Beleuchtung [8]

[667] Beleuchtung , elektrische. Eine der wichtigsten technischen Anwendungen, welche die Elektrizität bisher gefunden hat, ist die zu Beleuchtungszwecken. Als künstliche Lichtquelle dient das elektrische Licht in zwei verschiedenen Formen, als Bogenlicht und als Glühlicht. Beiden Systemen liegt ein gemeinsames Prinzip zugrunde, sie beruhen nämlich beide auf der durch den elektrischen Strom in einem Leiter erzeugten Wärme. Diese ist abhängig von der Stärke des elektrischen Stromes und dem Widerstande des Leiters, somit von der materiellen Beschaffenheit und der Dimensionierung des letzteren. Nach dem Jouleschen Gesetze ist die von einem Strome J in einem Widerstande R in der Zeiteinheit entwickelte Wärmemenge proportional dem Ausdrucke J2R. Durch entsprechende Wahl dieser für die Wärmeentwicklung maßgebenden beiden Faktoren kann die Temperaturerhöhung in einem Leiter bis zur Glühhitze gesteigert und dieser dadurch selbst zur künstlichen Lichtquelle werden.

Die von Humphry Davy (1813) [1] zuerst beobachtete glänzende Lichterscheinung des elektrischen Lichtbogens ist nichts andres als ein Strom glühender Luft- und Kohlenteilchen, die den Uebergang des elektrischen Stromes von einer Kohle zur andern vermitteln und einen kontinuierlichen Funkenstrom von intensivem Glänze bilden. Die Luft- und Kohlenteilchen bilden gewissermaßen ein System von äußerst seinen glühenden Stromfäden. Humphry Davy verwendete zu dem Versuche eine Batterie von 2000 Elementen, deren Strom er durch zwei einander berührende Kohlenstifte leitete und diese allmählich voneinander entfernte. Er erhielt auf diese Weise einen Lichtbogen von mehr als 10 cm Länge. Der Entstehung eines solchen Lichtbogens muß immer eine Berührung der beiden Kohlen vorhergehen, bei deren Trennung dann eine Verringerung des stromleitenden Querschnittes stattfindet, bis dieser vor der vollständigen Trennung nur noch so gering ist, daß ein Glühen und Losreißen der Kohlenteilchen an den letzten Berührungspunkten stattfindet und auf diese Weise ein Stromübergang auch bei weiterer Entfernung der Kohlen von einer zur andern ermöglicht wird. Der elektrische Lichtbogen ist somit nichts andres als ein kontinuierlicher Oeffnungsfunke. Ein elektrischer Lichtbogen kann zwischen allen leitenden Körpern hervorgebracht werden; der erzielte Flammenbogen kann aber um so länger gemacht werden und das Licht ist um so stärker, je leichter die Körper (Elektroden genannt) sich verflüchtigen oder verbrennen lassen. Für die Zwecke der elektrischen Beleuchtung werden ausschließlich Kohlenelektroden verwendet. Die von Davy benutzten Zeichenkohlenstifte, die sehr rasch verbrannten, wurden bald ersetzt durch prismatische oder zylindrische Stäbe aus Retortenkohle, wie solche als Rückstand bei der Gasfabrikation gewonnen wird (Léon Foucault 1844). Dadurch wurde es zwar möglich, ein lang andauerndes elektrisches Bogenlicht zu erhalten, bei dem sich aber die Ungleichförmigkeiten des Elektrodenmaterials in störender Weise bemerkbar machten. Dem Bedürfnisse nach einer möglichst gleichförmigen Kohle wurde durch Herstellung künstlicher Kohle Rechnung getragen, indem man aus seinem Retortenkohlenpulver unter Zusatz von kohlehaltigen Bindemitteln, wie Teer, Sirup u.s.w. durch scharfes Brennen in besonderen Oesen [6] eine sehr dichte und gleichmäßige Kohle herstellt, die in beliebige Formen gebracht werden kann und jetzt ausschließlich in der Praxis verwendet wird. Eine wesentliche Verbesserung erhielten die künstlichen Kohlenstäbe noch dadurch, daß sie mit einem Kern (Docht) aus einem andern, leichter abbrennbaren Kohlenmateriale, das mit verschiedenen Salzen getränkt ist, versehen werden (Dochtkohle), wodurch der Lichtbogen nicht nur länger wird, sondern auch, von dem Dochte festgehalten, ein sehr ruhiges Licht liefert.

Läßt man den Lichtbogen zwischen feststehenden Kohlenspitzen übergehen, so verlängert er sich allmählich infolge Abbrennens der beiden Kohlen. Von beiden Kohlen werden Teilchen losgerissen und übergeführt, aber in ungleich starkem Maße. Die Kohle, die mit dem positiven Pole der Stromquelle in Verbindung ist, nutzt sich bedeutend stärker ab wie die andre, und zwar etwa im Verhältnis 5 : 2, gleichzeitig höhlt sie sich kraterförmig aus, während die andre (negative) sich zuspitzt. Mit zunehmendem Lichtbogen wächst sein Widerstand, der Strom nimmt ab, und hat der Lichtbogen eine gewisse Länge erreicht, so reißt er ab und erlischt. Soll somit der Lichtbogen lange Zeit möglichst gleichförmig unterhalten bleiben, so müssen die Kohlen in demselben Maße, als sie sich abnutzen, einander genähert werden. Zu diesem Zwecke sind eine große Zahl von Vorrichtungen konstruiert worden, die man elektrische Lichtregulatoren oder Bogenlampen (s.d.) nennt.

Außer der verschiedenen Form zeigen die beiden Kohlen auch ein ungleiches Verhalten bezüglich ihrer Erwärmung. Die positive Kohle hat eine wesentlich höhere Temperatur wie die negative, glüht bedeutend stärker wie diese, so daß sie auch wegen der größeren weißglühenden Kraterfläche, die einen natürlichen Reflektor bildet, bedeutend mehr Licht ausstrahlt als die negative; es ist daher in einer Bogenlampe von den beiden senkrecht übereinander stehenden Kohlenstäben der obere der positive, damit das Licht vorwiegend nach unten geworfen wird. Erzeugt man den elektrischen Lichtbogen durch Wechselströme, so zeigen beide Kohlen ein gleiches Verhalten, beide nehmen bald eine zugespitzte Form an, so daß auch die Lichtverteilung eine gleichförmige ist.

Die Temperatur des Lichtbogens ist eine außerordentlich hohe, die höchste, die man bisher künstlich erzeugen kann; nach neueren Untersuchungen ist dieselbe gleich der Temperatur, bei der sich die Kohle verflüchtigt, und wurde zu 3500º C. bestimmt [2]. Diese Eigenschaft des Lichtbogens hat verschiedene technische Verwertung gefunden, so zum Schmelzen von Metallen, zur elektrischen Schweißung nach den Verfahren von Bernardos, Zerener und Slavianoff [6],[667] zur Erzeugung von Aluminium aus tonerdehaltigen Materialien, von Calciumkarbid aus Kohle und Kalk u.s.w. (s.a. Wärmewirkungen, elektrische, und Schmelzöfen, elektrische).

Ein ganz eigentümliches Verhalten zeigt der Lichtbogen in elektrischer Beziehung. Die elektrische Spannung (Δ) an den Kohlen läßt sich als eine Funktion der Bogenlänge (L) durch die Gleichung darstellen: a = a + b L [3]. Die sogenannten Konstanten a und b dieser Gleichung sind nach Uppenborn [4] bei Gleichströmen von dem Material der Kohlenstäbe und der Stromstärke abhängig. Innerhalb gewisser Grenzen scheint a der Stromstärke annähernd direkt, b annähernd umgekehrt proportional zu sein. Die Größe a hat ihren Sitz zum größten Teil an der Uebergangsfläche des Stromes von der positiven Kohle in den Lichtbogen und zum kleineren Teile an der Uebergangsfläche des Stromes von dem Lichtbogen in die negative Kohle. So fand Uppenborn bei einem Lichtbogen von 6–16 mm Länge für die erste Stelle 32,5 Volt, für die zweite 5,5 Volt. Nach neueren Auffassungen fleht man a mehr als Uebergangswiderstand und nicht als elektromotorische Kraft an. Die zur Erzeugung eines Lichtbogens aufzuwendende Gesamtspannung setzt sich somit aus zwei Teilen zusammen, wovon nur der kleinere mit der Länge sich ändert. Das Verhältnis der Gesamtspannung zur Stromstärke nennt man den scheinbaren Widerstand des Lichtbogens. Die in der Praxis verwendeten Lichtbogen zeigen nur geringe Unterschiede in der Länge, so daß also auch die tatsächlich verwendeten Spannungen nur innerhalb enger Grenzen schwanken, bei normalem Gleichstrombogen ungefähr von 35 bis 55 Volt. Bei Lampen mit abgeschlossenem Lichtbogen (Dauerbrandlampen, Jandus-System) beträgt die Lichtbogenspannung ca. 80 Volt. Zur Unterhaltung des Lichtbogens in eine gewisse elektrische Energie erforderlich, die bestimmt ist durch das Produkt aus der Spannung zwischen den Kohlen und der Stromstärke. Da nun die Spannung sich praktisch wenig ändert, so wird in erster Reihe die Stromstärke für die vom Lichtbogen konsumierte elektrische Arbeit bezw. für die von demselben gelieferte Lichtmenge bestimmend sein. Das Verhältnis der aufgewendeten Energie zu der erzeugten Lichtstärke nennt man die Oekonomie des Lichtbogens, wobei unter Lichtstärke die sogenannte mittlere räumliche Lichtstärke zu verliehen ist. Für normale Lichtbogen bei den am meiden angewendeten Stromstärken kann man etwa 0,57–0,5 Watt für die Erzeugung einer Lichtstärke von 1 Normalkerze als erforderlich annehmen; durch die Anwendung von matten Glasglocken und Vorschaltwiderständen steigt dieser Betrag jedoch auf ca. 1 Watt. Bei den neueren Effektbogenlampen (Flammenbogenlampen) für Außenbeleuchtung genügen schon 0,126 Watt für 1 Normalkerze [14]. Die mittlere Lichtstärke einer solchen Lampe erhält man, wenn man für je 1 Ampère Stromstärke etwa 70 Normalkerzen rechnet. Der angenäherte Wert für die Lichtstärke in horizontaler Richtung ist 1/3 bis 1/4 hiervon. Hinsichtlich der Oekonomie besteht kein wesentlicher Unterschied zwischen Gleich- und Wechselstrombogen. Unter allen künstlichen Lichtquellen besitzt der elektrische Lichtbogen wegen seiner hohen Temperatur die größte Oekonomie und bietet die rationellste Umsetzung von Energie in Licht.

Die zweite Form des elektrischen Lichtes ist das Glühlicht. Zur Erzeugung desselben dienen vom Strom durchflossene Leiter von hohem Widerstande, die, bis zur Weißglut erhitzt, zur Lichtquelle werden. Als hierzu geeignetster Leiter hat sich bisher die Kohle erwiesen; sie besitzt, in Form eines dünnen Fadens, nicht nur einen hohen Widerstand, sondern bleibt auch bei Erhitzung über Weißglut unverändert, sofern die Erhitzung unter Ausschluß der Luft stattfindet. Die ersten Versuche, nach diesem Prinzip elektrisches Licht zu erzeugen, datieren weit zurück. Schon 1838 machte Jobard [7] in Brüssel den Vorschlag, eine kleine Kohle in einem luftleeren Gefäße durch den elektrischen Strom zum Glühen zu erhitzen und als Lampe zu verwenden. Nach vielfachen Bemühungen andrer (s. Glühlampe) gelang es doch erst Edison und Swan, eine wirklich haltbare Glühlampe (1879) herzustellen, die den Ausgangspunkt bildete zu einer neuen Art von Beleuchtung, für die Edison ein in allen Details ausgearbeitetes System schuf. Die jetzt verwendeten Glühlampen, die im wesentlichen die Edisonsche Form beibehalten haben, enthalten einen in einem möglichst luftleer gemachten Glasgefäße eingeschlossenen Kohlefaden, der aus einer Pflanzenfaser, aus Seide, Kollodium, Papier u.s.w. von möglichster Gleichförmigkeit der Dichte und Struktur hergestellt wird. Durch Wahl einer passenden Stromstärke wird der Kohlefaden zur Weißglut gebracht, und er strahlt dann eine bestimmte Menge von Licht aus, die von der Größe und Beschaffenheit der strahlenden Fläche und von dem Temperaturunterschiede gegenüber der Umgebung abhängt. Die Lichtausstrahlung wird um so stärker, je höher die Temperatur des Kohlefadens ist. Zur Unterhaltung der Temperatur des Kohlefadens ist ein Aufwand von elektrischer Energie erforderlich, der bestimmt ist durch das Produkt aus der an den Enden des Fadens herrschenden elektrischen Spannung und der den Faden durchfließenden Stromstärke. Die Beziehung, die zwischen der von einer Glühlampe absorbierten elektrischen Energie und der Menge des durch dieselbe erzeugten Lichtes besteht, ist noch nicht endgültig festgestellt. Nach den bisher vorliegenden Untersuchungen scheint die erzeugte Lichtmenge der dritten Potenz der aufgewendeten Energie annähernd proportional zu sein. Unter der Oekonomie einer Glühlampe versieht man wieder die Energie, die zur Erzeugung einer Lichtstärke von 1 Normalkerze aufgewendet werden muß. Bei den jetzt üblichen Kohlefadenglühlampen sind hierzu 2–3,5 Watt erforderlich, also wesentlich mehr wie bei Bogenlampen. Bei zwei neueren Konstruktionen, der sogenannten elektrolytischen Glühlampe von Nernst (1897) und der Osmiumlampe von Auer (1902), ist der Wattverbrauch auf etwa die Hälfte, nämlich auf 1,4 bis 1,5 Watt herabgedrückt. (Näheres s. Glühlampe.)

Die elektrische Beleuchtung besitzt gegenüber allen andern Beleuchtungssystemen eine Reihe von Vorzügen, die ihre immer mehr zunehmende Verbreitung vollständig erklärlich machen. Die elektrischen Lampen liefern bei sachgemäßer Ausführung der Anlage ein vollständig ruhiges Licht, verursachen keine Luftverschlechterung und entwickeln die relativ geringste Wärme [8].

Aus diesen Gründen wird sich die elektrische Beleuchtung für Räume, in denen eine größere Anzahl von Personen längere Zeit beisammen sind, wie in Theatern, Konzert- und Fabriksälen,[668] Schulräumen, Restaurants u.s.w. ganz besonders empfehlen, weil für diese nicht allein der Kostenpunkt bei der Wahl der Beleuchtungsart ausschlaggebend sein wird; so ist heute schon die elektrische Beleuchtung die ausschließliche Beleuchtungsart unsrer modernen Theater. Sehr lehrreich sind in dieser Beziehung die eingehenden Untersuchungen von Dr. Renk im Münchner Hoftheater [13], durch welche die Vorteile des elektrischen Lichts für derartige Zwecke direkt nachgewiesen wurden. Aus den genannten Untersuchungen ergab sich, daß durch die elektrische Beleuchtung die Luft weniger Kohlensäure und gar keine Rauchbestandteile mehr enthält, keine so hohe Temperatur erreicht und ihr auch nicht mehr so viel Feuchtigkeit beigemischt wird wie bei Gasbeleuchtung, und daß auch die Qualität derselben eine viel gleichmäßigere für alle Teile des Zuschauerraumes wird. Außer der schädlichen Wirkung der Verbrennungsprodukte des Leuchtgases auf den menschlichen Organismus haben diese noch andre Nachteile: sie wirken zerstörend auf Malereien, Dekorationen u.s.w., Uebelstände, die bei der elektrischen Beleuchtung vollständig vermieden sind. Das elektrische Bogenlicht speziell wird überall da mit großem Vorteil angewendet werden können, wo es auf große Lichtfülle ankommt, also für die Beleuchtung von Straßen, Plätzen, Bahnhöfen, großen Hallen, großen Fabrikräumen u.s.w. Das elektrische Bogenlicht ist unter allen andern Lichtquellen jene, deren Licht in Farbe und Zusammensetzung dem Sonnenlichte am nächsten kommt; es gestattet eine Unterscheidung von Farbennuancen und hat aus diesem Grunde u.a. in vielen technischen Betrieben, wo solche Unterscheidungen von Farben notwendig sind, so in Färbereien, Bleichereien, Druckereien u.s.w. die zweckmäßigste Verwendung gefunden. Handelt es sich darum, einzelne sehr starke Lichter (Scheinwerfer, Leuchttürme u.s.w.) zu erzeugen, so bietet das Bogenlicht die billigste Lichtquelle. Auch bezüglich der Feuersicherheit ist die elektrische Beleuchtung der Gasbeleuchtung überlegen; bei einer vollständig sachgemäß ausgeführten elektrischen Beleuchtungsanlage erscheint jede Feuersgefahr ausgeschlossen. Wenn mitunter von mancher Seite immer noch die besondere Gefährlichkeit elektrischer Lichtbetriebe betont wird, so muß hier hervorgehoben werden, daß ein elektrischer Betrieb keine ihm eigentümlichen Gefahren mit sich bringt und keineswegs gefährlicher ist wie irgend ein andrer technischer Betrieb.

In jeder elektrischen Beleuchtungsanlage wird den einzelnen Lampen die erforderliche elektrische Energie von der Erzeugungsstelle aus durch metallische Leitungen zugeführt. Es lassen sich daher bei jeder solchen Anlage drei wesentliche Teile unterscheiden: die Energiequelle, die Leitungen und die Lampen. Zur Erzeugung der elektrischen Energie werden jetzt ausschließlich Maschinen (Gleich- oder Wechselstrommaschinen) verwendet, die in entsprechender Weise durch die Leitungen mit den Gebrauchsstellen so in Verbindung flehen, daß die einzelnen Lampen möglichst unabhängig voneinander funktionieren. Durch die gegenseitige Anordnung und die dadurch bedingte Wirkungsweise der drei Hauptteile einer Beleuchtungsanlage sind verschiedene Verteilungssysteme charakterisiert, die sich in zwei Gruppen zusammenfassen lassen: in Systeme mit direkter und in Systeme mit indirekter Verteilung der elektrischen Energie. Bei der direkten Verteilung wird die elektrische Energie den Lampen in derselben Form, in der sie erzeugt wird, auch zugeführt, Lampen und Elektrizitätsquelle sind in direkter leitender Verbindung miteinander, liegen also in demselben Stromkreise. Bei der indirekten Verteilung gehören die Lampen einem andern Stromkreise an wie die Elektrizitätsquelle; die von dieser gelieferte Elektrizität wird gewissen Umwandlungs- bezw. Aufspeicherungsapparaten (Transformatoren, Akkumulatoren) zugeführt und von diesen erst nach entsprechender Umformung an die Lampen abgegeben.

Den einfachsten Fall einer solchen Verteilung erhält man dann, wenn alle Lampen einer Anlage hintereinander geschaltet werden (Reihenschaltung oder Serienschaltung, Fig. 1). Sämtliche Lampen werden von demselben Strome durchflossen, die an der Stromquelle notwendige Spannung ist gleich der Summe der Spannungen, welche die einzelnen Lampen zum normalen Brennen erfordern. Im ganzen äußeren Stromkreise, dessen Widerstand sich zusammensetzt aus der Summe der Widerstände der Lampen und der Leitung, herrscht dieselbe Stromstärke, und zwar diejenige, die eine einzelne Lampe braucht. Diese muß stets erhalten bleiben, gleichgültig, wieviel Lampen jeweilig brennen. Am zweckmäßigsten kann dies durch Aenderung der Klemmenspannung der Maschine geschehen, also entweder durch Veränderung der Umdrehungszahl der Betriebsmaschine oder durch Veränderung der Intensität des magnetischen Feldes der Dynamomaschine. Wird auf diese Weise die Betriebsstromstärke konstant gehalten, so gestaltet sich der Betrieb insofern ökonomisch, als der Energieaufwand immer annähernd dem jeweiligen Konsum entspricht. Arbeitet dagegen die Dynamomaschine mit konstanter Spannung, so muß für jede auszuschaltende Lampe ein die gleiche Energiemenge absorbierender Widerstand (Ersatzwiderstand) eingeschaltet werden, so daß immer derselbe Energieaufwand stattfindet, gleichgültig, wieviel Lampen tatsächlich brennen. Bei Wechselstrom schaltet man vorteilhaft eine Drosselspule (s. Umformer) parallel zur Lampe ein. die beim Erlöschen der letzteren den[669] Gesamtstrom aufnimmt, während sie beim Brennen derselben nur einen kleinen Teilstrom erhält. Für die Reihenschaltung eignen sich Nebenschluß- und Differentialbogenlampen (s. Bogenlampen) und Glühlampen von niederer Spannung; alle diese Lampen müssen besondere Einrichtungen haben, damit nicht beim zufälligen Erlöschen einer Lampe der ganze Stromkreis, somit sämtliche übrigen Lampen mit erlöschen. Das Reihenschaltungssystem wird in allen Fällen mit Vorteil angewendet werden können, in denen sich die Zahl der gleichzeitig brennenden Lampen wenig ändert; finden dagegen in einer Anlage starke Belastungsschwankungen statt, so werden die Vorteile dieses Schaltungssystems, die hauptsächlich in seiner Einfachheit und leichten Uebersichtlichkeit sowie in der Möglichkeit, mit hohen Spannungen und verhältnismäßig niedrigen Stromstärken, also mit billigen Leitungen zu arbeiten, durch die dann umständliche Regulierung und unökonomische Ausnutzung der Stromerzeugungsmaschinen wohl wieder aufgewogen. Hauptsächlich wird die Reihenschaltung angewendet in Beleuchtungsanlagen für Straßen, Plätze, Bahnhöfe, Hafenanlagen u.s.w. Zur Stromerzeugung dienen Hauptstrommaschinen (s. Dynamomaschine); gewöhnlich werden nur Bogenlampen oder nur Glühlampen in denselben Stromkreis geschaltet. In größeren derartigen Anlagen werden mehrere voneinander unabhängige Bogenlampenkreise angeordnet, deren jeder den Strom von einer eignen Maschine erhält. Die Zahl der Bogenlampen, die in einem Kreise hintereinander geschaltet werden, beträgt in Europa etwa 20, die nötige Spannung ist dann 1000 Volt; in Nordamerika, wo sich besonders die Straßenbeleuchtung durch Bogenlampen sehr entwickelt hat, schaltet man weit mehr, 40–60 Lampen, hintereinander und arbeitet anstandslos mit 2000–3000 Volt Spannung [9].

Eine andre sehr verbreitete Schaltungsart der Lampen in Beleuchtungsanlagen ist die Parallelschaltung oder Nebeneinanderschaltung. Einen einfachen Fall einer solchen Schaltung zeigt Fig. 2. Von der Maschine gehen zwei Leitungen (Hauptleitungen) aus, an die sämtliche Lampen angeschlossen sind. Der Strom durchfließt alle Lampen gleichzeitig, und der von der Maschine gelieferte Gesamtstrom ist gleich der Summe aller durch die Lampen fließenden Stromstärken. – Die Klemmenspannung der Maschine ist gleich der Spannung einer Lampe. Der Widerstand des äußeren Stromkreises ist, gleiche Lampen vorausgesetzt, gleich dem Widerstande einer Lampe geteilt durch die Anzahl der Lampen, wenn der Widerstand der Leitungen vernachlässigt werden kann. Durch diese Art der Schaltung sind die einzelnen Lampen voneinander unabhängig; wird die Spannung zwischen den beiden Hauptleitungen konstant erhalten, so wird ein Aus- oder Einschalten einzelner Lampen an den übrigen sich nicht bemerkbar machen. Da nun beim praktischen Betriebe die Spannung zwischen den Hauptleitungen sich mit der Anzahl, der brennenden Lampen ändern wird, so sind die Einrichtungen so getroffen, daß die Spannungsschwankungen einen angenommenen zulässigen Höchstbetrag nicht überschreiten.

Eine modifizierte Form dieser Schaltung zeigt Fig. 3, die man als Schleifenschaltung oder Gegenschaltung zu bezeichnen pflegt und in ausgedehnteren Anlagen zur Anwendung bringt, wenn es darauf ankommt, alle Lampen mit möglichst gleicher Spannung brennen zu lassen, was auf diese Weise besser zu erreichen ist als durch die früher beschriebene einfache Parallelschaltung.

Wenn auch bei der praktischen Ausführung des Parallelschaltungssystems die einzelnen Leitungen der örtlichen Verteilung der Lampen entsprechend sich vielfach verzweigen werden, so wird doch die ganze Leitungsanlage aus zwei Hauptleitungssystemen bestehen, von denen das eine als Hin-, das andre als Rückleitung dient; man nennt daher auch diese Anordnung ein Zweileitersystem. Sämtliche Glüh- und Bogenlampen, Motoren u.s.w. werden parallel geschaltet. Die gebräuchlichste Betriebsspannung bei solchen Systemen ist 110 oder 220 Volt, seltener 65 Volt. Sollen nun in dem ersten Falle Bogenlampen, die eine Spannung von etwa 40 Volt benötigen, mit parallel geschaltet werden, so werden am zweckmäßigsten zwei Nebenschlußbogenlampen hintereinander und mit einem entsprechenden Vorschaltwiderstand an die Leitungen angeschlossen (Fig. 4). Die Vorschaltwiderstände werden meist aus Neusilberdraht hergestellt; es kann aber auch ein Teil der Zuleitung zur Bogenlampe direkt zum Widerstande ausgebildet sein. Soll nur eine einzige Bogenlampe brennen, so muß der Vorschaltwiderstand etwa eine Spannung von 60 Volt absorbieren, wodurch der Betrieb der Bogenlampe ein sehr unökonomischer wird. Ist die Betriebsspannung der Anlage 65 Volt, so werden Hauptstrombogenlampen mit entsprechenden Vorschaltwiderständen einzeln den Glühlampen parallel geschaltet (Fig. 5). Sind eine größere Anzahl von Bogenlampen in die Anlage mit aufzunehmen, so wird es sich empfehlen, diese in besondere Stromkreise zu legen. Ueber die Verwendung von Akkumulatoren in Parallelschaltungssystemen vgl. Akkumulatorenschaltungssysteme.

Wenn auch das Zweileitersystem sich durch große Einfachheit auszeichnet, so bietet es doch Schwierigkeiten, sobald das Beleuchtungsgebiet größere Ausdehnung gewinnt. Mit der Länge der Leitungen nimmt auch der Spannungsverlust und damit der Arbeitsverlust zu; eine Beschränkung desselben durch starke Dimensionierung der Leitungen ist durch die erwachsenden[670] hohen Kosten bei größeren Entfernungen nicht mehr möglich. Um auch in einem solchen Falle das Zweileitersystem mit Vorteil anwenden zu können, wird die Stromerzeugungsstelle möglichst zentral in das Beleuchtungsgebiet verlegt, das eine in sich geschlossene Verteilungsleitung (Ringleitung) oder ein geschlossenes Netz von Verteilungsleitungen erhält, dem der Strom durch besondere Speiseleitungen an passend verteilten Punkten zugeführt wird (Fig. 6). In den Speiseleitungen ist ein hohes Spannungsgefälle zulässig, während die Verteilungsleitungen so dimensioniert werden, daß der maximale Spannungsverlust in denselben nur ein geringer (1–2% der normalen Lampenspannung) ist. Der Betrieb gestaltet sich dann so, daß durch Regulierung der Spannung in der Maschinenstation M die Spannung in den Verteilungspunkten I, II und III konstant gehalten wird. Bezüglich der diesem Zwecke dienenden Einrichtungen sei hier auf Spezialwerke verwiesen [9]–[11]. – Durch eine derartige Einrichtung ist es möglich, höhere Betriebsspannungen zu wählen, ohne daß die Normalspannung an den Verbrauchsstellen zu groß wird. Bei den auch heute noch vielfach üblichen Lampenspannungen von 110 Volt ist es selbst bei hohen Spannungsverluften in den Speiseleitungen nicht möglich, auf die genannte Weise größere Gebiete mit elektrischem Strom zu versorgen; im günstigsten Falle ist damit ein Beleuchtungsgebiet von 800 m Radius ökonomisch mit Strom zu versehen. Bei den neuerdings mehr und mehr in Frage kommenden höheren Lampenspannungen, z.B. von 220 Volt, erweitert sich dieser Radius proportional.

Für die Versorgung größerer Gebiete sind sogenannte Mehrleitersysteme ausgebildet worden, die eine bedeutend höhere Betriebsspannung gestatten; hierher gehört das von Edison und Hopkinson angegebene Dreileitersystem. Nach diesem werden zwei gleiche Dynamomaschinen hintereinander geschaltet und die Leitungen wie in der Fig. 7 geführt. Je zwei Lampen sind gewissermaßen hintereinander geschaltet, und es beträgt die Gesamtstromstärke in den beiden Hauptleitungen, wenn auf jeder Seite des Mittelleiters gleichviel Lampen eingeschaltet sind, nur die Hälfte derjenigen, die bei einem Zweileitersystem für die gleiche Lampenzahl notwendig wäre. Dafür ist die Betriebsspannung gleich der doppelten Lampenspannung, und es vermindert sich der Querschnitt der Leitungen bei gleichem prozentuellen Spannungsverlust wie beim Zweileitersystem auf den vierten Teil. Selbst wenn man den Querschnitt des Mittelleiters gleich dem des Außenleiters macht, so gestattet das Dreileitersystem noch eine Ersparnis von ca. 30% an Leitungsmetall gegenüber einem Zweileitersystem. Solange beide Teile des Systems gleich belastet sind, führt der Mittelleiter nur jene Ströme, die nicht unmittelbar aus einer Leitungshälfte in die andre übertreten können, da nicht alle korrespondierenden Lampen an denselben Punkt des Mittelleiters angeschlossen sind. Ist die Anzahl der brennenden Lampen in beiden Teilen ungleich, so funktioniert auch der Mittelleiter als Stromleiter in der Weise, daß er der stärker belasteten Gruppe Strom zuführt, deren Spannung gleichzeitig sinkt, während die Spannung der andern Hälfte steigt. Aus diesem Grunde muß für eine stets möglichst gleiche Belastung der beiden Hälften eines Dreileitersystems Sorge getragen oder durch besondere Vorrichtungen eine Spannungsregulierung ermöglicht werden. Die Verdopplung der Betriebsspannung, wie sie das Dreileitersystem ermöglicht, gestattet es mit den gleichen Kosten und den gleichen Verlusten, die bei Verwendung des Zweileitersystems in einem Beleuchtungsgebiet von 800 m Radius entstehen, ein Gebiet von 1200–1600 m Radius mit Strom zu versorgen. Es ist auch vorgeschlagen worden, den Mittelleiter blank in die Erde zu verlegen oder die Bleimäntel der unterirdisch verlegten Kabel selbst als Mittelleiter zu verwenden, und es sind eine Reihe von Anlagen in dieser Weise ausgeführt.

Auch die Anordnung nur einer Hauptbetriebsmaschine gestattet die Ausführung des Dreileitersystems. Eine derartige Anordnung zeigt Fig. 8 [6]. Zwischen die beiden Außenleiter werden zwei kleine Dynamomaschinen (Ausgleichmaschinen) geschaltet, die miteinander in Serie verbunden sind und an deren Mittelklemme der Mittelleiter angeschlossen wird. Die hintereinander geschalteten Magnetwicklungen beider Maschinen werden von den Außenleitern abgezweigt. Die Anker beider Maschinen sitzen auf gemeinschaftlicher Welle. Bei gleicher Belastung der beiden Hälften führen die beiden Außenleiter den gesamten Betriebsstrom, und die Maschinen drehen sich als leerlaufende Motoren, die nur so viel Energie aufnehmen, als zur Ueberwindung der eignen Widerstände erforderlich ist. Nimmt die Belastung auf einer Seite[671] ab, so müßte die Spannung auf dieser steigen. Die Maschine dieser Seite erhält aber jetzt mehr Strom, läuft schneller und dient als Motor für die zweite Maschine, die Strom an die andre Hälfte abgibt, wodurch ein Spannungsausgleich zwischen beiden Teilen selbsttätig stattfindet. Die genannten Ausgleichsmaschinen können mit Vorteil durch eine zwischen die Außenleiter geschaltete Akkumulatorenbatterie ersetzt werden, an deren Mitte der Mittelleiter angeschlossen wird (Fig. 9).

An Stelle der beiden Maschinen des Dreileitersystems (Fig. 7) kann man auch nach dem System Dolivo-Dobrowolsky (Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft, Berlin) eine einzige Maschine verwenden, deren Gesamtspannung zwar der zwischen den Außenleitern herrschenden entspricht, zur Aufnähme des Mittelleiterausgleiches jedoch durch einen sogenannten Spannungsteiler in zwei Hälften geteilt werden kann [6].

Durch Kombination zweier Dreileitersysteme erhält man das Fünfleitersystem, bei dem vier Maschinen hintereinander geschaltet sind (Fig. 10). Der Strom durchfließt hierbei vier Gruppen von hintereinander geschalteten Lampen; bei ungleicher Belastung der einzelnen Teile findet er einen Rückweg durch die Ausgleichsleitungen zu den Maschinen. Da bei diesem System die Betriebsspannung die doppelte ist im Vergleich zu einem Dreileitersystem, so können auch größere Beleuchtungsgebiete mit Strom versorgt werden. Mit dem Fünfleitersystem kann man (bei 110 Volt Lampenspannung) ein Beleuchtungsgebiet von 2500 m Radius beherrschen, es bietet jedoch eine komplizierte Verteilungsanlage, und die Verteilung des Konsums in vier gleiche Gruppen macht umständliche Regulierungseinrichtungen notwendig. Bei so beträchtlichen Entfernungen wird man daher eine indirekte Stromverteilung häufig vorziehen.

Bei der indirekten Verteilung wird die elektrische Energie von der Erzeugungsstelle mit hoher Spannung den Verbrauchsorten zugeführt, an diesen aber erst durch besondere Vorrichtungen auf die Gebrauchsspannung gebracht und an die Konsumstellen abgegeben. Man unterscheidet in einem solchen Falle zwei Hauptteile, den primären, gebildet aus den stromgebenden Maschinen mit dem daran geschlossenen Leitungsnetz, und den sekundären, der die Verteilungsleitungen und die Lampen enthält. Durch Wahl einer hohen primären Spannung können große Entfernungen Überwunden werden, und es ist nur auf diese Art eine Uebertragung elektrischer Energie auf große Distanzen ökonomisch möglich. Je nach der Art des zur Anwendung gelangenden elektrischen Stromes unterscheidet man Gleichstromsysteme, Wechselstromsysteme und Systeme mit Gleich- und Wechselstrom. – Bei dem Gleichstromsysteme kann zunächst die Verteilung durch Akkumulatorenunterstationen geschehen. In mehreren zweckmäßig gewählten Hauptpunkten des Beleuchtungsgebietes werden Akkumulatorenbatterien aufgestellt, die durch eine Primärleitung hintereinander verbunden und von einer gemeinschaftlichen Zentrale aus geladen werden. Jede einzelne Batterie liefert den Strom in ein Sekundärnetz, dessen Einrichtung dieselbe ist wie bei einer direkten Verteilung.

Eine andre Ausführungsart des Gleichstromsystems ist die mit Gleichstromumformern. Ein solcher Gleichstromumformer besteht im wesentlichen aus der Kombination eines Elektromotors mit einer Gleichstrommaschine. Der Elektromotor, dem der primäre hochgespannte Strom zugeführt wird, dient zum Antrieb der Dynamomaschine, welche Ströme von der Gebrauchsspannung und entsprechender Intensität liefert, die unmittelbar an das sekundäre Netz abgegeben werden.

Sehr geeignet zu einer rationellen indirekten Verteilung ist das Wechselstromsystem. Nicht nur weil der Wechselstrom eine Umformung in einfachster Weise gestattet, sondern auch deshalb, weil Wechselstrommaschinen sich am besten zur Erzeugung hochgespannter Ströme eignen. Die in einer Maschinenzentrale erzeugten Wechselströme hoher Spannung werden den Transformatoren zugeführt, die, zweckmäßig in dem Beleuchtungsgebiet verteilt, sämtlich parallel oder in Reihenschaltung an die Primärleitung angeschlossen sind. Die Primärleitung bildet nach Möglichkeit ein geschlossenes Netz, an das die primären Wicklungen aller Transformatoren parallel angelegt sind. Die Sekundärwindungen gehören entweder einzelnen voneinander unabhängigen Stromkreisen an (Fig. 11), oder es kann auch das Sekundärnetz in sich geschlossen sein, wie es Fig. 12 veranschaulicht. Die Primärleitung bildet ein Zweileitersystem, hergestellt aus einer blanken Luftleitung oder aus unterirdisch verlegten konzentrischen Kabeln. Das sekundäre Netz ist entweder ebenfalls nach dem Zweileitersysteme ausgebildet oder auch nach dem Dreileitersysteme, das sich einfach durch Teilung der sekundären[672] Wicklung herstellen läßt und die Einschaltung einzelner Bogenlampen vorteilhaft gestattet. In den meisten bisher ausgeführten derartigen Anlagen beträgt die Primärspannung 2000–3000 Volt, die auf die übliche Gebrauchsspannung transformiert wird. Bei sehr großen Entfernungen wird auch eine bedeutend höhere Primärspannung gewählt, und es findet dann eine zweimalige Transformation statt. Dieses Parallelschaltungssystem wurde durch Zipernowsky-Deri-Bláthy (Ganz & Co.) zuerst angewendet (1885) und in allen Details ausgebildet, so daß es eine vielfache Anwendung gefunden hat (Zentrale in Köln, Wien, Karlsbad, Rom u.s.w.).

Die Kosten einer jeden elektrischen Lichtanlage werden sich zusammensetzen aus den Kosten der Anlage und den Betriebskosten. Die allgemeinen Gesichtspunkte, die bei der Aufteilung der Anlagekosten in Betracht zu ziehen sind, bilden die Betriebssicherheit und die Rücklicht auf einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage. In welcher Weise eine Anlage mit Rücksicht auf diese beiden Faktoren zu disponieren ist, welche Verhältnisse, namentlich bei ausgedehnten Anlagen, die große Gebiete mit Licht zu versorgen haben, dabei maßgebend sind, und wie diese berücksichtigt werden müssen, kann hier nicht ausführlich erörtert werden; es sei hier nur auf die trefflichen Bücher von Hochenegg [10], Herzog und Feldmann [11] und Neureiter [9] verwiesen. Auch die Betriebskosten müssen für jeden Fall ganz besonders genau ermittelt werden; sie werden sich zusammensetzen aus der Verzinsung und Amortisation des Anlagekapitals und den reinen Betriebskosten. Die durch entsprechende Berücksichtigung aller dieser Einzelkosten ermittelten totalen Kosten des elektrischen Lichtes werden dann gewöhnlich auf eine Brennstunde der 16 kerzigen Glühlampe oder auch auf eine Amperestunde bezw. auf eine Hekto- oder Kilowattstunde reduziert. – Die rapide Entwicklung, welche die Elektrotechnik in den letzten Dezennien genommen hat, eine Entwicklung, wie wir sie ähnlich in keinem andern Zweige der Technik wieder finden, kommt in hervorragendster Weise zum Ausdruck in der Anwendung und Verbreitung der elektrischen Beleuchtung. Nachdem in dieser verhältnismäßig kurzen Zeit außerordentliche Fortschritte in dem Bau der Dynamomaschinen gemacht waren, die elektrischen Lampen einen großen Grad von Vollkommenheit erlangt hatten und gleichzeitig das Problem einer rationellen Fortleitung und Verteilung elektrischer Energie eine Lösung gefunden hat, die allen gestellten Anforderungen in befriedigendster Weise zu entsprechen vermag, verschaffte sich auch das elektrische Licht immer mehr und mehr Eingang. Nicht nur die Anzahl kleinerer elektrischer Lichtanlagen nahm außerordentlich rasch zu, sondern man ging auch sehr bald zum elektrischen Großbetrieb über. Eine große Reihe von Städten unternahm den Bau von Elektrizitätswerken, und so sind bis heute in Deutschland allein schon eine sehr beträchtliche Anzahl von elektrischen Zentralen im Betrieb und erfahren vielfach erhebliche Erweiterungen. Statistische Angaben über die größeren Elektrizitätswerke findet man in [15].


Literatur: [1] Davy Collected Works, vol. IV. – [2] Violle, Comptes rendus, 26. Dez. 1892. – [3] Frölich, Elektrot. Zeitschr. 1883, S. 153. – [4] Zentralbl. f. Elektr., Bd. 10, S. 102. – [5] Heim, Die Einrichtung elektrischer Beleuchtungsanlagen, Leipzig 1903. – [6] Holzt, Schule des Elektrotechnikers, Bd. 3, Leipzig 1903. – [7] La lumiere électrique, IV, p. 580. – [8] Fischer, Vierteljahrsschrift für öffentliche Gesundheitspflege 1883, S. 620. – [9] Neureiter, Die Verteilung der elektrischen Energie in Beleuchtungsanlagen, Leipzig 1894. – [10] Hochenegg, Anordnung und Bemessung elektr. Leitungen, Berlin 1897. – [11] Herzog und Feldmann, Die Berechnung elektr. Leitungsnetze, Teil I, Strom- und Spannungsverteilung in Netzen, Berlin 1903. – [12] Elektrot. Rundschau 1894, Nr. 15. – [13] Zentralblatt s. Elektrot. 1885, S. 210 u. ff. – 114] Wedding, Elektrot. Zeitschr. 1900, S. 546. – [15] Uppenborn, Kalender für Elektrotechniker, München 1904.


Fig. 1.
Fig. 1.
Fig. 2., Fig. 3.
Fig. 2., Fig. 3.
Fig. 4., Fig. 5.
Fig. 4., Fig. 5.
Fig. 6.
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Fig. 7., Fig. 8., Fig. 9.
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Fig. 10.
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Fig. 11.
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Fig. 12.
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Quelle:
Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 1 Stuttgart, Leipzig 1904., S. 667-673.
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