32 19 Transport elektrischer Energie durch Hochspannung Von den Generatoren der Elektrizitätswerke wird im Allgemeinen eine Spannung von mehreren tausend Volt erzeugt. Diese Spannung ist jedoch für die Endabnehmerinnen und Endabnehmer viel zu gefährlich (Abb. 19.1). Soll aber eine große Leistung P bei niedriger Spannung U über weite Strecken übertragen werden, so ist nach der Gleichung P = U · I dazu eine hohe Stromstärke I erforderlich. Diese führt jedoch zu einer starken Erwärmung der Leitungen. Damit diese Wärmeverluste möglichst klein bleiben, könnte man zwar sehr dicke Drähte verwenden, doch würden dann die Leitungen viel zu schwer und zu teuer werden. Daher kann also eine große Leistung ohne große Verluste nur bei hoher Spannung und niedriger Stromstärke übertragen werden. Demonstrationsversuch: Eine Glühlampe für 10 V wird an ein Netzgerät für Wechselspannung angeschlossen, sodass sie leuchtet. Dann werden zwei Widerstände von je 500 Ω in den Stromkreis geschaltet. Wir beobachten, dass die Lampe nicht mehr leuchtet. Nun wird die Spannung von 10 V an die Primärspule eines Trafos mit einem Übersetzungsverhältnis von etwa 20 : 1 angelegt. Von der Sekundärseite leitet man den Strom über die Widerstände weiter zu einem Transformator mit dem umgekehrten Übersetzungsverhältnis. An seine Sekundärspule wird die Glühlampe angeschlossen. Sie leuchtet nach dem Schließen des Stromkreises wieder (Abb. 19.2). Die beiden Widerstände sollen den ohmschen Widerstand der Fernleitung (Überlandleitung) zwischen E-Werk und Verbraucher darstellen. Bei einer Spannung von 10 V liegt an der Glühlampe nur mehr eine sehr geringe Spannung und die Stromstärke sinkt so weit ab, dass die Glühlampe nicht mehr leuchtet. Durch das Dazwischenschalten der beiden Transformatoren wird erreicht, dass trotz des Widerstandes von 1 kΩ für die Lampe fast die ursprüngliche Spannung von 10 V zur Verfügung steht. Die im Generator eines Kraftwerks erzeugte Spannung wird im angeschlossenen Umspannwerk möglichst hoch hinauf transformiert, in Österreich bis 380 000 V = 380 kV. Dadurch kann die elektrische Energie über Fernleitungen mit relativ geringen Verlusten zu den Verbrauchern gebracht werden. Dort wird sie in mehreren Stufen auf die Netzspannung von 230 V herunter transformiert (Abb. 20.3). Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 19.1 Warum ist in einer Fernleitung die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie bei hohen Spannungen geringer? 19.2 Warum kann man die Verluste in einer Fernleitung nicht durch Herabsetzen des Leitungswiderstandes ausreichend verringern? Warum benötigt man 380 kV-Leitungen? 19.2 Modellversuch zur Fernleitung des elektrischen Stroms mit 10 V Wechselspannung 500 Ω 500 Ω Ersatzwiderstände für eine lange Freileitung 10 V 10 V 1. Versuch Die Lampe wird direkt am Netzgerät angeschlossen: Die Lampe leuchtet. 2. Versuch Die Lampe wird über zwei Widerstände am Netzgerät angeschlossen: Die Lampe leuchtet nicht. 19.1 Bei hohen Spannungen kann es zu einem Funkenüberschlag kommen – wie hier in einem Umspannwerk. In Fernleitungen wird die elektrische Energie bei hohen Spannungen und verhältnismäßig niedrigen Stromstärken übertragen. Dadurch wird weniger elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Die Übertragung der elektrischen Energie erfolgt in Österreich über ein Netz von Hochspannungsleitungen (bis 380 kV) und Niederspannungsleitungen (230 V). 500 Ω 500 Ω 10 V N = 600 1 N = 12 000 1 N = 12 000 2 N = 600 2 3. Versuch Die Versorgung der Lampe erfolgt über eine „Hochspannungsleitung“: Die Lampe leuchtet. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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