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Hochspannung

Bei einer elektrischen Spannung spricht man üblicherweise von Hochspannung, wenn deren Effektivwert (im Falle von Wechselspannung) oberhalb von 1000 Volt (1 Kilovolt = kV) liegt. Eine Gleichspannung gilt als Hochspannung für Werte oberhalb von 1500 V. Dies ist etwas mehr als der Spitzenwert einer Wechselspannung mit 1000 V Effektivwert.

In der Energietechnik arbeitet man jedoch nicht nur mit den Begriffen Nieder- und Hochspannung, sondern unterteilt Spannungen oberhalb von 1 kV weiter in Mittelspannung, Hochspannung und Höchstspannung. In Deutschland verwendet man konkret üblicherweise die folgenden Effektivwerte auf den entsprechend bezeichneten Spannungsebenen:

• Mittelspannung: 10 kV, 20 kV oder 30 kV
• Hochspannung: 110 kV (selten 60 kV)
• Höchstspannung: 220 kV oder 380 kV

Beispielsweise dient die Mittelspannungsebene häufig der Grobverteilung innerhalb von Ortschaften; damit speist man relativ kleine Transformatoren, die die an die Haushalte gelieferte Niederspannung bereitstellen. Höchstspannung verwendet man nur im Übertragungsnetz, Hoch- und Mittelspannung sowie Niederspannung dagegen in den Verteilungsnetzen.

Erzeugung von Hochspannung

In der Energietechnik wird Hochspannung meist entweder von Generatoren direkt erzeugt oder (vor allem bei höheren Spannungsniveaus) durch Umspannen mithilfe von Transformatoren. Für Systeme, die mit Gleichspannung arbeiten, funktionieren Transformatoren nicht direkt; man braucht dafür etwas komplizierter gebaute Umrichter.

Hohe Spannungen können auch mit diversen anderen Geräten erzeugt werden, beispielsweise mit Bandgeneratoren und Influenzmaschinen, in diesen Fällen aber meist mit recht geringer elektrischer Leistung.

Vorteile von Hochspannung

Für den Transport elektrischer Energie besonders über weitere Strecken sind hohe Spannungen günstig, da sich eine gegebene elektrische Leistung, die sich vereinfacht gesagt (ohne Berücksichtigung von Blindströmen) als Produkt von elektrischer Spannung und Stromstärke ergibt, mit geringeren Stromstärken übertragen lässt. Dadurch können dünnere Stromleitungen oder -kabel verwendet werden, ohne einen zu großen Anteil der Leistung durch den elektrischen Widerstand der Leitung zu verlieren (ohmsche Verluste).

Selbst bei Übertragungen über relativ kurze Strecken ist die Verwendung höherer Spannungen manchmal sinnvoll. Beispielsweise kann es in einem Elektroauto oder einem Auto mit Hybridantrieb hilfreich sein, die für den Antrieb benötigte Leistung nicht direkt auf dem Spannungsniveau der Batterie (z. B. 200 V) zu übertragen, sondern auf einem deutlich höheren Niveau – u. U. schon im Hochspannungsbereich.

Nachteile hoher Spannungen bestehen allerdings im höheren Aufwand für Isolation und in den nötigen Sicherheitsvorkehrungen (siehe unten zu den Gefahren) sowie darin, dass das Schalten hoher Spannungen aufwendiger ist. Im konkreten Fall können noch diverse andere Nachteile zum Tragen kommen, z. B. kapazitive Effekte bei Wechselstromleitungen, vor allem mit Erd- oder Seekabeln.

Stromleitung durch Luft

Obwohl Luft normalerweise nicht elektrisch leitend ist, können bei genügend hohen elektrischen Feldstärken, wie sie durch hohe Spannungen erzeugt werden, auch Gasentladungen entstehen: Die Luft wird dabei ionisiert, also elektrisch leitfähig. Dies ist die physikalische Basis für Lichtbögen, Funken, Koronaentladungen und ähnliche Effekte.

Ein genügend starker Stromfluss durch einen Lichtbogen führt darin zu einer hohen Temperatur (oft viele tausend Grad Celsius), was die Ausstrahlung von Licht ermöglicht, den Lichtbogen also für das Auge sichtbar macht. Der Zustand der Ionisation wird durch einen genügend starken Stromfluss selbst aufrechterhalten, nämlich durch Stoßionisation und die hohe Temperatur.

Unerwünschte Lichtbögen entstehen häufig in Schaltern, wenn diese geöffnet werden. Besonders im Falle von hohen Gleichspannungen ist die Löschung solcher Lichtbögen, bevor sie einen Schalter beschädigen, oft technisch nicht ganz einfach. Spezielle Arten von Hochspannungs-Schaltern wurden für solche Zwecke entwickelt.

Ein Lichtbogen kann auch spontan zwischen zwei elektrisch leitfähigen Teilen entstehen, zwischen denen eine ausreichend hohe elektrische Feldstärke auftritt. Auch im Zusammenhang mit Stromunfällen (siehe unten) spielen Lichtbögen oft eine wesentliche Rolle.

Gasentladungen kommen auch in anderen Formen vor, etwa als Koronaentladungen, die im Dunkeln oft an Hochspannungsleitungen beobachtbar sind. Hier fließen elektrische Ladungen auf relativ ruhige und gleichmäßige Art in die Luft ab, nur als eine Art nicht allzu lautes Rauschen hörbar. Trotzdem können dadurch v. a. bei schlechtem (feuchtem) Wetter erhebliche Energieverluste an Hochspannungsleitungen auftreten.

Gefahren durch Hochspannung

Elektrische Spannungen können für den Menschen zwar bereits im Niederspannungsbereich gefährlich werden – unter manchen Umständen schon unterhalb von 100 V –, jedoch nehmen diese Gefahren bei Werten oberhalb von 1 kV noch massiv zu. Dies liegt hauptsächlich daran, dass solche Spannungen im menschlichen Körper trotz dessen elektrischen Widerstands gefährlich hohe Stromstärken verursachen können. Diese können insbesondere die Herzfunktion stören (akut und auch dauerhaft), aber auch starke Muskelanspannungen auslösen (im Extremfall bis zum Knochenbruch). Stromunfälle können auch neurologische Störungen und andere gesundheitliche Folgeschäden zur Folge haben.

Besonders schwerwiegend sind bei hohen Stromstärken elektrochemische Wirkungen und auch Verbrennungen durch starken Temperaturanstieg. Bei Berührung von Mittelspannungsleitungen (z. B. 20 kV) entstehen im Körper so hohe Stromstärken, dass Körpergewebe sofort verdampft und verbrannt wird, wodurch schwere Wunden entstehen. Solche Unfälle enden oft tödlich, selbst wenn nicht direkt ein Herzstillstand eintritt – oft im Verlauf von Stunden bis wenigen Tagen.

Bei hohen Spannungen kommt es zu schweren Stromschlägen bereits ohne direkte Berührung spannungsführender Teile, weil bei hohen Feldstärken bereits vorher ein Lichtbogen entstehen kann.

Manche Hochspannungsquellen sind aber trotz sehr hoher Spannungen relativ ungefährlich, weil deren Spannung schon bei geringer Strombelastung schnell zusammenbricht. Auf diese Weise wird vermieden, dass gefährlich hohe Ströme durch den menschlichen Körper fließen. Beispielsweise können Influenzmaschinen zwar extrem hohe Spannungen erzeugen, aber nur geringe Ladungen speichern, sodass man oft nur relativ schwache Stromschläge erhalten kann (aber natürlich abhängig von der Größe des Geräts). Eine Besonderheit sind mit hohen Frequenzen betriebene Tesla-Transformatoren, die Spannungen von Dutzenden von Kilovolt oder mehr erzeugen können, aber oft trotzdem ungefährlich sind – auch weil Hochfrequenz wegen des Skin-Effekts vorwiegend nur die Körperoberfläche betrifft.

Siehe auch: Niederspannung, elektrische Spannung, Netzspannung, Spannungsebene