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Sie haben möglicherweise bemerkt, dass die Stromleitungen, die an elektrischen Masten hängen, schlaff sind. Vielleicht fragen Sie sich: Warum werden die Leitungen nicht straff an den Masten befestigt?
Erfahren wir, warum Stromleitungen an elektrischen Masten schlaff hängen und warum bei Verteilungs- und Übertragungsleitungen eine Durchhangspannung (Sag) erforderlich ist. Doch bevor wir darauf eingehen, werfen wir einen Blick auf einige wichtige Hinweise, die uns ein besseres Verständnis ermöglichen.
Kraftübertragung
Leistung ist die Rate, mit der Arbeit verrichtet wird. Arbeit wird verrichtet, wenn elektrische Energie eine Strecke überbrückt. Daraus folgt, dass Leistung die Menge an Energie ist, die pro Zeiteinheit bereitgestellt wird. Elektrizität kann über große Entfernungen mittels Stromleitungen transportiert werden, die als Übertragungsmedium dienen.
Wirkleistung wird üblicherweise in Watt gemessen. Bei der Übertragung von Leistung wird bevorzugt die Hochspannungsübertragung eingesetzt, um Energie zu sparen. Elektrischer Strom erzeugt Wärme, was nachteilig sein kann, da er zu Verschleiß und Ausfällen der Stromleitungen führt. Um die übertragene Leistung zu erhalten, sollte der elektrische Strom – der Wärme erzeugt und zum Verschleiß der Leitungen beiträgt – in kleineren Mengen, während die Spannung in größeren Mengen transportiert wird. Dieser Ansatz wird als Hochspannungsleistungsübertragung bezeichnet.
Leitung und Kopplung
Während der Stromübertragung geht ein Teil der elektrischen Leistung aufgrund der fehlenden Isolierung der Übertragungsleitungen an die Umgebung verloren. Gemäß dem Ohmschen Gesetz ist der Widerstand (R) direkt proportional zur Länge des Leiters (L), d. h., mit zunehmender Leiterlänge steigt auch dessen Widerstand. Luft ist kein guter Leiter und kann daher die von den Stromleitungen erzeugte Wärme nicht effizient ableiten.
Daher werden Stromleitungen so konstruiert, dass sie einen größeren Durchmesser aufweisen, wodurch ihr Widerstand gegenüber dem elektrischen Stromfluss verringert wird. Der Widerstand (R) ist umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche des Leiters: Je größer also der Durchmesser des Leiters ist, desto geringer ist der Widerstand – und umgekehrt.
Elektrische Drähte und Kabel
Elektrische Kabel und Leitungen sind Leiter, die meist aus Kupferdrähten bestehen, durch die elektrischer Strom übertragen wird. Diese Drähte bestehen jedoch nicht ausschließlich aus Kupfer. Um bestimmte mechanische Eigenschaften zu verleihen, werden die Leiter mit einem anderen Element legiert. Die Leitfähigkeit des Leiters wird durch die Zugabe dieses anderen Elements nicht beeinträchtigt. Stattdessen verbessert das andere Element die mechanischen Eigenschaften des Kupfers, ohne dessen Leitfähigkeit zu beeinflussen.
Joulesches Gesetz der elektrischen Erwärmung
Es gibt keine reinen Metalle. Der Reinheitsgrad eines beliebigen Metalls beträgt niemals 100 %; daher weisen sie einen inneren Widerstand auf. Die bei Stromdurchfluss durch den Leiter verbrauchte Energie bzw. die erzeugte Wärme wird mithilfe des Jouleschen Gesetzes der elektrischen Erwärmung wie folgt berechnet:
- P = V · I · t
- P = I 2· R · t.
Weitere Formen des Jouleschen Gesetzes
- P = I² · R · t
- P = V · I · t … (R = V / I)
- P = W · t … (P = W = V · I)
- P = V²t/R …. (I = V/R) unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes
Wie aus der obigen Gleichung hervorgeht, ist die erzeugte Wärme (P) proportional zu R, t und I². Wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, wandelt dieser einen Teil der elektrischen Energie in Form von Wärme an die Umgebung ab, während er dem Widerstand – einer Barriere für die driftenden Elektronen – entgegenwirkt.
Einfluss von Wetter und Temperatur auf elektrische Leitungen
Der Widerstand eines Leiters steigt mit zunehmender Temperatur. Dies geschieht, weil die Elektronen im Leiter bei steigender Temperatur mehr Energie gewinnen und sich stärker zufällig bewegen, wodurch Kollisionen mit anderen Atomen zunehmen und letztlich Wärme erzeugt wird.
Die durch den Leiter erzeugte übermäßige Wärme kann dessen Schmelzen bewirken. Bei heißem Wetter neigen die Leitungen dazu, sich zu lockern, da der Leiter sich ausdehnt; bei kaltem Wetter ziehen sich die Leitungen dagegen zusammen.
Mechanische Spannung in Leitungen
Spannung ist eine Kraft, die in einer Schnur wirkt, wenn diese durch zwei entgegengesetzt gerichtete Kräfte belastet wird. Daher befindet sich ein an einem Mast befestigter Draht unter Zugspannung; diese würde noch größer werden, wenn die Drähte straffer gezogen würden – was dazu führen könnte, dass die Drähte bei geringer Kontraktion oder Expansion leicht durchtrennt werden.
Warum ist Durchhang bei Verteilungs- und Übertragungsleitungen erforderlich?
Der Durchhang bei Übertragungsleitungen bezeichnet die nach unten gerichtete Absenkung oder Krümmung der Kabel zwischen den Stützkonstruktionen (Masten oder Türmen) infolge der Schwerkraft. Er entsteht als natürliche Folge des Eigengewichts und der Spannung des Leiters.
Bei der Übertragung und Verteilung elektrischer Energie über lange Leitungen tritt Wärmeabgabe auf. Die durch den Leiter erzeugte Wärme wird durch Hochspannungsübertragung minimiert. Witterungsbedingungen sowie die Innentemperatur des Leiters machen es erforderlich, die Leitungen etwas locker zu verlegen.
Wenn die Stromleitungen straffer gezogen und das Wetter kälter würde, könnte dies zu einer Kontraktion der Leitungen führen, wodurch sich die Spannung in den Leitungen erhöht – was möglicherweise zu Schäden führt. Daher werden die Leitungen absichtlich locker gehalten, sodass selbst bei einer Kontraktion keine übermäßige Spannung entsteht, die zu Beschädigungen der Drähte und Kabel führen könnte.
Die Durchhangbildung (Sag) ist bei Übertragungsleitungsleitern zwingend erforderlich, um eine Überhitzung zu verhindern und die mechanische Spannung zu reduzieren. Sie gewährleistet Sicherheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des elektrischen Übertragungssystems. Sie spielt eine entscheidende Rolle für den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems sowie zur Vermeidung von Unfällen und Schäden.