1.5 Elektrische Energieübertragung Für den Siegeszug der Elektrotechnik war ausschlaggebend, Energie in einfacher Weise übertragen zu können. Dadurch war es beispielsweise nicht mehr notwendig, Fabriken an Flüssen zu errichten, um die Wasserkraft zu nützen. Wie wird elektrische Energie ohne hohe Verluste über große Entfernungen übertragen? Energieübertragung mit Hochspannungsleitungen Wegen des Ohm’schen Widerstands R der Fernleitung vom Kraftwerk zum Verbraucher tritt in der Leitung eine Verlustleistung PL = I 2·R auf. Diese Leistung wird von der Leitung als Wärme an die Umgebung abgegeben (siehe Physik 6, S. 96). Das Verhältnis der Verlustleistung PL zur Gesamtleistung P = I·U beträgt P L_ P = I 2·R _ I·U = I·R _ U = I·U·R __ U 2 = P·R _ U 2 Der relative Übertragungsverlust ist daher umgekehrt proportional zum Quadrat der Netzspannung und wird durch möglichst hohe Netzspannungen verringert. In Österreich werden Fernleitungen mit 380 kV, 220 kV und 110 kV betrieben. Energieübertragung mit Drehstrom Die Ohm’schen Verluste in den Fernleitungen lassen sich verringern, wenn man anstelle eines Wechselstromkreises drei gleiche, um je 2π/3 phasenverschobene Wechselströme verwendet. Sie werden durch drei getrennte Leitungen, die Außenleiter L1, L2, L3, zum Verbraucher geführt. Eine gemeinsame Rückleitung, der Neutralleiter N, schließt den Stromkreis. 20.3 zeigt schematisch ein Drehstromnetz. Die Abbildung 20.2 zeigt, dass die drei Wechselspannungen U1, U2, U3 zu jedem beliebigen Zeitpunkt die folgende Beziehung erfüllen: U1 + U2 + U3 = 0 Haben alle Stromkreise den gleichen Widerstand, so folgt: I = I1 + I2 + I3 = 0 Der durch den Neutralleiter zum Kraftwerk zurückfließende Strom I verschwindet in diesem Fall (und damit der Verlust in der Rückleitung). In der Praxis wird sich im Niederspannungsnetz die völlig gleiche Belastung der drei Wechselstromkreise durch verschiedene Verbraucher nicht immer erreichen lassen, so dass der Strom im Neutralleiter nicht völlig verschwindet. Bei den Fernleitungen wird eine gleichmäßige Belastung der Außenleiter angenommen, daher tragen die Hochspannungsmasten neben einem dünnen Blitzschutzseil drei (ev. sechs) stromführende Seile, aber keinen Neutralleiter. 20.1 Das österreichische Stromnetz ist je nach verwendeter Spannung und Versorgungsaufgabe in sogenannte Ebenen gegliedert (das öffentliche Stromnetz wird in der Abbildung mit „1“ bezeichnet, das private Stromnetz wird mit „2“ bezeichnet). Die Höchstspannungsebene (110 kV bis 380 kV) verbindet als „Stromautobahn“ die großen Kraftwerke mit den Umspannwerken der regionalen Netzbetreiber der neun Bundesländer. Die Niederspannungsebene (230 V, 400 V) übergibt die elektrische Energie an die privaten Stromnetze der Haushalte. Das Stromnetz Bundesstraße Höchstspannung 220.000, 380.000 oder 400.000 Volt Hochspannung 60.000 oder 110.000 Volt Mittelspannung 10.000 oder 30.000 Volt Niederspannung weniger als 1.000 Volt Hausinstallation 230 oder 400 Volt 1 2 Landesstraße Gemeindestraße Privatweg Berechnung der relativen Verlustleistung Von einem Kraftwerk mit der Leistung 75 MW soll über eine Entfernung von 100 km elektrische Energie mit einer Aluminiumleitung (Gesamtlänge l = 200 km, Hin- und Rückleitung) mit einem Leiterquerschnitt A = 3 cm2 und dem spezifischen Widerstand ρ = 3·10−8 Ωm übertragen werden. Der Leitungswiderstand ist R = ρ·l _ A = 3·10−8 Ωm·200·103 m / (3·10−4 m2) = 20 Ω. Bei U = 110 kV ist die relative Verlustleistung P L_ P = P·R _ U 2 = 75·106 W·20 Ω / (1,1·105 V)2 ≈ 0,12. 12 % der Energie gehen in der Leitung verloren. Bei U = 220 kV wäre der Verlust 3 %. 20.2 Die drei Wechselspannungen des Drehstroms addieren sich (bei gleichen Verbrauchern) zur Gesamtspannung Null. Dieser Fall wird bei Fernleitungen angenommen, daher kann der Neutralleiter eingespart werden. U U1 U1 U2 U2 U3 U3 U U U 3 1 2 + = – Zeit t 2 3 π 20.3 Die Generatoren im Kraftwerk liefern Drehstrom mit 10 bis 30 kV, die Spannung wird auf 110 bis 380 kV transformiert. In der Nähe der Verbraucher wird die Spannung auf 400 V herabgesetzt. Da bei den Verbrauchern unterschiedliche Belastungen der drei stromführenden Leiter L1, L2, L3 auftreten, ist im letzten Teil ein Neutralleiter N notwendig. Kraftwerk L1 L1 L1 L2 L2 L2 L3 L3 L3 N 10 kV 380 kV 400 V Transformator Transformator Fernleitung Niederspannung Verbraucher 20 Elektrodynamik 1 Grundlagen der Elektrotechnik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
RkJQdWJsaXNoZXIy MTA2NTcyMQ==