieckschaltung für den regulären Betrieb umgestellt.

Erdung des Sternpunkts

Es gibt recht verschiedene Arten der Sternpunktbehandlung, die im Folgenden kurz besprochen werden. Sie bestimmen einerseits die Potentiale im Normalbetrieb und haben andererseits einen wichtigen Einfluss auf das Verhalten eines Stromnetzes im Falle gewisser Störungen, beispielsweise bei Erdschluss eines der Außenleiter.

In Europa ist es üblich, den Sternpunkt auf die eine oder andere Weise zu erden. Allerdings ist dies nicht immer eine niederohmige Erdung, sodass sein elektrisches Potential nahe dem Erdpotential liegt, sondern z. B. eine strombegrenzende Erdung oder eine Resonanzpunkterdung.

In Nordamerika gibt es auch Stromnetze, bei denen nicht der Sternpunkt nahe dem Erdpotenzial liegt, sondern beispielsweise eine Mittelanzapfung von einer der drei Transformatorwicklungen oder auch einer der Außenleiter. In solchen Fällen führen natürlich auch die Außenleiter (Phasen) unterschiedliche Spannungen gegen Erde. Dies kann einerseits ein Vorteil sein, weil einphasigen Verbrauchern mehr unterschiedliche Spannungen zur Verfügung stehen, macht andererseits das System aber auch komplizierter und führt häufiger zu wesentlichen Schieflasten. Aus diesen Gründen wird dieser Ansatz in Europa praktisch nicht verwendet.

Siehe auch: Drehstrom, Neutralleiter, Dreieckschaltung