Links das Schema eines Trafos, der den im Kraftwerk erzeugten Strom ins Hochspannungsnetz einspeist: Da der Strom in diesem Fall hochtransformiert werden muss, haben die Sekundärwicklungen (rechts) mehr Windungen als die Primärwicklungen. Auf beiden Seiten sind die Wicklungen für die Drehstrom-Phasen in "Sternpunkt-Schaltung" verbunden. Auf der Sekundärseite zweigt vom Sternpunkt ein "Mittelpunkt-Leiter" ab, über den ein Ausgleichsstrom fließt, wenn die drei Phasen im Netz unterschiedlich stark belastet werden.

Der Transformator rechts bringt Hochspannung von 110 Kilovolt auf Mittelspannung von 20 Kilovolt. Auf dem Gestell links sieht man oben die ankommenden und unten die abgehenden Drehstrom-Leiter.

Transformatoren bringen den Wechselstrom auf jede gewünschte Spannung

Auf der Induktion, welche die Stromerzeugung in Generatoren ermöglicht, beruht auch das Prinzip des "Transformators". Dabei handelt es sich im einfachsten Fall um zwei Spulen, die auf einem Weicheisenkern dicht beieinander sitzen, aber vollkommen voneinander isoliert sind. Wird durch die eine Spule ein Wechselstrom geschickt, so bewirkt dieser in der anderen Spule ebenfalls einen Wechselstrom. Der induzierte Wechselstrom schwingt im selben Takt bzw. mit derselben "Frequenz" wie der verursachende Wechselstrom.

Würde man einen Transformator an Gleichstrom anschließen, ließe sich in der zweiten Spule höchstens beim Ein- und Ausschalten des Stroms ein Effekt feststellen. Wahrscheinlich würde die Primärspule auch schnell durchbrennen, da sie dem Gleichstrom keinen "induktiven Widerstand", sondern lediglich den "Ohmschen Widerstand" entgegensetzt.

Windungszahl bestimmt das Spannungsverhältnis

Wenn beide Spulen des Transformators dieselbe Zahl an Drahtwindungen haben, ist die Spannung des induzierten Stroms in der zweiten Spule dieselbe wie die des verursachenden Stroms in der ersten. Solche "Trenn-Trafos" benutzt man zur induktiven Trennung von Stromkreisen, z.B. um beim Anschluß von Geräten an die Haushaltsstromversorgung die Erdung des Null-Leiters unwirksam zu machen.

In der Regel haben die Spulen auf der "Primär-" und "Sekundärseite" von Transformatoren aber unterschiedliche Windungszahlen. Dadurch wird es möglich, die Spannung des Wechselstroms beliebig zu verändern: Besitzt z.B. die zweite Spule die zehnfache Windungszahl der ersten, so ist auch die in ihr induzierte Spannung zehnmal höher als in der ersten Spule. Zugleich wird die nutzbare Stromstärke zehnmal geringer, da die übertragene Leistung, die sich aus dem Produkt von Spannung und Stromstärke ergibt, annähernd dieselbe bleibt (Transformatoren arbeiten mit sehr hohen Wirkungsgraden von bis zu 99 Prozent).

Trafos ermöglichen den Fern-Transport von Strom

Transformatoren spielen in der Stromversorgung eine wichtige Rolle. Sie bieten die Möglichkeit, dieselbe Leistung mit verringerter Stromstärke zu übertragen. Dies ist aber Voraussetzung, um den elektrischen Widerstand der Leitungen aus Kupfer und Aluminium möglichst verlustfrei überwinden zu können (siehe Kasten). Andernfalls wäre weder eine großräumige Versorgung mit Strom noch der Verbund der Kraftwerke untereinander möglich. Der Versorgungsbereich eines Kraftwerks bliebe dann, wie in den Anfängen der Stromversorgung, auf ein paar Kilometer um die "Zentrale" beschränkt. Denn sowohl aus Sicherheitsgründen wie aus anderen praktischen Erwägungen darf der Strom beim Verbraucher in der Regel nur mit relativ niedriger Spannung ankommen.

Der Aufwand für das Transformieren und die höheren Spannungen wird deshalb von den Stromversorgern in Kauf genommen. Die höchste Spannung im Strom-Transportnetz liegt derzeit bei 380 000 Volt. Auf dem Weg vom Generator zum Verbraucher durchläuft der Strom bis zu fünf Spannungs-Ebenen, wobei jede Verbindung von einer Ebene zur anderen durch Transformatoren hergestellt wird:

Generatorspannung 10.000 bis 60.000 Volt Höchstspannungsnetz 380.000 oder 220.000 Volt Hochspannungsnetz 110.000 Volt Mittelspannungsnetz 20.000 oder 10.000 Volt

Die erste Umspannung erfolgt unmittelbar beim Kraftwerk, das den Strom ins Höchst- oder Hochspannungsnetz einspeist. Kleinere Kraftwerke wie Wasserkraftanlagen oder große Windkonverter geben den erzeugten Strom ins Mittelspannungsnetz. Ganz leistungsschwache Stromquellen (z.B. Solargeneratoren) läßt man direkt ins Niederspannungsnetz einspeisen.

Die stufenweise Abspannung des Stroms besorgen Umspannwerke und - auf der letzten Stufe zur Niederspannung hin - Netzstationen. Die Umspannwerke enthalten neben Transformatoren auch Schalt- und Meßeinrichtungen. Die enormen Spannungen und Stromstärken erfordern dabei besondere technische Vorkehrungen. Zum Beispiel werden die Transformatoren trotz ihrer relativ geringen Verluste so warm, daß sie gekühlt werden müssen und sich meistens in einem Ölbehälter befinden. Die Kontakte der Leistungsschalter zur Unterbrechung des Stromflusses müssen mit Druckluft auseinandergetrieben werden; der dabei entstehende Lichtbogen wird gekühlt und mit Hilfe eines Gasgemischs zum Erlöschen gebracht. Die Stromstärken und Spannungen können auch nicht direkt gemessen werden, sondern müssen mit Wandlern erst auf meßbare Niederspannungswerte gebracht werden.