Das elektrische Energieversorgungssystem ist im allgemeinen dreiphasig aufgebaut. Das bedeutet, dass es drei wechselspannungsführende Leiter (die Außenleiter) gibt, die im symmetrischen Fall in ihrer Phasenlage um 120° Phasenverschoben sind. Das bedeutet mathematisch, in der Sinusfunktion der ersten Wechselspannung von Leiter L1 gibt es einen Zusatzwinkel von 0°, in der Sinusfunktion von Leiter L2 gibt es einen Zusatzwinkel von -120° und in der Sinusfunktion von Leiter L3 gibt es einen Zusatzwinkel von -240°.
Hinweis: Die Bezeichnung der Außenleiter mit L1, L2 und L3 ist vor allem im deutschsprachigen Raum und den Nachbarländern gängig. Auf Hochspannungsebene verwendet man oft die Bezeichner R, S und T. Beim Anschluss von Motoren U, V und W. Und im internationalen Raum nutzt man oft A, B und C.
Betreibt man mit diesen drei Leitern eine elektrische Maschine, z.B. eine Asynchronmaschine, dann wird sich die Antriebswelle rechts herum drehen. Man spricht bei einem Anschluss von L1, L2 und L3 in dieser Reihenfolge von einem Rechtsdrehfeld und von der der elektrischen Maschine auch von einer Drehstrommotor.
Werden alle drei Leiter gleichmäßig belastet, spricht man von einem symmetrischen Betrieb. Dies ist ein ideale Betriebsweise, da in diesem Fall die Spannungen an allen parallelen Knoten der Außenleiter gleich sind und die jeweils anderen Leiter als Rückleiter dienen. Das heißt, der Strom über L1 wird über L2 und L3 geschlossen und zur Quelle rückgeführt. Würde man die gleiche Leistung mit drei separaten Wechselstromsystemen aufbauen, dann bräuchte man doppelt so viele Leiter: Jeweils Hin- und Rückleiter.
Außerdem weist das Dreiphasensystem zwei verschiedene Spannungen auf: Die Spannungen zwischen zwei Leitern und die Spannung zwischen Leiter und Erdpotentzial. Die sogenannte Leiter-Leiter Spannung ist um Faktor-Wurzel-3 größer als die Leiter-Erd-Spannung. In deutschen und europäischen Niederspannungsnetzen ist die Netznennspannung gleich 400-V (oder 0,4-kV) Leiter-Leiter-Spannung und 230-V Leiter-Erdspannung (die Abweichung des Faktor-Wurzel-3 bei den beiden Werten wird ignoriert). Mit der höheren Spannung lassen sich leistungsintensivere Verbraucher betreiben. Abbildung 1 zeigt einen Verlauf einer Wechselgröße im Dreiphasensystem sowie das passende Zeigerdiagramm. Aus dem Zeigerdiagramm wird deutlich, woher der Faktor-Wurzel-3 kommt und das zwischen der Leiter-Leiter-Spannung und der Leiter-Erd-Spannung auch noch eine Winkelverschiebung von 30° existiert.
Abb. 1: Dreiphasenssystem zeitlicher Verlauf und Zeigerdiagramm
Die Ersparnis an Material und das Einbringen von unterschiedlichen Spannungsniveaus waren die Hauptgründe, warum sich das Dreiphasensystem in der elektrischen Energieversorgung durchgesetzt hat.
Wird jedoch das System nicht mehr symmetrisch belastet, so kommt es am sogenannten Sternpunkt zu einer Nullpunkt- oder auch Sternpunktverschiebung. Die Spannungszeiger an den Knoten driften auseinander, es kann zu sehr großen oder sehr kleinen Spannungen kommen. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel dazu. Die unsymmetrischen Ströme summieren sich gezwungenermaßen im Sternpunkt zu Null.
Abb. 2: Netzwerk und Zeigerdiagramm mit unsymmetrischer Belastung ohne geerdeten Sternpunkt
Um eine zu unsymmetrische Spannung an der Last zu vermeiden, werden Sternpunkte geerdet bzw. mit einem Rückleiter versehen. Bei einer idealen Sternpunkterdung wird der Sternpunkt der Last impedanzfrei mit dem Sternpunkt der Quelle verbunden. Die Spannung an der Last ist dann identisch mit der an der Quelle, siehe Abb. 3. Die unsymmetrischen Ströme ergeben im Sternpunkt der Last einen Strom über den Rückleiter.
Abb. 3: Unsymmetrische Last mit ideal geerdeten Sternpunkt (keine Rückleitungsimpedanz)
Eine ideale Sternpunkterdung der Last ist technisch nicht möglich, es wird immer einer Impedanz vorliegen. Diese versucht man jedoch niedrig zu halten. Je niedriger desto kleiner fällt die Sterpunktverschiebung aus, siehe Abb. 4.
Abb. 4: Unsymmetrische Last mit geerdeten Sternpunkt und Rückleitungsimpedanz