Sexl Physik 7, Schulbuch

Experiment: Fernleitung 17.1 E 1 Schließe an eine Spannungsquelle (6V) ein Glühlämpchen und erhöhe den Leitungswiderstand, um eine Fernleitung nachzubilden, durch Zwischenschalten von 50-Ω-Widerständen ( 18.1 ). Beschreibe und erkläre deine Beobachtung. Trenne danach den Stromkreis durch Einfügen von zwei Transformatoren (Spulen- paare mit jeweils gemeinsamen Eisenkernen) in zwei Niederspannungskreise und einen Hochspannungskreis. Beschreibe und erkläre! Welche Ströme und Spannun- gen treten auf? Energieübertragung mit Drehstrom Die Ohm’schen Verluste in den Fernleitungen lassen sich verringern, wenn man anstelle eines Wechselstromkreises drei gleiche, um je 2 π / 3 phasenverschobene Wechselströme verwendet. Sie werden durch drei getrennte Leitungen, die Außen- leiter L1 , L2 , L3 , zum Verbraucher geführt. Eine gemeinsame Rückleitung, der Neu- tralleiter N , schließt den Stromkreis. 18.5 zeigt schematisch ein Drehstromnetz . Aus dem Diagramm ( 18.2 ) liest man ab, dass für die drei Wechselspannungen U 1 , U 2 , U 3 zu jedem beliebigen Zeitpunkt die folgende Beziehung erfüllt ist: U 1 + U 2 + U 3 = 0. 18.5 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 400V herabgesetzt. Da bei den Verbrauchern unterschiedliche Belastungen der drei stromführenden Leiter L1, L2, L3 auftreten, ist im letzten Teil ein Neutralleiter N nötig. Haben alle Stromkreise den gleichen Widerstand, so folgt I = I 1 + I 2 + I 3 = 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 gleich- mäßige Belastung der Außenleiter angenommen, daher tragen die Hochspan- nungsmasten neben einem dünnen Blitzschutzseil drei (ev. sechs) stromführende Seile, aber keinen Neutralleiter, gegenüber drei einfachen Wechselstromkreisen wird 50% an Leitungsmaterial eingespart. Für Fernleitungen wird daher Dreh- strom verwendet. Im Niederspannungsnetz wird der Drehstrom für den Verbraucher so transfor- miert, dass zwischen jedem Außenleiter und dem Neutralleiter eine effektive Spannung von 230V liegt. Beim Kunden werden die einzelnen Geräte so ange- schlossen, dass eine möglichst gleichmäßige Belastung der drei Außenleiter er- reicht wird ( Sternschaltung , 18.3 links ). Drehstrom bietet für den Betrieb leistungsstarker Elektrogeräte folgenden Vorteil. Statt der Sternschaltung verwendet man für Großgeräte eine Dreieckschaltung , bei der die Spannung jeweils zwischen zwei Außenleitern abgegriffen wird. Die effektive Spannung beträgt dabei ( 18.3 rechts ) U 23,eff = U 2,eff sin 120° − U 3,eff sin 240° = 2 · 230V · sin 60° = 400V. Drei stromführende Leitungen und höhere Spannung ermöglichen, hohe Leistun- gen 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 Drehstromes liegt die Spannung U eff = 230V. Zwischen zwei Außenleitern des Drehstromes liegt die Spannung U eff = 400V. Kraftwerk L1 L1 L1 L2 L2 L2 L3 L3 L3 N 10 kV 380 kV 400 V Transformator Transformator Fernleitung Niederspannung Verbraucher 18.2 Die drei Wechselspannungen des Dreh- stroms addieren sich (bei gleichen Verbrau- chern) zur Gesamtspannung Null. Dieser Fall wird bei Fernleitungen angenommen, daher kann der Neutralleiter eingespart werden. U U 1 U 1 U 2 U 2 U 3 U 3 U U U 3 1 2 + = – Zeit t 2 3 π 18.3 Im Niederspannungsnetz liegt zwi- schen jedem Außenleiter und dem Neutrallei- ter eine Spannung von 230V (Sternschaltung), zwischen je zwei Außenleitern 400V (Drei- eckschaltung). 230 V 230 V 230 V 400 V 400 V 400 V Sternschaltung Dreieckschaltung L1 L2 L3 N 18.4 Versuch zum „Kurzschlussläufer“ 18.1 Modellversuch zur Fernleitung: Die 50-Ω-Widerstände stellen den Widerstand der Fernleitung dar, das 6-W-Lämpchen die ange- schlossenen Kunden. Im unteren Schaltbild sind zwei Spulenpaare als Transformatoren enthalten. 6 V~ 6 V~ 50 50 50 50 6 V/ 6 W 6 V/ 6 W W W W W 18 ELEKTRODYNAMIK Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv