P1434300 Hochspannungsleitung

DAP
Hochspannungsleitung
Schwierigkeitsgrad
Vorbereitungszeit
Durchführungszeit
mittel
10 Minuten
20 Minuten
Prinzip
Mithilfe zweier Hochspannungstransformatoren können die Fernleitungsverluste zwischen
Kraftwerk und Verbraucher trotz hohem Leitungswiderstand gering gehalten werden.
Sicherheitshinweis
Wechselspannungen über 25 V sind berührungsgefährlich, wenn die Stromstärke
größer als 0,5 mA ist. Im 2. Versuchsteil liegt an den Fernleitungskabeln eine
solche berührungsgefährliche Spannung an.
Der Versuch darf nur von fachkundigem Lehrpersonal durchgeführt werden, auf keinen Fall
dürfen Schüler den Versuch durchführen.
Im Versuchsaufbau wird mit berührungsgefährlicher Hochspannung experimentiert. Im
Versuchsaufbau besteht keine ausreichend hohe Isolierung gegen diese berührungsgefährliche Hochspannung. Aus diesem Grund sind unbedingt die folgenden Anweisungen
zu befolgen!
•
Als erstes ist das Warnschild „Hochspannung“ (z. B. 06543-00) aufzustellen.
•
Die anzuschließende Schaltung (Versuchsaufbau) im stromlosen Zustand (absolute
Netztrennung, Netzstecker ziehen!) erst vollständig aufbauen und nochmals überprüfen,
bevor das System ans Netz angeschlossen und eingeschaltet wird.
•
Eingriffe bzw. Änderungen am Versuchsaufbau dürfen auch nur im stromlosen Zustand
vorgenommen werden.
•
Wichtig: Führen Sie den Versuch mit nur einer Hand (andere Hand in der Hosentasche)
durch, um die Gefahr eines elektrischen Stromschlages zu vermeiden.
Abbildung 1: Experimenteller Aufbau, Versuchsteil 1
P1434300
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1
DAP
Hochspannungsleitung
Material
Menge
2
1
2
2
2
2
2
2
1
1
8
2
1
(1)
Material
Tonnenfuß PHYWE
Lampenfassung E10 im Schaltkastengehäuse
Eisenkern,stabf.,kurz,geblättert
Eisenkern, U-förmig, geblättert
Stifte für Eisenkern, U-förmig, 1 Paar
Spannvorrichtung
Spule, 75 Windungen (primär)
Spule, 10 000 Windungen
Warnschild: Gefährliche elektrische Spannung
Fernleitung – Modell, 2 Stück
Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, schwarz
Verteilerstütze, l = 235 mm
PHYWE Netzgerät, universal
Glühlampe 6 V/0,5 A, E10, 10 Stück
Bestellnr.
02006-55
06170-00
06500-00
06501-00
06502-00
06506-00
06511-01
06519-01
06543-00
07305-00
07361-05
07924-00
13500-93
35673-03
Aufbau und Durchführung
1. Versuchsteil
Den Versuch nach Abb. 1 aufbauen:
• Die Enden der Fernleitungskabel jeweils in zwei isolierte Bereiche der Verteilerstützen
stecken.
• Das Netzgerät (Wechselspannungsausgang) und die Glühlampe an die Fernleitungskabel
anschließen.
• Eine Wechselspannung von 6 V einstellen.
• Das Netzgerät einschalten und die Lampe beobachten.
2. Versuchsteil
Sicherheitshinweis beachten: Das Netzgerät muss ausgeschaltet sein!
Den Versuch nach Abb. 2 aufbauen:
• Zum Aufbau der Transformatoren jeweils eine Spule mit 75 Windungen und eine Hochspannungsspule mit 10 000 Windungen auf die U-Kerne setzen.
• Die Eisenstifte in die Schenkel der U-Kerne stecken und das Joch auflegen.
• Die Transformatoren mithilfe der Spannvorrichtungen fest zusammendrücken.
• Mit der Hochspannungsfernleitung die beiden Spulen mit 10 000 Windungen (Hochspannungsspulen) der Transformatoren verbinden.
• Die Niederspannungsspule des Sekundärtransformators mit der Glühlampe verbinden.
• Die Niederspannungsspule des Primärtransformators an den Wechselspannungsausgang
des Netzgerätes anschließen.
• Eine Wechselspannung von 6 V einstellen.
• Das Netzgerät einschalten und die Lampe beobachten.
2
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Hochspannungsleitung
DAP
Abbildung 2: Experimenteller Aufbau, Versuchsteil 2
Beobachtung
1. Versuchsteil
Wenn die Lampe direkt über die Fernleitungskabel an die Stromversorgung angeschlossen
ist, leuchtet sie nicht. Bei einer Spannung von 6 V ist die Stromstärke durch die Überland leitungen nicht groß genug, um die Lampe zu betreiben.
2. Versuchsteil
Wird durch den Transformator eine Hochspannung erzeugt, die dann an den Überlandleitungen anliegt und mit dem zweiten Transformator wieder auf 6 V transformiert wird,
dann leuchtet die Lampe.
Auswertung
1. Versuchsteil
Das Fernleitungsmodell besitzt zwei Leitungen mit einem Widerstand von je RF/2 = 50 Ω.
Der Gesamtwiderstand des Modells beträgt demnach
RF =
RF
2
+
RF
2
= 50 Ω + 50 Ω = 100 Ω .
(1)
Abb. 3 zeigt, dass die beiden Leitungen des
Fernleitungsmodells und die Lampe in Reihe
geschaltet sind und sich die beiden Widerstände
RF/2 und der Widerstand RL der Lampe addieren.
Abbildung 3: Schematische Darstellung
zu Versuchsteil 1
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DAP
Hochspannungsleitung
Ein maximal erreichbarer Wert für die Stromstärke lässt sich schon abschätzen, wenn für
die Berechnung nur der Widerstand des Fernleitungsmodells berücksichtigt wird.
U
I
(2)
U
6V
=
= 60 mA
RF
100 Ω
(3)
RF =
I =
Der Nennwert für die Stromstärke der Lampe ist IL = 0,5 A = 500 mA. Bei einer Stromstärke
von nur 60 mA leuchtet sie nicht.
2. Versuchsteil
Abbildung 4: Schematische Darstellung zu
Versuchsteil 2
Wie in Abb. 4 gezeigt, transformiert der erste Transformator die Wechselspannung U1 an
der Primärseite in eine Wechselspannung U2 an der Sekundärseite im Verhältnis der
Windungszahlen von Primärspule N1 und Sekundärspule N2:
U1
N1
=
U2
N2
(4)
Die Spannung des Netzgerätes beträgt 6 V, damit ergibt sich eine Spannung an der
Sekundärseite von
U2 =
N2
10 000
⋅ U1 =
⋅ 6 V = 800 V
N1
75
(5)
Um die für das Lämpchen benötigte Leistung von PL = 6 V ⋅ 0,5 A = 3 W bei 800 V zu
transportieren, ist im Hochspannungskreis nur ein relativ kleiner Strom I2 nötig:
PL = U 2 ⋅ I 2
I2 =
PL
3W
=
= 3,75 mA .
U2
800 V
(6)
(7)
Bei dieser Stromstärke fällt am Fernleitungswiderstand RF = 100 Ω eine Spannung UF ab von
U F = R F ⋅ I 2 = 100 Ω ⋅ 0,00375 A = 0,375 V .
(8)
Der Spannungsabfall ist vernachlässigbar. An der Sekundärspule des zweiten Transformators ergibt sich wieder annähernd die ursprüngliche Spannung von 6 V. Im Lampenstromkreis befindet sich kein weiterer Widerstand mehr, die Glühlampe leuchtet hell.
4
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Die Leistung PF, die an den Fernleitungskabeln als Verlustleistung aufgewendet wird,
beträgt
P F = U F ⋅ I 2 = 0,375 V ⋅ 3,75 mA = 1,4 mW .
(9)
Die Verlustleistung an den Fernleitungskabeln ist durch das Hochtransformieren der
Spannung sehr gering geworden, weil bei gleicher Leistung durch die höhere Spannung ein
geringerer Strom fließt.
Anmerkungen
1. Der Wirkungsgrad der Übertragung
η =
PL
P Gesamt
=
3W
= 99,95 %
3 W+0,0014 W
wurde im zweiten Versuch nur theoretisch betrachtet und beträgt daher fast 100 %. Ein
Nachmessen der Leistung würde jedoch einen sehr viel geringeren Wirkungsgrad
ergeben. Die Transformatoren verhalten sich also bei Weitem nicht ideal.
2. Bei der technischen Energieübertragung wird ein Gesamtverlust von 10 % noch
akzeptiert. Typische Werte für eine Hochspannungsfernleitung sind:
Aufbau:
4 Seile mit 30 mm2 Stahl innen und 340 mm2 Aluminium außen
Länge:
250 km
Widerstand:
5  Ω
Betriebsspannung: 380 kV
Betriebsstrom:
P1434300
4,2 kA
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