Warum sind Freileitungen an Strommasten und -türmen locker?

Warum sind Freileitungen an Strommasten und Transmissionsmasten locker?

In einer Ära des rasanten technologischen Fortschritts ist der Transport von Personen, Gütern und Dienstleistungen erheblich einfacher geworden. Geografische Entfernungen stellen kein formidables Hindernis mehr dar. Genau wie diese materiellen Entitäten effizient über weite Strecken transportiert werden können, muss auch Elektrizität weit verbreitet übertragen werden. Im Gegensatz zu physischen Gütern benötigt Elektrizität jedoch ein Medium für ihre Reise.

Sie haben möglicherweise häufig beobachtet, dass die an Strommasten und Transmissionsmasten aufgehängten Stromleitungen eher locker als fest gespannt erscheinen. Dieser Anblick regt oft die Frage an: Warum sind diese Leitungen nicht fester gesichert?

In dieser Untersuchung werden wir die Gründe für die Lockerheit der Stromleitungen an Masten und die Notwendigkeit von Durchhängen sowohl in Verteilungs- als auch in Transmissionsleitungen aufdecken. Bevor wir uns den detaillierten Erklärungen widmen, lassen Sie uns zunächst einige wesentliche Punkte durchgehen, die unser Verständnis dieses elektrotechnischen Phänomens verbessern.

Stromübertragung: Prinzipien, Verluste und Komponenten

Grundlagen der Stromübertragung

Leistung repräsentiert die Geschwindigkeit, mit der Arbeit verrichtet wird. Im Kontext der Elektrizität wird Arbeit geleistet, wenn elektrische Energie eine Distanz überwindet. Daher kann Leistung als die Menge an Energie definiert werden, die pro Zeiteinheit übertragen wird. Um Elektrizität über weite Strecken zu transportieren, dienen Stromleitungen als das wesentliche Medium für diesen Transfer.

Aktive Leistung, die Komponente der elektrischen Leistung, die nützliche Arbeit verrichtet, wird in der Regel in Watt gemessen. Bei der Stromübertragung ist die Hochspannungsovertragung die bevorzugte Methode zur Energiesparung. Dies liegt daran, dass der durch einen Leiter fließende elektrische Strom Wärme erzeugt, was sehr schädlich sein kann. Die Wärme führt im Laufe der Zeit zu einem Verschleiß der elektrischen Leitungen, was zu vorzeitigen Abnutzung und potenziellen Ausfällen führen kann. Um Energieverluste zu minimieren und die übertragene Leistung zu erhalten, ist es effizienter, die Menge des durch die Leitungen fließenden elektrischen Stroms zu reduzieren, während die Spannung erhöht wird. Dieser Ansatz, bekannt als Hochspannungsovertragung, verringert effektiv die als Wärme in den Übertragungsleitungen abgegebene Leistung.

Leitung und Leistungsverluste

Während des Prozesses der Stromübertragung geht ein Teil der elektrischen Leistung unweigerlich an die Umgebung verloren. Dies tritt hauptsächlich auf, weil die Übertragungsleitungen nicht vollständig isoliert sind, wodurch Wärmeabgabe und elektrische Leckage möglich sind. Laut Ohmschem Gesetz ist der Widerstand (R) eines Leiters direkt proportional zu seiner Länge (L). Folglich steigt der Widerstand mit zunehmender Länge der Übertragungsleitung. Zudem ist Luft, die die Übertragungsleitungen umgibt, ein schlechter Leiter und kann die vom elektrischen Strom in den Leitungen erzeugte Wärme nicht effizient abführen.

Um diese Probleme zu mildern, werden elektrische Leitungen mit größeren Durchmessern konstruiert. Diese Designentscheidung basiert auf der Tatsache, dass der Widerstand (R) eines Leiters umgekehrt proportional zu seinem Querschnittsflächeninhalt ist. Durch die Erhöhung des Durchmessers des Leiters wächst seine Querschnittsfläche, was zu einer Reduzierung des Widerstands führt. Diese Verringerung des Widerstands mindert wiederum die Leistungsverluste durch Wärmeerzeugung in den Übertragungsleitungen.

Elektrische Drähte und Kabel

Elektrische Kabel und Drähte sind die Leiter, durch die Elektrizität fließt, und sie bestehen hauptsächlich aus Kupfer wegen seiner exzellenten elektrischen Leitfähigkeit. Allerdings bestehen diese Leiter nicht aus reinem Kupfer. Um ihre mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit und Haltbarkeit, zu verbessern, wird Kupfer mit anderen Elementen legiert. Die Zugabe dieser Elemente beeinträchtigt die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers nicht. Stattdessen verbessern sie die mechanischen Eigenschaften des Leiters, sodass er den Belastungen der Installation und des Betriebs standhalten kann, während er gleichzeitig die Fähigkeit behält, Elektrizität effizient zu übertragen.

Joulesches Wärmegesetz

In Wirklichkeit ist kein Metall wirklich rein; die Reinheit jedes Metalls beträgt immer weniger als 100 %. Daher besitzen alle Metalle einen inneren Widerstand. Wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, wird Energie in Form von Wärme abgegeben. Die Menge der erzeugten Wärme kann mit dem Jouleschen Wärmegesetz berechnet werden, das ein grundlegendes Verständnis der Beziehung zwischen elektrischem Strom, Widerstand und Wärmeerzeugung in elektrischen Schaltkreisen bietet.

Andere Formen des Jouleschen Wärmegesetzes

Das Joulesche Wärmegesetz und der Einfluss von Umweltfaktoren auf elektrische Leitungen

Wie das Joulesche Wärmegesetz anzeigt, ist die Wärme (P), die durch den Fluss von Elektronen durch einen Leiter erzeugt wird, direkt proportional zum Widerstand (R), der Zeit (t) und dem Quadrat des Stroms I^2. Wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, muss er den Widerstand innerhalb des Materials überwinden. Dieser Widerstand wirkt als Hindernis für die Bewegung der Elektronen, wodurch der Strom Energie in Form von Wärme in die Umgebung abgibt.

Der Einfluss von Wetter und Temperatur auf elektrische Leitungen

Der Widerstand eines Leiters wird erheblich durch die Temperatur beeinflusst. Je höher die Temperatur des Leiters, desto höher ist auch sein Widerstand. Dieses Phänomen tritt auf, weil steigende Temperaturen den Elektronen innerhalb des Leiters zusätzliche kinetische Energie verleihen, was zu stärkerer und zufälliger Bewegung führt. Diese energiereichen Elektronen stoßen häufig mit den Atomen des Leitermaterials zusammen, was Wärme erzeugt.

Übermäßige Wärme, die von einem Leiter erzeugt wird, kann eine ernsthafte Bedrohung darstellen, indem sie dazu führt, dass der Leiter schmilzt und Systemausfälle verursacht. Bei heißem Wetter dehnen sich die Leiter durch thermische Ausdehnung aus, wodurch Freileitungen lockerer werden. Umgekehrt ziehen sich die Leiter bei kaltem Wetter zusammen, was ebenfalls ihren mechanischen Zusammenhalt und ihr elektrisches Verhalten beeinflussen kann.

Spannung in elektrischen Leitungen

Spannung ist eine Kraft, die in einem Draht oder Kabel entsteht, wenn es zwei entgegengesetzte Kräfte ausgesetzt ist. Im Fall von Freileitungen, die zwischen Strommasten oder Transmissionsmasten aufgehängt sind, ist Spannung immer vorhanden. Würden die Drähte zu stark gespannt, würde die Spannung erheblich zunehmen. Diese erhöhte Spannung macht die Drähte anfälliger für Schäden, da selbst geringfügige Kontraktionen oder Expansionen aufgrund von Temperaturänderungen oder mechanischer Belastung dazu führen könnten, dass sie reißen.

Die Notwendigkeit von Durchhängen in Verteilungs- und Transmissionsleitungen

Durchhang in Transmissionsleitungen ist die sichtbare nach unten gebogene Kurve oder Senkung der Kabel zwischen Tragstrukturen wie Masten oder Türmen. Diese Krümmung ist das natürliche Ergebnis der kombinierten Wirkung des Gewichts des Drahtes und der darauf wirkenden Spannung.

Die Bedeutung loser Freileitungen und Durchhänge in der elektrischen Übertragung

Während der langstreckigen Übertragung und Verteilung von Elektrizität ist die Wärmeabgabe ein unvermeidliches Ergebnis. Hochspannungsovertragung wird als strategisches Maßnahme eingesetzt, um die in den Leitern erzeugte Wärme zu minimieren. Dies liegt daran, dass, gemäß den Prinzipien der Elektrotechnik, die Reduzierung des Stroms (durch Erhöhung der Spannung) die als Wärme abgegebene Leistung (gemäß dem Jouleschen Gesetz P = I^2R) erheblich verringert. Darüber hinaus erfordern Wetterbedingungen und interne Temperaturschwankungen der Drähte, dass Freileitungen mit einem gewissen Maß an Lockerheit installiert werden.

Wären die Stromleitungen straff gespannt, könnte eine Kälteperiode zu einer Kontraktion in den Transmissionsleitungen führen. Diese Kontraktion würde zu einer erheblichen Steigerung der Spannung in den Leitungen führen. Die erhöhte Spannung könnte schwere Schäden an den Drähten und Kabeln verursachen, was zu Stromausfällen, Sicherheitsrisiken und kostspieligen Reparaturen führen könnte. Um solche schädlichen Auswirkungen zu vermeiden, werden Stromleitungen absichtlich mit Spielraum installiert. Dieses Design ermöglicht es den Leitungen, sich bei Temperaturänderungen zu kontrahieren oder zu expandieren, ohne übermäßige Spannung zu erleben, wodurch die Integrität der elektrischen Infrastruktur geschützt wird.

Durchhang, die nach unten gebogene Krümmung der Transmissionsleiter zwischen Tragstrukturen, ist nicht nur ein ästhetisches Merkmal, sondern eine notwendige und kritische Komponente von elektrischen Übertragungssystemen. Er dient als Schutz gegen Überhitzung, indem er ausreichend Platz für die Drähte bietet, um sich unter hohen Temperaturbedingungen auszudehnen, was die Wahrscheinlichkeit von übermäßigem Widerstand und darauffolgender Wärmeerzeugung reduziert. Darüber hinaus verringert Durchhang effektiv die Spannung in den Leitungen, indem er sie vor mechanischer Belastung durch Faktoren wie Temperaturschwankungen, Windlasten und Eisansammlungen schützt.

Im Wesentlichen spielt Durchhang eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung der Sicherheit, Zuverlässigkeit und verlängerten Lebensdauer von elektrischen Übertragungssystemen. Indem Ingenieure ein optimales Maß an Durchhang beibehalten, können sie den reibungslosen und effizienten Betrieb des Netzes garantieren, die Risiken von Unfällen, Stromausfällen und kostspieligen Infrastruktureschäden minimieren. Dieses sorgfältige Gleichgewicht zwischen Spannung, Temperatur und mechanischer Belastung ist entscheidend für den fortlaufenden Erfolg moderner elektrischer Verteilungsnetze.