nach oben

2015 | Buch

Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Elektrische Energieversorgung 1

Netzelemente, Modellierung, stationäres Verhalten, Bemessung, Schalt- und Schutztechnik

verfasst von: Valentin Crastan

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

Einloggen, um Zugang zu erhalten

Über dieses Buch

Die Synthese von theoretischer Fundierung und unmittelbarem Praxisbezug zeichnet dieses aktuelle und umfassende Lehr- und Nachschlagewerk zur elektrischen Energietechnik aus.

Der vorliegende erste Band beschäftigt sich mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz. Dabei wird den modernen Methoden zur Modellierung der Dynamik der Netzelemente besondere Bedeutung eingeräumt.

Um das Verständnis und den Lernerfolg zu unterstützen, bietet das Buch zahlreiche Übungsaufgaben, Modellbeispiele und Simulationen mit Matlab/Simulink.

Die aktuelle vierte Auflage wurde im Kapitel 1 und 14 sowie im Anhang aktualisiert und ergänzt. Die übrigen Kapitel erfuhren nur Anpassungen zur besseren Koordination in Zusammenhang mit der Erweiterung und Aufspaltung des zweiten Bandes des Werkes in zwei Bände im Rahmen der dritten Auflage.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einführung, UCTE, ENTSO-E, elektrotechnische Grundlagen, Hochspannungstechnik

Frontmatter

1. Einführung, UCTE, ENTSO-E

Zusammenfassung

Der Beginn der öffentlichen Elektrizitätsversorgung kann weltweit um 1880 datiert werden. Seither ist die Elektrizität einer der Hauptmotoren der industriellen Entwicklung und spielt heute bei der Automatisierung der Arbeitsprozesse und Informatisierung der Gesellschaft eine entscheidende Rolle. Man kann sie als eigentlichen Lebensnerv der hochentwickelten technisch-wissenschaftlichen Zivilisationsform betrachten; dementsprechend sind die Ansprüche an die Qualität, Sicherheit und Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung sehr hoch. Kapitel. 1 beschreibt insbesondere die Elektriziätsproduktion und den Elektrizitätsaustausch in Europa.

Valentin Crastan

2. Elektrotechnische Grundlagen

Zusammenfassung

Die für die Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie verwendete Stromform ist im Normalfall der Drehstrom, da er, wie nachstehend ausgeführt, gegenüber Einphasenwechselstrom und Gleichstrom wesentliche Vorteile bietet. Einphasenwechselstrom wird nur in Bahnnetzen eingesetzt (Abschn. 1.1). Gleichstrom wird für die Kurzkupplung von Drehstromnetzen verschiedener Frequenz oder Frequenzqualität verwendet, ferner für Seekabelverbindungen und HochleistungsFernübertragungen mit Freileitungen (> 500 km) dort, wo der Wechselstrom an seine Übertragungsgrenzen stösst (Abschn. 9.5.4). Kapitel. 2 gibt die mathematischen Grundlagen der Wechsel- und Drehstromdarstellung und des dazugehörenden elektromagnetischen Feldes.

Valentin Crastan

3. Grundlagen der Hochspannungstechnik

Zusammenfassung

Für die Übertragung elektrischer Energie werden hohe Wechselspannungen bis über 1 MV verwendet. Der Anstieg des Energiebedarfs und damit auch der übertragenen Leistungen hat zu einer progressiven Erhöhung der Übertragungsspannungen geführt, da die wirtschaflich optimale Übertragungsleistung einer Leitung proportional zu U² ist (Abschn. 11.3); eine Verdoppelung der Spannung erlaubt demzufolge, die vierfache Leistung wirtschaftlich zu übertragen (theoretisch, für Grenzen s. Abschn. 3.7.3 und 9.5.4). In Kap. 3 werden die Grundlagen der Hochspannungstechnik gegeben: Festigkeit der Isoliermittel, Feldberechnung, Gaszündung und Durchschlag im homogenen und inhomogenen Feld.

Valentin Crastan

Elemente des Drehstromnetzes und ihre Modellierung

Frontmatter

4. Transformatoren

Zusammenfassung

Wir beschränken uns im folgenden auf die Erörterung der für den Betrieb der Energieversorgungsnetze massgebenden Aspekte. Für Technologie sowie Konstruktions- und Berechnungsprobleme wird auf die spezielle Literatur verwiesen (z. B. [Bödefeld und Sequenz, Elektrische Maschinen,1965; Chatelain, Traité d’électricité, 1983; Franklin und Franklin, Transformer book, 1983; Richter, Elektrische Maschinen, 1953, CIGRÉ, Study Committee A2, Activity Report 2013]).

Valentin Crastan

5. Elektrische Leitungen

Zusammenfassung

Für die Energieübertragung und -verteilung werden üblicherweise Drehstromleitungen (Dreiphasenleitungen) eingesetzt. Einphasen- und Gleichstromleitungen bleiben Sonderfällen vorbehalten (Abschn. 1.2). Für HGÜ (Hochspannungsgleichstromübertragung), siehe auch Band 3.

Die einfachste Leitungsart ist die starre Schiene für kurze Verbindungen, z. B. in Schaltanlagen oder zwischen Generator und Kraftwerkstransformator. Üblich sind Rechteckschienen, Rund- und Rohrschienen, für besondere mechanische Ansprüche auch Profilschienen.

Die beiden wichtigsten Leitungsarten sind die Freileitung und die unterirdische Kabelleitung. Überlandleitungen, vor allem Hoch- und Höchstspannungsleitungen, werden meist als Freileitungen gebaut. Ortsnetze (Mittelspannung und Niederspannung) werden hingegen aus Gründen der Sicherheit und Ästhetik durchweg verkabelt. In Kap. 5 werden die Grundlagen der Leitungstheorie gegeben einschliesslich der Bestimmung der Leitungsparameter und das stationäre und dynamische Verhalten der Leitungen beschrieben.

Valentin Crastan

6. Synchrongeneratoren

Zusammenfassung

Zur Umwandlung der von den Antriebsmaschinen (meistens Turbinen) gelieferten mechanischen Energie in elektrische Energie können in Kraftwerken sowohl Synchronmaschinen (SM) als auch Asynchronmaschinen (AM) eingesetzt werden. SM werden bevorzugt, da sie in der Lage sind Blindleistung zu liefern, beliebig zu regeln, und wenn im Netz Blindleistungsüberschuss besteht, auch aufzunehmen.

Valentin Crastan

7. Verbraucher, Leistungselektronik

Zusammenfassung

Zu unterscheiden ist zwischen rotierenden und statischen Verbrauchern. Rotierende Verbraucher wandeln elektrische Energie in mechanische Arbeit um. In der Traktion sowie in der ortsgebundenen Antriebstechnik ist heute, zumindest für grössere Leistungen, die Asynchronmaschine (AM) dominierend. Sie wird deshalb in Abschn. 7.1 eingehend behandelt. Zudem sei erwähnt, dass die AM vor allem in Kleinkraftwerken auch als Generator eingesetzt wird.

Valentin Crastan

8. Schaltanlagen

Zusammenfassung

Als Schaltanlage bezeichnet man die Gesamtheit der in einem oder mehreren räumlich beieinander liegenden Netzknotenpunkten zusammengezogenen Betriebsmittel, die dazu dienen, den Strom zu verteilen, zu messen und zu schalten, und die dazugehörenden Schutz- und Steuereinrichtungen. Ist auch ein Transformator mit zugehörigen OS- und US-Schaltanlagen vorhanden, spricht man von Umspannanlage oder Umspannstation.

Valentin Crastan

Stationäres Verhalten symmetrischer Netze sowie von Netzen mit Unsymmetrien und deren Berechnung

Frontmatter

9. Symmetrische Netze

Zusammenfassung

In diesem Kapitel wird zur Untersuchung des stationären Verhaltens des Netzes Symmetrie des Drehstromnetzes und der Belastung vorausgesetzt. Von Bedeutung sind in diesem Zusammenhang zwei Problemkreise, die vor allem bei vermaschten Netzen nicht elementarer Natur sind:

Das Kurzschlussverhalten des Netzes und insbesondere die Berechnung der Kurzschlussströme.
Das Lastflussproblem, d. h. die stationäre Verteilung der Leistungsflüsse im Netz für eine gegebene symmetrische Lastsituation und das sich daraus ergebende Spannungsprofil.

Valentin Crastan

10. Netze mit Unsymmetrien

Zusammenfassung

Bisher ist stets Symmetrie des Netzes und der Last vorausgesetzt worden. Dies erlaubte (Abschn. 2.3), die Netzanlagen durch einphasige Ersatzschaltbilder darzustellen.

Ist die Netzstruktur symmetrisch oder symmetrisiert, aber die Belastung unsymmetrisch, verursacht durch einphasige Verbraucher und unsymmetrische Fehler, wie Phasenunterbrüche, zweiphasige Kurzschlüsse oder Erdberührungen, ist es zweckmässig, die Methode der symmetrischen Komponenten anzuwenden. Ebenso im Fall punktueller Netzunsymmetrien. Wie bereits in Abschn. 2.4.4 dargelegt, werden die Phasengrössen (abc) in die symmetrischen Komponenten (120) umgewandelt. Mit diesen Komponenten ist dank der erzielbaren Entkopplung die Berechnung einfacher durchzuführen. Schliesslich können die Resultate wieder in das Originalsystem (abc) zurücktransformiert werden. Im folgenden Abschnitt wird Genesis und Anwendung der Methode dargelegt.

Valentin Crastan

Bemessungsfragen Kurzschlussbeanspruchungen Schalt- und Schutzprobleme

Frontmatter

11. Bemessung von Netzelementen

Zusammenfassung

Ziel der elektrischen Bemessung ist die wirtschaftliche Optimierung des Elements unter Berücksichtigung der thermischen, mechanischen, hochspannungstechnischen, sowie betrieblichen Randbedingungen. Für Transformator und Synchronmaschine werden die Dimensionierungsprobleme in diesem Kapitel nur angeschnitten. Für die hochspannungstechnischen Aspekte sei auf Kap. 3 und für die Kurzschlussbeanspruchung auf Kap. 12 verwiesen.

Valentin Crastan

12. Kurzschlussbeanspruchungen

Zusammenfassung

Kurzschlüsse werden ausgelöst durch äussere Einwirkungen wie Blitzeinschläge, Wachstum von Pflanzen, Tiere, Brände, Bauarbeiten usw., ferner durch innere Fehler der Maschinen und Geräte oder durch fehlerhafte Schalthandlungen. Diese Ursachen führen letztlich dazu, dass der Widerstand zwischen den Phasen oder zwischen den Phasen und der Erde null oder sehr klein wird. In Kap. 12 werden die Kenngrössen des momentanen Kurzschlussstromes gegeben sowie die Probleme der thermischen und mechanischen Kurzschlussfestigkeit erörtert.

Valentin Crastan

13. Schalter und Schaltvorgänge

Zusammenfassung

Das Ausschalten von Kurzschlussströmen im Mittel- und Hochspannungsnetz stellt hohe Anforderungen an die Schaltgeräte. Bei Kontaktöffnung ist das Entstehen von Hochstromlichtbögen, die beherrscht werden müssen, unvermeidlich. Ein Teil der folgenden Ausführungen beschäftigt sich deshalb mit dem Lichtbogen, dessen Löschung und den dazu erforderlichen Leistungsschaltern.

Valentin Crastan

14. Schutztechnik

Zusammenfassung

Die Schutztechnik ist ein wesentliches Element der Betriebsführung elektrischer Energieversorgungsnetze. Sie gewährleistet die Kontinuität des Betriebs und die Stabilität des Netzes durch sicheres, schnelles und selektives Abschalten gestörter Netzelemente. Heute sind Kommandozeit en (Messgrössenaufbereitung + Eigenzeit der Relais) der Grössenordnung einer Netzperiode oder sogar darunter realisiert. Die Netzelemente werden, falls sie unversehrt sind und die Fehlerursache behoben ist, so schnell wie möglich wieder eingeschaltet (Beispiel: Kurzunterbrechung, Abschn. 14.2.5).

Valentin Crastan

Backmatter

Titel: Elektrische Energieversorgung 1
verfasst von: Valentin Crastan
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-45985-0
Print ISBN: 978-3-662-45984-3
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-45985-0