Elektrische Energieversorgung

Frontmatter

1. Überblick über die geschichtliche Entwicklung der elektrischen Energieversorgung

Zusammenfassung

Die Elektrizität als physikalisches Phänomen ist bereits seit langem bekannt. So entdeckten schon die Griechen vor etwa 2000 Jahren, daβ ein Stück Bernstein über eine anziehende Kraft verfügt, wenn es zuvor mit einem Wollappen gerieben wird. Wissenschaftliche Untersuchungen dieses Phänomens setzten jedoch erst um 1800 ein. Im Rahmen dieser Arbeiten entwickelte Volta die erste brauchbare Spannungsquelle, die aus zwei Metallplatten und einer Salzlösung bestand. Mit einer Vielzahl solcher Elemente, auch als Voltasche Elemente bezeichnet, betrieb Morse um 1840 den von ihm entwickelten Telegraphen.

Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann

2. Grundzüge der elektrischen Energieerzeugung

Zusammenfassung

Zur Erzeugung elektrischer Energie werden heute im wesentlichen Wasser, fossile Brennstoffe und Kernenergie herangezogen. Die in diesen natürlichen Energieträgern enthaltene Energie wird, wie bereits erwähnt, als Primärenergie bezeichnet. Die Umwandlung dieser Primärenergie in elektrische Energie erfolgt vorwiegend in fossil befeuerten Kraftwerken, Wasser- und Kernkraftwerken [136]. Das Ziel dieses Kapitels besteht darin, die Grundzüge dieser Energieumwandlung zu vermitteln. Dies erfolgt jedoch nur in dem Umfang, wie es als Hintergrundwissen für das Verständnis der Probleme bei der elektrischen Energieverteilung erforderlich ist.

Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann

3. Aufbau von Energieversorgungsnetzen

Zusammenfassung

Für die Kennzeichnung von Energieversorgungsnetzen ist die Nennspannung, die stets als Effektivwert angegeben wird, ein wichtiger Begriff. Bei Betriebsmitteln ist dieser Ausdruck ebenfalls noch üblich, wird jedoch in zunehmendem Maβe durch die Bezeichnung Bemessungsspannung ersetzt. Entsprechendes gilt für zugehörige Ströme und Leistungen. Gemeinsam ist diesen Gröβen, daβ mit ihnen ein vom Hersteller garantierter Betriebszustand beschrieben wird. Sein wesentliches Merkmal besteht darin, daβ die sich dabei einstellende Leistung im Dauerbetrieb zu keinen Überlastungen führen darf.

Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann

4. Aufbau und Ersatzschaltbilder wichtiger Netzelemente

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden zunächst die wichtigsten Elemente beschrieben, aus denen sich ein Netz zusammensetzt. Im einzelnen werden Transformatoren, Wandler, Generatoren, Freileitungen, Kabel, Kondensatoren, Drosselspulen, Schalter und Schaltanlagen betrachtet. Der Aufbau wird nur in dem Umfang wiedergegeben, wie es für das Verständnis der Wirkungsweise des jeweiligen Elementes notwendig ist. Die daraus abgeleiteten Modelle beschreiben dann analytisch den Zusammenhang zwischen den interessierenden Strom- und Spannungsverhältnissen. Dadurch ist es möglich, das spätere Systemverhalten von Netzen zu ermitteln. In dieser Einführung werden nur grundlegende Betrachtungen angestellt. Primär wird das stationäre Verhalten erläutert. Die erstellten Modelle erfassen transiente Vorgänge nur teilweise.

Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann

5. Bemessung von Netzen im Normalbetrieb

Zusammenfassung

Im vorigen Kapitel ist im wesentlichen das Betriebsverhalten einzelner Netzelemente beschrieben worden. In den folgenden Abschnitten wird darauf aufbauend nun das Betriebsverhalten von Netzanlagen untersucht, die sich aus diesen Betriebsmitteln zusammensetzen. Es interessieren nur solche Netze, bei denen die Ströme und Spannungen sowohl im ungestörten als auch gestörten Betrieb gewisse Bedingungen einhalten. Im Abschnitt 5.1 werden nur Kriterien für den Normalbetrieb formuliert. Anschlieβend werden Verfahren aufgezeigt, mit denen das Strom-Spannungs-Verhalten für den Normalbetrieb analytisch und numerisch zu berechnen ist, so daβ die Kriterien überprüft werden können. Zunächst werden nur Netze betrachtet, die aus Leitungen bestehen.

Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann

6. Dreipoliger Kurzschluβ

Zusammenfassung

Bei Kurzschlüssen handelt es sich um spezielle Fehler. Sie liegen dann vor, wenn ein spannungsführender Leiter mit mindestens einem weiteren Leiter niederohmig verbunden wird. Die niederohmige Verbindung kann in der Praxis sehr unterschiedlich beschaffen sein; für zwei spezielle Fälle haben sich eigenständige Bezeichnungen ausgebildet. So spricht man von einem satten Kurzschluβ, wenn zwischen den kurzgeschlossenen Leitern ein direkter metallischer Kontakt vorliegt, also ein Übergangswiderstand praktisch nicht vorhanden ist. Zum anderen wird der Ausdruck Lichtbogenkurzschluβ verwendet. Darunter versteht man solche Kurzschlüsse, bei denen die Leiter über einen Lichtbogen leitend verbunden sind. Lichtbogen stellen, wie in Abschnitt 7.1 noch erläutert wird, nichtlineare Widerstände dar, die im Bereich von wenigen Ohm liegen. Besonders auffällige Lichbogenkurzschlüsse bilden sich aufgrund der relativ groβen Leiterabstände in Freileitungsnetzen aus.

Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann

7. Kurzschluβfestigkeit von Anlagen

Zusammenfassung

Neben einer ausreichenden elektrischen Festigkeit gegen Überspannungen (s. Abschnitt 4.12.1) müssen Netzanlagen den mechanischen und thermischen Beanspruchungen gewachsen sein, die durch Kurzschlüsse verursacht werden; die Anlagen müssen, wie man sagt, kurzschluβfest sein. Lichtbogenkurzschlüsse stellen dabei, wie aus dem nächsten Abschnitt hervorgeht, eine besondere Gefahrenquelle dar.

Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann

8. Grundzüge der Betriebsführung und Planung von Netzen

Zusammenfassung

Wie bereits in Kapitel 3 dargestellt, wird die Betriebsführung der Netze in einer zentralen Einrichtung, der Schaltleitung, vorgenommen. Ihre Aufgabe besteht darin, die von der Netzplanung ermöglichten Freiheitsgrade optimal zu nutzen.

Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann

9. Berechnung von unsymmetrisch gespeisten Drehstromnetzen mit symmetrischem Aufbau

Zusammenfassung

Bei den bisher behandelten Drehstromnetzen sind Aufbau und Speisung stets als symmetrisch vorausgesetzt worden. Unter dieser Voraussetzung kann man die Anlagen durch einphasige Ersatzschaltbilder mit speziellen Begriffen wie Betriebsinduktivität und –kapazität beschreiben. Im weiteren soll nun das Strom-Spannungs-Verhalten von symmetrisch aufgebauten Netzen ermittelt werden, bei denen die Speisung unsymmetrisch erfolgt. Wie später noch gezeigt wird, können die im folgenden entwickelten Methoden sogar noch erweitert werden. Es sind damit auch Netze zu behandeln, deren Symmetrie durch punktuelle Fehler, z.B. Kurzschlüsse, gestört ist.

Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann

10. Berechnung von symmetrisch gespeisten Drehstromnetzen mit punktuellen Asymmetrien im Aufbau

Zusammenfassung

Durch Fehler ist der symmetrische Aufbau von Netzen häufig nur an diskreten Punkten gestört. Es werden zunächst diejenigen Störungen erläutert, die in der Praxis von besonderer Bedeutung sind. Anschlieβend wird gezeigt, daβ die symmetrischen Komponenten auch zur Berechnung von Netzen mit punktuellen Asymmetrien verwendet werden können. Vorteile und Grenzen dieses Verfahrens werden anschlieβend bei der konkreten Berechnung mehrerer Fehler sichtbar.

Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann

11. Sternpunktbehandlung in Energieversorgungsnetzen

Zusammenfassung

Es haben sich im Laufe der Zeit verschiedene Arten der Sternpunktbehandlung als zweckmäβig erwiesen. Auf die üblichen Ausführungen wird im folgenden näher eingegangen. Die Auswirkungen der Sternpunktbehandlung auf den Netzbetrieb werden anhand eines einpoligen Erdschlusses dargestellt, da dieser Fehler bei weitem am häufigsten auftritt und somit am meisten interessiert. Dabei wird wie bisher angenommen, daβ der Ein- fluβ des Erders auf die Stromverteilung zu vernachlässigen ist (s. Kapitel 12). Zunächst wird auf die Netze eingegangen, bei denen alle Sternpunkte isoliert, also nicht mit den Erdern verbunden sind.

Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann

12. Wichtige Maβnahmen zum Schutz von Menschen und Tieren

Zusammenfassung

Die wesentlichen Einrichtungen zum Schutz von Betriebsmitteln sind bereits im Abschnitt 4.12 beschrieben worden. Die erweiterten theoretischen Kenntnisse ermöglichen es nun auch, die Maβnahmen genauer zu erläutern, die vornehmlich zum Schutz von Menschen und Tieren dienen. Dabei gilt es, zwischen einem direkten und einem indirekten Berührungsschutz zu unterscheiden.

Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann

Backmatter