Netzfrequenz

Dieser Text beschreibt Netzfrequenz.

Mit Netzfrequenz bezeichnet man die in einem Stromnetz herrschende Frequenz des elektrischen Stroms.

Die Einheit der Frequenz ist das Hertz, abgekürzt Hz. Diese Einheit leitet sich von der Sekunde als SI-Basiseinheit der Zeit ab als 1 Hz = 1 /s. Die Einheit Hertz ist nachdem deutschen Physiker Heinrich Rudolf Hertz benannt.

Gleichstrom hat die Frequenz 0 Hz. Wechselstrom und Drehstrom hat eine Netzfrequenz > 0 Hz. In Europa wird für das allgemeine Stromnetz eine Netzfrequenz von 50 Hz benutzt. Einige Eisenbahnen benutzen davon abweichende Netzfrequenzen, so arbeitet die Deutsche Bahn z.B. mit einem Fahrstrom der Frequenz 16,7 Hz. In Nordamerika benutzt man in dem allgemeinen Stromnetz eine Netzfrequenz von 60 Hz. Für Eisenbahnen und industrielle Abnehmer findet man dort auch eine Netzfrequenz von 25 Hz vor. In spezialisierten Bereichen, so z.B. in Flugzeugen, trifft man auch höhere Netzfrequenzen an (440 Hz).

Die Wahl der Netzfrequenz ist ein Kompromiß aus verschiedenen technischen Randbedingungen. Die Festlegung erfolgte in der Anfangszeit der Elektrifizierung, also um die Jahrhundertwende zwischen dem 19. und dem 20. Jahrhundert. Die maßgeblichen Randbedingungen waren also diejenigen, die sich zu jenem Zeitpunkt ergaben. Hier sind einige davon:

• Die Verluste bei der Stromübertragung hängen von der Stromstärke ab. Es ist dabei für Fernübertragung wirtschaftlicher, hohe Spannungen und kleine Ströme zu benutzen als umgekehrt.
• Hohe Spannungen sind gefährlicher und erfordern höheren Aufwand für die Isolation.
• In dem Gegensatz zu Gleichstrom kann man Wechselstrom durch Transformatoren in der Spannung umsetzen. Dadurch wird ermöglicht, daß man verhältnismäßig niedrige und damit relativ ungefährliche Spannungen zu dem Endverbraucher führt, während man hohe Spannungen für die Minimierung von Verlusten in Überlandleitungen einsetzen kann.
• Höhere Frequenzen erlauben es, kleinere Transformatorkerne zu benutzen. Die Transformatoren werden dadurch bei gleicher Leistung kleiner, leichter und billiger.
• Höhere Frequenzen erzeugen größere Verluste in Leitungen durch den Skin-Effekt. Dadurch wird in der Praxis die maximale wirtschaftliche Dicke einer Leitung festgelegt.
• Die Netzfrequenz in einem Verbundsystem muß überall gleich und synchronisiert sein.
• Höheren Frequenzen entsprechen kürzere Wellenlängen. In räumlich weit verteilten Verbundsystemen machen sich dadurch eher Phasenverschiebungen bemerkbar, wodurch die Synchronisation erschwert wird.
• Die Netzfrequenz steht in direktem Bezug zur Drehzahl von Generatoren und von Motoren, und zu deren Polzahl. Eine Steigerung der Frequenz erfordert entweder eine Steigerung der Drehzahl (mögliche Probleme mit Fliehkräften und/oder Lagern), oder einer Vergrößerung der Polzahl (größerer technischer Aufwand und dadurch höhere Kosten).
• Eine Frequenzumsetzung ist aufwendig. Zu Beginn der Elektrifizierung stand als Umsetzer ca. eine Kopplung aus Motor und Generator zur Verfügung. Transformatoren sind nicht in der Lage, die Frequenz umzusetzen.

Wie man sieht, läuft die Wahl einer Netzfrequenz auf ein mehrdimensionales Optimierungsproblem hinaus, bei dem man nicht allen Anforderungen optimal entsprechen kann. Es verwundert daher nicht, daß verschiedene Regionen der Welt verschieden gewählt haben. Durch unterschiedliche wirtschaftliche und geographische Bedingungen stellte sich eben auch die Gewichtung der Faktoren unterschiedlich dar.