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2011 | Buch

Elektrische Kraftwerke und Netze

verfasst von: Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

“...In seiner umfassenden, exakten, klaren und verständlichen Darstellung stellt dieses Buch einen fast einmaligen und unentbehrlichen Behelf für den Ingenieur in der elektrischen Energietechnik dar, der sich mit der Projektierung, dem Bau und dem Betrieb von Anlagen zur Erzeugung, zur Übertragung und zur Verteilung elektrischer Energie beschäftigt. Aber nicht nur für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann bietet dieses vorzügliche Werk weiterführende Informationen, auch für den, der sich in dieses Fachgebiet einzuarbeiten hat, ... stellt es eine ungemein wertvolle Hilfe dar." (Elektrotechnik + Maschinenbau)

Auch für die 7. Auflage gilt diese Beschreibung weiterhin uneingeschränkt. Diese neue Auflage wird durch neues Kapitel wird eine ausführliche Anweisung zur Berechnung von transienten Vorgängen in Drehstromnetzen mit dem Differenzen-Leitwert-Verfahren und entsprechende Beispiele aufgenommen. Außerdem ergänzt die neue Auflage den Abschnitt über Windanlagen mit der Darstellung des Leistungstransports von Windenergieanlagen ergänzt und beschreibt nun die Berechnung der Nullimpedanz von Kabeln mit beidseitig geerdeten Metallen oder Schirmen und der Berechnung des Reduktionsfaktors. Ein neuer Abschnitt für die Berechnung des größten dreipoligen Kurzschlussstromes und des kleinsten einpoligen Kurzschlussstromes in radial aufgebauten Niederspannungsnetzen mit Beispielen wurde hinzugefügt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Allgemeines zur elektrischen Energieversorgung
Zusammenfassung
Bis ins zwanzigste Jahrhundert kannte man als Energiequelle nur die Sonne, entweder in der direkten Einstrahlung der Sonnenenergie auf die Erde oder in den fossilen Brennstoffen, die über lange Zeiten mit Hilfe der Sonnenenergie aufgebaut wurden. Hinzugekommen sind Energiequellen aus der Kernspaltung oder der Kernverschmelzung, die extrem ergiebige Energiequellen darstellen können.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
2. Grundlagen zur Berechnung in Drehstromnetzen
Zusammenfassung
Die für die Planung und den Betrieb von Elektrizitätsversorgungssystemen erforderlichen elektrotechnisch-mathematischen Grundlagen werden hier mitgeteilt. Für umfangreichere und detailliertere Darstellungen wird auf die Spezialliteratur verwiesen. Eingeführt werden die komplexen Größen, wie sie in der elektrischen Energieversorgung üblich sind, das Verbraucher (VZS)- und Erzeugerzählpfeilsystem (EZS) und die symmetrischen Komponenten. Den Abschluss bilden Ausführungen zu den modalen Komponenten, von denen die symmetrischen Komponenten einen Spezialfall darstellen.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
3. Thermische Kraftwerke
Zusammenfassung
Thermische Kraftwerke (konventionelle Wärmekraftwerke, Gasturbinenoder Kombikraftwerke, Kernkraftwerke usw.) tragen in der Welt und auch in Deutschland in erheblichem Maße zur Erzeugung elektrischer Energie bei.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
4. Wasserkraftwerke und Windenergieanlagen
Zusammenfassung
Bei der Elektrizitätsversorgung eines Landes ist stets der Gedanke naheliegend, die verfügbaren Wasserkräfte auszunutzen. Fluss- und Speicherkraftwerke tragen deshalb je nach den topographischen und klimatischen Gegebenheiten in mehr oder weniger hohem Maße zur elektrischen Energieerzeugung der einzelnen Länder bei. Bei besonders günstigen Verhältnissen ist ihr Anteil sogar größer als der durch thermische Kraftwerke aufgebrachte, wie z.B. in Norwegen, in Österreich, in der Schweiz, in Kanada und in Südamerika.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
5. Drehstromgeneratoren
Zusammenfassung
Die Erzeugung elektrischer Energie erfolgt heute fast ausschließlich mit Drehstromsynchrongeneratoren 50 Hz oder 60 Hz. Nur in den Kraftwerken für den Bahnbetrieb findet man abweichend davon in einigen Ländern Mitteleuropas große Wechselstromgeneratoren für 16 2/3 Hz. Kleinwasserkraftwerke mit Leistungen bis zu einigen 100 kW und Windenergieanlagen werden z.T. auch mit Asynchrongeneratoren ausgerüstet.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
6. Generator- und Turbinenregelung
Zusammenfassung
Gleichstrommaschinen als Erregermaschinen haben immer mehr an Bedeutung verloren. Die Gleichrichtung durch den Kollektor wurde durch Halbleiter abgelöst. Auch die elektromechanischen Regler sind weitgehend durch elektronische Regler ersetzt worden. Der einfach aufgebaute robuste Wälzsektorregler mit einer Antriebstrommel nach dem Ferrarisprinzip ist in vorhandenen kleineren Anlagen, insbesondere in Wasserkraftanlagen, im Einsatz. Er genügt den an die Spannungsregelung in solchen Anlagen gestellten Anforderungen mit dem Vorzug, dass er keine Hilfsstromquelle benötigt und auch die Sollwertbildung hiervon unabhängig ist, da sie durch die Kraft einer Feder erfolgt. Das Stellglied ist in den Regler eingebaut.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
7. Eigenbedarfsanlagen in Kraftwerken
Zusammenfassung
In Wärmekraftwerken sind für die Zufuhr von Brennstoffen, Luft und Kühlwasser, für die Abfuhr von Rückständen sowie zur Steuerung, Messung, Überwachung, Beleuchtung und zur Erfüllung anderer Funktionen, die den Kraftwerksprozess ermöglichen, zahlreiche elektrische Einrichtungen, Anlagen und Antriebe notwendig. Als übergeordneter Begriff hierfür hat sich der Begriff elektrischer Eigenbedarf eingebürgert. Der Eigenbedarf muss angepasst an die Größe der Blockleistung ausreichend bemessen sein und soll möglichst störungsfrei arbeiten.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
8. Transformatoren
Zusammenfassung
Die von Drehstromgeneratoren in Kraftwerken erzeugte Spannung und die bei großen Leistungen dazugehörenden Ströme sind für eine wirtschaftliche Energieübertragung und -verteilung ungeeignet. In den Kraftwerken werden deshalb Blocktransformatoren (Maschinentransformatoren) eingesetzt, um auf Spannungen von z. B. 110, 220 oder 380 kV und teilweise sogar 500 kV und 750 kV zu transformieren. In den Verteilungsnetzen sind dann Transformatoren notwendig, um die Spannung wieder herabzusetzen.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
9. Freileitungen
Zusammenfassung
Für die Übertragung und Verteilung elektrischer Energie außerhalb von Städten werden aus Kostengründen meist Freileitungen verwendet, auch wenn seit einigen Jahrzehnten Proteste laut geworden sind gegen die „Verschandelung der Landschaft“ durch technische Bauwerke. Von Vorteil gegenüber dem Kabel ist bei der Freileitung auch die gute Zugänglichkeit für Reparaturen und die dadurch erreichbaren kurzen Wiederversorgungszeiten nach einer Störung mit Schadensfolge und die kurzzeitige Überlastbarkeit durch Störungen im Netz ohne gravierende Folgen, wobei dieser letzte Punkt von besonderer Bedeutung ist für Verbundnetzleitungen 220 kV und darüber.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
10. Kabel
Zusammenfassung
Die Kabeltechnik weist eine Tradition von über 150 Jahren auf. Bereits im Jahre 1847 wurde ein Kabel in Berlin verlegt (Guttapercherpresse von Siemens zur Herstellung isolierter Leitungen). Ab 1890 wurden papierisolierte Energiekabel also Kabel mit geschichteter Isolation eingeführt. Im Jahre 1920 wurden die ersten 60-kV-Kabel in Betrieb genommen. Die höchste Nennspannung für Kabel im Betrieb liegt im Jahre 2000 bei 500 kV. Entwicklungsarbeiten für 1000 kV werden durchgeführt.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
11. Schalter und Schaltanlagen
Zusammenfassung
Ein Drehstrom-Leistungsschalter muss unabhängig vom Löschprinzip und der speziellen Ausführungsform die besondere Anforderungen erfüllen.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
12. Drehstromnetze
Zusammenfassung
Die Drehstromnetze zur Versorgung der Bevölkerung (Haushalte, Gewerbe, Industrie, Verkehr usw.) eines Landes mit elektrischer Energie bestehen aus Teilnetzen mit unterschiedlicher Spannung. Die Kupplung der verschiedenen Spannungsebenen wird über Drehstromtransformatoren vorgenommen. Bild 12.1 zeigt schematisch den Aufbau eines Landesnetzes, das auch die Verbundnetzfunktion erfüllt. Das Bild 12.1 ist dabei an den Gegebenheiten in Europa ausgerichtet und zeigt auch die Kupplung zu benachbarten Landesnetzen,meist auf der höchsten Spannungsebene.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
13. Mathematische Beschreibung des Drehstromnetzes
Zusammenfassung
Die grundlegenden Gleichungssysteme der Netzberechnung werden angegeben und die Einbeziehung der Fehler- und Unsymmetriezustände in diese behandelt. Neben den klassischen Verfahren zur Berechnung von Einfach- und Doppelfehlern mit symmetrischen Komponenten wird auch ein universelles Verfahren zur Modellierung von Einfach- und Mehrfachfehlern mit beliebigen modalen Komponenten beschrieben.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
14. Leistungsfluss im Drehstromnetz
Zusammenfassung
Von der Elektrizitätsversorgung wird gefordert, dass elektrische Energie sicher, umweltfreundlich, kostengünstig und ausreichend bereitgestellt wird. Diese Forderung gilt für den Normalbetrieb des Netzes. Um sie erfüllen zu können, muss neben der ausreichenden Erzeugung genügend Übertragungskapazität vorhanden sein. Bei diesen Überlegungen ist selbstverständlich zu berücksichtigen, dass der Leistungsbedarf im Laufe der Jahre wachsen kann und dass deshalb ein Ausbau der Netze in Stufen notwendig wird, so dass weder Engpässe in der Versorgung z.B. durch Überlastung von Leitungsverbindungen oder Transformatoren entstehen, noch unwirtschaftliche Investitionen vorgenommen werden. Zur Einhaltung dieser Forderungen sind Untersuchungen zum Leistungsfluss im Netz notwendig.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
15. Kurzschlussströme und Kurzschlussbeanspruchungen
Zusammenfassung
Die Berechnung der Kurzschlussströme wurde bis 1962 nach VDE 0670 oder anderen Unterlagen durchgeführt. Erste eigene VDE-Bestimmungen für die Kurzschlussstromberechnung wurden in Deutschland 1962/64 veröffentlicht. Im Jahre 1972 wurde das Technische Komitee 73 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) gegründet mit der Aufgabe möglichst einfache Vorschriften für die Berechnung der Kurzschlussströme und ihrer Wirkungen zu entwickeln unter Beachtung von VDE 0102 und VDE 0103. Seit dieser Zeit werden die auf diesem Gebiet durchgeführten Arbeiten beim TC 73 der IEC eingebracht, so dass heute internationale Normen für die Berechnung der Kurzschlussströme in Drehstromnetzen und auch für die Berechnung der dynamischen und thermischen Kurzschlusswirkungen in Drehstromnetzen vorliegen. Die Berechnungsanweisungen für Kurzschlussströme und ihre Wirkungen in Gleichstromanlagen in Kraftwerken und großen Schaltanlagen sind ebenfalls in IEC-Normen zusammengestellt.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
16. Sternpunktbehandlung und Erdung in Hochspannungsnetzen
Zusammenfassung
Planung und Betrieb von Hochspannungsnetzen erfordern Überlegungen und Maßnahmen zur Sternpunktbehandlung des Netzes. Die Art der Sternpunktbehandlung hat wesentlichen Einfluss auf die Größe der bei Fehlern mit Erdberührung auftretenden Ströme, auf betriebsfrequente Spannungserhöhungen und transiente Überspannungen (Kap. 17). Insbesondere bei großen Erdkurzschlussströmen müssen Schutzmaßnahmen getroffen werden, um eine Gefährdung von Mensch und Tier auszuschließen.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
17. Überspannungen und Isolationskoordination
Zusammenfassung
Betriebsmittel und Anlagen müssen der Spannungsbeanspruchung sowohl im stationären als auch im nichtstationären Betrieb standhalten. Die Spannungsbeanspruchung tritt auf in Form der höchsten betriebsfrequenten Dauerspannung im fehlerfreien Betrieb, zeitweiliger Spannungserhöhungen, Schaltüberspannungen und Blitzüberspannungen. Nach der Ursache ihres Entstehens werden Schaltüberspannungen auch als innere und Blitzüberspannungen als äußere Überspannungen bezeichnet. Die wichtigsten Ursachen werden behandelt und später im Sinne der Isolationskoordination klassifiziert.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
18. Stabilität der Drehstromübertragung
Zusammenfassung
Im Verbundnetz arbeiten eine Vielzahl individuell angetriebener Synchrongeneratoren unterschiedlicher Leistung und unterschiedlicher Parameter bei der gleichen Frequenz parallel. Der Mechanismus der Leistungsaufteilung auf die einzelnen Generatoren erfolgt durch Veränderung der gegenseitigen Polradwinkel bei konstanter, durch die Frequenz gegebener Drehzahl. Jeder Generator entwickelt bis zu einem bestimmten maximalen Polradwinkel ein synchronisierendes Drehmoment, das ihn bei kleinen Leistungsänderungen in einem stabilen Arbeitspunkt hält. Wird die Leistungsanforderung zu groß oder die Verbindung zu anderen Generatoren beispielsweise durch einen Kurzschluss geschwächt, so kann der Generator kein oder kein genügend großes synchronisierendes Drehmoment mehr aufbringen und verliert den Synchronismus. Er läuft dann mit übersynchroner Drehzahl asynchron. Weil ein Asynchronlauf nicht zulässig ist, muss der asynchron laufende Kraftwerksblock durch einen Asynchronlaufschutz vom Netz getrennt und später neu mit dem Netz synchronisiert werden.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
19. Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
Zusammenfassung
Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) hat sich neben der Drehstrom-Hochspannungs-Übertragung (DHÜ) einen festen Platz innerhalb der Möglichkeiten der elektrischen Energieübertragung erobert, insbesondere für Übertragungen über große Entfernungen und für Seekabelübertragungen. Darüber hinaus bietet die HGÜ in bestimmten Anwendungsfällen technische Vorteile wie z.B. bei der Kupplung zwischen Netzen unterschiedlicher Frequenz bzw. unterschiedlicher Leistungs-Frequenzregelung.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
20. Berechnung transienter Vorgänge in Drehstromnetzen
Zusammenfassung
Unter transienten Vorgängen (englisch: Transients) versteht man schnell verlaufende Ausgleichsvorgänge in elektrischen Netzen. Aufgrund der beteiligten elektrischen und magnetischen Energiespeicher spricht man auch von elektromagnetischen Ausgleichsvorgängen im Gegensatz zu den elektromechanischen Ausgleichsvorgängen, an denen auch die mechanischen Energiespeicher der rotierenden Maschinen beteiligt sind.
Dietrich Oeding, Bernd Rüdiger Oswald
Backmatter
Metadaten
Titel
Elektrische Kraftwerke und Netze
verfasst von
Dietrich Oeding
Bernd Rüdiger Oswald
Copyright-Jahr
2011
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-19246-3
Print ISBN
978-3-642-19245-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-19246-3