Kenngrößen von elektrischem Strom

Lehrabschlussprüfungs – Vorbereitungskurs
Rauchfangkehrer
Kenngrößen von elektrischem Strom
Elektrischer Strom auch genannt Stromstärke
Die Einheit der Stromstärke ist Ampere abgekürzt A.
Das Formelzeichen des elektrischen Stromes ist das I.
Elektrischer Strom = Stromstärke
Formelzeichen
Maßeinheit
I
A
Messung der Stromstärke
Die Stromstärke wird bestimmt durch
die Elektrizitätsmenge, die in einer
Sekunde durch einen Leitungsquerschnitt fließt.
Die Stromstärke wird mit dem
Amperemeter gemessen.
Elektrische Spannung
Die Einheit der Spannung ist das Volt abgekürzt V.
Das Formelzeichen der elektrischen Spannung ist U.
Elektrische Spannung
Formelzeichen
Maßeinheit
U
V
Zwischen 2 Punkten mit unterschiedlicher elektrischer Ladung besteht eine elektrische
Spannung. Diese Spannungsdifferenz ist bestrebt sich auszugleichen. Die Spannung ist
die Ursache für den elektrischen Strom.
Die Einheit Volt ist nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta · 1745 +1827 benannt.
Messung der Spannung
Zwischen den Polen einer Anschlussquelle
herrscht elektrische Spannung. Legt man
an die Enden eines Leiters eine elektrische
Spannung, dann fließen die Elektronen.
Die elektrische Spannung wird mit dem
Voltmeter gemessen.
Klein-, Nieder-, Hoch- und Blitzspannung
Kleinspannung bis 42 Volt
Diese Spannungen gelten beim Berühren für erwachsene Menschen als nicht lebensbedrohlich
und entsprechen der maximalen dauernden Berührungsspannung beziehungsweise
Fehlerspannung. Bei Spannungen unter 25 Volt AC oder 60 Volt DC kann gänzlich auf
einen Schutz gegen Berühren verzichtet werden; diese Spannungen gelten auch für Tiere
und Kinder als ungefährlich.
Niederspannung 42 bis 1000 Volt
Bei einer Wechselstromspannung kleiner als 1000 V und bei einer Gleichstromspannung
kleiner als 1500 V spricht man von Niederspannung.
Damit in einem Stromnetz elektrische Geräte einheitlich ausgetauscht werden können, sind
Stromspannungen in der Niederspannungsrichtlinie von 2007 genormt.
Sie gilt für „elektrische Betriebsmittel zur Verwendung bei einer Nennspannung zwischen 50
und 1000 V für Wechselstrom und zwischen 75 und 1500 V für Gleichstrom“.
Gebräuchliche Spannungen in unserem Bereich sind 230 V und 400 V
Hochspannung 1000 bis 400.000 Volt
Bei einer Spannung größer als 1000 V spricht man von Hochspannung.
Sie dient hauptsächlich zur Energieübertragung.
Die in der Energieübertragung üblichen und beispielhaften Nennspannungen sind:
•
•
•
Mittelspannung von 3 kV, 6 kV, 10 kV, 15 kV, 20 kV, 30 kV
(1000 V = 1kV)
Anwendungsbereiche liegen bei Großabnehmern wie Industriebetrieben und der Versorgung von
einzelnen Stadtteilen oder mehreren Ortschaften.
Hochspannung von 60 kV, 110 kV
Anwendungsbereiche sind die Versorgung kleinerer Städte und die Überlandversorgung. Auch der
Anschluss kleinerer Kraftwerke erfolgt in dieser Spannungsebene.
Höchstspannung von 220 kV, 380 kV, 500 kV, 700 kV, 1150 kV
Dienen der Großraumversorgung, Verbundnetzen zum überregionalen Energieaustausch, Anschluss
von Großkraftwerken
Blitzspannung über 1.000.000 Volt
Starkstrom
Als Starkstrom bezeichnet man alle Stromarten mit Spannungen größer als 42 Volt.
Stromarten
Wechselstrom „AC“ Zeichen
Im Stromkreis fließt ein Wechselstrom, wenn sich die freien Elektronen hin und her
bewegen.
Der Strom fließt in einer Periode mit wechselnder Richtung und Stärke, und zwar in
beiden Richtungen gleich weit, und wiederholt sich periodisch1 in der Periodendauer T.
Innerhalb einer Periode erreichen die Spannung, wie auch der Strom einen positiven und
einen negativen Höchstwert (Scheitelwert; beim Strom Î, bei der Spannung Û).
Der Verlauf des Wechselstroms und der Wechselspannung stellt eine sinusförmige Kurve dar.
Im Stromstärke-Zeit-Schaubild erhält man eine Sinuslinie:
Der im Haushalt gebräuchlichste Wechselstrom hat eine Frequenz von 50 Hertz. Das bedeutet,
dass eine Periode fünfzigmal in der Sekunde durchlaufen wird.
1
Periodisch nennt man einen Vorgang, der sich ständig in gleichen Zeitabständen wiederholt.
Drehstrom
Der Drehstrom ist ein Wechselstrom mit drei Phasen (stromführende Leitungen). Der Begriff
Drehstrom ist aus der Erzeugung abgeleitet. Dabei werden drei Spulen im 120°-Abstand
rund um ein sich drehendes Magnetfeld angeordnet. Dadurch entstehen drei um 120°
phasenverschobene sinusförmige Wechselspannungen.
Gleichstrom „DC“ Zeichen
Gleichstrom (DC) bezeichnet elektrischen Strom, dessen Stärke und Richtung sich
zeitlich nicht ändert.
Beim Gleichstrom hat immer einer der beiden Leiter eine positive Spannung gegenüber
dem anderen Leiter
Unmittelbare Gleichstromquellen sind z. B. Akkumulatoren, Batterien und Solarzellen.
Also Elektrogeräte, wie z.B. Handy, Laptop, Taschenlampe usw., die mit Batterie oder
Akkumulator betrieben werden, verwenden den reinen Gleichstrom.
Mischstrom Zeichen
Praktisch alle elektronischen Geräte im Haushalt, wie Radio- und Fernsehempfänger,
Computer, oder auch größere Haushaltsgeräte, benötigen für ihre Stromversorgung
Gleichstrom.
Dieser Gleichstrom kann durch Gleichrichtung aus Wechselstrom gewonnen werden. Diesen
nennt man dann Mischstrom.
Einweg-Gleichrichterschaltung
Mittelpunkt-Zweiweg-Gleichrichterschaltung
Schaltbild
Schaltbild
Elektrischer Widerstand
Die Einheit des elektrischen Widerstandes ist das Ohm.
Ausgedrückt mit dem griechischen Buchstaben Omega Ω.
Das Formelzeichen des Widerstandes ist R.
Elektrischer Widerstand
Formelzeichen
Maßeinheit
R
Ω
Dem Fluss des elektrischen Stromes durch ein bestimmtes Material wird ein mehr oder weniger
großer Widerstand entgegengesetzt. Dieser ist beispielsweise abhängig von der Art des
Materials oder der Temperatur. Jeder Leiter setzt also dem elektrischen Strom einen
Widerstand entgegen, der durch die Spannung überwunden werden muss.
Die Einheit Ohm ist nach dem deutschen Physiker Georg Simon Ohm · 1787 +1854 benannt.
Das Ohmsche Gesetz
Das Ohmsche Gesetz besagt, dass die Stromstärke I in einem Leiter und die Spannung U
zwischen den Enden des Leiters direkt proportional sind.
Wird in einem einfachen Stromkreis die angelegte Spannung erhöht, so erhöht sich auch der in
der Schaltung fließende Strom.
Die Stromstärke I ist also proportional zur angelegten Spannung U: I ~ U
Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes lassen sich die drei Grundgrößen eines Stromkreises
berechnen, wenn mindestens zwei davon bekannt sind.
Die Grundgrößen sind Spannung U in Volt, Strom I in Ampere und der Widerstand R in Ohm.
Das magische Dreieck
Es kann als Hilfestellung verwendet
werden, um die verschiedenen Formeln
des Ohmschen Gesetzes zu ermitteln.
Der Wert, der berechnet werden soll, wird
herausgestrichen. Mit den beiden übrigen
Werten wird das Ergebnis ausgerechnet.
Liegt an einem Widerstand R die
Spannung U, so fließt durch den
Widerstand R ein Strom I.
Fließt durch einen Widerstand R ein
Strom I, so liegt an ihm eine
Spannung U an.
Soll durch einen Widerstand R der
Strom I fließen, so muss die
Spannung U berechnet werden.
Elektrische Leistung
Die Einheit der elektrischen Leistung ist das Voltampere abgekürzt VA
welches man Watt abgekürzt W nennt.
Das Formelzeichen der Leistung ist P.
Die elektrische Leistung errechnet sich bei Gleichstrom und bei Wärmegeräten nach der
Formel:
Leistung = Spannung · Stromstärke
P=UxI
Maßeinheitengleichung: [P] = V · A = VA = W
Leistung im Allgemeinen ist die auf die Zeit bezogene Arbeit.
1 Watt entspricht dabei 1 Joule pro Sekunde J/s oder 1 Newtonmeter pro Sekunde Nm/s.
Formelrad der Elektrik und Elektronik
Das Leistungs- bzw. Typenschild
an Elektrogeräten
Alle Elektrogeräte müssen nach dem in der EU geltenden Stand
der Sicherheitstechnik hergestellt werden.
.
Wichtige Hinweise über die Sicherheit von Elektrogeräten können dem Leistungs- bzw.
Typenschild entnommen werden, das dauerhaft und gut lesbar auf den Geräten
angebracht sein muss.
Es enthält Sicherheitskennzeichen und wesentliche Kenndaten für den richtigen Anschluss und
die Nutzung des Gerätes.
Bauart und
Typenbezeichnung
Leistung
Hersteller Nummer
und Baujahr
Hersteller
Sicherung
Schutzklasse
Spannung in Volt
und Stromart
CE Kennzeichnung
nach Europanorm
Prüfzeichen vom
Österreichischer
Verband für
Elektrotechnik
Stromfrequenz
Weitere Daten die auf einem Leistungs- bzw. Typenschild vorhanden sein können:
1. Drehgeschwindigkeit bei Motoren in U/min (z.B. Bohrmaschine, Ölpumpe usw.)
2. Füllmenge von Flüssigkeiten (z.B. Kühlschrank)
3. Temperatur (z.B. Heißluftgebläse, Heißklebepistole usw.)
Zusätzlich kann noch dieses Symbol für
Spritzwassergeschützt dabei sein
Schutzklassen von elektrischen Betriebsmitteln
Bei den Schutzmaßnahmen nach ÖVE unterscheidet man drei Schutzklassen,
die durch eigene Zeichen besonders gekennzeichnet sind.
Schutzklasse I: Schutzmaßnahme mit Schutzleiter
Alle elektrisch leitfähigen Gehäuseteile des Betriebsmittels
sind mit dem Schutzleitersystem der festen Elektroinstallation verbunden, welches sich auf Erdpotential
befindet.
Bewegliche Geräte der Schutzklasse I haben eine Steckverbindung mit Schutzleiterkontakt, einen Schutzkontaktstecker (Schukostecker).
Schutzklasse II: Schutzisolierung
Betriebsmittel mit Schutzklasse II haben eine verstärkte
oder doppelte Isolierung zwischen Netzstromkreis und
Ausgangsspannung beziehungsweise Metallgehäuse und
haben keinen Anschluss an den Schutzleiter.
Selbst wenn sie elektrisch leitende Oberflächen haben, so
sind sie durch die Isolierung vor Kontakt mit spannungsführenden Teilen geschützt.
Schutzklasse III: Schutzkleinspannung SELV (Höchste Schutzklasse)
Betriebsmittel der Schutzklasse III arbeiten mit Schutzkleinspannung (SELV) und benötigen bei Netzbetrieb
ebenfalls eine verstärkte oder doppelte Isolierung zwischen
Netzstromkreisen und der Ausgangsspannung.
Geräte, die Schutzkleinspannung (SELV), d. h. mit
Spannungen nicht über 50 V Wechselspannung oder 120 V
Gleichspannung aus der Netzspannung erzeugen,
benötigen einen Sicherheitstransformator.
Aus Batterien bzw. Akkumulatoren entnommene
Schutzkleinspannungen genügen der Schutzklasse III ohne
weitere Maßnahmen.
Sicherheitsregeln und Unfallschutz bei Arbeiten mit
elektrischen Anlagen und Bauteilen
Die „LEBENSWICHTIGEN 5“
1.
2.
3.
4.
5.
Freischalten.
Gegen Wiedereinschalten sichern.
Spannungsfreiheit feststellen.
Erden und Kurzschließen.
Benachbarte, unter Spannung stehende
Teile abdecken oder abschranken.
1. Freischalten:
Allseitiges Abschalten aller nicht geerdeten Leitungen. Dies kann geschehen durch Betätigen
von Schaltern, Herausnehmen von Sicherungen, Ziehen von Steckvorrichtungen usw.
Schaltet der Arbeitende nicht selber ab, so darf er erst mit der Arbeit beginnen, wenn er die
Bestätigung über die erfolgte Abschaltung bekommen hat.
Die Verabredung eines bestimmten Zeitpunktes für die Abschaltung genügt nicht.
2. Gegen Wiedereinschalten sichern:
Das Wiedereinschalten der Anlage muss für die Dauer der Arbeiten zuverlässig verhindert oder
unmöglich gemacht werden.
Z.B. durch Herausnehmen und sicheres Verwahren der Sicherungen oder das Abschließen von
Schaltern mit einem Vorhängeschloss.
Zusätzlich ist ein Verbotsschild gegen Wiedereinschaltung anzubringen.
3. Spannungsfreiheit feststellen:
An der Arbeitsstelle muss die Spannungsfreiheit von einer Elektrofachkraft oder durch eine
elektrotechnisch unterwiesene Person Allpolig festgestellt werden.
Dies darf nur mit dafür geeigneten Messgeräten oder Spannungsprüfern geschehen (vorher
Funktionsprüfung).
4. Erden und Kurzschließen:
An der Arbeitsstelle müssen Teile, an denen gearbeitet werden soll, zuerst geerdet und dann
kurzgeschlossen werden.
Erdung und Kurzschließung muss von der Arbeitsstelle aus sichtbar sein.
5. Benachbarte, unter Spannung stehende Teile abdecken oder
abschranken:
Die dazu verwendeten Hilfsmittel müssen zuverlässig sein. Unbedingt ist zu vermeiden, dass
man mit Werkzeugen oder Leitern an leitende Teile gerät.
Gefahren des elektrischen Stroms
Menschliche und tierische Körper leiten den elektrischen Strom.
Da fast alle Organe des menschlichen Körpers von elektrischen Signalen gesteuert werden,
können von außen kommende Ströme die Funktion der Organe beeinträchtigen.
Stromstärken über 25 mA sind lebensgefährlich.
Wechselspannungen über 50V sind lebensgefährlich (bei Tieren 24V).
Gleichspannungen über 120V sind lebensgefährlich (bei Tieren 60V).
Wechselstrom mit 50 Hz ist gefährlicher als Gleichstrom,
weil es bei dieser Frequenz eher zum Herzkammerflimmern kommt.
das menschliche Herz schlägt ca. 60 - 80 mal in der Minute
1000 Hz = 1000 Schwingungen per Sekunde
Der im Körper fließende Strom hängt von der Spannung und vom Widerstand des Körpers ab.
Dieser Widerstand setzt sich aus dem kleinen inneren Widerstand des Körpers, dem
Körperinnenwiderstand Ri und den Übergangswiderständen an der Ein- und Austrittsstelle des
Stromes zusammen.
Die Übergangswiderstände hängen von äußeren Verhältnissen ab. Trockene Haut und trockene
Kleidung haben einen großen Widerstand. Bei Feuchtigkeit (Schweiß, nassem Boden), ist der
Übergangswiderstand jedoch gering.
Der Übergangswiderstand hängt auch von der Berührungsfläche ab. Ist die Berührungsfläche
größer, so wird der Übergangswiderstand kleiner.
Der Gesamtwiderstand (Innen- und Übergangswiderstand) beträgt beim Menschen ca. 1000 Ω.
Stromweg im Körper
Hand - Hand
Hand - Fuß
Hand - Füße
Hände - Füße
Körperwiderstand
(minimal)
ca. 650 Ω
ca. 1300 Ω
ca. 975 Ω
ca. 650 Ω
Unfallursachen mit elektrischem Strom
Die meisten Unfälle durch den elektrischen Strom entstehen durch Unachtsamkeit.
Arbeiten an elektrischen Leitungen und Geräten,
die „Lebenswichtigen 5“ nicht eingehalten.
Unsachgemäßer Gebrauch von Elektrogeräten,
z.B. falsche Bedienung, schadhafte Leitungen, Stecker oder Steckdosen usw.
Leichtsinniges oder fahrlässiges Handeln in der Nähe von Stromleitungen,
z.B. Eisenbahnsurfen, Drachen steigen lassen usw.
Die Gefahren des elektrischen Stromes erfordern
daher vor allem besondere Umsicht und Sorgfalt.
Gefährliche Wirkungen des elektrischen Stromes
Wärmewirkung:
Brandgefahr durch überlastete Leitungen, überhitzte Geräte,
Wackelkontakte, Kurzschlüsse usw.
Chemische Wirkung:
Zersetzung von Flüssigkeiten, Bildung von explosionsfähigen
oder giftigen Gasen bei Strom in Flüssigkeiten, Korrosion.
Magnetische Wirkung:
Kraftwirkungen bei hohen Kurzschlussströmen, defekte
elektrische Maschinen (Magnetströme wirken sich besonders
bei Personen mit Herzschrittmachern aus.)
Lichtwirkung:
Verletzungen der Augen (Verblitzen) durch den Lichtbogen
(z.B. Kurzschlussschweißen oder Stromabnehmer bei
Elektrolokomotiven) oder durch die hohe Leuchtdichte
moderner Lampen.
Physiologische Wirkung
Wirkung auf Lebewesen:
Muskelbewegungsstörungen, Störung des Nervensystems,
Muskelverkrampfungen, Atemlähmung, Blutdrucksteigerung,
Verbrennungen, Innere Verkochungen, Herzkammerflimmern,
Herzstillstand, Spätschäden.
Die Wirkung des elektrischen Stromes
hängt von folgenden Faktoren ab:
Einwirkungszeit, gefährlich ab 0,2 ms
Stärke des Stromes, gefährlich ab 20mA
Stromart
Stromweg durch den Körper (körperliche und seelische Verfassung)
Reizschwelle:
Stromstärke schon ab 1mA spürbar. Gefahr von Sekundärunfällen - Absturz
Geringe Wirkung < 5mA
Loslassschwelle liegt bei etwa 10mA Muskelverkrampfung.
Atemlähmung, Herzstillstand und Bewusstlosigkeit ab 25 mA.
Herzkammerflimmern entsteht bei Wechselströmen ab 40mA.
Lebensbedrohliche bzw. tödliche Herzrhythmusstörungen ab 80mA.
Verbrennungen bei Hochspannungsunfällen.
Erste Hilfe bei Stromunfällen
Gefahrensituation prüfen
Ist die Person spannungsfrei?
ERST SPANNUNGSFREI SCHALTEN!
Im Zweifel auf keinen Fall eingreifen und Fachpersonal verständigen.
Bewusstsein überprüfen (ansprechen, anfassen)
Bewusstlosigkeit
Atemkontrolle
Kopf nackenwärts beugen, Unterkiefer anheben/sehen, hören, fühlen
Atmung nicht vorhanden
Suchen nach allgemeinen Zeichen einer Kreislauffunktion
z.B. Reaktionslosigkeit auf Beatmung, Schlucken, Husten, Bewegungen
Keine Kreislauffunktion erkennbar
2 effektive Beatmungen
(Mund-zu-Nase-Beatmung bzw. Mund-zu-Mund-Beatmung)
15 × Herzdruckmassage
Arbeitsfrequenz 100 Kompressionen/Minute
2 × Beatmung
Sichtbares Heben des Brustkorbes
Fortführung der Herzlungenwiederbelebung im Verhältnis 15 : 2
unabhängig von der Anzahl der Helfer (Fortführung bis zum Eintreffen des Rettungsdienstes
oder bis zur Feststellung von Lebenszeichen)
Fehlerstromschutzschalter FI
Der Fehlerstromschutzschalter trennt bei Überschreiten eines
bestimmten Differenzstroms, in Hausanlagen und
öffentlichen Gebäuden meist 30 mA, den überwachten
Stromkreis allpolig, das heißt alle Leiter bis auf den
Schutzleiter, vom restlichen Netz.
Differenzströme können auftreten, wenn etwa durch den
menschlichen Körper oder über eine schadhafte Isolierung ein
(Fehler-)Strom
fließt.
Dazu
vergleicht
der
Fehlerstromschutzschalter die Höhe des hin- mit der des
zurückfließenden Stromes.
Der Sicherungsautomat
Auch Leitungsschutzschalter oder einfach Sicherung genannt
Er Befindet sich im Sicherungskasten und die einzelnen Stromkreise sind über die
Sicherungsautomaten manuell schaltbar.
Sicherungen schützen jeden Stromkreis der Hausinstallation vor Schäden durch eine
Überlastung der Leitungen, die sonst zu einem Kabelbrand führen könnte.
Gegen Stromschlag beim Berühren stromführender Leiter oder Elektrogeräte schützen
die Sicherungsautomaten jedoch nicht, denn dafür ist die Auslöseschwelle der
Sicherungen zu hoch.
So funktioniert ein Sicherungsautomat
Aufbau eines Sicherungsautomaten:
Mit dem Kippschalter wird der Stromkreis geschlossen
bei Störungen wird der Kontakt automatisch geöffnet.
Farbcodierung Elektrischer Leitungen
Im österreichischen Haushalt stehen zur Verfügung:
1. Lichtstrom 1x230 V (einphasig) und 2. Kraftstrom 3 x 230 oder 400 V (dreiphasig)
Außenleiter 1
L1
schwarz
Außenleiter 2
L2
braun
Außenleiter 3
L3
grau
Neutralleiter
N
blau
Schutzleiter
PE
grün-gelb
PEN-Leiter
(Neutralleiter mit Schutzfunktion)
PEN
grün-gelb
Ein PEN-Leiter (Abk. für protective earth neutral) ist ein Leiter, der zugleich die Funktionen des
Schutzleiters (PE) und des Neutralleiters (N) erfüllt.
Die Kennzeichnung grün-gelb (blau) darf nur für den Schutzleiter PE und PEN verwendet
werden und für keinen anderen Leiter.
Für die Kennzeichnung von L1, L2 und L3 sind nach der Norm keine festen Farben
vorgeschrieben. Deshalb stellen die in der Tabelle angegebenen Farben eine Empfehlung dar.
Jedoch muss der Neutralleiter (N) durchgehend blau und der Schutzleiter (PE, PEN) grün-gelb
gekennzeichnet sein.
Bei dreiphasigen Kabeln ist der Leiter meist schwarz
Wie wird Strom erzeugt?
Zur Stromerzeugung wird heute hauptsächlich das dynamoelektrische Prinzip eingesetzt.
Dieses Prinzip wurde 1867 von Werner von Siemens erfunden. Es sagt nichts anderes, als
dass ein Magnet an einer Drahtspule vorbei bewegt wird, in dieser einen Stromfluss
erzeugt.
Stromerzeugung bei Windrädern und Wasserkraftwerken
Der Wind oder das Wasser treiben eine Turbine an. Diese dreht sich dann wie ein
überdimensionaler Fahrraddynamo und erzeugt so Strom.
Stromerzeugung mit fossilen Energieträgern und Biomasse
Durch Verbrennen der fossilen Energieträger und der Biomasse wird mit der Energie, die in
diesem Feuer steckt, Wasserdampf erzeugt. Der Wasserdampf treibt nun wieder eine
Turbine an. Die drehende Turbine erzeugt Strom.
Stromerzeugung in einem Atromkraftwerk
In einem Atomkraftwerk läuft es ähnlich ab. Die Atomkerne brechen auseinander und erzeugen
dabei Wärme. Damit wird wieder Wasserdampf erzeugt.
Stromerzeugung mit der Sonne
Ganz anders wird Strom mit Solarzellen erzeugt. Solarzellen bestehen aus einem
Material, das ganz besondere Eigenschaften hat. Wenn die Sonne auf die Solarzellen
scheint, dann bringen die Sonnenstrahlen die Elektronen in den Solarzellen in Bewegung
und erzeugen dadurch einen Stromfluss.