Fall 2: Übertragung der elektrischen Leistung mit einer Hochspannungsleitung

Die im Kraftwerk erzeugte Spannung von 23 kV wird zunächst mit einem Transformator (1 : 10) hoch transformiert, bevor sie in das Stromnetz eingespeist wird.

In der Stadt wird sie mit einem zweiten Transformator (1000 : 1) wieder auf die übliche Netzspannung von 230 V herunter transformiert.

Ergänze die Lücken. Führe dazu die notwendigen Berechnungen durch.

Die Spannung in der Fernleitung beträgt dann: U₁/U₂ = N₁/N₂ (Trafo 1) → U_F = U₂ = .............

Die Stromstärke I_F in der Fernleitung beträgt dann: I₁/I₂ = N₂/N₁ (Trafo 2) → I_F = I₁= .............

Spannungsabfall in der Fernleitung: U_Verlust = ..............  Verlustleistung in der Fernleitung: P_Verlust =  .........

Vom Kraftwerk eingespeiste elektrische Leistung P_zu =  ............. Wirkungsgrad: η = P_nutz/P_zu =...........

Vergleiche die Fälle 1 und 2 und ziehe Schlussfolgerungen.

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

- aus den Windungszahlen der Primär- und Sekundärspule ein Spannungsverhältnis bestimmen

- die Notwendigkeit der Verwendung hoher Spannungen für den Transport elektrischer Energie begründen. 

  Vergleich und Schlussfolgerung: Durch die Verwendung von Transformatoren und Hochspannung wird die Übertragung elektrischer Energie über weite Strecken überhaupt erst möglich.

Hinweise zum Erwartungshorizont

Fall 2: : Übertragung der elektrischen Leistung mit einer Hochspannungsleitung

Ergänzung der Lücken: Die Spannung in der Fernleitung beträgt dann: U1/U2 = N1/N2 → UF = U2 = 230 000 V Die Stromstärke IF in der Fernleitung beträgt dann: IF = I1= 1 000 A Spannungsabfall in der Fernleitung: UVerlust = R ·  IF = 20 000 V Verlustleistung in der Fernleitung: PVerlust = UVerlust IF = 20 000 000 W = 20 MW Vom Kraftwerk einzuspeisende elektrische Leistung: Pzu = Pnutz + PVerlust = 250 MW Wirkungsgrad: η = 0,92 = 92 %

Vergleich und Schlussfolgerung: Durch die Verwendung von Transformatoren und Hochspannung wird die Übertragung elektrischer Energie über weite Strecken überhaupt erst möglich.