Physik Thema Transformator und öffentliche Stromversorgung

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1 Thema Transformator und öffentliche Stromversorgung Im Januar/ Februar 2007 Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 1 von 8

2 INHALTSVERZEICHNES 1. TRANSFORMATOR AUFBAU UND FUNKTION WARUM WIRD MIT WECHSELSTROM ÜBERTRAGEN? WARUM WIRD MIT HOCHSPANNUNG ÜBERTRAGEN? 4 2. ÖFFENTLICHE STROMVERSORGUNG STROMERZEUGER VERBUNDSTROMNETZ (EUROPA) TRANSPORT HÖCHSTSPANNUNGSNETZ HOCHSPANNUNGSNETZ MITTEL- UND NIEDERSPANNUNGSNETZ NETZBETREIBER IN DEUTSCHLAND 7 3. QUELLENANGABEN 8 Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 2 von 8

3 1. Transformator In Kraftwerken wird elektrische Leistung mit Spannungen zwischen und Volt von Generatoren erzeugt. Da für die Übertragung von hoher Leistung sehr dicke Stromleiter erforderlich wären, wird die Spannung zum Transport über weite Strecken bis auf Volt herauftransformiert. Viele Haushaltsgeräte enthalten ebenfalls einen Transformator, der die Netzspannung von 230 Volt auf die Kleinspannung von zum Beispiel 12 Volt transformiert Aufbau und Funktion Ein Transformator besteht aus einem Eisenkern, auf den zwei elektrisch voneinander getrennte Spulen aus Kupferdraht gewickelt sind eine davon mit vielen, die andere mit wenigen Windungen. Legt man an die Spule mit der höheren Windungszahl eine hohe Spannung, dann entsteht zwischen den Anschlussklemmen der Spule mit den wenigen Windungen eine niedrigere Spannung. Will man dagegen eine niedrige Spannung in eine höhere transformieren, funktioniert das Prinzip genau umgekehrt: Man legt die niedrige Spannung an die kleine Spule und greift an den Klemmen der größeren die hohe Spannung ab. Hinter dem Transformatorprinzip steckt das wechselnde Magnetfeld, das von der angelegten Wechselspannung erzeugt wird und über den Eisenkern in der anderen Spule wiederum eine Wechselspannung erzeugt. Dabei entspricht das Verhältnis der Spannungen dem Verhältnis der Windungszahlen. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 3 von 8

4 1.2. Warum wird mit Wechselstrom übertragen? Dieses Prinzip funktioniert allerdings nur mit Magnetfeldern, die sich ständig ändern, mit so genannten Wechselfeldern, wie sie vom Wechselstrom erzeugt werden. Die Übertragung über weite Strecken wäre mit Gleichstrom nicht selten kostengünstiger, da für Wechselstrom bei gleicher Leistung wesentlich stärkere Leitungen benötigt werden. Doch Gleichstrom lässt sich nicht mit Transformatoren auf eine andere Spannungsebene bringen Warum wird mit Hochspannung übertragen? Zum Transport des Stromes werden aufgrund der Leitungslängen und des damit verbundenen Widerstandes sehr hohe Spannungen bei niedrigen Stromstärken genutzt. Die zum Stromtransport genutzten Spannungen reichen von bis zu Volt und sind für die meisten Verbraucher völlig ungeeignet. Auf diese Weise lassen sich allerdings sehr hohe Leistungen übertragen. Die Verluste in den Leitungen halten sich dabei in erträglichen Grenzen. Denn wird die Spannung erhöht, nimmt - gleich bleibende Leistung vorausgesetzt - die Stromstärke ab. Ein niedriger Wert bei der Stromstärke bedeutet aber automatisch: geringerer Verlust. In der nachstehenden vereinfachten Beispielrechnung werden die Zusammenhänge deutlich: Die elektrische Leistung kann mathematisch mit der Formel P = U * I (Leistung = Spannung * Stromstärke) berechnet werden. Berechnen wir nun durch umstellen der Formel die Stromstärke ergibt sich: I = P/U (Stromstärke = Leistung / Spannung) Daraus ergibt sich, dass bei gleich bleibender Leistung und steigender Spannung die Stromstärke sich verringert. Merke: Je höher die Spannung, desto geringer die Stromstärke! Der elektrische Widerstand ist unabhängig von Spannung und Stromstärke, sondern abhängig von Material, Querschnitt und Länge der Leitung. Hieraus kann man ableiten, dass bei steigender Stromstärke in einer Leitung sich die Leistung durch den Widerstand der Leitung verringert. Merke: Je geringer die Stromstärke, desto geringer die Leistungsverluste! Zur verlustarmen Energieübertragung in Hochspannungsleitungen werden daher Spannungen auf hohe Werte transformiert. Dabei wandelt der Transformator eines Kraftwerkes die Spannung auf bis zu 400 kv ( V) um, wodurch im Verbundnetz die Transportverluste geringer ausfallen und größere Leistungen übertragen werden können. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 4 von 8

5 2. Öffentliche Stromversorgung Die öffentliche Stromversorgung stellt sicher, dass die in einem Verbundsystem zusammengeschalteten Stromnetze die Versorgung der einzelnen Haushalte mit Strom sicherstellen. Vom Energieerzeuger bis zum Endverbraucher ist es allerdings ein weiter Weg, den der Strom zurückzulegen hat Stromerzeuger Strom kann auf unterschiedlichste Art und Weise erzeugt werden. Hierfür sind Kraftwerke erforderlich. Nachstehend sind einige Arten zur Stromerzeugung aufgeführt: Sonnenenergie Wasserkraft Windkraft Kernenergie Kohlekraft 2.2. Verbundstromnetz (Europa) Die großen Hoch- und Höchstspannungsleitungen der europäischen Länder sind zu einem gigantischen Stromnetz zusammengeschaltet. Hierin speisen alle Kraftwerke ihren produzierten Strom ein. Durch dieses Verbundsystem soll sichergestellt sein, dass bei plötzlich überhöhtem Bedarf an Strom oder bei Ausfall eines Stromerzeugers trotzdem die Versorgung sichergestellt ist. Man bezeichnet dies auch als redundant ausgelegtes Netz. Um innerhalb eines Landes verschiedenste Regionen mit Strom zu versorgen wird das Verbundsystem über so genannte Umspannwerke angezapft. Innerhalb der jeweiligen Regionen wiederum werden die Haushalte über örtliche Transformator-Stationen versorgt. Das so aufgebaute, engmaschige Netzwerk ist vergleichbar mit einem Spinnennetz. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 5 von 8

6 2.3. Transport Im heutigen Netz der Stromversorgung unterscheidet man vier Spannungsebenen: Höchstspannungsnetz (380 und 220 Kilovolt), Hochspannungsnetz (110 Kilovolt), Mittelspannungsnetz (meistens 20 oder 10 Kilovolt) Niederspannungsnetz (400/230 Volt). Die Höchstspannungsleitungen bilden im Netz der Stromversorgung gewissermaßen die Autobahnen. Die Hochspannungsleitungen lassen sich entsprechend mit Schnellstraßen vergleichen, die Mittelspannungsleitungen mit Bundesstraßen und die Niederspannungsleitungen mit Ortsstraßen. Die Leitungen aller Stromkreise zusammengenommen könnten mit einer Länge von 1,56 Millionen Kilometern rund vierzig Mal den Äquator umspannen Höchstspannungsnetz Das Höchstspannungsnetz verteilt den in den Großkraftwerken erzeugten Strom landesweit über die Höchstspannungsleitungen und nimmt am internationalen Stromaustausch teil Hochspannungsnetz Das Hochspannungsnetz versorgt Regionen, Ballungszentren und große Industriebetriebe Mittel- und Niederspannungsnetz Das Mittelspannungsnetz verteilt den Strom an die Transformatorstationen des Niederspannungsnetzes, aus dem wiederum Haushalte, Industrie, Gewerbe und Verwaltungen mit elektrischer Energie versorgt werden. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 6 von 8

7 2.4. Netzbetreiber in Deutschland Die Stromversorgung in Deutschland wird im Wesentlichen durch vier Netzbetreiber sicher gestellt. Die Netzbetreiber haben mit der Herstellung des Stromes nichts zu tun. Dies ist gesetzlich geregelt. Die Wesentlichen Aufgaben eines Netzbetreibers sind: die Instandhaltung und ggf. der Ausbau seiner Netze das Messen von Stromeinspeisung und Stromentnahme (Wer, wann, wie viel?) die Aufrechterhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Norm für die Spannung und Frequenz Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 7 von 8

8 3. Quellenangaben Internet: Literatur: Umwelt: Physik 9, Klett Verlag Brockhaus Lexikon Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 8 von 8

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