Bei der Energieübertragung in Hochspannungsleitungen treten Verluste durch den ohmschen Leitungswiderstand, durch Koronaentladungen und durch Abstrahlung bzw. die Wellenimpedanz des Leiters auf.
Ohmsche
Verluste
Beispiel
für Leistungsverluste auf einer Leitung
Gegeben:
Leitungswiderstand R
Übertragene
Wirkleistung P
und Scheinleistung S
d. h.
die Verlustleistung nimmt
bei gleicher Wirkleistung quadratisch
mit der Spannung ab. Allerdings wird der Aufwand für
die Isolation mit
zunehmender Spannung größer. Die Übertragungsverluste
betragen etwa 6 % je 100 km bei einer 110-kV-Leitung und
lassen sich mit 800 kV Höchstspannungsleitungen auf etwa
0,5 % je 100 km reduzieren.
Vereinfachte Beispielrechnung
Ein Kraftwerk erzeugt 1200 MW elektrische Leistung, die
elektrischen Leitungen können maximal 4000 A leiten und
besitzen bis zur nächsten Stadt einen Gesamtwiderstand von
4 Ω. Aus der maximalen Strombelastung folgt, dass die
Übertragungsspannung mindestens 300 kV betragen muss,
gewählt wird 380 kV.
Daraus
errechnet sich der tatsächliche Strom zu 3160 A. Gemäß der
Formel P=R·I2
treten
entlang der Fernleitung Verluste von 40 MW auf, das
entspricht einem Übertragungsverlust von 3,3 %, der die
Kabel erwärmt. In der Stadt kommen nur 1160 MW an.
Könnte
man die Hochspannung verdoppeln, würde der halbierte Strom
zu geringeren Verlusten von nur 10 MW führen. Diese
Verdopplung ist wegen überproportional ansteigender
Verluste durch Koronaentladung nicht
möglich.
Koronaentladung
Eine
sinusförmige Wechselspannung.
1
= Scheitelspannung,
2
= Spitze-Spitze-Wert,
3
= Effektivspannung,
4
= Periodendauer
Hochspannungsleitungen
werden üblicherweise mit Effektivspannungen
bis 400 kV betrieben, das entspricht bei der verwendeten
Sinusform einem Scheitelwert von 566 kV. Immer dann, wenn
dieser Scheitelwert erreicht wird, ist die
elektrische Feldstärke
rund
um die Leitung so groß, dass die Durchschlagsfestigkeit
der
Luft fast erreicht ist. Dann wird die Luft in
unmittelbarer Umgebung des Kabels ionisiert,
also schwach leitfähig und es geht Leistung verloren. Da
dieser Effekt an Spitzen besonders
ausgeprägt ist, wird die Feldstärke an diesen Stellen
durch Koronaringe reduziert.
Je größer der Krümmungsradius, desto geringer ist die
Feldstärke und die dadurch erzeugte Koronaentladung. Das
Innere des Koronaringes ist weitgehend frei von
elektrischen Feldern, deshalb kann dort keine Korona
auftreten (siehe auch Faradayscher
Käfig#Veranschaulichung).
Ein
weiteres Mittel zur Reduktion der Spitzenentladung ist die
scheinbare Vergrößerung des Krümmungsradius der Leitung
durch Parallelschaltung von vier oder sechs Einzelkabeln zu
einer Gruppe. Durch den vergrößerten Radius werden
Feldstärke und Sprüherscheinungen verringert.
Eine
weitere mögliche Maßnahme, die Feldstärke an der Oberfläche
der Leitung zu reduzieren, wäre ein durchgehender Überzug
mit einer Isolation. Im gleichen Maß, wie die
Permittivität εr
steigt,
verringern sich Feldstärke und Sprüherscheinungen.
Die
UV-Strahlung der Sonne würde aber jeden Überzug von
Freileitungen sehr schnell zerstören.