MKL1888:Elektrische Zentralstationen

Elektrische Zentralstationen, Stationen, in welchen elektrische Energie in großem Maßstab erzeugt, mittels Leitungsnetzen den verschiedenen Verwendungsstellen zugeführt und dort zur Beleuchtung oder Leistung motorischer Arbeit verwendet wird. Die Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie in großem Maßstab hat in den letzten Jahren einen großartigen Aufschwung genommen. Viele Städte, unter andern Berlin, Hamburg, Elberfeld, Barmen, Königsberg, Stettin, Darmstadt, Mühlhausen, besitzen bereits Zentralen, viele Städte, unter andern Köln, Hannover, Breslau, Altona, sind in der Ausführung begriffen, nicht wenige endlich, wie Frankfurt a. M., Dresden, Düsseldorf u. a., werden in kurzem folgen.

Fast alle bislang in die Praxis eingeführten Verteilungssysteme beruhen auf dem Prinzip der Parallelschaltung. Alle Apparate, seien es Lampen, Motoren oder Akkumulatoren, sind in Parallelschaltung völlig unabhängig voneinander. Die Parallelschaltung bietet somit die größte Betriebssicherheit. Als Hauptforderung für ein solches System gilt: die Spannung muß an allen Punkten des Leitungsnetzes trotz wechselnder Energieentnahme konstant bleiben, da alle angeschlossenen Apparate nur bei einer ganz bestimmten Spannung ohne Störung arbeiten; namentlich ist dies für ein ruhiges, gleichmäßiges Brennen der elektrischen Lampen unbedingt notwendig. Die verschiedenen Arten der Verteilung elektrischer Energie in großem Maßstab unterscheiden sich im wesentlichen dadurch voneinander, daß sie auf verschiedenen Wegen die Verteilung auf große Entfernungen ohne allzu großen Aufwand von Leitungsmaterial zu erreichen suchen; denn mit den Entfernungen hat die Verteilung elektrischer Energie in großem Maßstab in erster Linie zu rechnen. Mit Rücksicht hierauf wird notwendigerweise immer eine Energie von höherer Spannung gewählt werden müssen. Die elektrische Energie pro Sekunde ist gleich dem Produkt aus Stromstärke und Spannung (Voltampère). Eine bestimmte Energiemenge erfordert bei hoher Spannung geringere Leitungsquerschnitte als bei niederer Spannung; denn der Strom ist es, welcher geleitet werden soll; er ist aber, gleiche Energiemenge vorausgesetzt, bei hoher Spannung geringer als bei niederer. Sind z. B. auf eine Entfernung von 1000 m 10,000 Voltampère zu übertragen, so muß, gleichen Verlust in den Leitungen vorausgesetzt, die Leitung bei 100 Volt zehnmal so stark sein, wie bei 1000 Volt Spannung; denn im ersten Fall sind 100, im zweiten Fall nur noch 10 Ampère zu leiten. Immerhin kann man die Spannung nicht ins Unbegrenzte erhöhen, da schließlich eine dauerhafte Isolation der Leitungen nicht mehr möglich ist; 5000 Volt dürfte zur Zeit die äußerste Grenze sein. Da nun hingegen die Spannung an den Lampen höchstens 150 Volt sein darf (für höhere Spannungen sind Glühlampen kaum herzustellen), so muß die erzeugte hohe Spannung auf irgend welche Weise so modifiziert werden, daß die eingeschalteten Apparate nur mit niederer Spannung gespeist werden. Dies geschieht entweder auf direktem Wege ohne Umwandlung der hohen Spannung in niedere, oder auf indirektem Wege dadurch, daß man vermittelst sogen. Transformatoren Energie hoher Spannung in solche von niederer Spannung umsetzt. Der direkte Weg wird hauptsächlich von den Systemen der Verteilung elektrischer Energie mittels Gleichstrom eingeschlagen, während der indirekte Weg augenblicklich noch vorwiegend durch das Wechselstromsystem bethätigt wird.

Fig. 1. Dreileitersystem.

Die Verteilung elektrischer Energie auf direktem Wege geschieht mittels der sogen. Leitersysteme. Das Dreileitersystem, zuerst von Edison und Hopkinson angegeben, besteht darin, daß man zwei Gleichstrommaschinen R₁R₂ (Fig. 1) hintereinander schaltet, so daß bei a der positive, bei c der negative Pol ist. Da beide Maschinen hintereinander geschaltet sind, so herrscht zwischen a und c, also auch zwischen den Leitungen F₊ und F₋ die Summe der Spannungen beider Maschinen; liefern z. B. beide je 100 Volt, so herrscht zwischen F₊ und F₋ 200 Volt Spannung. Legt man jetzt eine dritte Leitung F₀ bei b an, so herrscht zwischen F₊ und F₀ sowie zwischen F₀ und F₋ nur eine Spannung von 100 Volt. Das System ist also derart eingerichtet, daß wir eine höhere Spannung (etwa 200 Volt) erzeugen, jedoch für die einzuschaltenden Apparate (Lampen etc.) die halbe Spannung (100 Volt) verfügbar haben, wir schalten sie in die beiden Zweige F₊, F₀ und F₀, F₋ ein. Der wesentliche Vorteil des Dreileitersystems besteht somit in dem Umstand, daß man die doppelte Spannung eines gewöhnlichen Zweileitersystems anwenden kann, ohne daß die Betriebsspannung erhöht wird; die Betriebsspannung aber muß eine niedere sein, da Glühlampen höchstens bis zu 150 Volt hergestellt werden können. Der mittlere Leiter F₀ ist sozusagen stromlos; er wird daher nur drei Viertel so stark gewählt, wie die Leiter F₊ und F₋. Mittels des Dreileitersystems spart man gegenüber einem Zweileitersystem infolge der höhern Spannung 35 Proz. an Kupfer für die Leitungen; oder man kann bei gleicher Kupfermenge auf eine viel weitere Entfernung elektrische Energie verteilen, ehe derselbe Leitungsverlust auftritt.

Fig. 2. Fünfleitersystem.

Das Fünfleitersystem ist eine einfache Weiterbildung des Dreileitersystems. Fig. 2 zeigt ein Schema desselben. Es besitzt 4 Maschinen R und 5 Leitungen. Mittels dieses Systems kann man die Spannung vervierfachen und erhält trotzdem in den einzelnen Zweigen nur die einfache Spannung, wie sie die Glühlampen erfordern. Der Kupferaufwand für die Leitungen verringert sich im Vergleich zu einem Zweileitersystem um 66 Proz., d. h. man kann mittels dieses Systems schon auf ganz gewaltige Entfernungen hin elektrische Energie verteilen, ohne übermäßigen Leitungskosten zu begegnen.

Drei- und Fünfleitersysteme werden namentlich in neuester Zeit viel zur Ausführung gebracht, hauptsächlich mit Akkumulatorenbatterien, welche in die einzelnen Zweige eingeschaltet sind, und es fehlt nicht an Stimmen, welche diese Leitersysteme namentlich in Verbindung mit Akkumulatoren als die leistungsfähigsten Anordnungen für e. Z. ansehen.

Auf indirektem Wege kann man endlich elektrische Energie mittels Akkumulatoren oder Gleichstromtransformatoren bei Gleichstrom, oder mittels Wechselstromtransformatoren bei Wechselstrom verteilen. Die Verteilung mittels Akkumulatoren geschieht in der Weise, daß man eine Anzahl Akkumulatorenbatterien A (Fig. 3) von etwa 100–120 Volt hintereinander schaltet und durch eine Dynamomaschine R von hoher Spannung speist. An den einzelnen Batterien werden Speiseleitungen F für die einzuschaltenden Apparate (Lampen) abgezweigt.

Fig. 3. Verteilung elektrischer Energie mittels Akkumulatoren.

Jede Akkumulatorbatterie wird nahezu in den Mittelpunkt ihres Verteilungskreises gelegt. Dieses System ist sehr wirtschaftlich, indem die Akkumulatoren die jeweils überschüssige Energie aufspeichern und je nach Bedarf wieder abgeben und bei Störungen an der Dynamomaschine längere Zeit den Betrieb allein aufrecht erhalten können. Immerhin sind augenblicklich die Akkumulatoren jedoch noch so kostspielig, daß man sie kaum in diesem großen Maßstab wird anwenden können, ohne das Unternehmen unwirtschaftlich zu machen.

Die Verteilung elektrischer Energie in großem Maßstab mittels sogen. Gleichstromtransformatoren besteht im wesentlichen darin, daß man in der Zentralstation elektrische Energie von hoher Spannung erzeugt, welche eine Anzahl in den verschiedenen Bezirken aufgestellter Elektromotoren treibt. Diese Elektromotoren sind mit Strommaschinen gekuppelt, welche elektrische Energie von niederer Spannung, wie sie für die Lampen etc. nötig ist, liefern. Es wird also auf diese Weise für die langen Hauptleitungen der Vorteil der hohen Spannung wahrgenommen, während erst an der Verwendungsstelle selbst diese hohe Spannung in die betriebsmäßige niedere Spannung umgesetzt wird, so daß nur auf kleine Strecken von den einzelnen Bezirken (Unterstationen) bis zu den Lampen etc. dickere Leitungen notwendig sind. Diese Art der Verteilung wird meist in Verbindung mit den Leitersystemen vorgeschlagen, indem man für den größten Teil der Betriebssphäre das direkte System und nur für die allerentferntesten Punkte noch höhere Spannungen anwendet und diese dann an Ort und Stelle mittels Gleichstromtransformatoren in betriebsmäßige niedere Spannung umsetzt.

Fig. 4. Wechselstromsystem.

Das Wechselstromsystem besteht im wesentlichen aus einer Wechselstrommaschine R (Fig. 4), welche elektrische Energie von hoher Spannung liefert (meist 2000 Volt). An den einzelnen Verwendungsstellen werden Transformatoren T aufgestellt, welche diese Energie von hoher Spannung in solche von niederer Spannung (etwa 100 Volt) umsetzen und damit die Lampen etc. speisen. Ein sehr schwerwiegender Vorteil dieses Systems ist, daß die Wechselstromtransformatoren einfache, selbstthätige, keiner Wartung bedürfende Apparate sind, welche ihre Spannung fast vollkommen konstant erhalten, solange die Spannung der Wechselstrommaschine die gleiche bleibt, und daß sie einen ausgezeichneten Wirkungsgrad haben (bis zu 96 Proz.). Nachteilig ist allerdings, daß Bogenlampen mit Wechselstrom betrieben beträchtlich mehr Energie verzehren als solche mit Gleichstrom betriebene, daß 100 Volt Wechselstrom für den menschlichen Körper weit schädlicher sind als 100 Volt Gleichstrom, daß ferner die Leistung motorischer Arbeit mittels Wechselstroms augenblicklich noch sehr große Schwierigkeiten bietet.

Während Europa zum größten Teil mehr den Gleichstromzentralen zuneigt, finden wir in Amerika eine große Zahl von Wechselstromzentralen. Als bemerkenswerteste Gleichstromzentrale dürften wohl die Berliner Elektrizitätswerke gelten. Fünf große Stationen liefern elektrische Energie auf ein gemeinsames Netz, welches auf dem Dreileitersystem beruht. Es sind dies die Zentralen: Mauerstraße mit 3040, Markgrafenstraße mit 2280, Friedrichstraße mit 300, Spandauer Straße mit 2000, Schiffbauerdamm mit 1000, in Summa also rund 8600 Pferdekräften. Für die Stationen Mauerstraße, Spandauer Straße und Schiffbauerdamm sind jedoch noch weitere Dampfmaschinen von ca. 12,000 Pferdekräften vorgesehen. Die neu aufgestellten Dampfmaschinen besitzen je ca. 1400 Pferdestärken, welche je zwei unmittelbar mit der Maschine gekuppelte Dynamomaschinen (Innenpolmaschinen von Siemens u. Halske) treiben. Diese Dynamos besitzen eine Höhe von ca. 3 m und liefern Strom für beiläufig 5–6000 Glühlampen à 16 Normalkerzen. Diese großen Dampf- und Dynamomaschinen arbeiten äußerst ruhig und wirtschaftlich, so daß man geneigt ist, noch weit mächtigere Maschinen (bis zu 3000 Pferdekräften) aufzustellen.

Die von der Electric Supply Co. in Deptford in Angriff genommene Wechselstromzentrale versorgt ganz London von einer Station aus mit Licht. Die elektrischen Maschinen liefern eine Energie von 10,000 Volt; die Hauptleitungen gehen an die einzelnen Verteilungspunkte, woselbst mittels Haupttransformatoren die Energie in solche von 2400 Volt Spannung umgewandelt wird. Von hier aus gehen Leitungen nach den einzelnen Haustransformatoren, wo die Energie, in solche von 100 Volt Spannung umgesetzt, zur Speisung der Lampen verwendet wird. Vorläufig werden 2 Wechselstrommaschinen von je 1500 Pferdekräften gebaut, es sollen jedoch noch 4 Maschinen von je 10,000 Pferdekräften aufgestellt werden. Diese letzten Wechselstrommaschinen sind 13,7 m hoch und wiegen ca. 500,000 kg. Selbst wenn das Unternehmen daran scheitern sollte, daß man eine so riesige Spannung wie 10,000 Volt kaum mehr betriebssicher isolieren kann, so ist ihm ohne Zweifel ein Ehrenplatz in der Geschichte der Elektrotechnik offen. Es geht eben mit den elektrischen Spannungen genau so wie mit den Dampfspannungen; es gibt eine Grenze, über welche hinaus kein Material den hohen Spannungen auf die Dauer gewachsen ist. Vgl. Krebs, Lehrbuch der Induktionselektrizität und Elemente der Elektrotechnik (Stuttg. 1889); Görges und Zickler, Die Elektrotechnik in ihrer Anwendung auf das Bauwesen (Leipz. 1890).

Elektrische Zentralstationen. Von neuern Systemen zum Betrieb elektrischer Zentralen sind zwei eigenartige zu erwähnen, welche vorwiegend für jene Anlagen in Betracht kommen, wo die Erzeugerstelle der elektrischen Energie weit von der Verbrauchsstelle entfernt ist, wie bei Wasserkräften, welche fern von einer Stadt liegen, oder auch in jenen Fällen, wo Städte die Anlage wegen der Betriebsbelästigungen nicht innerhalb des Weichbildes dulden wollen. Da ist es denn natürlich von Vorteil, nicht an Entfernungen gebunden zu sein, um das Elektrizitätswerk an einer Stelle errichten zu können, wo Kohlenzu- und Abfuhr am bequemsten und wo genügend Kondensationswasser für die Dampfmaschinen vorhanden ist. Das eine System ist unter dem Namen Wechselstromgleichstromsystem bekannt. Im wesentlichen besteht es darin, in der fern liegenden Erzeugerstation Wechselstrom hoher Spannung zu erzeugen, was ja mittels Wechselstrommaschinen (im Gegensatz zu den Gleichstrommaschinen) ohne jede Schwierigkeit erreicht werden kann. Dieser hochgespannte Wechselstrom wird zu den in der Stadt errichteten Unterstationen geführt, in welchen Wechselstromgleichstrom-Transformatoren aufgestellt sind. Wie ja in den meisten Fällen zur Vereinfachung des Betriebs Akkumulatorenbatterien hinzugezogen werden, so kann man statt der Wechselstrommotoren, welche die Gleichstrommaschinen antreiben, gewöhnliche Wechselstrommaschinen nehmen. Diese müssen allerdings, um als Motoren zu laufen, zunächst auf die synchrone Geschwindigkeit gebracht werden, was indes, wenn Akkumulatoren in der Unterstation vorhanden sind, ein Leichtes ist: man läßt mittels der Akkumulatoren zunächst die Gleichstrommaschine als Motor laufen, diese bringt dann die Wechselstrommaschine auf synchrone Geschwindigkeit, von wo ab die letztere, in das Wechselstromnetz eingeschaltet, als Motor weiterläuft und die Gleichstrommaschine zum Stromgeben zwingt. Eine Wechselstrommaschine als Motor hat vor den bis jetzt bekannten selbstanlaufenden^{[WS 1]} Wechselstrommotoren den erheblichen Vorteil voraus, daß sie hohen Nutzeffekt besitzt und mit hoher Spannung betrieben werden kann (s. Elektromotoren). Man vereinigt durch dieses System die guten Eigenschaften des Wechselstroms für hohe Spannung und Fernleitung sowie die beträchtlichen Vorzüge des Gleichstroms für Licht, Kraftzwecke und besonders für die Möglichkeit einer Vereinfachung des Betriebs durch Zuhilfenahme von Akkumulatoren. Eine solche Anlage wurde zuerst von Krebs für Frankfurt a/M. vorgeschlagen, in Kassel von der Firma Örlikon ausgeführt und auf der Frankfurter Ausstellung von Siemens u. Halske in großem Maßstab mit einer 500pferdigen Wechselstrommaschine und drei Wechselstromgleichstrom-Transformatoren in Größen von 200, 100 und 50 Pferdekräften im Betrieb gezeigt. Diese Anlage übernahm abwechselnd mit einer Gleichstrom-Akkumulatorenanlage, bestehend aus einer 600pferdigen Gleichstrommaschine und einer Akkumulatorenbatterie von 540 Pferdekraftstunden Leistung, den gesamten Betrieb.

Das zweite neue System könnte man dem allgemein üblichen Gebrauch nach „Drehstromsystem“ nennen, wenn nicht der Name „Drehstrom“ ein völlig nichtssagender Begriff wäre und, wie auch in jüngster Zeit mehr und mehr geschieht, der Name Mehrphasenstromsystem bei weitem vorzuziehen wäre. Das Mehrphasenstromsystem ist nichts andres als ein Wechselstromsystem, nur mit dem Unterschied, daß mehrere Wechselströme auf geeignete Weise miteinander verkettet sind, wodurch man als Hauptvorteil erzielt, daß der Mehrphasenstrom fast ebensogut wie der Gleichstrom zur Leistung von motorischer Arbeit zu verwenden ist, während dies von dem gewöhnlichen Wechselstrom nicht behauptet werden kann (s. Elektromotoren). Er kann also sämtliche Arbeiten des Gleichstroms vollführen, ja sogar durch eine einfache Umsetzung Akkumulatoren laden, und hat vor dem Gleichstrom noch den Vorteil voraus, daß ein Betrieb mit sehr hohen Spannungen ohne weiteres möglich ist, wozu er durch seine eigentliche Wechselstromnatur befähigt ist. Obwohl noch namentlich die Motoren einiger Weiterbildung bedürfen, ist ein solches System in Heilbronn zur Ausführung gelangt. Betrieben wird die Heilbronner Anlage durch die 10 km entfernte Wasserkraft bei Lauffen a. N. In Lauffen stehen die Mehrphasenstrommaschinen; sie erzeugen aus praktischen Gründen nur 50 Volt Spannung; mittels Transformatoren wird diese Spannung an Ort und Stelle auf 5000 Volt erhöht, dann durch oberirdische, an Ölisolatoren befestigte Leitungen bis nach Heilbronn geleitet, dort auf 2000 Volt transformiert und mittels Kabel an die einzelnen Verwendungsstellen geführt, wo dann weitere Transformatoren die Spannung auf das gebrauchsmäßige Maß von 100 Volt umsetzen.

Anmerkungen (Wikisource)

1. Vorlage: stelbstanlaufenden