Physik (Freileitungen)?
Wenn man mit einem Trafo die Eingangsspannung hochtransformiert, warum ist dann der elektrische Verlust kleiner?
4 Antworten
Bei der Übertragung gibt es immer einen Verlust, weil auch die Leitung selber einen Widerstand darstellt und Spannung abbaut. Je mehr Strom durch einen bestimmten Widerstand fließen soll, desto mehr Spannung wird benötigt.
Der Verlust (Spannungsabfall) nimmt also mit steigender Stromstärke zu. Um die Verluste zu reduzieren, wird der Strom hochgespannt, sodass sich die gleiche Leistung (Produkt aus Spannung mal Strom) mit einer geringeren Stromstärke übertragen lässt.
Der Transformator ist ein Leistungsübertrager. Die Leistung ergibt sich aus der Spannung und dem Strom.
Strom ist die bewegte Ladung pro Zeit. Ein hoher Strom führt somit dazu, dass pro Zeiteinheit eine größere Menge an Ladungsträgern bewegt werden. Diese Bewegung von Teilchen hat einen engen Zusammenhang mit Wärme. Es hat zur Folge, dass mehr Kollisionen unterhalb der Teilchen entstehen und die erhöhte Bewegungsaktivität den reibungsloseren Fluss hemmt. Stell dir das wie eine Stau auf der Autobahn vor. Der Kanal für den Fluss hat also einen erhöhten Widerstand bekommen.
Was kann man jetzt tun? Eine Möglichkeit wäre, den Kanal dermaßen abzukühlen, sodass die Teilchen aus ihrer Hyperaktivität nachlassen und es zu deutlich verringerten Kollisionen kommt. Das würde aber absurd niedrige Temperaturen voraussetzen und wäre eine wirtschaftliche Katastrophe.
Die andere Möglichkeit ist, die bewegte Ladungsmenge pro Zeit, also den Strom an sich, zu verringern, was ebenfalls zu einer verringerten Kollisionsmenge führt. Das erreicht man, indem man die Spannung hochspannt.
Aber warum fließt denn einfach ein niedrigerer Strom dadurch? Wenn wir an eine Glühbirne einfach eine höhere Spannung anlegen, dann erhöht sich doch der Stromfluss auch?
Nun, Ja, das tut es, doch der Transformator ist ein Konstrukt aus Induktivitäten. Der Wechseltrom hier, der durch die Primärspule fließt, fließt nicht ebenfalls durch die Sekundärspule. Stattdessen erzeugt es ein wechselndes Magnetfeld, dass mit der Sekundärspule wechselwirkt und in dieser eine Spannung induziert, welches dann die Ursache für den Sekundärstrom ist. Erhöht man die Anzahl der Windungen auf der Sekundärseite im Vergleich zur Primärseite, dann erhöht sich auch der Potenzialunterschied zwischen dem Anfang und Ende der Sekundärwicklung. Die Ladungsmenge, die nun auf dieser Seite zu fließen vermag, kann jetzt nicht beliebig hoch sein, denn dafür bräuchte es auf der Primärseite eine erhöhte Kraft (Leistung), doch die erhöht sich nicht einfach so, sodass der Strom auf der Sekundärseite nun abhängig davon wird. Der Strom muss sich nun verringern, da die Spannung diktiert wird und die Leistung konstant bleibt (ideale Verhältnisse, vereinfacht).
Der verringerte Strom hat dann zur Folge, dass die Verluste bei langen Übertragungsstrecken verringert werden.
Hier spielt die Physik aber noch einen Streich, denn zwischen Leiter und Erde bilden sich aufgrund der elektrischen Felder Kapazitäten, über denen dann ein kapazitiver Ladestrom fließt und auch zu den Leitungsverlusten gehört. Dieser Strom erhöht sich mit zunehmender Spannung. u.a. deswegen werden Freileitungen möglichst weit hochgehangen, damit sich die Kapazität ggü. Erde verringert (je größer der Plattenabstand eines Kondensators, umso geringer die Kapazität.
Das ist übrigens der Hauptgrund, warum der Trend bei weiten Übertragungsstrecken zur Hochspannungsgleichstromübertragung geht, denn bei 0 Hz hat man hier auch Null Kapazitäten und Induktivitätsverluste.
Man verwendet auf langen Übertragungsleitungen eine hohe Spannung um die Verluste gering zu halten. Durch die höhere Spannung wird der Strom auf der Leitung kleiner. Damit wird auch der Spannungsabfall am Leitungswiderstand geringer und damit auch die Leistung die als Wärme von der Leitung abgestrahlt wird.
Wie kann man das mithilfe einer Gleichung erklären?
P=I²*R, P ist die Verlustleistung, I ist der Strom in der Leitung, R ist der Leitungswiderstand.
Je größer die Spannung, desto geringer sind Strom und Verlustleistung bei gleichem Querschnitt und Leitungswiderstand.
Leistung = Spannung X Strom (X cos phi)
wenn die Spannung hundertmal höher ist, dann kan der Strom für gleiche Leistung hundertmal kleiner sein.
und dann sind die Verluste durch den Widerstand der Freileitung viel kleiner.
Der Transformator ist ein Leistungsübertrager. Die Leistung ergibt sich aus der Spannung und dem Strom.
Strom ist die bewegte Ladung pro Zeit. Ein hoher Strom führt somit dazu, dass pro Zeiteinheit eine größere Menge an Ladungsträgern bewegt werden. Diese Bewegung von Teilchen hat einen engen Zusammenhang mit Wärme. Es hat zur Folge, dass mehr Kollisionen unterhalb der Teilchen entstehen und die erhöhte Bewegungsaktivität den reibungsloseren Fluss hemmt. Stell dir das wie eine Stau auf der Autobahn vor. Der Kanal für den Fluss hat also einen erhöhten Widerstand bekommen.
Was kann man jetzt tun? Eine Möglichkeit wäre, den Kanal dermaßen abzukühlen, sodass die Teilchen aus ihrer Hyperaktivität nachlassen und es zu deutlich verringerten Kollisionen kommt. Das würde aber absurd niedrige Temperaturen voraussetzen und wäre eine wirtschaftliche Katastrophe.
Die andere Möglichkeit ist, die bewegte Ladungsmenge pro Zeit, also den Strom an sich, zu verringern, was ebenfalls zu einer verringerten Kollisionsmenge führt. Das erreicht man, indem man die Spannung hochspannt.
Aber warum fließt denn einfach ein niedrigerer Strom dadurch? Wenn wir an eine Glühbirne einfach eine höhere Spannung anlegen, dann erhöht sich doch der Stromfluss auch?
Nun, Ja, das tut es, doch der Transformator ist ein Konstrukt aus Induktivitäten. Der Wechseltrom hier, der durch die Primärspule fließt, fließt nicht ebenfalls durch die Sekundärspule. Stattdessen erzeugt es ein wechselndes Magnetfeld, dass mit der Sekundärspule wechselwirkt und in dieser eine Spannung induziert, welches dann die Ursache für den Sekundärstrom ist. Erhöht man die Anzahl der Windungen auf der Sekundärseite im Vergleich zur Primärseite, dann erhöht sich auch der Potenzialunterschied zwischen dem Anfang und Ende der Sekundärwicklung. Die Ladungsmenge, die nun auf dieser Seite zu fließen vermag, kann jetzt nicht beliebig hoch sein, denn dafür bräuchte es auf der Primärseite eine erhöhte Kraft (Leistung), doch die erhöht sich nicht einfach so, sodass der Strom auf der Sekundärseite nun abhängig davon wird. Der Strom muss sich nun verringern, da die Spannung diktiert wird und die Leistung konstant bleibt (ideale Verhältnisse, vereinfacht).
Der verringerte Strom hat dann zur Folge, dass die Verluste bei langen Übertragungsstrecken verringert werden.
Hier spielt die Physik aber noch einen Streich, denn zwischen Leiter und Erde bilden sich aufgrund der elektrischen Felder Kapazitäten, über denen dann ein kapazitiver Ladestrom fließt und auch zu den Leitungsverlusten gehört. Dieser Strom erhöht sich mit zunehmender Spannung. u.a. deswegen werden Freileitungen möglichst weit hochgehangen, damit sich die Kapazität ggü. Erde verringert (je größer der Plattenabstand eines Kondensators, umso geringer die Kapazität.
Das ist übrigens der Hauptgrund, warum der Trend bei weiten Übertragungsstrecken zur Hochspannungsgleichstromübertragung geht, denn bei 0 Hz hat man hier auch Null Kapazitäten und Induktivitätsverluste.
Kurz und knapp und gut.