AC – Wechselstrom im Übertragungsnetz

AC steht für Wechselstrom, die Abkürzung leitet sich aus dem englischen Begriff Alternating Current ab. Bei Wechselstrom ändert sich die Fließrichtung der Elektronen in gleichmäßigen Intervallen kontinuierlich. Dies unterscheidet ihn vom Gleichstrom, der mit DC abgekürzt wird, da er auf Englisch als Direct Current bezeichnet wird. Gleichstrom fließt konstant in eine Richtung. Der Vorteil von AC ist, dass die Transformation zwischen verschiedenen Spannungsebenen relativ einfach zu verwirklichen ist. Sowohl durch Hochspannungsleitungen als auch zur Steckdose in Haushalten fließt AC. In den USA hat der übliche Netzwechselstrom eine Frequenz von 60 Hertz, in Europa und den meisten anderen Ländern eine von 50 Hertz.1

Stromübertragung mit AC in Deutschland

Die Bedeutung von AC in Deutschland ist enorm, denn dieser wird hauptsächlich für die Stromübertragung genutzt. Zu unterscheiden ist zwischen dem Übertragungsnetz, das circa 35.000 km umfasst und Strom mit Höchstspannung über weite Strecken leitet, und dem Verteilernetz, das insgesamt rund 1.705.000 km umfasst. Der Strom wird auf diversen Spannungsebenen übertragen. Über das Übertragungsnetz wird AC mit 220 beziehungsweise 380 kV geleitet, es dient der Grobverteilung und führt auch über Landesgrenzen hinweg ins Ausland. Die Verteilung von AC in die verschiedenen Regionen erfolgt über Hochspannung mit 110 kV. Innerhalb ländlicher Regionen wird der Strom mit einer Mittelspannung von 1 bis 30 kV verteilt. Die Feinverteilung von Strom wird mit einer Niederspannung von 230 Volt verwirklicht. Auf diese Weise werden die Haushalte versorgt, der AC fließt dabei nur über kurze Strecken.2

Energieübertragung mit AC und DC

Fließt AC durch einen Leiter, der in der Regel metallisch ist, führt der sogenannte ohmsche Widerstand dazu, dass ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt wird. Der Strom wird mit hohen Spannungen transportiert, um diesen Verlust zu reduzieren. Grundlegend ist das Stromwärmegesetz, das auch als Joulesches Gesetz bekannt ist. Wird die Stromstärke gesenkt, um Wärmeverluste zu reduzieren, sinkt zugleich die transportierte Energie. Aus diesem Grund muss die Spannung erhöht werden, damit das Produkt aus Stromstärke und Spannung gleich bleibt. Diese Definition gilt nicht nur für AC, sondern auch für DC. Seit dem Aufbau der Stromnetze gegen Ende des 19. Jahrhunderts in den USA und Europa werden AC und Transformatoren genutzt. Jedoch sind die Verluste bei mehr als einigen hundert Kilometern aufgrund des kapazitiven Widerstands, des Skin-Effekts und des induktiven Widerstands recht groß, bei Seekabeln liegt die mögliche Länge sogar unter hundert Kilometern. Die Netzstabilität ist bei AC über lange Strecken nur schwer zu gewährleisten. Im Gegensatz dazu wird DC lediglich vom ohmschen Widerstand beeinflusst. Weitere Verluste treten durch die von Umwandlung von Gleichstrom in AC und umgekehrt in Konverterstationen auf, doch da diese insgesamt viel geringer sind, kann DC über mehrere tausend Kilometer transportiert werden. Für den Transport über große Strecken ist Gleichstrom also besser geeignet als AC, da der Energieverlust geringer ausfällt. Deshalb soll in Zukunft über lange Strecken DC transportiert werden. Die Konverterstationen stellen allerdings einen hohen Kostenfaktor dar, so dass die sogenannte Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) erst ab einer gewissen Streckenlänge wirtschaftlich ist.3

Stromstärke und Watt im Internationalen Einheitensystem

Die Stromstärke, meist nur kurz Strom genannt, bezeichnet die Menge der fließenden Ladungen. Die Definition der Stromstärke beinhaltet die im Zeitraum t transportierte Ladung Q. Die Grundformel zur Berechnung der Stromstärke lautet:

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Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist das Ampere mit dem Kürzel A, das zu den Basiseinheiten im Internationalen Einheitensystem gehört. Dieses Einheitensystem wird mit SI abgekürzt, denn die allgemeinen elektrischen Einheiten wurden auf dem ersten internationalen elektrotechnischen Kongress in Paris eingeführt. SI ist von der französischen Bezeichnung Système international d’unités abgeleitet. Hingegen sind Watt, Volt, Farad und Ohm abgeleitete Einheiten.4 Das Watt ist aus den Basiseinheiten Kilogramm (kg), Meter (m) und Sekunde (s) abgeleitet und die Maßeinheit für die Leistung.

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Die Einheit wurde nach dem schottischen Erfinder James Watt benannt, dezimale Teilmengen beziehungsweise Vielfache können mit Präfixen als Milli , Kilo- und Mega-Watt angegeben werden, so wie bei allen Einheiten des SI. Ein Watt entspricht der Leistung, wenn über einen ohmschen Widerstand mit einem Ohm eine Spannung von einem Volt aufrechterhalten wird:

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Das Watt dient in der Elektrotechnik alleinig zur Angabe der Wirkleistung.5 Bekannt ist die Einheit Watt zum Beispiel durch die Angabe der Leistung bei Glühbirnen, Halogen- und LED-Lampen. Gleichzeitig lässt sich daraus der Stromverbrauch ableiten. Statt diesen zu berechnen, kann aber auch einfach ein intelligenter Stromzähler genutzt werden. Darüber hinaus sind auch Netzteile und Wandlermodule mit der Leistungsangabe Watt versehen.

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