Im Niederspannungsnetz wird der Drehstrom für den Verbraucher so transformiert, dass zwischen jedem Außenleiter und dem Neutralleiter eine effektive Spannung von 230 V liegt. Beim Kunden werden die einzelnen Geräte so angeschlossen, dass eine möglichst gleichmäßige Belastung der drei Außenleiter erreicht wird (Sternschaltung, 21.1 links). Drehstrom bietet für den Betrieb leistungsstarker Elektrogeräte folgenden Vorteil: Statt der Sternschaltung verwendet man für Großgeräte eine Dreieckschaltung (21.1 rechts), bei der die Spannung jeweils zwischen zwei Außenleitern verwendet wird. Die effektive Spannung beträgt dabei: U23,eff = U2,eff sin 120° − U3,eff sin 240° = 2·230 V·sin 60° = 400 V Drei stromführende Leitungen und höhere Spannung ermöglichen, hohe Leistungen zu übertragen. Mit diesem oft als Kraftstrom bezeichneten Drehstrom werden z. B. die Schnell-Ladestationen für Elektroautos betrieben. Zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter des Drehstroms beträgt die Spannung Ueff = 230 V. Zwischen zwei Außenleitern des Drehstroms beträgt die Spannung Ueff = 400 V. Drehstrom hat einen weiteren Vorteil. Drehstrommotoren sind einfach und robust. Bringen wir eine Leiterschleife in das Feld eines rotierenden Magneten, so beginnt die Schleife zu rotieren. Ein rotierendes Magnetfeld lässt sich mit drei Spulen herstellen, die an die drei Außenleiter des Drehstromes angeschlossen sind. Drehstrommotoren brauchen keine Stromzufuhr zu den rotierenden Teilen. Ihr Läufer besteht nur aus einem Metallkäfig, der aus massiven Kupfer- oder Aluminiumstäben hergestellt wird („Kurzschlussläufer“) (21.2). Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) Die Energieübertragung in Stadtgebieten und bei der Querung von Wasserflächen erfolgt meist mit Erdkabeln. Durch den im Vergleich zu Freileitungen geringen Abstand der drei Leiter treten bei Drehstrom neben dem Problem der Kühlung erhöhte kapazitive Verluste auf, die zu Blindströmen führen. Erdleitungen mit Drehstrom werden daher ab ca. 30 km Länge unwirtschaftlich. Auch bei Freileitungen sind die Blindleistungsverluste ein Problem. Durch Fortschritte der Halbleitertechnik kann man bei Höchstspannungen Wechselstrom in Gleichstrom und wieder zurück zu Wechselstrom umwandeln. Die Energieübertragung mit Gleichstrom wird bereits weltweit angewendet. Zwei Beispiele zeigen die Bedeutung der HGÜ-Technik: Seit 2008 führt ein zweiadriges Kabel von 580 km Länge durch die Nordsee von Norwegen nach Holland. Die beiden Adern transportieren bei einer Spannung von + 450 kV bzw. − 450 kV (gegenüber der Erde) maximal 700 MW elektrische Leistung. Der Strom wird in norwegischen Wasserkraftwerken erzeugt. In China verbindet z. B. eine HGÜ-Leitung Shanghai mit 2 000 km entfernten Wasserkraftwerken. Über die Freileitung wird bei einer Spannung von + 800 kV bzw. − 800 kV eine Leistung von 6 400 MW übertragen. Sicherheitshinweis: Für den Alltag sind die Sicherheitsmaßnahmen im Haushalt (siehe Physik 6, S. 97 ff) besonders wichtig, da alle Menschen davon betroffen sind. Sich bei Gewittern im Freien richtig zu verhalten, kann lebensrettend sein! (siehe Physik 6, S. 107). Wenn ein gerissenes Leiterseil einer Hochspannungsleitung den Boden berührt, darf man sich ihm nicht nähern, sondern sollte sich mit kleinen Schritten entfernen, um gefährliche Schrittspannungen zwischen den Füßen und einen Stromfluss durch den Körper zu vermeiden. Für den Aufenthalt und für Arbeiten in der Nähe von Hochspannungsleitungen sind Mindestabstände festgelegt: Fachkräfte sollen von spannungsführenden Teilen z. B. bei 110 kV mindestens 2 m Abstand halten, Laien mindestens 3 m. 21.1 Im Niederspannungsnetz liegt zwischen jedem Außenleiter und dem Neutralleiter eine Spannung von 230 V (Sternschaltung), zwischen je zwei Außenleitern 400 V (Dreieckschaltung). 230 V 230 V 230 V 400 V 400 V 400 V Sternschaltung Dreieckschaltung L1 L2 L3 N 21.2 Versuch zum „Kurzschlussläufer“ 21.3 Storchennest auf einem Leitungsmast in Spanien. Welche Gefahren bestehen für den Vogel und seine Brut bzw. für das Stromnetz? 21 Elektrodynamik 1 Grundlagen der Elektrotechnik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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