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Fachbegriffe der Elektrotechnik
Was versteht man unter Jouleschem Gesetz und Koronaentladung?

Naturgesetzlicher Zusammenhang: Be­schreibung der Umwandlung von elektri­scher Energie in Wärmeenergie.

Nordlichter, Aurora

(Foto: Jack Gerhardsen/Stock.adobe.com)

Dabei kann die Umwandlung erwünscht, z. B. bei Heizstrahlern, Lötkolben, Bügeleisen, Toastern und anderen elektrischen Wär­megeräten (Nutzwärme), oder uner­wünscht sein. Unerwünscht ist die Er­wärmung z. B. von isolierten Leitungen, Kabeln, Wicklungen und Klemmstellen (Verlustwärme). Das Joulesche Gesetz wurde nach seinem Entdecker, dem englischen Physiker James Prescott Joule (1818 – 1889), be­nannt und lautet:

Q = I2 · R · t

In Worten: Die Wärmemenge Q (auch Joulesche Wärme, Stromwärme oder Stromarbeit genannt) ist dem Produkt aus dem Quadrat der Stromstärke I, dem ohmschen Widerstand R und der Zeit t, währenddessen der Strom fließt, propor­tional. Die Einheit für die Wärmemenge Q ist das Joule (J) oder die Wattsekunde (Ws). Diese Einheiten werden grundsätzlich für die elektrische Energie zum Verrichten von Arbeit verwendet. Danach ist 1 J jene Arbeit, die ein Strom von 1 A in 1 s in einem Leiter verrichtet, wenn an dessen Enden ein Spannungsunterschied von 1 V besteht:

1 J = 1 V · 1 A · 1 s = 1 Ws

In Worten: Stromarbeit ist das Produkt aus Spannung, Stromstärke und Zeit. Bei 45° geografischer Breite und in Mee­reshöhe entspricht 1 Ws = 0,239 cal. Der Physiker Joule – zugleich ein leiden­schaftlicher Bierbrauer – entdeckte den beschriebenen Zusammenhang zwischen elektrischer Energie und Wärmeenergie im Jahre 1841 und legte damit den Grundstein für das Joulesche Gesetz. Joule ist auch Namensgeber für das Integral des Stromquadrats über eine gegebene Zeitdauer to bis t1, z. B. zur Be schreibung von Schmelz­ und Aus­schaltvorgängen bei Sicherungseinsätzen und Leistungsschaltern. Das Joule-­Integral lautet:

t1t0 i2dt=I2⋅t

Koronaentladung

Selbstständige Glimmentladung an Lei­tern und Elektroden in einem stark in­homogenen elektrischen Feld mit hoher Feldstärke (Ionenwind).

Allgemeines

Koronaentladungen (engl. corona dischar­ges) treten auf, wenn die kritische Feld­stärke1) an der Leiteroberfläche oder an Elektroden zur Auslösung einer Stoßioni­sation überschritten wird. Das ist – ab­hängig von den klimatischen Umgebungs­bedingungen (Regen, Nebel, Tau, Raureif, Schnee) und der Oberflächenrauheit der Leiterseile (Schmutz) – vor allem an Hoch­spannungsfreileitungen und in Freiluft­-Schaltanlagen mit Nennspannungen ≥ 220 kV der Fall. Die kritische Feldstärke beträgt etwa 20 kV/cm. Die zugehörige Spannung ge­gen Erde ist die Koronaeinsatzspannung, bei der die Glimmentladung eintritt. Die Koronaeinsatzspannung – mitunter auch „kritische Spannung“ genannt – steigt mit der Vergrößerung des Leiterradius, z. B. bei Verwendung von Hohlseilen oder Bündelleitern. Das Aufteilen des Haupt­leiterquerschnitts auf mehrere Leiterseile eines Strangs führt zu einer nennens­werten Vergrößerung der Leiteroberfläche des jeweiligen Bündelleiters und damit zu einem Rückgang von Koronaent­ladungen. Korona2) ist bei feuchtnebligem Wetter, Regen oder Schnee als leuchtender Kranz (Ionisationsglimmen) um die elektrisch aktiven Leiterseile oder als sprühende Büschelentladung an den Elektroden von Lichtbogen­Schutzarmaturen gut zu erkennen, mitunter sogar durch ein schwaches, charakteristisches Zischen hörbar.

Koronaverluste, Funkstörungen

Koronaentladungen verursachen Korona­verluste, die insbesondere bei Höchst­spannungsfreileitungen mit Nennspan­nungen von 380 kV und darüber unter ungünstigen Bedingungen bis zu 20 Prozent der Übertragungsleistung betragen kön­nen. Für 380 ­kV ­Freileitungen gilt als Näherungswert: 3 kW/km [1]. Bei Gleichspannung können infolge Ko­rona mit zunehmender Freileitungslänge ebenfalls erhebliche Energien ohne Luft­überschlag zur Erde oder zu benachbarten Leitern abgeleitet werden. Bündelleiter führen aufgrund ihrer verhältnismäßig großen Leiteroberfläche zu einer Verrin­gerung der elektrischen Randfeldstärke und damit auch der Koronaverluste. Koronaentladungen verursachen mitunter erhebliche Funkstörungen (Hochfre­quenzstörungen). Maßnahmen zu deren Herabsetzung oder Beseitigung enthalten DIN VDE 0873-­1 und -­2.

Autor: R. Müller

Der vollständige Beitrag ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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