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 = I
2 · 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:
t1∫
t0 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
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