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Über dieses Buch

Dieses Lehr- und Praxisbuch umfasst die gesamte Breite der elektrischen Energieversorgung von der Erzeugung bis zu den Verbrauchern. Schwerpunkt sind die Einrichtungen zum Transport und zur Verteilung elektrischer Energie. Ebenfalls werden regenerative Energien ausführlich behandelt, insbesondere Windkraftanlagen und die Netzanbindung von dezentralen Erzeugungsanlagen. Beim Betrieb der Netze wird auch auf die Bedingungen eingegangen, die in einem liberalisierten und regulierten Strommarkt zu erfüllen sind. Vor allem in diesem Bereich waren Aktualisierungen erforderlich. Darüber hinaus enthält die 9. Auflage eine Reihe von Anpassungen an neue Vorschriften sowie kleinere Ergänzungen. Viele Aufgaben mit Musterlösungen ermöglichen eine Lernkontrolle.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1 Überblick über die geschichtliche Entwicklung der elektrischen Energieversorgung

Seit langem ist die Elektrizität als physikalisches Phänomen bekannt. So entdeckten schon die Griechen vor etwa 2000 Jahren, dass ein Stück Bernstein über eine anziehende Kraft verfügt, wenn es zuvor mit einem Wolllappen 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, Detlef Schulz

2 Grundzüge der elektrischen Energieerzeugung

Zur Erzeugung elektrischer Energie werden heute im Wesentlichen fossile Brennstoffe, Kernenergie und erneuerbare Energien herangezogen. Die in diesen natürlichen Energieträgern enthaltene Energie wird, wie bereits erwähnt, als Primärenergie bezeichnet. Ihre Umwandlung in elektrische Energie erfolgt vorwiegend in fossil befeuerten Kraftwerken, Kern- und Wasserkraftwerken sowie in Windenergie-, Photovoltaik- und Biomasseanlagen. 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.
Fossil befeuerte Kraftwerke haben zurzeit noch den wesentlichen Anteil an der Stromerzeugung in Deutschland. Daher wird zunächst auf diesen Kraftwerkstyp ausführlich eingegangen. In den weiteren Abschnitten werden dann auch die anderen Kraftwerksarten behandelt.
Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz

3 Aufbau von Energieversorgungsnetzen

In der elektrischen Energietechnik werden für die Effektivwerte der Wechselströme und Wechselspannungen die großen Buchstaben I und U verwendet. Sollen mit diesen Größen spezielle Betriebszustände gekennzeichnet werden, so ist eine Indizierung mit kleinen Buchstaben vorzusehen. Gilt es dagegen, einen Ort bzw. ein Betriebsmittel innerhalb eines Netzes zu lokalisieren oder sogar eine ganze Netzebene zu kennzeichnen, so wird für den Index ein großer Buchstabe gewählt. Im Falle einer Mehrfachindizierung ist die Reihenfolge vorgeschrieben. Zuerst kommt der Betriebszustand, danach wird der örtliche Bereich charakterisiert. Dabei gilt der Grundsatz, dass erst der umfassendere und dann der speziellere Index auftreten soll (DIN EN 60027-7 und DIN 40108).
Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz

4 Aufbau und Ersatzschaltbilder der Netzelemente

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, Schaltanlagen und Schutzeinrichtungen betrachtet. Der Aufbau wird nur in dem Umfang wiedergegeben, wie es für das Verständnis der Wirkungsweise des jeweiligen Elements 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, das sich nach dem Abklingen aller Ausgleichsvorgänge einstellt; transiente Vorgänge werden von den erstellten Modellen überwiegend nur teilweise erfasst.
Wenn nur stationäre Vorgänge betrachtet werden, verwendet man im technischen Sprachgebrauch anstelle des Begriffes „Modell“ auch häufig den Begriff „Betriebsverhalten“. Es wird sich zeigen, dass sich das Betriebsverhalten bei einer Reihe von Netzelementen durch galvanisch und induktiv gekoppelte Netzwerke beschreiben lässt, die dann entsprechend der Schaltskizze des Netzes miteinander verknüpft werden. Daher wird die prinzipielle Berechnungsmethodik dieser Kreise vorangestellt.
Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz

5 Auslegung von Netzen im Normalbetrieb

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. Für den Fall, dass in den Netzen nur Leitungen und abgehende Lasten vorhanden sind, bestehen dafür manuelle Berechnungsverfahren. Ihr Wert liegt vor allem darin, dass sie das Verständnis für das Verhalten von Netzen schärfen. Außerdem bieten sie die Möglichkeit, anhand von Sonderfällen die Ergebnisse der später noch behandelten allgemeineren, rechnerorientierten Lastflussberechnungsmethoden zu überprüfen. Mithilfe dieser Verfahren ist es möglich, die Netze so auszulegen, dass sie im Normalbetrieb eine zulässige thermische Dauerbelastung und eine ausreichende Spannungshaltung aufweisen.
Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz

6 Dreipoliger Kurzschluss

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 Kurzschluss, wenn zwischen den kurzgeschlossenen Leitern ein direkter metallischer Kontakt vorliegt, also ein Übergangswiderstand praktisch nicht vorhanden ist. Zum anderen wird der Ausdruck Lichtbogenkurzschluss 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 Lichtbogenkurzschlüsse bilden sich aufgrund der relativ großen Leiterabstände in Freileitungsnetzen aus.
Zusätzlich werden die Kurzschlussarten nach der Anzahl der beteiligten Leiter gekennzeichnet. Wie im Abschnitt 10.1 noch genauer ausgeführt wird, spricht man von einem einpoligen Kurzschluss, wenn nur einer der drei Leiter L1, L2 oder L3 mit dem Neutralleiter N bzw. der Erde kurzgeschlossen wird. Ein dreipoliger Kurzschluss liegt vor, wenn alle drei Leiter miteinander kurzgeschlossen sind.
Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz

7 Auslegung von Netzen gegen Kurzschlusswirkungen und Auslegung von Schaltern

Ein dreipoliger Kurzschluss bewirkt eine sehr extreme Zustandsänderung. Die dadurch ausgelösten Wirkungen auf das Strom-Spannungs-Verhalten stellen daher sowohl für das einzelne Betriebsmittel als auch für die gesamte Netzanlage eine harte Beanspruchung dar. Hält ein Netz unabhängig vom Fehlerort diesen Belastungen stand, so wird es als kurzschlussfest bezeichnet. Ein Netz muss allerdings nicht nur kurzschlussfest sein, sondern auch die Auslegungskriterien für die Spannungsfestigkeit (s. Abschnitt 4.12) erfüllen sowie die Bedingungen des Normalbetriebs einhalten, die in Kapitel 5 beschrieben sind. Dort sind noch keine Dimensionierungskriterien für Schalter angegeben; sie werden im Weiteren zusammen mit den Auslegungskriterien für die Kurzschlussfestigkeit erläutert. Zunächst wird jedoch auf eine unmittelbare Kurzschlusswirkung an der Fehlerstelle – den Lichtbogen – eingegangen
Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz

8 Grundzüge der Betriebsführung und Planung von elektrischen Energieanlagen

Zunächst seien einige Begriffe erläutert. Unter der Bezeichnung Betriebsführung sollen alle Maßnahmen verstanden werden, die zum Betreiben einer Energieanlage notwendig sind. Dazu gehören der bedarfsgerechte Einsatz von Kraftwerken, die Netzführung, die Instandsetzung und Wartung der Anlagen sowie die Zählung aller erbrachten Leistungen für die Netznutzer. Der Ausdruck Netzführung beinhaltet nur die Maßnahmen, die zur Steuerung des Netzes notwendig sind wie z. B. Schalthandlungen.
Die Betriebsführung bzw. die Netzführung werden sowohl von den physikalischen Gegebenheiten als auch von der Organisation der Energieversorgungsunternehmen geprägt. Laut Gesetz zählen zu den Energieversorgungsunternehmen alle Gesellschaften, die andere mit Energie versorgen oder ein Netz für die allgemeine Versorgung betreiben.
Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz

9 Berechnung von unsymmetrisch gespeisten Drehstromnetzen mit symmetrischem Aufbau

Bei den bisher behandelten Drehstromnetzen sind Aufbau und Speisung stets als symmetrisch angenommen worden. Unter dieser Voraussetzung kann man die Anlagen durch einphasige Ersatzschaltbilder mit speziellen Begriffen wie Betriebsinduktivität und Betriebskapazität beschreiben. Im Weiteren soll nun das Strom-Spannungs-Verhalten von symmetrisch aufgebauten Netzen ermittelt werden, bei denen z.B. infolge eines Fehlers im überlagerten Netz 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, Detlef Schulz

10 Berechnung von Drehstromnetzen mit symmetrischen Betriebsmitteln und punktuellen unsymmetrischen Fehlern

In Netzen ist der symmetrische Aufbau durch Fehler sehr häufig nur an einzelnen Punkten gestört. Es werden vor allem diejenigen Störungen erläutert, die in der Praxis von besonderer Bedeutung sind. Vorteile und Grenzen des beschriebenen Verfahrens werden anschließend bei der konkreten Berechnung mehrerer Fehler sichtbar.
Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz

11 Sternpunktbehandlung in Energieversorgungsnetzen

Sehr wesentlich wird die Nullimpedanz eines Netzes davon beeinflusst, auf welche Art die Sternpunkte der zugehörigen Transformatoren geerdet sind. Dadurch liegt auch weitgehend fest, wie das Netz auf Fehler mit Erdberührung reagiert. Dieses Netzverhalten wird im Folgenden anhand eines Erdschlusses dargestellt, da dieser einpolige Fehler am häufigsten auftritt und somit am stärksten interessiert. Zunächst wird das stationäre Netzverhalten beschrieben, das sich bei dieser Fehlerart einstellt. Anschließend wird auf wichtige transiente Überspannungseffekte eingegangen, die durch Erdschlüsse ausgelöst werden. Ihr Verlauf hängt ebenfalls sehr stark von der gewählten Sternpunktbehandlung ab. In Abschnitt 11.3 werden dann auch Ferroresonanzerscheinungen ausführlicher behandelt, die im Abschnitt 4.12.1.1 bereits erwähnt worden sind.
Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz

12 Wichtige Maßnahmen zum Schutz von Menschen und Tieren

In den Abschnitten 4.12 und 4.13 sind bereits die wesentlichen Einrichtungen zum Schutz von Betriebsmitteln beschrieben worden. Nun werden die Maßnahmen erläutert, die vornehmlich zum Schutz von Menschen und Tieren dienen.
Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz

13 Investitionsrechnung und Wirtschaftlichkeitsberechnung für elektrische Anlagen

In dem Energiewirtschaftsgesetz fordert der Gesetzgeber, dass die Allgemeinheit möglichst sicher, preisgünstig, verbraucherfreundlich, effizient und umweltfreundlich mit Elektrizität versorgt wird. In der nachgeschalteten Netzentgeltverordnung wird weiterhin festgelegt, dass die Netzkosten verursachungsgerecht aufzuschlüsseln sind. Damit korrespondierend sind dann nachvollziehbar die Netzentgelte zu bilden, die auch als Netznutzungsentgelte bezeichnet werden. In Anlehnung an diese Forderungen werden ebenfalls die Preise bei den Erzeugern bzw. die Entgelte bei den Lieferanten ermittelt; allerdings erfolgt dort keine behördliche Prüfung, da auf diesen Märkten der Wettbewerb regulierend wirkt. Zunächst gilt es, die Basisgröße – die Kosten – zu betrachten.
Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz

Lösungen

Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz

Anhang

Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz

Backmatter

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