Physik compact, Basiswissen 7, Schulbuch

83 16.5 Transformator ~ R Widerstand der Fernleitung Widerstand des Verbrauchers U Abb. 83.1 Abb. 83.2 220-kV/380-kV-Verbundnetz APG…Austrian Power Grid (Übertragungsnetzbetreiber) Transformator (transformer) A1 Überlege was geschieht, wenn der Strom von der Stromquelle zumVerbraucher (zB ein Lämpchen) über immer längere Leitungen fließen muss! Das öffentliche Stromnetz ist viele 1000 km lang. Wie bei jeder Stromleitung tritt auch hier die Joule´sche Wärme auf. Natürlich ist es im volkswirtschaftlichen Interesse, möglichst wenig Verluste an elektrischer Energie durch die Joule´sche Wärme in den Fern- leitungen zu erleiden. Wir überlegen uns in diesem Abschnitt, warum es günstig ist, bei Transporten von elektrischer Energie über weite Strecken, Hochspan- nung zu verwenden (high-tension transmission). Gehen wir von einem Kraftwerk mit einer Leistung P aus. Möglichst viel von dieser Leistung soll über eine Fernleitung mit dem Widerstand R übertragen und bei einem Verbraucher wirksam werden. Die Fernlei- tung wird mit einer Spannung u betrieben. Die Strom- stärke i in der Leitung wird durch den Widerstand der Leitung UND des Verbrauchers begrenzt. Für die Verlustleistung P V in der Leitung ergibt sich P V = i 2 · R Der Anteil der Verlustleistung P V an der Gesamtleis­ tung P = u · i des Kraftwerks lässt sich darstellen als P P u i i R u R P v 2 2 $ $ $ = = P V … Verlustleistung P … Leistung des Kraftwerks i … Stromstärke R …Widerstand der Leitung u … Spannung Interpretation: Der Anteil der Verlustleistung ist pro- portional zum Widerstand der Fernleitung und zur Höhe der vom Kraftwerk eingespeisten Gesamtleis­ tung. Der Anteil der Verlustleistung ist aber indirekt proportional zum Quadrat der Spannung. A2 Berechne den Anteil der Verlustleistung bei einer Gesamtleistung von 1 GW, R = 50 X für die Spannun- gen 230 V, 20 kV, 100 kV, 380 kV und drücke ihn in % aus! Welche finanziellen Verluste treten in einem Jahr auf (1 kWh kostet ca. 0,1 Euro)? 16.5 In den heutigen Kraftwerken (power stations) finden Generatoren Verwendung, die eine Klemmenspan- nung von einigen Tausend Volt liefern. Für einen wirt- schaftlichen Betrieb von Fernleitungen ist die Span- nung viel zu niedrig. Mit Hilfe von Transformatoren gelingt es, Wechselstrom einer gegebenen Spannung in Wechselstrom einer anderen (zB höheren) Span- nung umzuwandeln. Dabei ändert sich die Frequenz des Wechselstroms nicht. Die wenigsten Verbraucher können hochgespannte Wechselströme mit vielen kV direkt verwenden. Da- mit die elektrische Energie beim Verbraucher genutzt werden kann, muss zwischen der Fernleitung und dem Verbraucher mit Hilfe von Transformatoren eine angemessene, niedrigere Spannung hergestellt wer- den. Diese Aufgabe wird von Umspannwerken und Transformatorstationen wahrgenommen. A3 Erkundige dich nach dem nächstgelegenen Um­ spannwerk! Auch in vielen Elektrogeräten des Alltags sind Trans- formatoren eingebaut, damit die richtige Betriebs- spannung bereitgestellt werden kann. Für den Be- trieb einer Fernsehröhre benötigt man im Gerät eine Spannung von etwa 10 4  Volt, viele Geräte der Unter- haltungselektronik oder Heimcomputer enthalten hingegen Bauteile, die nur mit einigen Volt betrieben werden dürfen. A4 Gib einige Geräte an, die Transformatoren ent- halten! Abb. 83.3 Großtrans- formator bei einem Um- spannwerk Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv