Elektrische Leitung
Eine elektrische Leitung ist ein Gegenstand oder System zum Transport elektrischer Energie sowie der Signalübertragung in der leitungsgebundenen Nachrichtentechnik und der leitungsgebundenen Hochfrequenztechnik. Sie ist Teil eines elektrischen Stromkreises oder Stromnetzes und verbindet so Stromquelle und Verbraucher. Für den Transport fließen Elektronen als Leiterstrom. Für geringe Transportverluste soll das leitende Material eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wozu sich einige Metalle besonders gut eignen. Die Querschnittsfläche des Leiters muss die zulässige Stromdichte berücksichtigen.
Beschreibung
leitende Kupferdrähte sichtbar, (braun = Außenleiter)
Elektrische Leitungen bestehen aus elektrischen Leitern, in der Regel in Form von Drähten oder Litzen, aber auch von Bändern bzw. Schienen aus Kupfer oder Aluminium, sowie meist deren isolierender Umhüllung. Sind mehrere gegeneinander isolierte Leiter zusammengefasst, werden sie als Leitung bezeichnet.
Unter Kabel versteht man allgemein isolierte elektrische Leiter oder Leitungen mit zusätzlich schützenden Hüllen, welche fest verlegt sind und auch in Erde und Wasser verlegt sein können.[1] Der Kabelmantel, die gemeinsam vorhandene Umhüllung, schützt das Kabelinnere, also die einzelnen Adern, vor dem umgebenden Medium wie beispielsweise Erdreich, Salzwasser oder Luft. Ein einzelner mit einem Isolierstoff umhüllter Leiter innerhalb eines Kabels wird als Ader bezeichnet.
Leitungen, bei denen die Umgebungsluft als Isolator dient, heißen Freileitungen. Sie werden an den Stützpunkten an Isolatoren befestigt.
Der Begriff elektrische Leitung steht auch ganz allgemein für eine niederohmig leitende gewollte Verbindung zwischen elektrischen Bauelementen, wobei es überhaupt nicht auf die Bauform ankommt. Größe, Material und Ausführung werden bestimmt von den zu erfüllenden Anforderungen hinsichtlich Spannung, Stromstärke und Frequenz sowie den Umgebungsbedingungen, denen die Leitung ausgesetzt ist, sowie der Technologie.
Die elektrischen Eigenschaften einer elektrischen Leitung werden durch die Leitungsbeläge, die Wellenimpedanz sowie die Durchschlagsfestigkeit beschrieben. Die Querschnittsfläche beeinflusst den Leitungswiderstand und die Erwärmung je nach Stromdichte. Wesentliche weitere Eigenschaften einer elektrischen Leitung sind die zulässigen Werte für den minimalen Biegeradius, die maximale Zugfestigkeit und die Temperaturbeständigkeit der Isolierstoffe.
Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Leitungen für die feste Verlegung und Leitungen für den Anschluss ortsveränderlicher Betriebsmittel. In flexiblen Leitungen sind der oder die Leiter stets als Litze ausgeführt. Weitere Anforderungen betreffen Leiterart (eindrähtig, mehrdrähtig, fein-, feinstdrähtig), Adernzahl, Querschnittsfläche, Isolierstoff und Mantelwerkstoff. Bei Leitungen für die feste Verlegung unterscheidet man einadrige Verdrahtungsleitungen (Kunststoffaderleitungen, Schaltdrähte, Klingeldraht, Stromschienen), Stegleitungen (nebeneinander gelegte isolierte Leiter mit einem Steg aus Kunststoff oder Gummi) und Mantelleitungen. Die Adernisolation, wie auch der Mantelwerkstoff besteht häufig aus PVC oder Gummi (z. B. SBR, CR). Bei flexiblen Leitungen gibt es Zwillingsleitungen, Gummischlauchleitungen, Kunststoffschlauchleitungen und Silikon-Aderschnüre.
Ferner können Leitungen in Starkstromleitungen, Leitungen für Melde- und Signalanlagen, sowie Leitungen für Datennetze unterschieden werden.
Anwendungen
Elektrische Energieübertragung
Leitungen für die Übertragung speziell bei hoher elektrischer Leistung sind Hochspannungsleitungen in Form von Freileitungen oder Kabeln. Bei Freileitungen werden die Leiter auch als Seil (Leiterseil, Erdseil) bezeichnet und mittels spezieller Aufhängungen an Isolatoren befestigt. Oberleitungen sind Freileitungen zur Versorgung elektrischer Fahrzeuge über einen Stromabnehmer. Als technische Ausführung von Hochspannungsleitungen kommen meist Drehstromleitungen zur Anwendung. Als Alternative gibt es Gleichstrom-Fernleitungen und Leitungen für Einphasenwechselstrom, letztere insbesondere für Niederspannungs- und für Bahnstromleitungen.
Zur Stromversorgung von ortsfesten Verbrauchern hoher elektrischer Leistung bei niedriger Spannung (z. B. Elektrolyse) werden Stromschienen eingesetzt.[2] Sie können große Stromstärken führen (Richtwert für Dauerstrom 100–3000 A, bei Gleichstrom bis > 10 kA) und werden mit rechteckigem Querschnitt 12 mm × 2 mm bis 200 mm × 10 mm hergestellt, seltener mit kreisförmigem Querschnitt. Angesichts des Problems der Abführung der Stromwärme sind die Schienen nicht isoliert. Flexible Leitungen für härtere Einsatzbedingungen sind Strombänder.
Eine weitere Bedeutung hat der Begriff Stromschiene zur Stromversorgung von elektrisch getriebenen Schienenfahrzeugen und anderen beweglichen Stromverbrauchern alternativ zur Oberleitung.
Die verlustlose Energieübertragung mit Supraleitungskabel ist noch in der Erprobung. Das weltweit längste Kabel von ca. 1 km Länge wird im Jahr 2013 in der Innenstadt von Essen verlegt. Seine Stromdichte kann gegenüber Kupfer hundertfach größer sein; die Stromstärke kann gegenüber vergleichbaren Kupferkabeln fünffach größer sein.[3]
Signalübertragung
In der Kommunikationstechnik steht der Begriff Leitung noch allgemeiner für einen Signalübertragungsweg, der unter Umständen gar nicht aus einem elektrischen Leiter im eigentlichen Sinne zu bestehen braucht. Ein typisches Beispiel für eine Leitung zur Signalübertragung ist die Teilnehmeranschlussleitung, die sich physisch meist innerhalb von Telefonkabeln befindet. Eine nicht nur modellhafte elektrische Leitung ist dagegen beispielsweise das Telefonanschlusskabel oder ein Netzwerkkabel.
Hochfrequenzleitungen
Aufgrund des Verhaltens des elektrischen Stroms bei hohen Frequenzen haben Leitungen bzw. Kabel für solche Anwendungen einen speziellen Aufbau. Beispiele sind Koaxialkabel, Bandleiter, Hochfrequenzlitze, Schlitzkabel, sowie Hohlleiter und andere Wellenleiter. Im Regelfall dürfen keine beliebigen Abschlusswiderstände verwendet werden, um Fehlanpassung mit unerwünschten Auswirkungen wie Reflexionen zu vermeiden. Bei geringen Leistungen wird meist Leistungsanpassung gewählt, wodurch aber der Wirkungsgrad auf 50 % begrenzt ist.
Siehe auch
Literatur
- Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. Europa-Lehrmittel, 1989 (18. Auflage), ISBN 3-8085-3018-9.
- Ernst Hörnemann: Fachbildung Industrieelektronik. Westermann Schulbuchverlag, Braunschweig 1998 (1. Auflage), ISBN 3-14-221730-4.
Einzelnachweise
- ↑ Kupfer in der Elektrotechnik – Kabel und Leitungen. (PDF; 650 kB) Deutsches Kupfer-Institut e.V., S. 18, abgerufen am 28. Juni 2013.
- ↑ DIN 43671 Stromschienen aus Kupfer – Bemessung für Dauerstrom
- ↑ Klaus Jopp: Strom ohne Widerstand. (PDF; 4,3 MB) S. 28, abgerufen am 3. Juli 2013.