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Benedikt Krayer
13.06.2022
Was sind die gängigsten Stromnetzformen in den USA?

Was sind die gängigsten Stromnetzformen in den USA?

Die Stromnetzformen in den USA unterscheiden sich grundlegend von denen in Europa. Wer ein elektrisch betriebenes Gerät in die USA exportieren will, muss sich also nicht nur mit Steckern und Steckdosen beschäftigen, sondern auch mit unterschiedlichen Netzspannungen und völlig anders gestalteten Stromnetzen.

Stromnetzformen in den USA

Ein wichtiger Hinweis vorweg: Das Stromnetz in den USA ist historisch in über 100 Jahren gewachsen, lange Zeit ohne größere regulatorische Eingriffe durch den Staat. Dadurch und wegen der enormen Größe und föderalen Struktur des Landes finden sich auch heute noch eine große Zahl unterschiedlicher Netzformen und Anschlüsse.

Zwar gibt es in den letzten Jahrzehnten auch in diesem Bereich verstärkte Bemühungen um eine Vereinheitlichung der Netze, jedoch ist immer noch mit lokalen Besonderheiten und Abweichungen von der Norm stets zu rechnen – insbesondere im ländlichen Raum.

Viele der in diesem Beitrag angesprochenen Punkte gelten auch für andere englischsprachige Länder. So sind zum Beispiel auch in Großbritannien Einphasen-Dreileiternetze üblich, jedoch mit 230 V. Im Folgenden betrachten wir jedoch ausschließlich die gängigsten Stromnetzformen in den USA und Kanada.

Maschennetze und Stichnetze: Mittelspannungsnetze in den USA

In Europa sind Stromnetze in der Regel als Maschennetze angelegt, das heißt, es gibt immer wieder Verknüpfungspunkte innerhalb des Netzes. Dadurch können Ausfälle besser kompensiert und die Spannung leichter konstant gehalten werden. In den USA, vor allem in den dünn besiedelten Staaten im westlichen Landesinnern, sind solche Netze oft unwirtschaftlich, weshalb dort häufig Stichleitungsnetze anzutreffen sind. Diese sind meist sternförmig mit geerdetem Sternpunkt angelegt.

Stichnetze sind zwar kostengünstiger anzulegen als Maschennetze, jedoch sind sie nicht nur wesentlich weniger redundant – und somit auch weniger ausfallsicher – als Maschennetze, sondern auch bedeutend anfälliger für starke Spannungsgefälle. Auch die Versorgung der Endverbraucher unterscheidet sich in wesentlichen Punkten von den bei uns üblichen Anschlüssen.

Einphasen-Dreileiternetz

Das Einphasen-Dreileiternetz (split-phase electric power), manchmal auch fälschlicherweise als Zweiphasenstrom-System bezeichnet, ist in den USA die übliche Stromversorgung für Privathaushalte und Kleinbetriebe. Der bei uns in Europa seit vielen Jahrzehnten übliche Dreiphasenwechselstrom („Drehstrom“) ist für diese Verbraucher in der Regel nicht verfügbar, sondern nur für große Gewerbekunden mit entsprechend hohem Verbrauch.

Zwischen beiden Leitern liegen in den nordamerikanischen Einphasen-Dreileiternetzen üblicherweise 240 Volt Spannung an, wobei die Phasen um 180 Grad gegeneinander verschoben sind. Zwischen dem Neutralleiter und einem der beiden Leiter liegt in der Regel eine Spannung von ungefähr 120 Volt an. Zu beachten ist jedoch, das lokale Stromnetze teilweise auch mit 120 V, 240 V, 277 V oder 480 V betrieben werden. Die Frequenz beträgt in der Regel 60 Hz.

Sonderfall: Single-Wire Earth Return

Insbesondere in den ländlichen Gegenden Kanadas kommt eine besonders kostengünstige Variante des Einphasen-Dreileiternetzes zum Einsatz: das Single-Wire Earth Return-System (SWER). Während es niederspannungsseitig gleich aufgebaut ist, wie die geschilderten Einphasen-Dreileiternetze, ist im Mittelspannungsnetz nur ein elektrischer Leiter vorhanden, üblicherweise eine Freileitung und die Erdung dient als Rückleiter. In der Regel verfügt jeder Endkundenanschluss über einen eigenen Masttransformator, der den Strom umwandelt.

Nachteil dieses Systems ist, neben häufigen Problemen mit der Erdung, vor allem das fehlende Drehfeld, wodurch leistungsstarke Maschinen wie beispielsweise Asynchronmotoren nicht direkt an das Stromnetz angeschlossen werden können. Ein Frequenzumrichter kann hier Abhilfe schaffen. Ein weiterer Nachteil sind die großen Spannungsschwankungen. Diese haben ihre Ursache in der weiten Ausdehnung der Netze und machen teilweise den Einsatz spezieller Regel-Transformatoren erforderlich.

Netze ohne Erdung für die Industrie

Während bei privaten Hausanschlüssen eine Erdung in der Regel gegeben ist, ist dies bei Gewerbekunden oft nicht der Fall. Insbesondere in Fabriken und anderen großen Produktionsstätten ist damit zu rechnen, dass ein Stromnetz ohne Erdung installiert ist. Dies bietet den Vorteil, dass eine Abschaltung nicht sofort beim Auftreten eines einzelnen Isolationsfehlers erfolgt und der Betrieb nicht ungeplant unterbrochen wird. Die fehlende Erdung muss jedoch bei der Planung der Schutzeinrichtungen im Schaltschrank beachtet werden.

Die Spannung in amerikanischen Stromnetzen

Neben der Netzarchitektur müssen wir uns noch einen weiteren Faktor ansehen, der häufig für Irritation sorgt: die Spannung. Europäische Anwender und Hersteller sind gewohnt, dass die in einem Stromnetz herrschende Spannung immer als Betriebsspannung bezeichnet wird, vom Kraftwerk bis zum Verbraucher. In Nordamerika wird hingegen zwischen der Spannung im Versorgungsnetz (Service Voltage) und der Spannung im Verbrauchernetz (Utilization Voltage) unterschieden. Das Spannungsgefälle zwischen diesen beiden Werten darf laut National Electrical Code (NEC) nicht mehr als 5 Prozent betragen.

Was die Toleranzen angeht, innerhalb derer die Spannung schwanken darf, wird in den USA zwischen zwei Zonen unterschieden, von denen die eine Range A genannt wird und innerhalb derer nur geringe Spannungsschwanken auftreten. Range B hingegen bezeichnet einen Bereich, in dem stärkere Spannungsschwankungen vorkommen, die nicht permanent toleriert werden können. Wie hoch diese Toleranzen sind und wann genau Range B beginnt, ist jedoch nicht definiert, sondern hängt von der Empfindlichkeit der jeweiligen Verbraucher ab.

Was bedeutet das alles für den Export in die USA?

Die Frage die sich deutsche Anlagen- und Maschinenbauer nun stellen lautet wohl: Welche Bedeutung haben die gängigen Stromnetzformen für mein Exportgeschäft?

Am Einsatzort  ist mit unterschiedlichen Spannungen und stärkeren Spannungsabfällen als in Europa zu rechnen. Einigermaßen verlässlich kann jedoch von einer Frequenz von 60 Hz ausgegangen werden.

Falls eine Drehstromversorgung im Niederspannungsnetz gewünscht oder nötig ist, lässt sich diese am leichtesten mit einer Dreiphasenerweiterung umsetzen, die in den USA als Delta 4-Wire bzw. High Leg Delta bezeichnet wird. Dazu wird ein dritter Leiter (der High Leg) in einer Dreieckschaltung über die beiden vorhandenen Leiter des Einphasen-Dreileiternetzes versorgt.

Sollte sich bei der Montage einer Anlage herausstellen, dass sie nicht mit der vor Ort gegebenen Spannung betrieben werden kann, kann ein Spannungs- bzw. Eingangstransformator Abhilfe schaffen. Solche Lösungen kommen vor allem bei in Serie gefertigten Geräten zum Einsatz, aber auch dann, wenn eine Anlage innerhalb der USA verlagert werden soll.

Exporteure sollten sich stets bewusst sein, dass ausgerechnet am Standort ihrer Anlage ein lokales Stromnetz installiert sein kann, dessen Spannung zum Beispiel nicht den oben besprochenen Werten entspricht. Um unangenehmen Überraschungen vorzubeugen, ist es daher dringend zu empfehlen, die örtlichen Gegebenheiten im Voraus mit dem Abnehmer vor Ort bzw. einem von ihm beauftragten qualifizierten Fachmann abzusprechen.

Über den Autor Benedikt Krayer

Als Experte für UL-zertifizierte Schaltschränke verfüge ich über ein tiefgreifendes Fachwissen, das es mir ermöglicht, die Anforderungen des nordamerikanischen Marktes genau zu verstehen und effektiv darauf zu reagieren. Dabei steht für mich immer der Kundennutzen im Mittelpunkt.

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