Untersuchung von Sicherungskonzepten in der Stromversorgung

Einleitende Worte ...........................................................................................................2

Die Stromversorgung ..................................................................................................... 2

Die Stromerzeugung ..................................................................................................2

Die Struktur eines Stromnetzes ................................................................................. 3

Realisierung des Stromnetzes.....................................................................................4

Mögliche Probleme im Stromnetz ................................................................................. 5

Beschädigungen .........................................................................................................5

Erdschluss ..................................................................................................................5

Kurzschluss ................................................................................................................7

Vorkehrungen .................................................................................................................8

Erdschlusskompensation ........................................................................................... 8

Sicherung ...................................................................................................................9

Schülerversuch zur Sicherung ......................................................................................10

Einleitung ................................................................................................................ 10

Das Prinzip .............................................................................................................. 10

Versuch ....................................................................................................................11

Versuchsergebnisse in einem Koordinatensystem................................................... 13

Auswertung ..............................................................................................................13

Vergleich mit handelsüblichen Sicherungen ........................................................... 14

Schlusswort .................................................................................................................. 14

Einleitende Worte

In der folgenden Facharbeit untersuche ich die Sicherungskonzepte in der

Stromversorgung, die dazu dienen, eine reibungslose Versorgung der

Bevölkerung mit Elektrizität sicherzustellen.

Die Stromversorgung

Die Stromerzeugung

Strom kann nur durch die Investition von Arbeit gewonnen werden, es ist also

notwendig, eine bestimmte Energieform in die elektrische Energieform

umzuwandeln. Für den Strom, den wir bequem aus der Steckdose bekommen,

werden größtenteils Kraftwerke mit Generatoren benutzt, welche letztlich aus

einer Rotationsbewegung elektrische Energie erzeugen. Um eine

Rotationsbewegung zu erzeugen, gibt es ein paar grundlegende Methoden, wie

die Windkraft, Nutzung der Wasserströmungen, Verbrennungsmotoren und

Turbinen, welche in den meissten Fällen mit Wasserdampf betrieben werden,

welchen man widerum durch das Erhitzen von Wasser durch zum Beispiel

Atomenergie, Fossilenergie oder sogar durch Erdwärme erhält. Neben der

Stromerzeugung durch Generatoren gibt es aber auch die Möglichkeit, mithilfe

von Solarzellen das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umzuwandeln,

ohne den Einsatz von großer Mechanik.

Quellennachweise:

- Gudemann, Wolf-Eckhard: "Neues Lexikon Band 3", Bertelsmann, Kopierfabrik

Mohndruck, Deutschland 1996, Seite 92 (Elektrizitätsversorgung)

- Gudemann, Wolf-Eckhard: "Neues Lexikon Band 9", Bertelsmann, Kopierfabrik

Mohndruck, Deutschland 1996, Seite 253 (Strömungsmaschienen)

Die Struktur eines Stromnetzes

Der Strom aus den Verschiedenen Kraftwerkstypen wird über ein organisiertes

Leitungsnetzwerk an den Verbraucher gebracht, den in unserem Fall der

Ottonormalverbraucher aus einer einfachen Wohnung darstellt. Bevor der Strom

für den Bewohner nutzbar wird, durchläuft der Strom vier verschiedene

Abschnitte. Geht man davon aus, dass der Strom aus einem Großkraftwerk (wie

zum Beispiel ein Kohlekraftwerk oder ein Atomkraftwerk) kommt, so durchläuft

der Strom zuerst die Höchstspannungsleitungen, die der Strom mit einer

Spannung von 220 oder 380 Kilovolt durchläuft. Solche Leitungen sind lediglich

für die Überbrückung großer Distanzen gedacht. Diese lassen sich auch nicht

vermeiden, da der Bau eines Großkraftwerks im Stadtraum nicht vertretbar ist

und darüber hinaus auch noch teurer wäre. Die Vorteile bei der Nutzung hoher

Spannungen äußern sich dadurch, dass weniger Energieverlust durch

Stromwärme entsteht und dass die Handhabung des Stromes einfacher wird.

Der nächste Abschnitt des Stromnetzes wird mit ca. 110 Kilovolt betrieben und

nennt sich Hochspannungsleitung. In diesem Abschnitt speisen mittlere

Kraftwerke ihre Energie ein und einige industrielle Abnehmer erhalten ihren

Strom aus diesem Netz. Da man für den Betrieb von 110 Kilovoltleitungen noch

große und teure Überlandleitungen bauen muss, führt man den Strom zu den

verschiedenen Dörfern und Städten über einen weiteren Abschnitt zu, der

sogenannten Mittelspannungsleitungen, welche mit ein bis 50 Kilovolt betrieben

werden und somit auch mit verhältnismäßig kleinen und günstigen Strommästen

sicher betrieben werden können. In diesen Abschnitt werden auch Energien von

städtischen Kraftwerken, sowie von Windrädern und Solaranlagen eingespeist.

Als nächstes folgen die Niederspannungsleitungen, welche bereits mit der

häuslichen Spannung von 230 Volt betrieben werden. An diesem Netz sind

sämtliche Wohnhäuser, Straßenlampen, Ampeln ect. angeschlossen.

Quellennachweise:

- Gudemann, Wolf-Eckhard: "Neues Lexikon Band 3", Bertelsmann, Kopierfabrik

Mohndruck, Deutschland 1996, Seite 92 (Elektrizitätsversorgung)

- Gudemann, Wolf-Eckhard: "Neues Lexikon Band 9", Bertelsmann, Kopierfabrik

Mohndruck, Deutschland 1996, Seite 253 (Stromversorgung)

- http://de.wikipedia.org/wiki/Stromnetz

Realisierung des Stromnetzes

Um den Übergang von den verschiedenen Abschnitten möglich zu machen,

benötigt man Transformatoren, welche die Schnittstellen zwischen den

verschiedenen Abschnitten darstellen. Transformatoren ermöglichen es, eine

Spannung in eine andere umzuwandeln und für den jeweiligen Abschnitt

entsprechend anzupassen. So ist es erst möglich, die vier verschiedenen

Abschnitte miteinander zu verknüpfen und zum Beispiel eine Spannung von der

Hochspannungsleitung von 110 Kilovolt auf die Mittelspannung, welche mit ein

bis 50 Kilovolt betrieben wird, zu leiten. Die Stromleitungen selbst realisiert man

im außerstädtischen Bereich aus naheliegenden Kostengründen oberirdisch,

teilweise verfährt man so auch noch in Dörfern, jedoch lohnt sich der Bau einer

unterirdischen Leitung bei steigender Bevölkerungsdichte immer mehr, da somit

weniger Raum für Beschädigungen durch das Alltagsleben auftreten und die

Verletzungsgefahr durch den direkten Kontakt zwischen Mensch und

Stromleitung praktisch nicht mehr vorhanden ist. Den störenden Blindstrom, der

beim Betrieb von langen Wechselstromleitungen auftritt, muss man in

bestimmten Abständen (ca. alle 70 Kilometer) durch sogenannte

Kompensationsspulen ausgleichen. Dies führt dazu, dass eine

Seekabelstromleitung, welche durchaus mal notwendig sein kann, bei einer

Länge ab ca. 70 Kilometer nicht realisierbar wäre, da die Installation von

Kompensationsspulen unter Wasser nicht möglich bzw. nicht wirtschaftlich wäre.

Jedoch besteht die Möglichkeit, den Wechselstrom temporär in Gleichstrom

umzuwandeln um damit dem Problem der Blindströme auszuweichen.

Quellennachweise:

- http://de.wikipedia.org/wiki/Stromnetz

- http://www.epochtimes.de/articles/2005/11/26/6683.html

- http://de.wikipedia.org/wiki/Hochspannungs-Gleichstrom-

%C3%9Cbertragung#Vorteile

Mögliche Probleme im Stromnetz

Beschädigungen

Sollte eine wichtige Stromleitung soweit beschädigt sein, dass der Strom nicht

mehr in der Lage ist, zu fließen, so liegt die Ursache der Beschädigung oft bei

wetterabhängigen Faktoren. So kommt es oft vor, dass Überlandleitungen bei

einem Sturm durchtrennt werden. Aber auch Blitzeinschläge können der Grund

für eine versehentliche Beschädigung an Untergrundkabeln sein. Um derartige

Missgeschicke möglichst zu vermeiden, werden Pläne der unterirdischen Kabel

vorher studiert, trotzdessen kann es vorkommen, dass ein Kabel nicht in den

Plänen vermerkt ist und deshalb unbeabsichtigt durch schweres Baugerät

zerstört wird. Desweiteren kann die Ursache auch beim Netzbetreiber selber und

deren Technik liegen, wenn beispielsweise ein Transformator defekt ist oder gar

eine Kraftwerkspanne vorliegt, sodass dieses den Betrieb einstellen muss.

Quellennachweise:

- http://de.wikipedia.org/wiki/Stromausfall

Erdschluss

Als Erdschluss bezeichnet man den Fall, wenn eine Stromleitung einen

unbeabsichtigten Kontakt zur Erde hat. Dies kommt bei Überlandleitungen öfter

vor, wenn etwa ein Baum auf eine Leitung fällt und somit den Erdkontakt

herstellt. Es ist auch durchaus möglich, dass Bäume bis an die Leitung

heranwachsen, jedoch wird versucht, einen Störfall dieser Art zu unterbinden,

indem in regelmäßigen Abständen eine genügend große Schneise für eine

Stromleitung durch die entsprechenden Wälder geschaffen wird. Da der völlige

Ausschluss eines Erdschlusses durch unvorhersehbare Faktoren unmöglich ist,

muss dem entgegengewirkt werden können, falls es doch soweit kommen sollte.

Denn ein Erdschluss kann auch einen Kurzschluss im Stromnetz zur Folge

haben, was einerseits gefährlich und andererseit verantwortlich für weitere

Schäden und Probleme im Stromnetz sein kann. Deshalb reagieren in Mittel- und

Niederspannungsleitungen automatisch bestimmte Netzschutzvorrichtungen, zu

denen Schmelzsicherungen und Sicherungsautomaten zählen. Außerdem

bestehen zur Schadensbegrenzung noch sogenannte

Erdschlusskompensationen, dazu später mehr. Während bei Mittel- und

Niederspannungsleitungen die Vorkehrungen sofort und automatisch reagieren,

gibt es bei Hochspannungsleitungen ab 110 Kilovolt keine automatische

Abschaltung, da dort der Betrieb bei begrenzten Vorkommen von Erdschlüssen

über einen Zeitraum von maximal vier Stunden noch relativ gut funktioniert,

insofern nur eine oder kaum mehr Leitungen davon betroffen sind, es muss nicht

die gesamte Hochspannungsleitung für die Problemfindung abgeschaltet

werden. Allerdings ist die Behebung des Problems bestenfalls sofort

durchzuführen. Ein Erdschluss bei einer Hochspannungsleitung bei

weiterlaufendem Betrieb führt zwangsläufig zum Auftreten von kapazitiven

Strömen, welchen man durch Erdschlusskompensationen, die man zwischen

dem Erdschlusspunkt und dem nächsten Sternpunkt (Sternpunkte können als

eine Art Abzweigung oder Kreuzung angesehen werden) schaltet,

entgegenwirken kann. Sollte es aufgrund von zu großen Risiken nicht anders

möglich sein, so kann die Hochspannungsleitung auch manuell abgeschaltet

werden.

Quellennachweise:

- http://de.wikipedia.org/wiki/Erdschluss

Kurzschluss

Ein Kurschluss liegt vor, wenn in einem Stromkreis eine starke

Widerstandsverminderung besteht. Dies kann unter anderem durch einen

Erdschluss verursacht werden. Da das Erdpotenzial in der Netzwerktheorie als

null definiert ist, kann man folgern, dass die Spannung im Stromnetz auf null

abfällt. Es gilt hierbei die Formel:

U=I∗RLeitung= I∗0=0 Volt

Diese Formel ist allgemeingültig und ist nicht nur im Falle eines Erdschlusses als

Beweis für das Abfallen der Spannung brauchbar. Für den Widerstand ist

lediglich ein sehr kleiner Wert nötig, der immer dann vorliegt, wenn, wie bereits

angesprochen, eine starke Widerstandsverminderung besteht. Die Auswirkungen

eines Kurzschlusses durch einen Erdschluss sind jedoch noch verhältnismäßig

klein, wenn man sein Augenmerk auf den Kurzschluss durch zwei Leitungen

wirft, wie zum Beispiel die verbindung beider Pole aus einer Steckdose.

Betrachtet man die dabei wirkende Stromstärke, werden die Folgeerscheinungen

eines Kurzschlusses erst begreifbar, dazu verwendet man einfach folgende

Gleichung:

I=UR=

220 Volt lim R 0

=∞

Die beinahe unendlich große Stromstärke (Sie ist nicht unendlich, da man noch

von einem Widerstand durch die Leiter selber ausgehen muss) kann zur

Funkenbildung ausreichen. Betrachtet man Unfälle bei Geräten, die mit hohen

Spannungen arbeiten, verursacht durch Kurzschlüsse, so stellt man fest, dass

nicht nur Funkenbildung, sondern auch regelrechte Explosionen entstehen

können, was in einem Stromnetz, welches großflächig mit Spannungen mit über

mehreren tausend Volt betrieben wird, katastrophale Ausmaße, wie zum Beispiel

Zerstörung von Geräten oder Leitungen, Gebäudebrände und Personenschaden,

annehmen könnte. Neben den direkten Erscheinungsformen des Kurzschlusses

kann auch der unabdingbar folgende Stromausfall für große Probleme sorgen,

da es viele Einrichtungen (wie etwa ein Krankenhaus) gibt, die auf eine

konstante Stromversorgung angewiesen sind, um Personenschäden oder

großen materielle Schäden auszuweichen. Solche Einrichtungen sind aber

oftmals auch mit Dieselgeneratoren für den Notstrombetrieb ausgestattet, jedoch

ist dies nur eine Notlösung. Um es erst garnicht soweit kommen zu lassen, gibt

es zur Eingrenzung eines Kurzschlusses Sicherungen, die den

Fehlerbeinhaltenden Stromkreis abschalten, um die Funktion aller anderen

Stromkreise zu sichern.

Quellennachweise:

- Orear, Jay: "Physik", Hanser, Kopierfabrik INTERDRUCK Leipzig, Deutschland

1976, Seite 92 (Der Kurzschluss)

Vorkehrungen

Erdschlusskompensation

Die Erdschlusskompensation dient dazu, den zerstörerischen kapazitiven Strom

zu verhindern. Dieser entsteht bei einem Erdschluss. Das Prinzip der

Erdschlusskompensation besteht darin, dass ein paralleler Schwingkreis,

bestehend aus einer Spule (in diesem Fall nach dem Erfinder der

Erdschlusskompensation Waldemar Petersen auch Petersenspule benannt),

einem Kondesator und drei Leitererdkapazitäten, den kapazitiven Strom

kompensiert. Eine Aufhebung eines Erdschlusses ist dadurch zwar nicht sofort

nötig, aber auf dauer unabdingbar, denn durch die Kompensation werden durch

steigende Spannungswerte bestimmte Leitungen auf Dauer zu sehr beansprucht.

Quellennachweise:

http://de.wikipedia.org/wiki/Erdschlusskompensation

Sicherung

Gäbe es keine Sicherungen, so würde ein auftretender Kurzschluss im

Entstehungsort einigen Schaden anrichten, sich dann auf benachbarte

Stromkreise übertragen, dort ebenfalls einige elektronischen Geräte beschädigen

und eine Kettenreaktion an Kurzschlüssen auf alle weiteren Stromkreise

verursachen und damit das gesamte Stromnetz lahm legen. Doch um genau das

zu verhindern, werden alle Stromkreise in sinnvollen Abständen an den

Zweigpunkten mit einer Sicherung versehen, um die Ausmaßen eines

Kurzschlusses entscheidend einzugrenzen. Eine Sicherung unterbricht den

Stromkreis automatisch, sobald ein Kurzschluss oder eine Überbeanspruchung

des Stromkreises vorliegt. Dafür gibt es verschiedene Sicherungsmethoden, die

im Endeffekt aber beinahe gleich wirken, sich aber in den Punkten Handhabung

und Herstellungskosten, sowie Bauart unterscheiden. So ist das Prinzip einer

Schmelzsicherung sehr einfach. Diese besteht lediglich aus einem in Quarzsand

eingebettetem Schmelzdraht, der durchbrennt, sobald eine bauartbedingte

Schwelle überschritten wird. Bei Schmelzsicherungen liegen die Schwellwerte

zwischen 0,5 Milliampere bis 3500 Ampere beziehungsweise zwei Volt bis 30000

Volt. Die verbreiteten Sicherungsleitungsschutzautomaten, wie man sie oft in

häuslichen Sicherungskästen findet, sind zwar theoretisch nach jedem

Kurzschluss wieder einfach zurückzustellen, nachdem das Problem des

Kurzschlusses gefunden und behoben wurde, allerdings ist auch deren Aufbau

aufwändiger. Der Strom fließt durch eine Spule und einen Bimetallleiter. Dabei

sorgt die Spule bei einem Kurzschluss für das Umlegen eines Schalters und der

Bimetallleite unterbricht den Stromkreis beim Überstrom ab.

Quellennachweise:

- Autor unbekannt, "Naturwissenschaften und Technik 4", Brockhaus,

Kopierfabrik Mohndruck, Deutschland 1989, Seite 304 (Sicherung)

Schülerversuch zur Sicherung

Einleitung

Für den Schülerversuch sehe ich den Bau einer Sicherung vor, der bei zu hohem

Stromfluss durch einen elektromagnetischen Mechanismus den Stromkreis

unterbricht.

Das Prinzip

Die Sicherung bestand aus in Reihe geschalteten Bauteilen. Als Stromquelle

verwende ich ein Netzteil, mit dem ich die Spannung in einem Bereich von null

bis 20 Volt anpassen kann. In den Stromkreis baue ich einen

magnetempfindlichen Schalter, daneben einen Elektromagneten mit 500

Windungen und einem Eisenkern, der den Schalter auslösen und somit den

Stromkreis unterbrechen kann. Für den Bau eines solchen Schalters, der durch

einen Elektromagneten betätigt werden kann, muss der Schalter einige

bestimmte Eigenschaften aufweisen. Dieser Schalter muss die Eigenschaft

besitzen, dass er in seiner aktuellen Position verbleibt, ohne dass er sich von

alleine umschaltet, aber dennoch nicht so fest ist, dass man ihn garnicht mehr

durch die Kraft eines Magnetfeldes umschalten kann. Als Lösung bietet sich der

Gebrauch einer Feder an, die den Schalter in der jeweiligen Position festhält,

aber auch die Möglichkeit offen hält, den Schalter ohne großen Kraftaufwand zu

betätigen. Am Schalter selber war noch ein Permanentmagnet angebracht,

dessen Ende, das zum Elektromagneten zeigte, mit dem Ende des

Elektromagneten gleich gepolt war. War der Stromkreis geschlossen, also der

Schalter nicht umgelegt, so floss Strom und die Pole stoßten sich ab. Hat der

Strom eine bestimmte Spannungsschwelle überschritten, so war der Effekt der

Gleichpolung irgendwann so stark, dass sich der Schalter umlegte. Damit der

Elektromagnet es schafft, den Schalter so weit zu betätigen, dass die Feder den

Schalter in die “Aus”-Lage anstatt in die “An”-Lage zieht, muss der

Elektromagnet bis zu dieser Schwelle mit Strom versorgt werden. Da der

Stromfluss aber von dem Schalter abhängig ist und dieser gerade durch den

Elektromagneten umgeschaltet wird, muss der Stromfluss durch einen

Schleifkontakt solange aufrecht erhalten werden, bis eben genannte Schwelle

überschritten ist. Das heisst, in der ersten Hälfte des Umschaltvorgangs fließt

noch Strom, sobald der Schalter aber allein durch die Kraft der Feder in die

“Aus”-Lage gezogen werden kann, besteht kein Kontakt mehr und der

Elektromagnet hört auf zu arbeiten, sowie alle anderen potenziellen Geräte, die

man in einen solchen Stromkreis mit dieser Sicherung hätte mit anschließen

können.

Versuch

Um die Eigenschaften der Sicherung zu testen, habe ich die Sicherung

verschiedenen Spannungen ausgesetzt. Um genaue Messwerte zu erlangen,

benutze ich das Messgerät “Explorer”, der mir in Form eines Zeit-Spannungs-

Diagramms die Spannung dokumentiert, die am Elektromagneten anliegt. Daran

kann ich ablesen, wie schnell und bei welcher Spannung die Sicherung reagiert.

Außerdem messe ich mit einem anderen digitalen Gerät die Stromstärke. Für

meine Messreihe verwende ich Spannungen von vier Volt bis acht Volt, wobei ich

für jeden Spannungswert vier Reaktionszeiten ermittelt habe, um daraus einen

möglichst allgemeingültigen Mittelwert zu errechnen. Hier eine Übersicht der

Messergebnisse:

Spannung in Volt

Stromstärke in Ampere

Reaktionszeiten in Sekunden

Mittelwert inSekunden

4 1,9 - -

5 2,0 1,181,491,011,30

1,25

6 1,9 0,560,610,490,49

0.54

7 2,3 0,460,440,420,44

0,44

8 3,15 0,420,360,390,35

0,38

Versuchsergebnisse in einem Koordinatensystem

Auswertung

Auffällig ist, dass die Sicherung erst bei fünf Volt reagiert hat. Vier Volt reichen

nicht aus, um den Mechanismus auszulösen. Jedoch muss noch hinzugefügt

werden, dass die Sicherung bei fünf Volt sehr unregelmäßig reagiert, was daran

liegt, dass die verhältnismäßig kleine Kraft des Magnetfeldes einem relativ

großen Reibungswiderstand durch den Schleifkontakt ausgesetzt ist. Erst ab

sechs Volt und aufwärts erkennt man regelmäßige Reaktionszeiten. Mittelt man

alle Werte eines jeden Graphens, so kann man eine halbwegs proportional

abnehmende Reaktionszeit bei steigender Voltzahl erkennen. Würde man eine

Sicherung mit diesen Eigenschaften Marktreif produzieren, so müsste man

angeben, dass eine solche Sicherung zum Schutz vor Spannungen ab fünf Volt

gebaut ist, mit der Zusatzinfo, dass die Abschaltdauer bei etwa 0,5 Sekunden

liegt und dass Geräte eine Überspannung solange noch ertragen können

müssen, damit kein Schaden entsteht und die Sicherung ihren Zweck erfüllen

kann.

Vergleich mit handelsüblichen Sicherungen

Im direkten vergleich fehlt meiner Sicherung der Schutz vor Überstrom, der in

einem Sicherungsleitungsschutzautomaten durch den Bimetallleiter gegeben ist.

Ansonsten überschneiden sich das Prinzip großflächig.

Schlusswort

Obgleich es meinen Bemühungen entsprach, einen möglichst großen wie

übersichtlichen Gesamtüberblick über das Thema zu schaffen, so ist trotzdem

anzumerken, dass ich das Feld der Sicherungskonzepte in der Stromversorgung

nur anschneiden konnte und dass ein viel tieferes Eintauchen in die vielen

anderen Themenbereiche in viel größerem Maße von Nöten gewesen wäre, um

ein tiefergehendes Verständnis für komplizierte Details schaffen zu können,

welche ich bewusst ausgelassen habe (Wie zum Beispiel dem Differentialschutz,

Alternativen zur Erdschlusskompensation), denn im Endeffekt würde der

Rahmen von acht bis zwölf Seiten bei weitem übertreten werden. Und obwohl ein

großteil meiner Informationen sich auf Wikipedia zurückführen lassen, muss

gesagt werden, dass durch das heranziehen der unterschiedlichen Fachliteratur

aus der Schulbibliothek und der Privatbibliothek klar wurde, dass jene

deckungsgleich mit den Aussagen von Wikipedia waren und sich alle

Informationen wie ein Puzzle zusammensetzen ließen, obwohl sie alle aus

verschiedenen Quellen kommen. Dies deutet auf eine allgemeine Richtigkeit der

Sachinhalte in dieser Facharbeit hin und hoffe, dass Sie als Leser diesen Text

mit einem guten Gefühl beiseite legen können.