Stromversorgungsnetze

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Einleitung

Stromversorgungsnetze, Systeme zur Umwandlung anderer Energieformen in elektrische Energie und zur Übertragung dieser Energie zum Verbraucher.

Hinsichtlich der Kosten pro übertragener Energieeinheit hat die Energieübertragung in Form von elektrischem Strom bedeutende wirtschaftliche Vorteile (Siehe Elektromotoren und Generatoren). Stromversorgungsnetze ermöglichen auch die Nutzung von Wasserkraft über größere Distanzen. Moderne Stromversorgungsnetze arbeiten mit Wechselstrom, da dessen Spannung mit Hilfe von Transformatoren leicht erhöht oder verringert werden kann. Somit kann jeder Teil des Systems mit der geeigneten Spannung betrieben werden. Ein Stromversorgungsnetz besteht aus sechs Hauptelementen: (1) dem Kraftwerk, (2) den Transformatoren, welche die erzeugte Spannung auf die hohen Spannungen der Hochspannungsnetze transformieren, (3) den Hochspannungsleitungen, (4) den Transformatoren, welche die Spannung der Mittelspannungsnetze erzeugen, (5) den Mittelspannungsnetzen und (6) den Transformatoren, welche die vom Verbraucher benötigte Spannung erzeugen.

Ende Februar 1998 wurde erstmals ein Hochspannungsgenerator der Öffentlichkeit vorgestellt. Dieses Gerät ist in der Lage, elektrischen Strom ohne Transformatoren direkt ins Hochspannungsnetz einzuspeisen. Der neuartige Generator vermag Spannungen von 20 000 bis 400 000 Volt zu erzeugen.

In typischen Systemen erzeugen die Generatoren der Kraftwerke Spannungen bis 26 000 Volt. Höhere Spannungen sind wegen der komplizierten Isolierung und des Risikos, dass Störungen und Schäden auftreten, unerwünscht. Diese Spannung wird mit Transformatoren auf Spannungen von 138 000 Volt bis 765 000 Volt für die Übertragung auf den Hochspannungsnetzen erhöht. Je höher die Spannung ist, desto geringer ist die Stromstärke und folglich der zum Quadrat der Stromstärke proportionale Energieverlust. In Umspannwerken wird die Spannung auf 69 000 Volt bis 138 000 Volt verringert, um die Übertragung auf den Mittelspannungsnetzen zu ermöglichen. Schließlich wird die Spannung noch einmal mit Transformatoren auf die verschiedenen Verbrauchsspannungen reduziert. Die Schwerindustrie benötigt üblicherweise 33 Kilovolt (ein Kilovolt oder kV entspricht 1 000 Volt), Eisenbahnen benötigen 15 bis 25 Kilovolt. Für andere Verbraucher wird die Spannung weiter reduziert: Für Gewerbebetriebe benötigt man etwa 415 Volt, Haushalte in manchen Ländern 240 Volt, in anderen 220 oder 110 Volt.

Die Entwicklung von Hochspannungsgleichrichtern ermöglicht die wirtschaftlich sinnvolle Umwandlung von Hochspannungswechselstrom in Hochspannungsgleichstrom zur Energieübertragung. Dadurch werden kapazitive und induktive Verluste (siehe unten) bei der Übertragung vermieden.

Das Kraftwerk eines Stromnetzes besteht aus einer primären Antriebseinheit, wie z. B. einer Wasser- oder Dampfturbine, die einen elektrischen Generator antreibt. Der weltweit größte Teil der elektrischen Energie wird mit Hilfe von Dampf produziert, der wiederum durch Kohle, Öl, Kernenergie oder Gas erzeugt wird. Geringere Mengen an elektrischer Energie werden mit Wasserkraft, Dieselmotoren oder anderen Verbrennungsmotoren produziert.

Die Leitungen der Hochspannungsnetze bestehen gewöhnlich aus Kupfer- oder Aluminiumdraht oder aus Stahl, der mit Kupfer bzw. Aluminium ummantelt ist. Die Leitungen sind mit Isolatoren aus Porzellan an hohen Gittermasten aus Stahl befestigt. Durch die Verwendung von ummanteltem Stahldraht und hohen Masten kann der Abstand zwischen den Masten vergrößert werden, wodurch sich die Leitungskosten verringern. Moderne Hochspannungsleitungen, die gerade verlaufen, kommen mit weniger als vier Masten pro Kilometer aus. In Städten und anderen Gebieten, in denen offene Leitungen eine Gefahr darstellen, werden für die Stromverteilung isolierte Erdkabel verwendet. Einige dieser Kabel besitzen einen Hohlraum, in dem Öl unter geringem Druck zirkuliert. Das Öl gewährleistet einen vorübergehenden Schutz vor Wasserschäden, wenn ein Leck im Kabel auftritt. Röhrenartige Kabel, in denen mehrere Kabel in einer Röhre eingeschlossen sind, in der sich unter hohem Druck (etwa 15 Atmosphären) stehendes Öl befindet, werden für Stromleitungen mit Spannungen bis 345 Kilovolt verwendet.

Jedes Stromversorgungsnetz besitzt eine große Menge zusätzlicher Einrichtungen für den Schutz der Generatoren, Transformatoren und Leitungen. Das Netz besitzt häufig auch Vorrichtungen, welche die an den Verbraucher abgegebene Spannung regulieren und den Leistungsfaktor des Netzes korrigieren (siehe unten).

Um alle Teile eines Netzes vor Kurzschlüssen und zu hohen Stromstärken zu schützen und um normale Schaltvorgänge zu ermöglichen, werden Stromkreisunterbrecher verwendet. Diese Unterbrecher sind große Schalter, die im Fall ein Kurzschlusses oder unter anderen Bedingungen, die ein plötzliches Ansteigen der Stromstärke zur Folge haben, automatisch betätigt werden. Da im Augenblick der Stromkreisunterbrechung zwischen den Enden des Schalters ein Lichtbogen gebildet wird, sind einige große Schalter (wie sie z. B. zum Schutz von Generatoren oder von Teilen einer Hochspannungsleitung verwendet werden) in einem flüssigen Dielektrikum wie Öl untergebracht, um den Lichtbogen zu unterdrücken. Bei großen Schaltern, die in Luft oder in Öl arbeiten, werden Magnetfelder eingesetzt, um den Lichtbogen zu unterbrechen. Kleine Stromkreisunterbrecher werden in Läden, Fabriken und modernen Hausinstallationen verwendet. Bei elektrischen Installationen in Wohnhäusern wurden früher für den gleichen Zweck gewöhnlich Sicherungen verwendet. Eine Sicherung besteht aus einem Stück Legierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt. Sie wird in den Stromkreis geschaltet und schmilzt, wenn die Stromstärke über einen bestimmten Wert ansteigt, wodurch der Stromkreis unterbrochen wird.

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Stromausfall

Fast überall auf der Welt haben sich lokale oder nationale Stromerzeuger zu Verbundnetzen zusammengeschlossen. Die Verbundnetze ermöglichen den Stromaustausch. Jeder teilnehmende Stromerzeuger gewinnt an Reservekapazität, kann größere und effizientere Generatoren einsetzen und durch den Verbund lokale Stromausfälle kompensieren.

Diese Verbundnetze sind große, komplexe Systeme, deren Elemente von verschiedenen Gruppen betrieben werden. Sie bieten wirtschaftliche Gewinnchancen, vergrößern aber das Risiko eines großflächigen Stromausfalls. Ein großer Stromausfall („Blackout”) in einem Verbundsystem ereignete sich am 9. November 1965 im Osten von Nordamerika, als in Ontario eine automatische Steuervorrichtung ausfiel, die den Stromfluss regulierte, wodurch ein Stromkreisunterbrecher offen blieb. Dadurch stieg die Stromstärke im Nordosten der Vereinigten Staaten an, was zur Folge hatte, dass Generatoren automatisch abgeschaltet wurden. Dieser Leistungsverlust wurde durch weiter südlich gelegene Kraftwerke ausgeglichen: Diese wurden überlastet und schalteten sich ebenfalls automatisch ab. Schließlich kam es auf einem Gebiet von über 200 000 Quadratkilometern zum Stromausfall. Als Schutz gegen Stromausfall verfügen Krankenhäuser, öffentliche Gebäude und andere Einrichtungen, die von Strom abhängig sind, über Notstromaggregate.

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Spannungsregulierung

Induktivität (siehe Induktion), Kapazität und Widerstand langer Stromleitungen sind beachtlich. Wenn Strom fließt, haben Induktivität und Kapazität der Leitung zur Folge, dass sich bei einer Änderung der Stromstärke auch die Spannung ändert. Somit ändert sich die Versorgungsspannung lastabhängig. Zur Vermeidung dieser unerwünschten Schwankung werden verschiedene Geräte verwendet. Diese Spannungsregulierung kann durch Induktionsregler und Dreiphasen-Synchronmotoren (auch Synchronkondensatoren genannt) erreicht werden. Beide verändern die effektive Größe der Induktivität und der Kapazität im Stromkreis. Induktivität und Kapazität reagieren mit der Tendenz, sich gegenseitig aufzuheben. Wenn ein Ladungskreis mehr Induktivität besitzt als kapazitive Reaktion, wie es in großen Stromnetzen fast unvermeidlich ist, ist die Abgabeleistung bei einer gegebenen Spannung und Stromstärke geringer, als wenn die beiden gleich sind. Das Verhältnis dieser beiden Leistungsgrößen wird als Leistungsfaktor bezeichnet. Da die Leitungsverluste der Stromstärke proportional sind, wird die Kapazität des Stromkreises möglichst erhöht, bis der Leistungsfaktor so nahe wie möglich bei eins liegt. Aus diesem Grund besitzen Stromversorgungsnetze häufig große Kondensatoren.

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Weltstromerzeugung

In der Zeit von 1950 bis 1990 stiegen jährlich Weltstromerzeugung und -verbrauch von etwas weniger als einer Billion (eine Million Millionen) Kilowattstunden (kWh) auf mehr als 11,5 Billionen Kilowattstunden. Ein Wandel vollzog sich auch bei der Stromerzeugung. 1950 stammten etwa zwei Drittel des Stromes aus thermischen (Dampf erzeugenden) Kraftwerken und etwa ein Drittel aus Wasserkraftwerken. 1990 produzierten thermische Kraftwerke immer noch zwei Drittel des elektrischen Stromes, der Anteil der Wasserkraft ist jedoch auf knapp 20 Prozent gesunken. Kernkraft erzeugt etwa 15 Prozent der Gesamtmenge. Der Zuwachs an Kernenergie hat sich in manchen Ländern aufgrund von Sicherheitsbedenken bereits verringert. Frankreich ist weltweit führend bei der Nutzung von Kernenergie: Hier liegt der Anteil bei etwa 75 Prozent.