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Vom Kraftwerk zum Verbraucher

Ein Film von Wolfgang Voelker & Anita BachBeitrag: Anita Bach & Josef Moosmüller

Inhalt

Der Strom, der zu Hause aus der Steckdose kommt, muss auf seinem Weg vom Kraftwerk zum Verbraucher verschiedene Leitungen und Umspannstationen passieren. Im Film wird dieser Weg immer wieder mit einer Autoreise vergli-chen. Die Autobahnen entsprechen dabei den Hochspannungsleitungen, die Bundesstraßen dem Mittelspannungsnetz und die Ortsstraßen dem Ortsnetz.

Am Beginn des Films stehen einige nächtliche Szenen auf dem Münchner Oktoberfest die ver-schiedene Wirkungen des elektrischen Stroms an seinem Verbrauchsort zeigen.

Am Beispiel des Wasserkraftwerkes Töging am Inn wird auf das Prinzip der Stromgewinnung aus Wasserkraft eingegangen.

Der Ferntransport des Stroms geschieht bei Hochspannung, d. h. bei 380 kV oder 220 kV über entsprechende Hochspannungsleitungen. In verschiedenen Umspannwerken wird die Span-nung von geeigneten Transformatoren erst auf 110 kV, dann auf 20 kV oder 10 kV und schließ-lich auf 400 V bzw. 230 V transformiert. Ein Film-trick veranschaulicht das Leitungsnetz Bayerns.

In einem Haus auf dem Land wird die Systematik des Hausanschlusses verdeutlicht: Dachständer, Hausanschlusskasten mit Elefantensicherungen, Verteilerkasten mit Zähler und Sicherungen, Steckdosen, Lichtanschlüsse, Drehstroman-schluss (Herd). Der Film endet mit einer elektri-schen Eisenbahn: Im Spiel verfolgen Kinder noch einmal den Weg des Stromes.

Fakten

1. Stromversorgung und Verteilung der elek-trischen Energie

Stromversorgung ist der Sammelbegriff für alle Einrichtungen und Vorgänge, die der Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie dienen. Die von den verschiedenen Abnehmergruppen (In-dustrie, Handel, Gewerbe, Haushalt u. a.) benö-tigte elektrische Energie wird in Kraftwerken er-zeugt und über Hoch- und Niederspannungsnet-ze den Verbrauchern zugeführt (mittels Freilei-tungen oder Kabel).

Im Allgemeinen reichen die in den Generatoren der Kraftwerke technisch möglichen Maschinen-spannungen (maximal rd. 20 kV) nur für nahe, meist industrielle Abnehmer aus.

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In der Regel erfolgt die Verteilung elektrischer Energie (meist als Drehstrom) von den Kraftwer-ken zu den verschiedenen Abnehmergruppen über mehrere Spannungsebenen. Je nach Größe der zu transportierenden Leistung, nach der Transportentfernung und der Aufgabe der Über-tragungsleitung kommen für den Leistungstrans-port Spannungen verschiedener Höhe in Frage: Im Rahmen des Verbundbetriebes genügten hierfür vor dem Zweiten Weltkrieg in der Regel Spannungen von 110 kV; mit dem stark wach-senden Energiebedarf nach dem Kriege entstan-

den ausgedehnte Netze von 220 kV und später von 380 kV für die Energieübertragung.

Dabei stiegen die übertragbaren elektrischen Leistungen stärker als die Spannungen, weil ers-tere mit dem Quadrat der Übertragungsspannung zunehmen. Im Wesentlichen werden Freileitun-gen eingesetzt; wegen der sehr hohen Kosten für Kabel solch hoher Spannungen beträgt deren Anteil weniger als 5%. Für die Versorgungsleitun-gen in unmittelbarer Nähe großer Städte oder di-rekt in den Städten werden heute zunehmend Zubringerleitungen mit hohen Spannungen erfor-derlich; so beträgt die übergeordnete Span-nungsebene in vielen Großstädten schon 110 kV.

2. Anpassung der Energieerzeugung und -verteilung an den Verbrauch

Die Erzeugung und Verteilung elektrischer Ener-gie über Schaltanlagen und Transformatoren kann in wirtschaftlicher Weise nur erfolgen, wenn Einrichtungen zum Messen und Regeln der Leis-tung, zur Betriebsrationalisierung und Betriebssi-cherung vorhanden sind. Hierzu gehören vor al-lem Mess- und Regelgeräte, Fernwirkanlagen, Schutzvorrichtungen gegen Kurzschluss, Erd-schluss und Überspannungen. Erhebliche Be-deutung kommt hierbei auch dem Problem der Anpassung der erzeugten Leistung an den von den Verbrauchern bestimmten Energiebedarf zu.

Mit dem Gleichzeitigkeitsfaktor lässt sich bei ver-zweigten Versorgungsanlagen das Verhältnis der dem Kraftwerk gleichzeitig entnommenen Leis-tung zur Summe der bei den Abnehmern instal-lierten Höchstleistung berechnen.

Der Verbrauch elektrischer Energie während ei-nes bestimmten Zeitraumes folgt einem typi-schen Rhythmus: Zeiten hohen gleichzeitigen Verbrauchs wechseln mit solchen schwachen Verbrauchs. Diesem Rhythmus müssen sich die Kraftwerke anpassen. Nur Laufwasser- und Braunkohlekraftwerke sowie Kernkraftwerke fah-ren gleichbleibende Grundlast; Speicherkraftwer-ke z. B. laufen nur in Spitzenlastzeiten. Hierbei kommt dem Verbundbetrieb besondere Bedeu-tung zu; bei diesem werden die Kraftwerke meh-rerer Versorgungsbereiche über Leitungen mit-einander verbunden, so dass im Falle von Schwierigkeiten in der Energieversorgung (z. B. in Zeiten der Spitzenlast) oder bei teilweisem Ausfall von Maschinen in einem der Kraftwerke die anderen Kraftwerke vorübergehend die Ver-sorgung mit übernehmen können. Außerdem braucht nicht jedes Kraftwerk mit einer vollen Leistungsreserve wie beim Inselbetrieb versehen zu werden.

Die Überwachung des Betriebsablaufs bei der Stromversorgung, der zweckmäßige und wirt-

schaftliche Einsatz der Kraftwerke entsprechend dem Bedarf der angeschlossenen Verbraucher, das Eingreifen bei plötzlich auftretenden Lastver-schiebungen oder Netzzusammenbrüchen ge-schieht in zentralen Netzwarten (Lastverteiler-warten) durch den sog. Lastenverteiler (in der Regel ein Ingenieur).

3. Gefahren beim Berühren spannungsführen-der Teile

Alle betriebsmäßig unter Spannung stehenden Teile elektrischer Anlagen und Betriebsmittel

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werden grundsätzlich so isoliert oder abgedeckt, dass sie nicht berührt werden können. Tritt ein Isolationsfehler auf, können leitfähige Teile (z. B. das Gehäuse eines Motors, einer Metalltischlam-pe) ebenfalls Spannung gegen Erde annehmen, die bei Berührung durch einen Menschen einen lebensgefährlichen Strom zur Folge haben kann. Man nennt diese Spannung (U B) Berührungs-spannung (siehe folgende Abbildung), die auf Bezugserde bezogene Spannung (U F) die Feh-lerspannung.

Die Stärke des vom menschlichen Körper abge-leiteten Stromes ist vom Körperwiderstand des Menschen abhängig. Dieser ist individuell sehr unterschiedlich groß (trockene Hände, feuchte Hände, Beschaffenheit des Schuhwerkes, des Bodens u. a. können Einfluss haben). Rechnet man mit einem mittleren Wert von etwa 3.300 Ohm, dann beträgt nach dem Ohmschen Gesetz die Stromstärke im menschlichen Körper rund 20 mA. Dieser Wert kann gerade noch als zulässig angesehen werden. Bei 50 mA kann Lebensge-fahr bestehen; 100 mA führen in der Regel zum Tod (Herzkammerflimmern).

4. Maßnahmen ohne Schutzleiter und ohne Abschaltung im Fehlerfall

Schutzisolierung: Alle der Berührung zugängli-chen, nicht zum Betriebsstromkreis gehörenden Metallteile, die ihm Fehlerfalle Spannung gegen Erde annehmen können, werden durch eine zu-sätzliche äußere Isolierung abgedeckt, so dass sie keine Spannung annehmen können. Schutzi-solierte Betriebsmittel tragen nach VDE folgen-des Kennzeichen. (Grafik) Die Schutzisolierung findet Anwendung bei Haushaltgeräten, Schalter-griffen, Schaltern, Steckdosen; sie ist zwar die beste Schutzmaßnahme, aber auch teuer (des-halb ist sie für große Geräte oder Anlagen wirt-schaftlich nicht vertretbar).

Kleinspannungen: Beträgt die Nennspannung zwischen beliebigen Leitern nicht mehr als 42 V, dann ist die Gefahr einer gefährlichen Berüh-rungsspannung nicht gegeben. Die Kleinspan-nungen unter 42 V werden mit Transformatoren, Gleichrichtern oder Umformern, Akkumulatoren und galvanischen Elementen erzeugt. Kleinspan-nungen sind vorgeschrieben für Fassausleuch-ten, Backofenleuchten, Spielzeug (bis 24 V), für Handleuchten in Kesseln, Behältern, Rohrleitun-gen u. a. Bei größeren Leistungen und Leitungs-längen kann die Kleinspannung aus wirtschaftli-chen Gründen nicht mehr angewendet werden.

5. Maßnahmen mit Schutzleiter und Abschal-tung im Fehlerfall

Nullung: Diese Maßnahme wird am meisten an-gewendet; sie erfordert einen unmittelbar geerde-ten Sternpunkt des Transformators sowie einen Nulleiter (Mittelpunkts- oder Mp-Leiter). Gegen Berührungsspannung zu schützende, leitfähige Metallteile werden über einen Schutzleiter an den Nulleiter angeschlossen. Jeder Körperschluss wird dann ein Kurzschluss, d. h. die Widerstände im Fehlerstromkreis bleiben klein, weil der Feh-lerstrom nicht mehr über Erde zurückfließt, son-dern über Leitungen, deren Widerstände klein sind (wenn sie richtig bemessen werden). Der er-forderliche Wert des Abschaltstromes für die Si-cherungen wird dann immer erreicht.

Fehlerstromschutz (FI-Schaltung): Die Zulei-tungen zum zu schützenden Betriebsmittel wer-den über einen Summenstromwandler mit vier Primärwicklungen mit den Phasen R, S, T und Mp geführt. Sekundärseitig ist eine Wicklung vor-handen. Im ungestörten Betrieb fließt in der Se-kundärwicklung des Wandlers kein Strom. Im Falle einer Störung, z. B. eines Körperschlusses, fließt in der Sekundärwicklung ein Strom, der das Betriebsmittel abschaltet (innerhalb von 0,1 bis 0,25 s), wenn der Grenzfehlerstrom I GF (auf dem Schalter angegeben) überschritten wird.

Anwendungen der FI-Schaltung: in der Land-wirtschaft, auf Baustellen, feuergefährdeten Be-triebsstätten, neuerdings auch in der Hausinstal-lation. Besonders empfindliche und schnelle FI-Schalter werden für die Installation von Bädern (niedriger Widerstand der feuchten Haut!) emp-fohlen. Nachteil des FI-Schalters: aufwendig, teu-er.

6. Transformatoren

Der Transformator ist in der Energietechnik eine Vorrichtung mit der Aufgabe, elektrische Energie

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umzuformen, damit sie z. B. wirtschaftlich vom Erzeuger (Kraftwerk) zu den Verbrauchern ge-bracht werden kann. Da Erzeuger und Verbrau-cher in diesem Fall meist weit voneinander ent-fernt sind, wird in den Kraftwerks-Transformato-ren die relativ kleine Generatorspannung (max. ca. 25 kV) auf hohe Spannung transformiert (60, 110, 220 oder 380 kV, im Ausland noch höher), um große elektrische Leistungen mit kleinen Strömen, d. h. mit kleinen Verlusten übertragen zu können. Allerdings setzen Sprühverluste zwi-schen den luftisolierten Leitern der Übertra-gungsspannung bei etwa 700 kV eine Grenze. In Verbrauchernähe setzen die Verteilungstransfor-matoren die Spannung auf Verbraucherspan-nung herab (z. B. 230 oder 400 V) oder auf einen Wert, der für die Weiterleitung der elektrischen Energie über kleinere Entfernungen günstiger ist (z. B. 6, 10, 20 oder 30 kV).

Die Wirkungsweise des Transformators beruht auf dem Faradayschen Induktionsgesetz: In einer Spule mit N Windungen, in der ein magnetischer Fluss vorhanden ist, entsteht eine Induktionss-pannung, wenn sich der Spulenfluss mit der Zeit ändert: Die Größe der induzierten Spannung ist der Änderungsgeschwindigkeit des magneti-schen Flusses proportional.

Die Änderung des magnetischen Flusses kann auf zwei Arten erfolgen: entweder dadurch, dass bei konstantem magnetischen Fluss die Lage der Spule zum Fluss geändert wird (das geschieht im Generator), oder dadurch, dass bei ruhender Spule mit Hilfe eines Wechselstromes ein zeitlich veränderlicher Fluss in dieser erzeugt wird.

Diese Art der Flussänderung wird beim Transfor-mator angewendet (siehe Abbildung): Auf einem Eisenkörper, der aus magnetisierbaren und ein-seitig isolierten Blechen zusammengesetzt ist (um Wirbelstromverluste möglichst zu vermei-den), befinden sich zwei Spulen, Primärspule und Sekundärspule. Wird die Primärspule an eine Wechselspannung U 1 angeschlossen, dann wird im Eisen ein magnetischer Fluss erzeugt. Dieser Fluss, der zeitlich veränderlich ist, indu-ziert in der Sekundärspule eine Spannung U2, de-

ren Frequenz f gleich der von U1 ist. Es gilt: N1 /N2

= U1 /U2 . Ist z.B. U1 = 20.000 V, U2 = 400 V, dann ist das Übersetzungsverhältnis des Transforma-tors ü = 20.000:400 = 50:1. Die Windungszahl N1

muss dann 50mal größer als N2 sein. Während sich beim Transformator die Spannung von Pri-mär- und Sekundärseite wie die Windungszahlen verhalten, verhalten sich die Ströme beider Sei-ten umgekehrt wie die Windungszahlen zueinan-der. Der Transformator ist also sowohl Strom-wandler als auch Spannungswandler. Die abge-gebene Leistung plus Verlustleistung ist gleich der aufgenommenen Leistung. Leistung und Fre-quenz bleiben also gleich, Spannung und Strom ändern sich.

Verluste und Wirkungsgrad: Die Verluste des Transformators werden im Leerlauf- und Kurz-schlussversuch ermittelt. Da bei Leerlauf nur der Primärstrom I 0 fließt und dieser Strom klein ist, sind die Verluste infolge des Ohmschen Wider-standes in den Wicklungen (Kupferverluste) klein. Die Leistungsaufnahme im Leerlauf ent-spricht daher praktisch den Eisenverlusten (Wir-belstrom- und Ummagnetisierungsverluste). Die Kupferverluste dagegen erhält man durch den Kurzschlussversuch. Sowohl die Eisen- als auch die Kupferverluste sind bei großen Transformato-ren klein: Deshalb erreicht der Transformator im Nennbetrieb Wirkungsgrade bis über 98 Prozent.

Kleintransformatoren beispielsweise für Spiel-zeug, Geräte der Unterhaltungselektronik etc. da-gegen werden meist mit gerade noch vertretbar kleinen Eisenquerschnitten (die Folge sind große Blindströme, d. h. Leerlaufverluste in der Primär-wicklung) und kleinen Kupferdrahtquerschnitten (Leerlaufverluste, noch größere Verluste bei Be-lastung) gebaut. Daher verbrauchen Geräte der Unterhaltungselektronik und PC-Peripherie (z. B. Drucker, Scanner, Faxgeräte) im so genannten Stand-By-Betrieb (Primärwicklung bleibt ohne Zwischenschalter an die Netzspannung ange-schlossen) relativ viel unnütze Leistung. Man schätzt, dass ca. 4 Prozent des deutschen Ver-brauchs an elektrischer Energie auf Geräte im Stand-By-Betrieb zurückzuführen sind.

Didaktische Hinweise

Die Sendung ist für den Heimat- und Sachkundeunterricht ab der 4. Jahrgangsstufe bestimmt. Der Lehrplan für die 4. Jahrgangsstufe der Grundschule nennt folgende Lerninhalte: Themenbereich 7 - Kind und Natur; Themenbereich 7.5: Einblick in die Stromversorgung - wie der elektrische Strom zum Verbraucher gelangt. (Klären der Frage, woher der elektrische Strom kommt).

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Lernziele

Die Schüler/innen sollen • einen Überblick über typische Verbraucher elektrischer Energie, • Einblick in die Verteilung der elektrischen Energie, • Einblick in die Spannungswandlung durch Transformatoren, • einen Überblick über das Hochspannungs-, Mittelspannungs- und Niederspannungsnetz, den Zäh-

ler und die Hausverteilung erhalten.

Anregungen zur Unterrichtsgestaltung

Die Sendung ist für die 4. Klassen der Grundschulen bestimmt. Sie befaßt sich mit dem Lernziel 7.5: Einblick in die Stromversorgung - wie der elektrische Strom zum Verbraucher gelangt.

Ein Umspannwerk, mindestens ein Trafohäuschen, ein Verteilerkasten, ein Sicherungskasten usw. sollten sich in der näheren Umgebung finden lassen. Drähte von Hochspannungsleitungen, beeindru-ckend durch ihre Dicke, Isolatoren aus Keramik lassen sich vom zuständigen Energieversorgungsun-ternehmen bestimmt besorgen. Man könnte die Schüler auch einmal an die Stromversorgungsunter-nehmen schreiben lassen und um Anschauungsmaterial bitten.

Das Arbeitsblatt 1 ist als Zusammenfassung der Sendung konzipiert. Arbeitsblatt 2, 3 und 4 dienen zur Vertiefung des Themas, sie können natürlich auch zur Differenzierung verwendet werden.

Arbeits- und Beobachtungsaufträge

• Überlege, welche Geräte nicht mehr funktionieren, wenn der Strom ausfällt! • Der Strom wird im Kraftwerk erzeugt. Bis er ins Haus kommt, hat er einen weiten Weg hinter sich.• Folgende Begriffe werden in der Sendung geklärt: Kraftwerk, Umspannwerk, Trafohäuschen, Ver-

braucher, Hochspannungsleitungen, Mittelspannungsleitungen, Ortsnetz. Bringe sie in die richtige Reihenfolge und trage sie in das Arbeitsblatt ein!

• Was geschieht in einem Umspannwerk? • Die verschiedenen Stromleitungen kannst du an ihren Masten unterscheiden. Auf dem Arbeitsblatt

siehst du diese Masten. Benenne sie! • Die einzelnen Leitungen werden mit dem Straßennetz verglichen. Schreibe die richtigen Straßen-

bezeichnungen dazu! • Warum müssen Freileitungen nicht isoliert werden? • Welche Gefahren ergeben sich deshalb beim Drachensteigen? • Suche in der Schule den Hausanschlusskasten und den Zählerschrank mit den Sicherungen. Lasse

dir die Funktionsweise erklären! • Die Änderung der Spannung geschieht mit Transformatoren. Stellt in der Klasse eine Liste zusam-

men, wo überall Trafos nötig sind! • Beim Umgang mit Strom musst du sehr vorsichtig sein. Stelle Verhaltensregeln auf und schreibe

sie nieder!

Arbeitsblätter Arbeitsblatt 1: Vom Kraftwerk zum VerbraucherArbeitsblatt 2: Das UmspannwerkArbeitsblatt 3: Verschiedene Strommasten, verschiedene LeitungenArbeitsblatt 4: Vorsicht beim Umgang mit Strom!

GrafikenGrafik 1: IsolationsfehlerGrafik 2: KörperschlussGrafik 3: Transformator

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Links

Die virtuellen Kraftwerke http://www.gfa-strom.de

Wasserkraftwerk http://www.energieinfo.de/eglossar/node193.html

Heizkraftwerk http://www.energieinfo.de/eglossar/node72.html

Braunkohlebergbau in der Lausitz http://www.vattenfall.de/www/vf/vf_de/225583xberx/225613dasxu/225933bergb/226503kerng/225963-tageb/index.jsp

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