Bühne

Worauf man beim Strom auf der Bühne achten sollte

Bis auf ganz wenige Ausnahmen ist bei jedem Auftritt elektrische Energie im Spiel. Ein Ausfall des Stroms während des Konzertes kann äußerst ärgerlich sein und die Show ruinieren. Deshalb sollte man sich sehr genau überlegen, welchen Strombedarf man insgesamt hat und wie man diesen auf das Stromangebot verteilt.

Die Frage eines Veranstalters an die Band kommt bestimmt: Was braucht ihr denn an Strom? Der Veranstalter will wissen, welche Leistung und welchen Anschluss er euch zur Verfügung stellen soll.

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Strom Monitoring
Über Ethernet werden die über Lemwander erfassten Ströme aus der Unterverteilung auf einem Laptop mitgeschrieben. Leistungskontrolle Total. (Bild: Herbert Bernstädt)

Übersicht:

Wie ermittle ich die Leistung, die man für einen Auftritt benötigt?
Leistung auf Typenschild: W, VA oder VAR?
Wechselspannung
Wirkleistung (W)
Blindleistung (VAR)
Scheinleistung (VA)
PFC – Power Factor Correction
Steuerblindleistung
Kennt jeder: Schuko-Steckdose
Mehr Power: Kraftstrom sprich Drehstrom
Verteiler
Verkabeln
Outdoor
10 Gebote
Empfehlenswerte Literatur


Wie ermittle ich die Leistung, die man für einen Auftritt benötigt?

Im Prinzip ist das ganz einfach. Man addiert von allen Geräten, die für einen Auftritt benötigt werden, die Leistungsangaben zusammen. Das fängt an bei den Verstärkern, Computern, Bildschirmen und geht über Scheinwerfer, Dimmer bis zu Beschallungsanlagen, Steuerungen − eben alles. Die Leistung eines jeden Gerätes sollte immer auf dem Typenschild angegeben sein.

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Leistung auf Typenschild: W, VA oder VAR?

Die Leistung auf einem Typenschild ist leider sehr oft unterschiedlich angegeben. Grundsätzlich bedeutet die Leistung das Produkt aus Strom und Spannung:

also P = U × I

Das sind die Formelzeichen für
P = Leistung (gemessen in Watt W),
U = Spannung (gemessen in Volt V) und
I = Strom (gemessen in Ampere A).

Auf den Typenschildern sind die Angaben für Leistung allerdings nicht nur in W, sondern auch in VA angegeben. Bei vielen Geräten sind auf den Typenschildern sogar nur die Spannung und der Strom separat ausgezeichnet, sodass man die Leistung mit der Formel V × A selber ausrechnen muss.

Area 48 Soft Typenschild
Angabe der Wirkleisung in Watt (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Clay Paky-Z-120 Typensch
Angabe der Scheinleistung in VA (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Eyecolor Typenschild
Angabe der Scheinleistung zur selber ausrechnen Spannung mal Strom (Bild: Herbert Bernstädt)

Kommen wir zu W und VA zurück: Viele setzen VA der Leistung W gleich, weil ja V × A gleich Leistung ist. Das ist leider nur bei rein ohmschen Lasten richtig. Sobald Elektronik ins Spiel kommt (und dazu werden u. a. auch Transformatoren und Spulen gezählt), befindet sich in dem Stromkreis ein Energiespeicher, der im Falle eines Trafos oder einer Spule die Eigenschaft besitzt, dass der Strom hinter der Spannung hinterherhinkt. Merkhilfe: Bei Induktivität „verspäten“ sich die Ströme. Dies trifft nur auf den Bereich der Wechselspannung zu.

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Wechselspannung

Wechselspannung haben wir in Deutschland und vielen Nachbarländern in Form einer Netzspannung von 230 V gegen Null bei einer Frequenz von 50 Hz. Das heißt, wir betreiben alles mit Wechselstrom, bei dem die Spannung 50 Mal in der Sekunde positive Werte annimmt und 50 Mal negative. Und weil der Wechsel vom Positiven in das Negative kontinuierlich einer Sinusfunktion aus einer Kreisfunktion wechselt, sprechen wir auch von Sinusspannung.

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Wirkleistung (W)

Zum Beispiel bei einer Lampe wie einer PAR 64 mit 500-Watt-Leuchtmittel ist der Strom immer mit der Spannung in Phase. Geht die Spannung hoch, geht auch gleichermaßen der Strom hoch. Die Leistung bleibt immer positiv, auch wenn die Spannung negativ wird, da ja dann der Strom auch negativ ist – und: minus mal minus ergibt plus. Wir sprechen dann von der Wirkleistung, also der wirklich umgewandelten Leistung, die sich in Licht, Wärme und Luftdruckänderungen verwandelt. Diese Wirkung wird in W für Wirkleistung angegeben.

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Blindleistung (VAR)

Wie gesagt, es gibt Equipment mit Elektronik im Gehäuse, von der wir nicht wissen, wie die Energiespeicher dort zusammen agieren. Die Folge ist, dass dort der Strom bei überwiegend induktiven Anteilen nacheilt und bei überwiegend kapazitiven Anteilen vorauseilt. Induktive Anteile sind meist bei Transformatoren und Spulen wie bei konventionellen Vorschaltgeräten (KVG) zu finden, während kapazitive Anteile meist bei Schaltnetzwerken und elektronischen Vorschaltgeräten (EVG) zu finden sind. Und weil nun der Strom nicht in Phase zur Spannung ist, ergeben sich auch negative Stromleistungen im Produkt. Das heißt, wenn die Spannung gerade in den positiven Bereich wechselt, aber der Strom durch das Nacheilen noch negativ ist, ergibt sich laut Adam Riese plus mal minus gleich minus. Diese Energie bedeutet den Anteil, der vom Energiespeicher auf- und abgebaut wird.

Das Feld braucht Leistung zum Aufbau und gibt beim Abbau des Feldes die Energie wieder ab. Kurz: die Leistung bringt nichts, um zum Beispiel das Licht heller zu machen. Deshalb nennen wir sie auch Blindleistung (Einheit = VAR), da sie nichts nützt, außer zusätzlich die Leitungen zu belasten. Und deshalb ist es für uns auch so wichtig den Begriff Blindleistung bzw. resultierend daraus den Begriff Scheinleistung zu kennen, da wir unsere Leitungen auf die Scheinleistung auslegen müssen. Die Blindleistung ist, wie wir nun gesehen haben, für unsere Zwecke suboptimal. Deshalb ist der Energielieferant darauf bedacht, dass diese so klein wie möglich bleibt.

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Scheinleistung (VA)

Blindleistung und Wirkleistung addieren sich nicht linear. Weil sie im Raum um 90° an – einander stoßen, müssen wir die Trigometrie heranziehen. So bildet − nach dem altbekannten Satz des Pythagoras − die Wurzel aus der Summe aus den Quadraten der Wirk und Blindleistung die Scheinleistung (VA). Die Scheinleistung ist demnach der größte auftretende Wert, und dementsprechend sind alle unsere Stromverteiler und die Anschlussleistung, die wir benötigen, mit der Scheinleistung zu dimensionieren. Ein Nachmessen macht es uns einfach, weil mit einem Voltmeter und einem Amperemeter gemessene Strom mal der Spannung automatisch die Scheinleistung in VA ergibt.

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PFC – Power Factor Correction

Wegen der Blindleistung ist ist der Energielieferant darauf bedacht diese so klein wie möglich zu halten. Durch das entsprechende Regelwerk werden dem Grenzen gesetzt und so gibt es Geräte mit einem PFC was Power Factor Correction zu deutsch Blindleistungs-Kompensation beinhalten. Schaltnetzteile oder elektronische Vorschaltgeräte die den Stromanstieg begrenzen sollen, werden heute meist so gebaut, das der Kosinus von (φ) nähe der 1 ist und liegt in der Praxis um ca. 0,98. Upps – was hat nun der Cos (φ) [für Kosinus von (φ)] damit zu tun. Wie wir vorhin die Trigometrie bemüht hatten und nach Pytagoras a²+b²=c² berechneten, so kann man das Verhältnis von Wirkleistung zur Scheinleistung auch mit in einer Winkelpunktion mathematisch bestimmen. Und je weiter der Winkel aufgeht, also je höher die Blindleistung ist, um so schlechter ist es, und um so mehr kleiner wird der Zahlenwert vom der Cos (φ) dem Verhältnis von Ankathete zur Hypothenuse bzw. Wirkleistung zur Scheinleistung. Vertiefende Informatione über Zeigerdiagramme und den Spannungs und stromverlauf findet man unter R-Last und L-Last.

blind-scheinleistungs-Beer
Volksnahe Erklärung für Blind und Wirkleistung (Idengeber unbekannt)

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Steuerblindleistung

Ein Dimmer beinhaltet zwar zur Begrenzung eines schnellen Stromanstieg eine Spulte, aber auch ohne Spule wird durch den Phasenanschnitt, also dem Stromfluss einschalten nachdem die Spannung schon lange den Nulldurchgang durchquert hat, dass der Strom zu jeder Zeit proportional zur Spannung ist, gestört. Weil der Strom also später hinzu geschaltet wird, ist man lax ausgedrückt der Strom wieder am verspäten und wir haben wieder eine Blindleistung, alleine durch das verspätete Strom hinzuschalten. Nur sprechen wir dann genau genommen von einer Steuerblindleistung. Dieser kurze Exkurs soll auf eine Eigenschaft aufmerksam machen, die auch von Schaltnetzteilen verursacht werden kann, wenn der Schaltvorgang zum Strom Fluss zu ungünstigen Zeiten erfolgt, was in einem Dreiphasennetz dann zu Problemen führen kann, doch dazu später im Absatz Drei Phasen.

Für jetzt bleibt festzuhalten das wir für den Leistungsbedarf unserer Veranstaltung alle Scheinleistung aller Geräte die wir verwenden zusammenaddieren. Das kann gerade bei Betrieb von vielen Scheinwerfern sehr schnell sehr große Größen annehmen. Aber in der Regel sind nicht immer alle Scheinwerfer an. Gerade in großen Häusern wird deshalb die Dimensionierung der Stromverteilungen und Anschlussleistung ein sogenannter Gleichzeitigkeitsfaktor benutzt. Dieser besagt, dass man z.B. ausgeht, das nie mehr als 60% der Scheinwerfer auf einmal mit 100% Leuchten. Folglich wird dann die Anschlussleistung der Lichtanlage mit dem Faktor 0,6 bewertet. Für unsere kleinen Anwendungen jedoch ist dies nicht sinnvoll, da man davon ausgehen muss, das der Techniker der die Lichtanlage bedient auch mal alle Lampen anwählt und auf Highlight drückt oder gerade beim Applauslicht mal so alles Hell machen will und es wäre jetzt schade, das bei den ersten ständig Ovation die Sicherung fällt und ein NH Sicherung (früher auch Panzersicherung genannt) nicht eben mal schnell ausgewechselt wird. Aber wenn es die Dramaturgie erfordert … warum nicht, so kommt man auch in die Presse.

Ein weiter kurzer Hinweis sei erlaubt, wenn Ihr eure Leistung beim Veranstalter Mitteilt. Ihr seid meist nicht allein. Habt Ihr einen Auftritt bei einem Fußballverein, dann wird die mobile Kühlanlage für das Bier, der Kühlwagen mit den Fässern, das Waffeleisen der Damengruppe, oder die Heizplatten des Caterers auch mit Strom betrieben. Diese Kollegen sind meist gute Zapfer und Köche, haben aber von Strom auch keine kenne. Dreifachstecker und mit drauf geschaltet. Natürlich springt der Kühlwagen meist mitten im ungünstigsten Moment an, und die Heizplatten werden kurz vor der geplanten Pause eingeschaltet um die Würstchen vorzubereiten. Eine gute Vorplanung ist, das man für diese „Begleit“-Verbraucher auch Strom schon beim Veranstalter mit anmeldet bzw. selbst dafür sorgt, das Sie Ihre eigenen Phasen erhalten, damit Sie nicht auf einmal das eigene Netzt überlasten oder mit den Einschalten über den Temperaturschalter (Meist Bimetall) ein Knacken im Ton verursachen.

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Kennt jeder: Schuko-Steckdose

Der Strom den wir von Zuhause her kennen beziehen wir aus einer Schuko Steckdose und hat seine Abkürzung von Schutz Kontakt. Wir haben vor zwei Dingen Angst. Einmal das wir selber unter Spannung geraten und zum anderen das es brennt, was wiederum den Schaden von Menschen durch ein Feuer bedeuten kann. Bei den ganzen Schutzzielen geht es vorrangig um diese zwei Themen. Wenn der Strom durch einen Leiter fließt entsteht wärme (Supraleiter mal ausgenommen). Je höher der Strom bzw. je kleiner die Leitung ist, durch die der Strom fließt, umso größer werden die Temperaturen.

Von unserer Wohnzimmerlampe die noch mit einer leider zwischenzeitlich von der EU zum aussterben verurteilten Allgebrauchslampe zum leuchten gebracht wird, wird das sehr deutlich, da der Strom von der Leitung (im Haus meist mit einem Durchmesser von 1,5mm² verlegt in der Glühlampe dann durch eine Draht zwängen muss der gerade mal einen Durchmesser von 0,016mm² aufweist und dementsprechend so heiß wird, das er mit 2700K sichtbares Licht emittiert. Also weil viel Strom durch eine zu kleine gewählte Leitung diese so sehr erwärmen kann, das umgebende Materialien damit so aufgewärmt werden können, dass sie anfangen zu brennen können, ist dafür zu sorgen das der Strom entsprechend der Leitungsquerschnitt nicht zu groß wird.

Wie gesagt verwendet man im Haus verwendet man bei Festinstallation mindesten 1,5mm² starre Leitungen. Damit bei diesem Querschnitt die Leitung nicht zu sehr erhitzt, wird der Stromfluss mittels einer Sicherung auf 16A begrenzt. Demnach haben wir 16A zur Verfügung und mit den bereits genannten 230V Spannung haben wir 3680 VA zur Verfügung. Wenn unsere Rechnung aus dem vorigen Kapitel ergibt, das alle unsere Geräte mit Ihrer Leistung unterhalb der 3,6 KW bleiben – nebenbei K kommt hier von Kilo und ist die Abkürzung von dem Faktor 1000 – dann können wir alles an einer Schuko Steckdose anschließen. Aber Obacht, denn einmal ist Sicherung nicht gleich Sicherung und zum anderen sichert nicht jeder seine Schukosteckdose mit 16A ab. Viele Messebetriebe stellen den Kunden für Ihren Messestand nur 10A abgesichert zur Verfügung. Auch findet man manchmal Stromunterverteilungen mit Schukosteckern am Ausgang die nur 13A Sicherungsautomaten aufweisen. Eine weitere Problematik taucht auf, denn viele Schaltnetzteile die man heute verwendet haben die unangenehme Eigenschaft im Einschaltmoment einen wesentlich höheren Einschaltstrom zu ziehen. Werden dann z.B. mehrere Geräte gleichzeitig unter Spannung gesetzt, ist der Einschaltstrom dann zu hoch, so dass die Sicherung fällt.

Würde man die Geräte nacheinander Einschalten hält die Sicherung. Aus diesem Grunde haben einige Racks auch Zeitrelais integriert, die für ein zeitversetztes einschalten sorgen. Oder auch der unterschiedliche Sicherungstyp kann schuld dafür sein, das bei dem einen Sicherungsautomaten die Last beim Einschalten auslöst und beim andere nicht. Abgesehen jetzt von Schmelzsicherungen die noch in alten Verteilungen, oder bei den großen Stromleistungen zu finden sind, haben Sicherungsautomaten zwei Auslösevorrichtungen. Ein Bimetall wird bei zu hohen strom so warm, das es mit der damit verbundenen Krümmung den Automaten auslöst und damit das Verhalten der Schmelzsicherung nachbildet.

Und ein Schlaganker, der auf ein schnellen Stromwechsel der durch eine Kurzschluss verursacht wird den Automaten zu Fall bringt. Nun kann der Sicherungsautomatenhersteller die Innereien der Automaten so dimensionieren, das sie mal eine kurzzeitig einen höheren Einschaltstrom zulassen oder nicht. B-Automaten findet man in Haushalten und erlauben ca. 4 fachen Überstrom für ca. bis 1-2 sek. C-Automaten erlauben einen noch höheren Einschaltstrom für ein kürzere Zeit und K-Automaten gehen noch eine Schritt weiter. Die Schraubsicherungen die runde Abdeckungen zum Aufschrauben haben (Neozed oder Diazed), dürfen von uns noch bis 63A ausgewechselt werden. Von den rechteckigen Sicherungen die oben und unten wie eine Messerleiste befestigt sind, sogenannte NH Sicherungen (für Niederspannungs Hochleistungssicherung), lassen wir unsere Finger bzw. überlassen die den Fachleuten mit den Passenden Werkzeugen und Schutz Einrichtungen. Man kann auch grob festhalten das alles wofür man ein Werkzeug braucht um z.B. ein Leuchtmittel in einem Scheinwerfer auszutauschen, hat der Laie nichts daran verloren, sondern ist nur den Elektro unterwiesenen oder Elektrofachkräften gestattet.

Sicherungsautomaten im Dimmer
13A Leitungsschutzschalter C-Charakteristik. Neudeutsch MCB für Magnetic Circuit Breaker.

Es ist ein Unterschied ob das Stromkabel in der Wand verlegt ist, oder auf einer Kabelpritsche mit vielen anderen Kabeln die ebenfalls Wärme abgeben Zusammenliegen und damit in summe zu heiß werden. Auch hier gibt es ein Regelwerk mit Vorgaben, was hier aber zu weit in die Tiefe führen würde, weil wir ja keine Installation machen, sondern nur unsere Band auf der Bühne verkabeln wollen. Wichtig für uns ist jetzt nur zu wissen, dass z.B. in einem Clubraum einer Veranstaltungsstätte zwar mehrere Schuckosteckdosen zur Verfügung stehen, das heißt aber nicht das jede einzelne für sich mit einer eignen Sicherung ausgestattet ist. Vielmehr liegen viele Schukosteckdosen in einem Raum gemeinsam auf einer Sicherung auf. Folglich kann man dann auch trotz mehreren Schuckoanschlüssen nicht mehr als die Leistung für diese Sicherung anschließen. Am besten ist es, wenn man den Hausherren, den Hausverwalter, Hausmeister oder den Facility Manager befragt, wo die Sicherungen sitzen und welche Steckdosen auf welche Sicherungskreise liegen. Man kann auch feststellen ob eine Sicherung für eine bestimmte Schukosteckdose zuständig ist, indem ein leicht tragbares einfaches Gerät wie z.B. eine Schreibtischlampe anschließt, einschaltet und dann die in verdacht kommende Sicherung ausschaltet. Hat man sich so vergewissert, kann man die Steckdose auch mit der Sicherungsnummer aus dem Sicherungskasten auch beschriften. So das man im Fall der Fälle schneller Zugriff hat auf die richtige Sicherung. Denn oft reicht es aus, das man sein Mehrbedarf über 3,6KW an Leistung über den Umweg mehrerer Sicherungskreise deckt.

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Mehr Power: Kraftstrom bzw. Drehstrom

Sobald ihr in eurer Anlage konventionelles Licht mit z.B. 12 x PAR 64 einsetzt, seid ihr schnell über das Maß der Schokosteckdosenanschlusslösung. Der nächste größere Anschluss ist der sogenannte Drehstrom, Kraftstrom, oder “der mit den roten Stecker” – Anschluss. Dabei beinhaltet ein Steckverbinder bzw. Zuleitungen drei Spannungsführende Phasen. Im Gegensatz zu drei einzelnen Schukosteckdosen die zusammengelegt werden könnten, ähnlich wie bei einem Multicore – doch das nur am Rande erwähnt, sind jetzt bei dem „Drehstrom“ Anschluss nur 5 Einzelleistungen zu zählen. Davon ist eine Leitung der Schutzleiter, mit dem alle Metallischen Tragmittel und Metallenden Teile im Haus, wie z.B. Heizungskörper, Badewannen… zusammen auf einen sogenannten Potentialausgleich gelegt sind, damit keine Spannungsunterschiede zwischen metallenden Gegenstände auftreten die sonst die Gefahr bei einem Defekt und bei Berührung der Metallteile eines elektrischen Schlages verursachen können. Hier sind wir bei dem zweiten Grundsatz angelangt.

Das ein Defekt zum Auslösen einer Sicherunsgmaßnahme führen soll, damit dieser Defekt erkannt wird. Als Beispiel, fällt eine Phasenführende Ader innerhalb eines Metallgehäuses auf das Metallgehäuse, dann soll eine Sicherung auslösen, damit keiner durch die Berührung des Metallgehäuses zu Schaden kommt. Deshalb der Schutzleiter. Er sollte Nie auch wirklich Nie deaktiviert weden, auch wenn die Tonanlage brummt und nach überkleben der Schutzkontakte an dem Schukostecker nicht mehr brummt. Ihr Spielt mit eurem und dem Leben der Anderen wenn Ihr das macht. Das tückische am Strom ist, das wir selbst über Stromsignale gesteuert sind. Auch innerhalb unseres Herzen sorgen Ströme für ein rhythmisches pulsieren unseren Herzschlages. Wenn wir jetzt in irgend ein Stromkreis hineinkommen, also irgendwo eine spannungsführende Leitung auch nur berühren, kann ein Stromfluss durch unseren Körper erfolgen und den Steuersignalen des eignen Körpers sozusagen übersprechen. Unser Herz versucht dann mit 50 Hz wie die Netzspannung zu schlagen.

Das Blöde ist, das bei dem Speed kein Blut transportiert wird und dann ist nicht mehr viel Zeit bis durch die mangelnde Sauerstoffversorgung Organ für Organ, angefangen mit dem Hirn abstirbt. Aber auch die Sekundärschäden die durch den Schreck folgen weil mit dem unkontrollierte Zucken der Muskeln durch einen elektrischen Schlages man z.B. von der Leiter fällt. Doch nun zurück zum Thema. Eine über den Schutzleiter geschlossene Brummschleife kann man auch mit anderen Mitteln beheben, indem man z.B. in der Tonleitung eine galvanische Trennung durchführt, in Form z.B. eines Trennübertragers der ein symmetrisches Signal an das nächste Gerät überträgt, damit man dann mit dem Groundlift-Schalter die Brummschleife unterbrechen kann, oder über einen Trenntransformator die Stromversorgung der problematischen Geräte anschließt, damit diese Potentialfrei werden. Siehe dazu auch Hier.

Es gibt aber ach Geräte die mit Ihrem Kabel gar keinen Schutzleiter aufweisen. Diese Geräte haben dann kein Metallgehäuse, weil den Schutz grundsätzlich durch Isolierung gewährleistet wird. Eine weitere Schutzart kennen wir z.B. von de Carrerabahn. Dort verwendet man eine Schutzkleinspannung wodurch dem Menschen auch keine Gefahr droht. Siehe dazu auch Hier.

Und nun noch weiter zurück zu den fünf Adern beim Drehstrom. Eine Ader ist der Schutzleiter, drei Adern sind die Spannung führende Adern und nun zu aller Verwunderung ist nur ein Neutralleiter vorhanden. Bei unseren Schuko-Stecker war ja die Phase führende Leitung genau so groß im Querschnitt wie auch der Neutralleiter, der für das Schließen des Stromkreises genau die gleiche Strommenge führen könne muss wie die Phase selber. Aber warum ist dann beim Drehstromanschluss der Nullleiter genau so groß wie bei einer einzelne Phasenleitung? Das liegt daran, das die drei Phasen in dem Drehstromanschluss nicht alle das gleiche Potential haben. Nein? Ja, sie haben alle das gleich Potential und zwar 230V gegen den Nullleiter. Aber Sie haben untereinander einen Potentialunterschied von 400V. Wie das denn möglich ist? Dazu betrachten wir uns sie Spannungen der drei Phasen in einer Momentaufnahme, wie mit einem Blitzlicht Fotografiert. Dann muss man erkennen, dass die drei Phasen mit Ihrer Sinusform versetzt anliegen. Genau genommen sind die drei Phasen um je 120° versetzt was letztendlich zusammen 360° ergibt, und da erkennen wir auch schon das warum. Weil man mit 360° einen Kreis beschreibt und mit mindesten drei 120° versetzten Kräften eine Drehrichtung innerhalb dieses Kreises definieren kann.

Das, was das Kraftwerk an Strom generiert, ist ein drei Phasenstrom, der hauptsächlich dazu dient elektrische Motoren in Rotation zu versetzen. Das ist auch der Grund, weshalb man mit einem Phasenwendesteckverbinder, der mit vertauschen von zwei Phasen, die Drehrichtung eines Kettenzuges umkehren kann. Und da ein Betrieb von einem Motor in die falsche Richtung bei Hebeaufgaben mehrerer Motoren gleichzeitig an einer Last sehr gefährlich werden kann ist dementsprechend auch sicher zu stellen, das die Motoren alle mit der richtigen reinfolge der drei Phasen gespießt werden. Aber noch einmal zurück zur Frage warum 400V bei Phase zu Phase gegenüber 230V Phase gegen Nulleiter. Durch den Phasenversatz bilden die Spannungen untereinander ein größeres Potential. Und wenn man das mathematisch betrachtet, dann kann man die Spannungsvektoren zweier Phasen aneinanderreihen und erhält somit den resultierenden Vektor, so wie man in der Mechanik auch die Kräftevektoren aneinander rechnet. Zwei mal den Kosinus von (30°) sind das selbe wie die Betrag von der Wurzel 3 was den Faktor 1,732 ergibt und Verkettungsfaktor genannt wird. Wer eine grafische aufbereitung des geben gesagten bevorzugt wird Hier fündig.

Durch den Phasenversatz ist die Summe der drei Phasenströme bei einer symmetrischen Belastung, also die gleiche Last auf allen drei Phasen, gleich Null. Theoretisch bräuchte man also keinen Nullleiter, was manchmal auch in der Praxis gerade bei Motoren zu finden ist. Werden die drei Phasen jedoch nicht symmetrisch belastet, so wie bei unserer Dimmeranlage, dann ist der Ungünstigste Fall das nur Strom von einer Phase abgefordert wird und demnach der Nullleiter genau so viel Strom führen muss wie die Phase. Aber eben auch nicht mehr. Sobald die anderen Phasen ebenfalls Strom ziehen, wird dementsprechend der Nullleiter weiter entlastet.

Sollte man meinen, wenn nicht wieder elektronische Schaltvorgänge diesem Ideal ein Strich durch die Rechnung machen würde. Denn es gibt auch – sehr selten – aber es gibt Elektroniken, die die unsägliche Eigenschaft haben bei einer Halbperiode der Spannung erst nach 60° für weitere 60° den Strom zu ziehen. Werden solche Geräte gleichmäßig im dreiphasen Netz verteilt, ist die Summe der Ströme nicht null wie anzunehmen, sondern höher als ein einzelner Phasenstrom. Auch die Frequenz des Stromes hat sich dann im Nullleiter verdreifacht. Die Folge des höheren Nulleiterstromes ist die Überlastung des Nullleiters. Die Gefahr dass der Nullleiter an den Kontakstellen verschmoren wird ist gegeben. Leider werden bei uns in Deutschland in der Regel nur die Phasen abgesichert und nicht die Nullleiter. Für diesen seltenen Sonderfall wäre es Praktisch, wenn die Unterverteilung ein Stommesser beinhaltet um den Überstrom auf den Nullleiter anzeigen zu können.

Summe der Stöme ist nicht gleich null
Trotz symmetrischer Belastung ist die Summe der Ströme auf dem Nullleiter nicht null, sondern höher als die einer Phasenleitung dank „einfachem“ elektronischen Vorschaltgerät. Durch die besondere Stromschaltung wird auf dem Nullleiter ein 150 Herz Strom gemessen, der größer ist als ein einzelner Strom in einer Phase – Gefahr von Überlastung des Nullleiters. (Bild: Herbert Bernstädt)

Nun kann uns der Veranstaltungsort meist folgende Drehstromanschlüsse anbieten, die in der Regel als rote Steckverbinder zur Verfügung stehen. Natürlich gibt es auch andere Varianten, und wenn jemand z.B. auf einem alten Bauernhof den Drehstromanschluss verwenden will wird er evtl. von eine länglich flachen Bakalit Stechverbinder angelacht, der darüber hinaus mit einer Teegetränkten Stoffisolierung aufwartet. Oder der Elektroofen aus einer älteren Küche wird auch über einen anderen Stecker verbunden sein. Hier wollen wir uns aber nur mit den CEE Steckverbindern nach IEC-60309 beschäftigen und das auch nur soweit es gängig für unsere Anwendung ist. Die rote Farbe sagt aus, dass der Steckverbinder für 400V wie unser Potentialunterschied von Phase zu Phase, geeignet ist.

Dieser Typ wird für Stromstärken von 16A, 32A, 63A oder 125A angeboten. Darüber hinaus wird direkt am Stromverteilerkasten angeschlossen und interessiert uns hier nicht. Wir hatten zum Anfang die Leistung unserer Verbraucher zusammen gezählt und nun wollen wir wissen welchen Stromanschluss wir benötigen. Steht uns auf der roten CEE-Kupplung an der Wand 16A-6h …. 3P+N+PE, so können wir daraus schließen, dass wir pro Phase 16 Ampere zur Verfügung stehen. Die 3P stehen für die Phasenleitung, das N für den Neutralleiter und der PE für die Schutzleiter oder wie man früher sagte die Erdung.

Wie rechnen wir nun die 16A in die Leistung die wir benötigen. Die Spannung mal den Strom ist die Leistung, wie wir aus dem Beginn des Artikels schon wissen. So stehen uns nun 230V x 16A sprich 3 x 3,6KW als ca. 12KW zur Verfügung. Das gleiche Spiel wiederholt sich für einen CEE 32A, 63A und 125A wobei uns dann ca. 24KW, 44KW oder 88KW zur Verfügung stehen. Einige Häuser wie z.B. Messegesellschaften fügen dann noch Richtlinien hinzu an die man sich dann halten soll, wie z.B. das der Cos (φ) nicht kleiner als 0,8 werden darf. Na ja, jetzt wissen wir wenigstens was damit gemeint ist.

CEE Anschluss-Terminal
CEE Stecker in der Unterverteilung (Bild: Herbert Bernstädt)

 

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Verteiler

Wir haben unseren Leistungsbedarf mitgeteilt, der Veranstalter hat uns die Stecker im Raum gezeigt die die Leistung zur Verfügung stellen und was fehlt uns jetzt? Die meisten Geräte die wir auf der Bühne haben sind mit Schuko Steckern ausgestattet, bis auf das Dimmer Rack welches ein 32A CEE-Stecker hat. Nun hat der Veranstalter aber nur den 63A CEE. Was wir nun brauchen ist eine Unterverteilung. Denn was wir vom Beginn an sagten ist, dass wir zum Schutz vor übermäßiger Erwärmung, jede Leitung entsprechend Ihrer zugedachten Strombelastbarkeit absichern müssen. Deshalb hat der Unterverteiler einmal die Aufgabe die 63A auf verschiedene Ausgänge wie 32A oder 16A mit den entsprechenden Sicherungen zu den entsprechenden Steckverbindern aufzuteilen. In der Regel kann man an einem Unterverteiler von den vorgesehenen Abgängen Mehr anschließen, als Strom von der Einspeisung erlaubt. Auch hier müssen wir die Übersicht behalten und die angeschlossenen Leistungen pro Stromkreis zusammenstellen. Sehr oft werden Stromverteiler angeboten die Messinstrumente aufweisen. Die einfachste Anzeige sind drei Glimmlampen die anzeigen ob die drei Phasen auch unter Spannung stehen, also der Verteiler „strom“ hat.

Einfache Digitalanzeigen für Strom und oft auch Spannung zeigen an wie viel Strom auf den drei Phasen fließt, bzw. wie hoch die Spannung auf den Phasen ist. Das ist sehr praktisch, weil man dann sehen kann, wie gut man die Geräte auf die drei Phasen verteilt hat. Komfortabel geht es auch mit einem Multiinstrument, mit den Man oftmals, und nun kommen wir darauf zurück den Cos (φ) ablesen können und uns die Wirk- und Scheinleistung anzeigt. Manchmal auch den Strom im Nulleiter, was für uns besonders intressant ist, wenn man die oben besprochene Möglichkeit eines Höheren Nulleiterstroms als Phasenstrom zu befürchten hat.
Wie die Abgänge im Gerät verteilt sind zeigt das Schaltbild oder die Bezeichnung der Abgänge die am Gehäuse meist mit Siebdruck abriebfest zu lesen sein sollten können Aufschluss darüber geben.

Für uns in der Praxis ist es sinnvoll, die Sicherung auch, und sei es mit Edding beschriebenen Isolierband – zu beschriften welche Geräte auf der Sicherung aufliegen wie z.B. PA oder Licht oder Nebelmaschine oder Strobe u.s.w.. Noch besser ist es sich eine Plan aufzuzeichnen oder eine Liste zu erstellen, die man dann laminiert und immer griffbereit am FOH oder auf der Bühne hat bzw. auf die Unterverteilung legt. Denn gerade wenn es dunkel und hecktisch wird im Fehlerfall, weiss man bei den angesteckten Kabelwust dann doch nicht mehr wie man es verkabelt hat und sucht länger nach dem Fehler.

Stromverteiler Major
Unterverteilung mit Multi-Messinstrument
Stromverteiler im Rack
Mehrere Stromverteiler in einem Rack zusammengefasst.
Stromverteilerrack im Outdoorbetrieb
An unterster Stelle der Stromverteiler für das Dimmerrack, oben die Plane gegen Shit Wetter Querregen (Bild: Herbert Bernstädt)

Ein Stromverteiler kann speziell nach Kundenwünschen angefertigt sein, oder von der Stange kommen, weil sich die meisten Anforderungen doch wiederholen. In der Veranstaltungstechnik werden seltener Baustromverteiler verwendet, sondern eher Stromverteiler speziell für die Veranstaltungstechnik. Das liegt einmal daran, das in der VA (Veranstaltungstechnik) gerne 19“ Racks verwendet werden und dementsprechend der Verteiler auch 19“ mäßig aufgebaut sein soll. Zum anderen können gerade Baustromverteiler mit einem Fehlerstromautomaten (RCD für Residual Current Device, früher Fi für Fehler Strom Schutzautomat) mit 500mA ausgestattet sein. Für unsere Zwecke sollte aber der RCD schon bei 30mA auslösen. Ein Blick auf den RCD geben Gewissheit.

Fehlerstrom mit integrieten Leistungsschutzschalter
Kombination aus RCD und MCB – C16 für C-Charakter und 16A. IΔn = 0,03A für 30mA Type

Der RCD hat die Aufgabe zu überprüft wieviel Strom von den Phasenführenden Leitungen heraus zu den Geräten fließt und vergleicht, wieviel Strom über den Neutralleiter von den Geräten zurückkommt. Sind die rausfließende Ströme nicht gleich den zurückfließenden Strömen, dann scheint da draußen der Strom irgendwo einen anderen Rückweg gefunden zu haben. In der schrecklichen Annahme, dass Strom über einen Menschen ungewollt abfließen kann, unterbricht der RCD den Stromkreis und rettet somit Menschenleben. Ein RCD kann auch durch anders verursachte Fehlerströme ausgelöst werden, also keine Panik wenn er einmal ausgelöst hat. Sehr beliebt sind hohe Feuchtigkeit bei Open Air, bei der der Strom über die neu entstandene Wasserwege neue Bahnen findet. Oder ein Gerät ist still und ergreifend defekt oder hält die Ableitwerte nicht ein. Hier hilft nur durch nacheinander dazu stecken solange weiter zu hangeln, bis das defekte Gerät oder die abgesoffene Leitung mit einem Pitsch den RCD auslöst und damit haben wir den Schuldigen gefunden und nehmen Ihn aus der Anlage heraus. Manchmal ist es auch schlicht die Summe von Geräten die mit Ihren Teilströmen den Gesammtwert überschreiten.

Hier ist auch eine Verteilung der Ausfallrisikos auf mehrere getrennte RCD Wege für die Aufrechterhaltung der Veranstaltung vorteilhafter, als ein einziger Automat für alles. Natürlich gibt es auch Ausnahmen. So können z.B. Frequenzumrichter für Kettenzüge eine so große Eingangskapazität aufweisen, das zuerst ein Strom fließ, um den Eingangskondensator aufzuladen. Dieser Strom fließt aber in den Kondensator und nicht zurück über den RCD. Die Folge dieser Frequenzumrichter kann nicht über ein RCD betrieben werden. Grundsätzlich sollte man sich ausmalen was passiert wenn einzelne Sicherungen Wegbrchen oder ein oder Zwei Phasen von der Zuleitungen auf einmal keine Spannung mehr führen. Hat man alles Licht nur auf einer Sicherung gelegt, dann ist es mit nur einem Sicherungsfall alles Dunkel. Vielleicht legt man separat FOH Licht und Arbeitslicht noch auf einen völlig anderen Sicherungskreis, so dass man im Fall der Fälle noch ein wenig Licht hat um schneller den Fehler finden zu können und ein wenig Schrecken zu verlieren.

Der Gedanke das der Strom komplett ausfällt sollte uns sofort hellhörig machen. Damit nicht alles plötzlich dunkel ist und alle übereinander herfallen, werden vom Veranstaltungshaus aus eine Sicherheitsbeleuchtungsanlage vorhanden sein. Die automatisch bei Stromausfall in betrieb geht und Licht für die wenigstens soviel licht zur Verfügung stellt, das man sich in Sicherheit bringen kann. Wenn Ihr aber mal in der Scheune, oder Open Air, im kleinen Festzelt einen Gig selbst organisiert habt, dann ist es mehr als sinnvoll einen kleinen tragbare Sicherheitsbeleuchtungskasten der meist ein zwei Lampen auf dem Gehäuse trägt mitzunehmen und anzuschließen. Die Meisten Zeltverleiher und Verleih-firmen haben diese zum verleihen, so wie Ihr die andere Lichtanlage auch evtl. leiht. Aber Ihr müsst daran denken so etwas mit zu ordern. Ganz zur Not, bevor man gar nichts hat gibt es auch Taschenlampen – na ja, in die Hosentasche passen Sie meist nicht mehr – die ständig an einem Ladegrät hängen dürfen und wenn der Strom ausfällt automatisch anfangen zu leuchten. Ein gut sortierter Baumarkt sollte so etwas führen. Zu guter Letzt hat ein guter Verteiler auch eine Erdungsklemme, um genau zu sein ein Anschluss für einen Potentialausgleich. Damit sollt Ihr eure Traverse mit einem 16mm² Grün gelben Schutzleiter z.B. mit einer Erdungsschelle oder ähnlichen verbinden.

Erdung Bühne
Sehr schönes Beispiel wie metallene Bühneaufbauten in den Potentialausgleich mit aufgenommen werden.
Zentrale Potentialausgleichschine
Sehr schönes Beispiel für eine zentrale Potentialausgleichschiene

 

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Verkabeln

Die Unterverteilung ist angeschlossen und nun wollt Ihr euer Equipment an die Unterverteilung anschließen. Dazu benötigen wir Verlängerungsschnüre und evtl. weitere Schukoverteilerleisten. Diese sind in der Regel in unterschiedlichen Leitungsquerschnitten und Kabelqualitäten erhältlich. Für die Definition von Kabel gibt es einen Kode. Wir in der Veranstaltungstechnik zählen zu einem Umfeld der mittleren mechanischen Beanspruchung. Deswegen sollen wir als Kabel Gummischlauchleitungen verwenden die den Kode H07RN-F tragen. Jetzt findet der eine oder andere Kollege einen Scheinwerfer der eine Silikonleitung hat. Auch das ist richtig, da das Gehäuse des Scheinwerfers sehr heiß werden kann und Silikon bei größerer Hitze besser geeignet ist. Wenn man jetzt den Elektriker fragt, ob man die Silikonleitung nicht 7,5m lang zum Scheinwerfer machen könnte, weil das ja viel praktischer ist beim Verkabeln, wird dies der Elektriker verneinen, weil das Silikon die Hitze zwar gut abkann, dafür aber mechanisch sehr leicht verletzlich ist und so ist die Silikonleitung am Scheinwerfer gerade so kurz zu halten wie notwendig als maximal ca. 1,5m. Natürlich findet man auch andre Qualitäten wie man z.B. auf Baumärkten kaufen kann. Die Heißen dann z.B. H05RR, H03RT, welche aber für gewerbliche Zwecke – und eine Veranstaltungsbetrieb ist nun mal ein gewerblicher Betrieb, nicht zulässig sind. Genauso ist es mit den Mehrfachsteckdosen aus dem Baumarkt die man eigentlich nicht im Gewerbe einsetzen sollte. Aber spätestens der Caterer wird ein Dreifachsteckdosenleiste nach der anderen anschließen. Wir sollten diesem Beispiel nicht folgen. Der Querschnitt einer einzelnen Ader in der der Schukoverlängerungen ist nicht unter 1,5mm² zu wählen. Besser sind 2,5mm² starke Adern, insbesondere wenn man sich als Faustformeln pauschal sich merken will das bei 40m Schukoverlängerung bei einer 16A Sicherung Schluss ist, wie wir gleich noch einmal sehen werden. Durch den größeren Querschnitt des Stromführenden Kupfer in der Leitung ist der Wiederstand der Leitung geringer und damit auch der Spannungsfall der durch den Wiederstand der Kupfers verursacht wird. Der Spannungsfall an der Leitung darf auch bestimmte Werte nicht überschreiten.
So empfiehlt der IGVW:

Schukoverlängerung bei einem 4% Spannungsfall

Aderndurchmesser Sicherungen Max. Leitungslänge
1,5mm² 10A 40m
2,5mm² 10A 65m
1,5mm² 16A 25m
2,5mm² 16A 40m

Drehstromkabel bei einem 5% Spannungsfall

Aderndurchmesser Sicherungen Max. Leitungslänge
2,5mm² 16A 50m
6mm² 32A 60m
16mm² 63A 82m
35mm² 125A 90m

Die Kollegen die klassisch die Elektrofachkraft lernen werden dagegen mit nur 3% erlaubten Spannungsfall konfrontiert und berechnen demnach bei 1,5mm² staken Kupferadern und für 10A Absicherung eine maximale Kabellänge von ca. 30m. Mit 16A Absicherung sind es nur noch ca. 18m die man verlängern darf. Und mit einem 2,5mm² pro Ader Kabel sind es dann schon ca. 30m. Bei Drehstromkabeln ist es günstiger, dort kann ein Drehstromkabel für 16A und einem Aderquerschnitt von 1,5mm² schon 34m betragen und bei einem Querschnitt von 2,5mm² sogar 56m, weil man davon ausgeht das die Belastung der drei Phasen symmetrisch ist und damit die summe der zurückfließenden Ströme gleich null ist. Man hat sich also den Spannungsfall der Rückleitung gespart. Da wir aber keine Maschinen verwenden und wir sehr ungleichmäßig die Phasen belasten können, sollten wir von dieser Annahme Abstand nehmen.

Nachdem wir nun die Kabel auch richtig dimensioniert haben, können wir auf der Bühne mit der eigentlichen Verkabelung beginnen. Abgesehen das man auf der Bühne immer versuchen sollte die Kabel ordentlich außen rum an den rändern zu verlegen, Durchgänge möglichst nicht mit Leitungen überqueren und mindesten durch Kabelmatten oder verkleben gegen stolpern zu sichern und am besten diese Stolperstelle mit schwarzgelben Klebeband kenntlich zu machen, sollte der öffentliche Bereich grundsätzlich nicht mit flexiblen Kabeln versehen werden. Dort wo es nicht anders möglich ist, wie z.B. die Kabelstrecke zum FOH (Front of House, da wo das Mischpult vor der Bühne steht) sollten die Kabel mechanischen geschützt in den die dafür verfügbaren Kabelbrücken eingelegt werden. Vor türen, insbesondere Notausgängen haben die Kabel auch nichts zu suchen. Alternativ sollte man die Möglichkeit in Betracht ziehen das Kabel z.B. über den Türrahmen zu verlegen, wenn man entlang der Strecke gehen muss.

Verkabelung
Fliegende Verkabelung (Bild: Herbert Bernstädt)

Kommen wir noch einmal auf das Thema brummen in der Tonanlage zurück. Ein Grund für Geräusche in der Tonanlage kann auch die Art und weise wie die ganzen Kabel gelegt wurden. Denn wenn ein Lastkabel das zu einem Scheinwerfer direkt neben einer Mikrofonleitung parallel gelegt ist, kann der Phasenangeschnittene Strom der des gedimmten Scheinwerfers in die Tonleitung einstreuen. Mann kann das leicht feststellen, indem man den Scheinwerfer auf einen anderen Wert dimmt. Mit Veränderung der Dimmung müsste auch das Summen im Ton sich verändern. Bei 100% Helligkeit oder 0% dürfte das Summen verschwunden sein. Um das zu vermeiden sollte man Tonkabel mit mindesten 20cm von gedimmten Lastkabeln verlegen.

Noch besser ist die Vorgehensweise das man z.B. die Tonkabel rechtseitig der Bühne verlegt und die Lichtdimmerkreise linksseitig. Sollten sich Mikrofonkabel und Scheinwerferkabel kreuzen müssen, sollte dies am besten im 90° Winkel erfolgen. Insbesondere Tonanlagen sind durch Ihre hohe Verstärkung sehr anfällig Brummen und summen zu verstärken. Dies kann durch Potentialunterschiede entstehen, wenn man z.B. seinen Strom für die Tonanlage aus unterschiedlichen Richtungen zusammensetzt. Dabei kann es passieren das einmal unterschiedliche durch die unterschiedlichen Kabelwege zur Tonanlage hin die Spannungsdiffernzen entstehen die dann Verstärkt ein Brummgeräusch ergeben. Man versucht deshalb die Tonanlage von einem Punkt aus sternförmig weiter zu verkabeln. Ansonsten hilft evtl. auch die Trennübertrager bzw. galvaniche Trennung wie bereits besprochen weiter. Bleibt zum Abschluss nur noch zu erwähnen, dass wenn man ein Kabel sieht oder findet, was nicht funktioniert oder deren Isolierung defekt ist, bitte sofort ausmustern. Einige machen einen Knoten in die Leitung, aber sicherer ist es einfach den Stecker … nicht die Kupplung, also direkt hinter den Stecker das Kabel abzuschneiden und damit dann wirklich jedem klar, das von diesem Kabel nichts mehr gutes zu erwarten ist.

 

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Outdoor

Wenn wir mit unserer Technik Wind und Wetter, insbesondere Nässe sprich Wasser ausgesetzt sind, gibt es weitere Spielregeln zu beachten. Es gibt geräte die speziell für Einsätze für Außerhalb gebaut sind. Wie groß die der Wiederstand gegen regen ist kann aus einem IP-Code herausgelesen werden. IP (International Protection) kennzeichnet mit Klassen zum einem einen Berührungsschutz damit z.B. ein Finger nicht an gefährdende Stellen des Gerätes herankommen können. Zum anderen inwieweit Dreck oder Flüssigkeiten in das Gerät eindringen können.
Die erste Ziffer kennzeichnet Personen und Fremdkörperschutz.
Die zweite Ziffer kennzeichnet den Wasserschutz.

Gängig für temprären Ouutdooreinsatz sind 65. Für Kurze Sets im Freien wie bei Filmaufnahmen reichen aber oft schon IP 63 aus. Für Festinstallationnen im Freien ist IP66/67 die bessere Wahl. Die IP-Tabelle findet Ihr hier.
Ansonsten ist dafür zu sorgen das alles trocken bleibt und sei es mit überziehen von Plastiktüten über den aktiven Lautsprecher.

Scheinwerfer Outdoor
Temporärer Outdooreinsatz mit REgenschutz für die Movinglights. Ober die Stufenlinse ist mit IP63 ohen Schutz aufgestellt

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10 Gebote

1. Addieren aller Scheinleistungen
2. Anschlussleistung und Anschlussstecker bestellen.
3. Unterverteilung bestimmen.
4. Lasten gleichmäßig auf die Phasen verteilen.
5. Leitungslängen und dementsprechend Querschnitt (Spannungsfall) bestimmen.
6. Sicherungen und Kabel beschriften.
7. Leitungen ordentlich verlegen.
8. Traverse zum Potentialausgleich anschließen.
9. Alles was defekt aussieht ausmustern.
10. Outdoor, Equipment vor Feuchtigkeit schützen oder passende IP Geräte einsetzen.

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Empfehlenswerte Literatur

Fachkunde Elektrotechnik / Europa Lehrmittel / ISBN 3-8085-3020-0
Technologie für energietechnische Elektroberufe / Gehlen / ISBN 3-441-91229-2
Elektro Installationstechnik (Die Meisterprüfung) / Vogel / ISBN – 3-8023-0723-2
VDE 0100 und die Praxis / vde-Verlag / ISBN 3-8007-1726-3
Lichttechnik und Energieversorgung für Veranstaltungstechniker / Hirzel / ISBN 978-3-7776-1689-6
IGVW SQP4 Mobile elektrische Anlagen in der Veranstaltungstechnik / www.igvw.org


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