Vier Spannungsebenen

Die in Kraftwerken erzeugte elektrische Energie hat in der Regel eine Spannung zwischen 6 und 21 Kilovolt. Für den möglichst verlustfreien Transport des Stroms über größere Strecken ist diese Spannung aber viel zu niedrig.

Die Ursache liegt darin, dass auch die Leitungen einen elektrischen Widerstand besitzen. Dieser wird nach dem Widerstandsgesetz (R ist gleich spezifischer elektrischer Widerstand mal Länge des Leiters dividiert durch dessen Querschnittsfläche) berechnet.

Ein Kabel aus Stahl mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,18 , einer Länge von 200 km und einer Querschnittsfläche von 600 mm² hat demnach einen elektrischen Widerstand von rund 60 Ohm.

Nehmen wir an, dass ein Kraftwerk über diese Leitung eine Leistung von 500 MW einspeist, so wird ein Teil dieser Leistung durch den elektrischen Widerstand der Leitungen in Wärme umgewandelt.

Aus den Gleichungen P = U · I und U = I · R erhält man P_V = R · I².

In unserem Beispiel ergibt sich eine Verlustleistung von ca. 34 MW. Knapp 7 % der eingespeisten Leistung gingen damit verloren.

Aus der Gleichung P_V = R · I² erkennt man aber auch, welche Möglichkeiten es gibt, die Verlustleistung zu reduzieren.

Entweder muss der elektrische Widerstand oder die Stromstärke verringert werden. Eine Verkleinerung des elektrischen Widerstandes der Leitungen kann nur durch den Einsatz anderer Materialien mit geringerem spezifischem Widerstand oder durch die Erhöhung des Leitungsquerschnittes erreicht werden. Aus wirtschaftlichen Gründen sind diese Maßnahmen jedoch nicht sinnvoll.

Deshalb muss die Stromstärke verringert werden. Das wird durch Transformatoren erreicht. Sie transformieren die Spannung auf ein Vielfaches des ursprünglichen Wertes. Die Stromstärke wird dabei auf den entsprechenden Bruchteil reduziert.

Vereinfachend kann man also davon ausgehen, dass beispielsweise eine Verzehnfachung der Spannung zu einer Reduzierung der Stromstärke auf ein Zehntel des Ausgangswertes führt. Die Verlustleistung sinkt dadurch sogar auf ein Hundertstel des ursprünglichen Wertes, in unserem Beispiel also auf 0,34 Megawatt.

Es gilt folgende Faustregel:
Elektrische Energie kann wirtschaftlich sinnvoll so viele Kilometer transportiert werden, wie ihre Nennspannung, gerechnet in Kilovolt, beträgt. So kann beispielsweise Strom mit einer Nennspannung von 380 Kilovolt ohne Zwischenstationen nur über eine Entfernung von etwa 380 Kilometern transportiert werden.

Für den Endverbraucher ist diese Übertragungsspannung aber wiederum viel zu hoch. Sie muss also schrittweise wieder auf die Steckdosenspannung von 230 Volt heruntertransformiert werden.

Im heutigen Stromnetz unterscheidet man vier Spannungsebenen.

Das Höchstspannungsnetz mit einer Spannung von 220 bzw. 380 kV verteilt den in Großkraftwerken erzeugten Strom landesweit. Über dieses Leitungsnetz ist Deutschland auch mit dem europäischen Verbundnetz gekoppelt.

Das 110-kV-Hochspannungsnetz dient der Versorgung größerer Gebiete und Ballungszentren. Es bezieht seine Energie entweder direkt aus Kraftwerken, die nicht in das Höchstspannungsnetz einspeisen, oder über Umspannwerke aus dem 220-kV- bzw. 380-kV-Höchstspannungsnetz.

Die Anspeisung der Mittelspannungsnetze erfolgt meist über Umspannwerke aus dem 110-kV-Netz. Diese sind entweder als Freiluftschaltanlagen oder als Innenraumschaltanlagen ausgeführt.

Mit Mittelspannung, die zwischen 5 und 40 Kilovolt liegen kann, werden einerseits Industriebetriebe direkt versorgt. Andererseits führen Mittelspannungsleitungen zu den Ortsnetztrafostationen. Dort wird die elektrische Energie auf Niederspannung transformiert, das sind 230 bzw. 400 Volt.

Niederspannungsleitungen versorgen die einzelnen Haushalte. Im städtischen Bereich werden hauptsächlich Erdkabel verwendet, während auf dem Land oft auch Freileitungen eingesetzt werden.