Wissenswertes über Strom

Stromnetz

Das Stromnetz ist ein weit gefasster Begriff und bezeichnet in der elektrischen Energietechnik ein Netzwerk aus elektrischen Stromleitungen wie Freileitungen und Erdkabeln und den dazugehörigen Einrichtungen wie Schalt-Umspannwerke und die daran angeschlossenen Kraftwerke und Verbraucher.

Große, räumlich benachbarte und elektrisch verbundene Stromnetze werden als Verbundnetz bezeichnet. Kleine, räumlich getrennte Stromnetze als Inselnetz. Elektrische Stromnetze in Fahr- und Flugzeugen werden als Bordnetze bezeichnet. Historische Begriffe für das Stromnetz sind Lichtnetz, da in der Anfangszeit elektrischer Stromnetze elektrische Energie bei Glühlampen zur Beleuchtung diente.

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Urheber: Stefan Riepl (
Quark48), Hintergrund weiss gefaerbt von Leon.

Stromnetze dienen der Versorgung der Verbraucher mit Strom und stellen die Verbindung mit den stromerzeugenden Kraftwerken auf unterschiedlichen Spannungsebenen her. Bei der Übertragung von hohen Leistungen können hohe Verluste entstehen, die durch hohe Spannungen verringert werden. Hierdurch sinken der erforderliche Querschnitt der Stromleitungen und der Aufwand für die Schalteinrichtungen. Das Stromversorgungsnetz umfasst üblicherweise vier Spannungsebenen. Das übergeordnete Höchstspannungsnetz ist in Europa in der Regel auf 400.000 Volt (entsprechend 400 kV) bzw. 230.000 Volt (230 kV) ausgelegt. Im Hochspannungsnetz sind 110 kV üblich. Im nachgelagerten Mittelspannungsnetz sind Spannungsstufen zwischen 1 kV und 30 kV gebräuchlich. Das Niederspannungsnetz wird mit 400 V für Dreiphasenwechselstrom und 230 V für Einphasenwechselstrom betrieben. Als Netzfrequenz ist in Europa 50 Hertz (Hz) gebräuchlich.

In anderen Ländern und Kontinenten haben sich andere Spannungsebenen oder Frequenzen in den Stromnetzen entwickelt. Eine höhere Spannung wird beispielsweise in Polen bei der 750-kV-Leitung Rzeszów–Chmelnyzkyj verwandt. Im Höchstspannungsbereich werden beispielsweise in Asien auf der Drehstromleitung Ekibastus–Kökschetau mit 1,15 MV eingesetzt. In Nordamerika ist im Niederspannungsbereich das Einphasen-Dreileiternetz mit 120 V und 240 V Netzspannung und einer Netzfrequenz von 60 Hz üblich.

Eine Besonderheit in Deutschland stellt das Stromnetz der Deutschen Bahn dar, das mit Einphasenwechselstrom bei einer Frequenz von 16,7 Hz betrieben wird. In der Frühzeit der Elektroantriebe für Lokomotiven Anfang des 20. Jahrhunderts konnte die Funkenbildung an der Drehverbindung (Kommutator) nur dadurch begrenzt werden, dass der Betrieb bei niedriger Frequenz erfolgte.

Freileitungsnetze zur Verteilung von Elektroenergie werden auch zur Nachrichtenübertragung eingesetzt, mittels Trägerfrequenzverfahren auf den Leiterseilen, über die Erdseile oder über mitverlegte Nachrichtenkabel (meist Glasfaserkabel)[1] Die Nachrichtenübertragung wird von den Energieversorgern selbst verwendet oder auch anderen Nutzern angeboten.

Elektrischer Strom

Der elektrische Strom ist die Verschiebung von elektrischer Ladung durch gerichtete Bewegung von Ladungsträgern. Im verallgemeinerten Sinn bezieht sich elektrischer Strom auch auf den Verschiebungsstrom, bei dem sich keine Ladungsträger bewegen, sondern sich der elektrische Fluss verändert. Dann wird unter dem elektrischem Strom die Gesamtheit der elektrischen Erscheinungen, die Ursache eines Magnetfeldes sind, verstanden.

Fließende Ladungsträger sind typischerweise Elektronen in einem Metall oder im Vakuum oder auch Ionen, z. B. in einem Elektrolyten oder einer Gasentladungslampe. Zu den Wirkungen des Stromes zählen magnetischethermische und chemische Wirkungen sowie Leuchterscheinungen in Gasen.

In der Fachsprache wird mit „Strom“ oft dessen Stärke bezeichnet, also die physikalische Größe Stromstärke mit dem Formelzeichen  und der Einheit Ampere, in der Umgangssprache wird meist die Übertragung von elektrischer Energie gemeint oder auch bloß die Möglichkeit dazu in Form einer unter Spannung stehenden Installation.

Begriffserklärung rund um den Strom

Um zu verstehen,welchen Anteil am Energieverbrauch eines Haushalts ein elektrisches Gerät hat, kommt man nicht darum herum, sich mit den wichtigsten physikalischen Begriffen rund um den Strom vertraut zu machen. Denn nicht selten erliegt man Irrtümern.

Entscheidend ist die Leistung, die in der Regel in Watt angegeben wird und das mathematische Produkt von Spannung und Stromstärke ist.

Am einfachsten vergleichen lässt sich das Zusammenspiel der verschiedenen Größen rund um den Strom mit den Eigenschaften des Wassers: Dabei entspricht die Wasserleitung der Stromleitung. Die Stromstärke (Ampere) entspricht der Wassermenge, die pro Zeiteinheit durchfließt, die Spannung dem Wasserdruck. Ist dieser hoch und die Leitung dick, füllt sich der Kübel schnell, was einer hohen Menge an transportierter Energie entspricht.

Watt (W): Leistung

Watt, häufig auch Kilowatt (1 kW = 1000 W) bezeichnen die maximale Leistung einer Maschine oder einer Glühbirne und sind vergleichbar mit den PS eines Autos (1 kW = 1,36 PS). Bei jedem Elektrogerät ist auf dem Typenschild die maximale Leistungsaufnahme angegeben. Namengeber für die Einheit Watt war der britische Erfinder James Watt (1736–1819).

Kilowattstunde (kWh): Verbrauch

Die Kilowattstunde ist die gebräuchlichste Maßeinheit für den Stromverbrauch. Eine Kilowattstunde entspricht der Energie, die eine Maschine mit der Leistung von 1000 Watt während einer Stunde umsetzt. Beispiel: Läuft ein Föhn mit 1000 W Leistung während einer Stunde, verbraucht er 1 kWh Energie.

Volt (V): Spannung

Die Bezeichnung Volt wird für die elektrische Spannung verwendet. Lampen und Geräte in unseren Breitengraden arbeiten üblicherweise mit einer Spannung von 230 Volt, Haushaltsgeräte mit besonders großer Heizleistung wie etwa ein Backofen oder ein Kochherd verwenden eine Spannung von 400 Volt. Häufig anzutreffen sind aber auch Lampen mit zwölf Volt Spannung wie die erwähnten Halogenlampen. Diese beziehen ihre Spannung nicht direkt vom Stromnetz, sondern benötigen einen Transformator zur Umwandlung. Namengeber für die Einheit Volt war der italienische Erfinder Alessandro Volta (1745–1827).

Ampere (A): Stromstärke

Die Einheit Ampere bezeichnet die elektrische Stromstärke. Sie gibt an, wie viel Strom durch eine elektrische Leitung fließt – analog der Durchflussmenge in einer Wasserleitung. Errechnet wird die elektrische Stromstärke aus der Spannung (V) und der Leistung (W). Die Formel lautet: 1 Ampere entspricht der Leistung von 1 Watt pro 1 Volt. Beispiel: Hat ein Föhn eine Leistung von 1000 Watt und wird an einer Steckdose mit 230 Volt Spannung betrieben, beträgt die elektrische Stromstärke rund 4,3 Ampere. Damit die Stromstärke in einer Leitung nicht zu groß wird und es beispielsweise zu einer Überhitzung kommt, sind Sicherungen eingebaut. Die in Haushalten üblichen Leitungen verfügen über eine Absicherung von zehn Ampere. Würden drei Föhne à 1000 Watt Leistung gleichzeitig am selben Stromkreis betrieben (total 13 A), würde die Sicherung auslösen. Namengeber für die Einheit Ampere ist der französische Physiker und Mathematiker André Marie Ampère (1775–1836).

Das Ampere [amˈpɛɐ̯] mit Einheitenzeichen  ist die SI-Basiseinheit der elektrischen Stromstärke und zugleich SI-Einheit der abgeleiteten Größemagnetische Durchflutung“. Obwohl man den Nachnamen des Namensgebers „Ampère“ mit accent grave schreibt, wird die SI-Einheit im deutschen und englischen Sprachraum üblicherweise ohne Akzent, also „Ampere“, geschrieben.

Seit 1948 wird das Ampere wie folgt über die Lorentzkraft (die Kraft, die eine bewegte Ladung in einem magnetischen oder elektrischen Feld erfährt) zweier Leiter aufeinander definiert:

1 A ist die Stärke des zeitlich konstanten elektrischen Stromes, der im Vakuum zwischen zwei parallelen, unendlich langen, geraden Leitern mit vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt und dem Abstand von 1 m zwischen diesen Leitern eine Kraft von 2·10−7 Newton pro Meter Leiterlänge hervorrufen würde.[2]

Ein Ampere entspricht einem Fluss von 1 Coulomb pro Sekunde durch den Leiterquerschnitt:

1 Ampere = 1 Coulomb pro Sekunde

Dies bedeutet einen Durchsatz von 6,24151·1018 (etwa 6 TrillionenElektronen pro Sekunde.

Elektrischer Widerstand

Der elektrische Widerstand ist in der Elektrotechnik ein Maß dafür, welche elektrische Spannung erforderlich ist, um eine bestimmte elektrische Stromstärke durch einen elektrischen Leiter (Widerstand) fließen zu lassen. Dabei sind Gleichgrößen zu verwenden oder Momentanwerte bei mit der Zeit veränderlichen Größen. Wenn die Spannung von einem Anschlusspunkt A zu einem Anschlusspunkt B gezählt wird und der Strom von A nach B fließt, dann ist der Widerstand eine positive Größe. Als Formelzeichen für den elektrischen Widerstand wird in der Regel  – abgeleitet vom Lateinischen resistere für „widerstehen“ – verwendet. Der Widerstand hat die SI-Einheit Ohm, ihr Einheitenzeichen ist das Ω (großes Omega).Verwandt mit dem Widerstand ist der spezifische elektrische Widerstand (Formelzeichen ). Bei dieser Größe handelt es sich um eine Materialkonstante (zu Einflussgrößen siehe unten). Sie ermöglicht eine von der geometrischen Form des ausgeführten Leiters unabhängige Beschreibung der Widerstandseigenschaft. Auf historische Zusammenhänge wird im Artikel „Ohmsches Gesetz“ eingegangen.

Transformator

Ein Transformator (von lat. transformare ‚umformen, umwandeln‘; auch Umspanner, kurz Trafo) ist ein Bauelement oder eine Anlage der Elektrotechnik.

Er besteht aus einem magnetischen Kreis – meist einem Ferrit- oder Eisenkern –, um den die Leiter mindestens zweier verschiedener Stromkreise so gewickelt sind, dass der Strom jedes Stromkreises mehrfach um den Kern herumgeführt wird. Legt man nun an eine dieser Wicklungen, auch Transformator-Spule genannt, eine Wechselspannung an, so stellt sich an der zweiten (und den evtl. weiteren vorhandenen) Wicklung(en) eine Wechselspannung ein, deren Höhe sich (im Leerlauffall) zu der ursprünglichen angelegten Spannung so verhält wie das Verhältnis der Windungszahlen der entsprechenden Wicklungen zueinander.

Hauptanwendungsgebiet von Transformatoren ist daher die Erhöhung oder Verringerung von Wechselspannungen. Gleichzeitig erfolgt eine galvanische Trennung der Stromkreise, außer beim Spartransformator. Transformatoren sind für die Stromversorgung unverzichtbar, da elektrische Energie nur mittels Hochspannungsleitungen über weite Entfernungen wirtschaftlich sinnvoll transportiert werden kann; der Betrieb von Elektrogeräten ist aber nur mit Nieder- und Kleinspannung praktikabel und sicher. Netztransformatoren befinden sich in nahezu allen Elektronikgeräten, denn in fast allen ist die Betriebsspannung von der Netzspannung verschieden

Transformatorenstation

In einer Transformatorenstation, auch UmspannstationNetzstationOrtsnetzstation oder kurz Trafostation genannt, wird die elektrische Energie aus dem Mittelspannungsnetz mit einer elektrischen Spannung von 10 bis 36 kV auf die in Niederspannungsnetzen(Ortsnetzen) verwendeten 400/230 Volt zur Versorgung der Niederspannungskunden transformiert (umgewandelt).

Bis Anfang der 80er Jahre wurden Umspannstationen in Freileitungsnetzen als Turmstationen ausgeführt. Anfangs wurden diese konventionell gemauert, ab den 60er Jahren wurden diese vermehrt in Fertigbauweise errichtet. Vereinzelt wurden Turmstationen bis Mitte der 80er Jahre errichtet. In Kabelnetzen wurden gemauerte ebenerdige Gebäude, ab Mitte der 60er Jahre auch Fertiggaragen, verwendet, die zur Trafostation ausgebaut wurden. Heute werden die Trafostationen in aller Regel als komplett gelieferte ebenerdige Fertigbaustationen mit sehr kleinen Grundflächen errichtet. Vor allem bei Trafostationen in Industriebetrieben, aber auch in städtischen Gebieten mit wenig freiem Raum oder wenn aus städtebaulichen Gründen keine Fertigbaugebäude gewünscht werden, werden Trafostationen nach wie vor in vorhandene bzw. neu errichtete größere Gebäude eingebaut. In ländlichen Gebieten werden seit den 50er Jahren Maststationen (vgl. Masttransformator) eingesetzt. Seit Beginn der 90er Jahre werden allerdings aus Gründen des Gewässerschutzes (keine Ölrückhaltevorrichtung), geringen Kostenvorteilen gegenüber Trafostationen in Kleinstausführung und aus optischen Gründen in Deutschland keine bzw. nur noch sehr vereinzelt Maststationen errichtet.


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