Unverzichtbare Kuppler zwischen Übertragungs- und Verteilnetzen:

Transformatoren

Transformatoren gibt es über einen immensen Größenbereich mit Nennleistungen von 1 VA bis 1 GVA, also über 9 Zehnerstellen! Aber das Prinzip ist immer gleich; sie sehen im Inneren sogar alle ähnlich aus, wenn man von unterschiedlichen Gehäusen bei großen und kleinen, mit Luft, Öl oder Gas (SF6) gekühlten Transformatoren absieht.

Und Transformatoren haben sehr hohe Wirlungsgrade, je größer der Trafo, desto besser.

Schon ein Kleintransformator von z. B. 100 VA in einem Haushaltsgerät bringt es auf rund 85% Wirkungsgrad.

Verteiltransformatoren im Bereich von etwa 100 kVA bis 2 MVA, abgesehen von den oben genannten Kleingeräten die letzte Stufe der Transformation elektrischer Energie vor dem Entverbraucher, die die Mittelspannung von 5 kV, 10 kV oder 20 kV auf die Verbrauchsspannung von 230/400 V herunter transformieren, bringen es auf Wirkungsgrade um 98,5%.

»Grenzleistungs-Transformatoren« um 1 GVA, die ein Hochspannungsnetz (110 kV oder 220 kV) mit dem Höchstspannungsnetz (380 kV) kuppeln oder als Maschinentransformator die Spannung eines großen Kraftwerksgenerators von 21 kV auf die Netzspannung von 380 kV hoch transformieren, bringen es auf 99,75%!

Na, dann ist ja alles wunderbar! Da ist durch eine weitere Verbesserung nichts mehr zu holen.

Oder etwa doch?

Nun, 0,25% von 1 GVA Durchgangsleistung, das sind immerhin 250 kW, und ein solcher Transformator ist für eine Nutzungsdauer von etwa 30 Jahren konzipiert! Tatsächlich werden meist gut 40 Jahre daraus, und ein Transformator ist praktisch immer im Dienst. Wenn man ihn 40 Jahre lang ununterbrochen 250 kW »verbraten« lässt, hat er am Ende seines Lebens 87,6 GWh verloren. Selbst wenn man mit sehr bescheidenen Stromgestehungskosten von nur 3 Cent pro Kilowattstunde herangeht (denn es handelt sich hier um »unnütz erzeugte Kilowattstunden« und nicht um »nicht verkaufte Kilowattstunden«), so entspricht dies doch dem Gegenwert von 2,6 Millionen Euro. Also wird bei der Beschaffung eines solchen Monstrums zunächst um jedes Kilowatt Verlustleistung gefeilscht – und keineswegs etwa nur um den Kaufpreis.

Bedauerlicherweise ist dies bei Verteiltransformatoren nur noch begrenzt der Fall und bei Kleintransformatoren vollkommen unüblich. Da wird nur noch nach Preis statt nach Kosten gekauft und verkauft, denn die Kosten trägt der Endkunde – und merkt es noch nicht einmal.

Transformatoren bestehen im Wesentlichen aus Kupfer und Eisen. Dort entstehen auch die Verluste. Dem entsprechend unterscheidet man zwischen Kupferverlusten und Eisenverlusten. Dies ist ein ganz entscheidender Unterschied, denn die Eisenverluste sind von der speisenden Spannung und der Netzfrequenz abhängig. Spannung und Frequenz in einem Stromnetz sind idealerweise konstant, und so handelt es sich bei den Eisenverlusten rechnerisch um eine fixe Größe. Sie entstehen auch bei Leerlauf der Trafos und heißen daher auch Leerlaufverluste. Die Kupferverluste dagegen wachsen im Quadrat zum Strom, also mit dem Quadrat der Belastung, und heißen deshalb auch Lastverluste (oder Kurzschlussverluste; dies bezieht sich auf das Messverfahren).

Bild 21
Bild 21: Wirkungsgrad eines Verteiltrafos 1 MVA, einmal mit max. Leerlaufverlust und min. Lastverlust (blau) und einmal mit min. Leerlaufverlust und max. Lastverlust (rot) nach EN 50464-1

Transformatoren stehen in der Ecke und brummen – aber ist das alles? Bei weitem nicht. Entwicklung, Konstruktion und Fertigung der im Prinzip doch sehr einfach aufgebauten Transformatoren grenzt an eine Wissenschaft und erfordert viel Erfahrung.

Der erste Schritt zur Verminderung der Verluste heißt also: Nicht Vollgas fahren – und so geschieht es im Stromnetz auch. Der oben betrachtete »Netzkuppler« wird äußerst selten voll belastet und die gesamte Verlustleistung daher weit unter 250 kW liegen. Bei 50% Last steigt der Wirkungsgrad sogar noch von 99,75% auf 99,80% an, und wo ein solcher Trafo ausreichen würde, werden immer zwei Stück stehen. Dann darf auch einmal einer ausfallen oder in Revision gehen, ohne dass irgendwo das Licht ausgeht.

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