Wie funktionieren Fernleitungen?
Hallo zusammen,
da ich morgen eine Physikarbeit schreibe und ein thema davon Fernleitungen sein wird brauche ich als absolute 0 in Physik dingens Hilfe! :)
-Meine allgemeine Frage ist wie funktionieren eigentlich Fernleitungen? (in einfacher Form bitte)
-Warum werden Aluminiumseile und Stahl-Aluminiumseile verwendet?
-Und warum kann man eine Leistung von 2MW also 2 Mio Watt nicht mit 230 V übertragen?
Ich wäre um schnelle Antworten sehr dankbar! :)
4 Antworten
Der Strom (einfache Betrachtung):
2 MW bei 380 kV ergeben einen Strom von 5,26 A
2 MW bei 230 V ergeben einen Strom von 8695 A
Ich glaube, der Vorteil liegt auf der Hand. Weniger Strom bedeutet weniger Übertragungsverluste. Die Leiterquerschnitte, Transformatoren, Schaltgeräte etc. können deutlich kleiner dimensioniert werden.
Der Leiter:
Der schlechtere Leitwert von Aluminium gegenüber dem von Kupfer wird durch das geringere Gewicht und den günstigeren Preis wettgemacht.
Ab einer bestimmten Abspann-Länge ist ein Trägermaterial mit höherer Festigkeit erforderlich. Das Stahlseil hat also eine "tragende" Funktion.
eine „Fernleitung“ ist entweder als 380kV Mehleiter Wechselstrom Leitung (mit 3 Außenleitern ohne Neutralpunkt) oder für kürzere Distanzen als 110kV Netz wie oben beschrieben ausgeführt.
In anderen Ländern auch 275 kV, 345 kV, 420 kV, 500 kV, 735 kV (seit 1965 Kanada), 750 kV (Russland zu angrenzende Staaten); 765 kV (seit 1967, Russland, USA, Kanada, Südafrika, Brasilien), 1100 kV (Japan), 1150 kV (Russland). Die beiden letzteren werden derzeit nur mit etwa der Hälfte der vorgesehenen Spannung betrieben
Es gibt auch Hochspannungs- Gleichstrom Übertragungsstrecken (HGÜ), die im Gegensatz zu obigen Wechselstromnetzen (die auf der Strecke an mehrere Übertragungsstationen angekoppelt sein können) meist ausschließlich eine Punkt zu Punkt Verbindung darstellen.
Für HGÜ Strecken sind die Spannungen: 400 kV, 450 kV, 500 kV, 600 kV (Itaipú nach Brasilien), 800 kV (China)
Stahl Aluminiumseile werden genommen, um ausreichende Zugfestigkeit zu erreichen und weil außerdem bei großen Querschnitten der innere Bereich des Durchmessers für die Stromübertragung nicht besonders gut genutzt werden kann (Verdrängungseffekt des Stromes nach außen). Mann nimmt daher ein Stahlseil (für die Tragfähigkeit), um das herum die Aluminiumseile für die Stromübertragung geflochten ist.
Eine Leistung von 2 MW würde an 230 Volt einen Strom von ca. 15.000 Ampere geben (3 Leiter Wechselstrom).
Dafür gibt es:
1.) keinen gängigen Leiterquerschnitt, der diesen Strom übertragen könnte, es müssten für jeden Außenleiter (zum Beispiel) 30 Kupferseile mit einem Querschnitt von jeweils 300mm² verlegt werden. Für einen Kilometer müssten also 60 Kupferseile mit je. 3000kg Kupfer = 180 Tonnen Kupfer verlegt werden.
2.) Kupfer hat am 1.4.2011 mit 721,51 Euro je 100 kg notiert. Alleine das Kupfer für eine 1km Strecke würde daher rund 1,3 Millionen Euro kosten. Eine Leitung dieser Art wäre extrem teuer.
3.) Kupfer als Leiter-Material hat zwar einen kleinen Widerstand, aber groß genug, dass daran Spannung abfällt, die beim Verbraucher dann fehlt. Wenn wir bei unserem Beispiel bleiben: ein einzelner 300mm² hat auf 1km Länge einen Widerstand von 0,0601 Ohm. Das Bündel mit 30 Seilen hat demnach 0,0601 Ohm geteilt durch 30 = 0,002 Ohm. Das scheint für den ersten Blick sehr wenig, wenn wir aber einen Strom von 15.000 Ampere darüber lassen, dann bekommen wir einen Spannungsabfall von 30 Volt. Trotz der enormen Investition hätten wir also schon nach einem Kilometer einen Verlust von 13%. Dabei ist 1km erst etwa ein Fünfhundertstel einer typischen Reichweite einer 380kV Leitung.
Natürlich gibt es auch an einer 380kV Leitung einen Spannungsabfall, bei 500 km könnten das sogar 15kV (wenn nicht neu umgespannt würde), aber 15kV an 380kV sind erst ca. 4% und das über die 500 fache Strecke,
Fließt ein Strom durch einen Widerstand, so fällt eine Spannung über den Widerstand ab.
U = R * I
R ist durch das Material , die Dicke und die Länge der Leitung definiert und konstant. Je größer I ist, desto mehr U entsteht. Und da Leistung P = U * I ist, entsteht also mit mehr Strom auch mehr Verlustleistung (Pv) in der Leitung.
Set´zt man das zusammen hat man:
Pv = U * I
Pv = (R * I) * I
Pv = R * I²
Man sieht dass die Verlustleistung quadratisch zunimmt, die Spannung auf der Leitung spielt keine Rolle.
Muss man eine gewisse Leistung übertragen (Pü), dann braucht man bei einer bestimmten Spannung einen bestimmten Strom denn Pü = U * I.
Anders herum ist I = Pü/U
Setzt man das zusammen hat man:
Pv = R * (Pü/U)²
Ist R (Leitung) und Pü (übertragene Leistung) konstant, sieht man, dass Pv (Verlustleistung) quadratisch mit der Spannung abnimmt!
Verdoppelt man die Spannung betragen die Verluste bei der selben Leitung nur noch 1/4!
Kupfer leitet den Strom nicht so viel besser als Aluminium. Macht man eine Aluleitung nur etwas dicker, kann die genau so viel Strom leiten. Nur bricht Alu wenn man es ständig verbiegt (verlängerungskabel) und es oxidiert sehr schnell was dann Klemmstellen schnell unbrauchbar macht. Da Aluminium viel billiger ist als Kupfer, ist es als Leitung viel wirtschaftlicher, erzeugt aber eine Menge an Problemen die man mit Kupfer nicht hat.
Auch ist eine Aluleitung für den selben Strom viel leichter als eine kupferleitung, man braucht viel weniger Strommasten (größerer Abstand) die auch nicht so stabil sein müssen. Außerdem lässt sich Kupfer sehr leicht strecken, die Leitungen würden durch durchhängen immer länger und nach kurzer Zeit auf dem Boden liegen. Auch Aluminium ist nicht stabil genug weswegen man Stahlseile zur verstärkung verwendet. Man braucht aber viel weniger Stahlseil um eine leichte Aluleitung zu unterstützen als eine schwere Kupferleitung.
Der Querschnitt einer Leitung ist proportional zum Strom, der hindurchfliessen soll.
Bei gleicher Leistung (Watt) ist der Strom umso kleiner, je höher die Spannung ist.
Formel: P = U * I ( P=Leistung, Watt ; U=Spannung, Volt ; I=Strom, Ampere)
Formel, umgestellt: U = P : I bzw. I = P : U
Beispiel: Es sollen 100.000 Watt pro Leiter angeschlossen werden.
Bei 230V wären es (100.000 : 230=434,78...) etwa 435 Ampere
bei 23.000V wären es (100.000 : 23.000=4,3478...) nur noch etwa 4,35 Ampere.
Es kann bei höherer Spannung also eine wesentlich dünnere Leitung verwendet werden, um die gleiche Leistung zu transportieren.
Aluminium ist etwa halb so leitfähig wie Kupfer. Eine Aluleitung muss also doppelt so dick sein, um eine Kupferleitung bei der gleichen Belastung zu ersetzen. Neben anderen physikalischen Nachteilen dürfte das der Hauptgrund sein, warum man für die Hausinstallation kein Alu mehr verwendet. (Zu Kriegszeiten tat man das vorübergehend, um mehr Kupfer für Kriegszwecke übrig zu haben.)
Im Erdreich oder bei Freileitungen ist ein grösserer Querschnitt aber unerheblich, deshalb verwendet man dort das wesentlich billigere Aluminium.
Eine Stahlseele erhöht die Zugfestigkeit, so können die Masten in grösseren Abständen aufgestellt werden. So ein Kabel hat ja auf die Länge gerechnet, ein erhebliches Eigengewicht und muss stabil genug sein, das eigene Gewicht zu tragen.
Auf galvanischem Weg wird das Eisen dabei sogar noch durch das Aluminium vor dem Verrosten bewahrt, bei Kupferseilen mit Stahlseele würde das Verrosten des Stahls hingegen sogar noch beschleunigt - aber das ist wohl wieder ein ganz anderes Kapitel...
Bei Freileitungen ist neben des geringeren Preises gegenüber Kupfer auch noch das geringere Gewicht des Aluminiums von Vorteil.
Das Rechenbeispiel oben soll nur das Prinzip verdeutlichen!
Bitte mit den gegebenen Werten selbst durchrechnen, also z.B. mit 2MW bei 380kV usw..
Noch eine kleine Korrektur: Aluleitungen müssen natürlich nicht doppelt so dick wie Kupferleitungen sein, sondern den doppelten Querschnitt haben, was nicht ganz das gleiche wäre.