Elektrische Energietechnik

Die elektrische Energietechnik befasst sich mit der Wandlung und dem Transport von Energie. So wird beispielsweise im Kraftwerk die Bindungsenthalpie der Kohle in elektrische Energie umgewandelt. Diesen Prozess nennt man nicht ganz korrekt Energieerzeugung. Beim Verbraucher entsteht aus der elektrischen Energie Wärme oder mechanische Arbeit. Um einen einfachen Einstieg in die Materie zu finden, befasst sich das Kapitel zunächst mit den Grundbegriffen wie z. B. Energie, Leistung und Arbeit. Dann werden die für die elektrische Energietechnik wichtigen Drehstromsysteme erläutert. Es wird gezeigt, wie ein Drehfeld entsteht und was ein symmetrischer Betrieb ist. Wichtig für das Lösen von mathematischen Problemen in den Grundeinheiten Ω, V oder A ist auch das Rechnen mit bezogenen Größen wie z. B. im per-unit-System. Diese Rechenmethode wird im weiteren Verlauf ausführlich erklärt. Der abschließende Teil des Kapitels ist der Nutzung von mathematischen Transformationen gewidmet. Hier spielen die symmetrischen Komponenten für die Netzberechnung, die Park-Komponenten für die Berechnung elektrischer Maschinen und die Raumzeiger im Elektromaschinenbau eine große Rolle.

Die Klasse der Betriebsmittel, die zu den elektrischen Maschinen gezählt werden, ist von den jeweiligen Autoren abhängig. In diesem Buch sollen unter dem Begriff „elektrische Maschinen“ diejenigen Betriebsmittel verstanden werden, die Energie mittels eines Magnetfeldes wandeln. Man unterscheidet zwischen ruhenden Maschinen, rotierenden Maschinen und translatorischen Maschinen. Die wichtigste ruhende elektrische Maschine ist der Transformator. Ausgehend vom Zweiwicklungstransformator werden der Drehstromtransformator sowie einige Sonderbauformen und die Strom- und Spannungswandler erläutert. Ausführlich wird im Folgenden auf die rotierenden elektrischen Maschinen eingegangen. Nach den Grundprinzipien stehen zunächst der Aufbau, sowie die Funktionsweise der Gleichstrommaschine im Mittelpunkt. Die für die Wandlung von mechanischer in elektrische Energie wichtige Synchronmaschine wird im Detail behandelt. Hier interessiert das Verhalten des Generators im „stationären Betrieb“ und beim „Kurzschluss“. Die Asynchronmaschine taucht in der elektrischen Energietechnik meist als Motor auf, obwohl sie auch im Generatorbetrieb arbeiten kann. Neben dem stationären Modell ist auch das Betriebsverhalten der Asynchronmaschine und deren Regelung zu behandeln. Als Spezialfälle werden die Sondermaschinen wie z. B. der Linearmotor, der Reluktanzmotor und der Schrittmotor behandelt. Das wichtige Gebiet der Antriebstechnik wird bei den einzelnen Maschinentypen sowie bei den Themen Elektrolokomotiven, Straßenbahnen, Elektroauto und der Elektromobilität behandelt. Weil diese stark mit der Ökologiediskussion in Verbindung steht, gibt es Überschneidungen mit dem Abschn. 7.5 und dem Abschn. 7.9.

Gelegentlich werden auch die Stromrichter als elektrische Maschinen behandelt. Hier ist diesen ein eigenes Kapitel gewidmet.

Die Leistungselektronik (früher Stromrichtertechnik genannt) befasst sich mit dem Bau von elektronischen Stellgliedern. Diese sind zwischen elektrischer Energiequelle und Verbraucher angeordnet und gestatten eine verlustarme Umformung und Steuerung der elektrischen Energie. Dadurch wird in vielen Fällen eine effektive Energieanwendung erst möglich. Zunächst werden die Grundlagen der Stromrichter behandelt, wobei erst die Grundfunktionen und dann die verschiedenen Arten von Leistungshalbleitern wie Dioden, Thyristoren und Transistoren erläutert werden. Anschließend wird ausführlich auf die verschiedenen Anwendungen der Stromrichter eingegangen. Hier wird deren Wirkungsweise beim Einsatz von Dioden (z. B. Sechspuls-Diodenbrücke mit R-L-Last), von Thyristoren (z. B. Direktumrichter), von Thyristorschaltungen mit Löscheinrichtung (z. B. Gleichstromsteller) und Schaltungen mit abschaltbaren Halbleitern (z. B. U-Pulsumrichter) erklärt. Ein abschließender Teil befasst sich mit dem Steuerteil und Zusatzeinrichtungen wie z. B. dem Zündgerät sowie der Ansteuerung der Halbleiterventile.

Der Transport elektrischer Energie erfolgt über Leitungen oder Kabel. Bei Leitungen unterscheidet man zwischen Freileitungen, die i. Allg. aus nicht isolierten Leitern aufgebaut sind, und isolierten Leitungen, die z. B. in der Hausinstallation auf, in oder unter Putz verlegt werden. Kabel liegen dagegen im Erdreich oder in Kabelschächten. Um den Aufbau von Leitungen zu verstehen, wird die Leitung zunächst durch ihre einzelnen Modellelemente Widerstand, Induktivität und Kapazität beschrieben. Auch deren Kopplungen werden aufgezeigt, sodass ein Ersatzschaltbild aufgestellt werden kann. Im weiteren Verlauf wird auf den Bau und die Besonderheiten von Freileitungen und Kabeln eingegangen. Das Verständnis dieser Sachverhalte ist von Bedeutung, wenn man sich mit dem großflächigen Netzausbau in Deutschland – bedingt durch die Energiewende – auseinandersetzen will. Abschließend wird das Thema Beeinflussung erläutert, wobei die verschiedenen Arten der Beeinflussungen von Leitungen untereinander (ohmsch, induktiv, kapazitiv), als auch die Auswirkung von Feldern und Strömen auf den Menschen behandelt wird.

Die Leitungen des Energieversorgungsnetzes müssen in geeigneter Weise miteinander verbunden werden. Dabei wäre es am einfachsten, sie an ihren Enden fest zu verknüpfen, wie es in den Abzweigdosen der Hausinstallation der Fall ist. Dies würde jedoch bei einem Kurzschluss zum Ausfall des gesamten Netzes führen. Außerdem ist es aus Gründen der Zuverlässigkeit nicht sinnvoll, alle in einem Ort zusammenlaufenden Leitungen auch miteinander zu verbinden sondern einzelne Verbraucher oder Verbrauchergruppen zusammenzufassen. Es besteht deshalb die Aufgabe, Leitungen getrennt zu schalten und teilweise separate Knoten zu bilden. Hierzu verwendet man Schaltanlagen, die eine freizügige Verbindung von Leitungen einer Spannungsebene gestatten. Eine Schaltanlage gliedert sich in einen primärtechnischen und einen sekundärtechnischen Teil. Zur Primärtechnik einer Schaltanlage gehören alle Bereiche und Betriebsmittel wie z. B. Schalter oder Sammelschienen, die auf hohem Spannungspotenzial liegen bzw. von großen Strömen durchflossen werden können. Deren Aufbau wird ausführlich beschrieben. Damit eine Schaltanlage überwachbar und steuerbar ist, müssen die hohen Spannungen und Ströme so umgewandelt werden, dass sie messtechnisch zu verarbeiten sind. Das geschieht durch Stromwandler und Spannungswandler. Die Messtechnik ist auf der Sekundärseite dieser Wandler angeschlossen, weshalb dieser Anlagenbereich sekundärtechnischer Bereich genannt wird. Die Aufgaben der Sekundärtechnik wie z. B. Melden, Steuern, Messen und Zählen werden erklärt.

In der Natur treten hohe Spannungen zwischen den Wolken und der Erde auf. Reicht die Isolationsfähigkeit der Luft nicht mehr aus, entstehen Durchschläge, die in Form von Blitzen allgemein bekannt sind. In der Technik werden hohe Spannungen zur Übertragung von elektrischer Energie eingesetzt, um den Strom und damit die Übertragungsverluste gering zu halten. Deshalb beschäftigt sich dieses Kapitel zunächst mit der Erzeugung hoher Spannungen. Anschließend wird auf das Thema der Hochspannungsmesstechnik und dann der Hochspannungsprüftechnik eingegangen. Der Bereich der Hochspannungsfestigkeit wird getrennt für die Gruppe der gasförmigen, flüssigen und festen Isolierstoffe betrachtet, wobei besonders auf den Effekt des Lichtbogens eingegangen wird. Im weiteren Verlauf werden die numerischen Methoden zur Berechnung elektrischer Felder erläutert, wobei das Ersatzladungsverfahren, das Finite-Elemente-Verfahren sowie das Finite-Differenzen-Verfahren erklärt werden. Ein Abschnitt zur Isolationskoordination und zum Blitzschutz schließt das Kapitel ab.

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Unterschiedliche Energieformen können daher lediglich von der einen in die andere umgewandelt werden. Unter der elektrischen Energieumwandlung werden all jene Vorgänge verstanden, die eine nichtelektrische Energieform in eine elektrische umformen. Hierzu ist auch der Begriff der elektrischen Energieerzeugung gängig. Will man sich einen Überblick über Möglichkeiten der Energieumwandlung im Allgemeinen verschaffen, ist es sinnvoll, sich zunächst mit den Energiequellen, den Energievorräten und dem Energiebedarf sowie mit den damit verbundenen Reichweiten zu befassen. Darüber hinaus ist es wichtig zu verstehen, wie die Elektrizitätswirtschaft funktioniert. Es wird erklärt, wie Energieversorgungsunternehmen arbeiten, was ein Verbundnetz ist und wie sich Strompreise bilden. Anschließend werden verschiedene Arten von Energieumwandlungsanlagen in Form von Kraftwerken behandelt. Ein großer Teil des Kapitels beschäftigt sich mit thermischen Kraftwerken und deren Funktionsweise (Verbrennungsprozess, Kesselanlage, Dampfprozess, Dampfturbinen, Gasturbinen und Kraft-Wärme-Kopplung). Auch wenn in Deutschland (Stand 2013) ein Beschluss zum Ausstieg aus der Kernenergie vorliegt, ist es sinnvoll die verschiedenen Arten von Kraftwerken und deren Betriebsweise zu kennen. Deshalb werden der Leichtwasserreaktor, der Hochtemperaturreaktor, der Schwerwasserreaktor, der Schnelle Brüter und der Fusionsreaktor erklärt. Auch die Themen Reaktorsicherheit und Gefahrenpotentiale werden mit Blick auf die Vorfälle im Jahre 2011 in Fukushima betrachtet. Im weiteren Verlauf wird auf die verschiedenen Arten der regenerativen Energieumwandlung eingegangen: Möglichkeiten der Energieumwandlung aus Wasserkraft, Windkraft, Solarstrahlung, Biomasse und Geothermie werden vorgestellt. Ebenso wird die Wasserstofftechnologie erklärt. Ein in Zukunft vielfältigerer Energiemix stellt die Einhaltung der Netzstabilität vor neue Herausforderungen. Daher wird auf die wichtige Funktion der Netzregelung eingegangen. Abschließend wird das Thema der rationellen Energieanwendung und der Technikfolgenabschätzung behandelt. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der CO₂-Problematik, den Klimaschutzabkommen, den Emissionsrechtehandel und der Auswirkung auf Arbeitsplätze.

Ein elektrisches Energieversorgungsnetz überträgt die elektrische Energie von den Kraftwerken zu den Verbrauchern. Es besteht aus Leitungen bzw. Kabeln zum Transport, Transformatoren zur Kopplung der Netze unterschiedlicher Spannungsebenen sowie Schaltanlagen zur Verknüpfung der Leitungen und Transformatoren. Nach der Vorstellung der verschiedenen Netzformen wird die Sternpunktbehandlung betrachtet. Jede Behandlungsweise des Netzsternpunktes hat ihre Vor- und Nachteile und bringt im Fehlerfall verschieden hohe Kurzschlussströme hervor. Durch die Netzberechnung ist man in der Lage das elektrische Netz im fehlerfreien Zustand (Lastfluss) und fehlerbehafteten Zustand (Kurzschluss) zu bewerten. Dabei wird auf verschiedene Verfahren wie z. B. Newton-Raphson-Leistungsfluss und die Kurzschlussstromberechnung nach DIN VDE 0102 eingegangen. Netzrückwirkungen, die von Verbrauchern ausgehen und andere Verbraucher beeinträchtigen, beeinflussen die Qualität der Spannung im Netz. Deshalb werden die unterschiedlichen Qualitätsmerkmale behandelt. Die Energieversorgungsnetze werden durch volatile regenerative Einspeisungen heute viel dynamischer betrieben als in der Vergangenheit. Aus diesem Grund wird gezeigt, wie man elektromagnetische Ausgleichsvorgänge mit der Trapezregel, dem impliziten oder expliziten Euler-Verfahren berechnen kann und was die Begriffe statische und transiente Stabilität bedeuten. Die Energiewende in Deutschland zwingt auch zu einem großflächigen Netzausbau. Es wird die grundsätzliche Vorgehensweise bei der Netzplanung, dem Netzausbau und der damit verbundenen Investitionskostenrechnung gezeigt. Im Abschnitt Netzbetrieb wird erläutert, wie die Netzleittechnik das Versorgungsnetz steuern und kontrollieren kann. Dazu benötigt man Messwerte, die durch das Verfahren der State Estimation zu einem konsistenten Datensatz reduziert werden. Mit diesem Datensatz und der Kenntnis der Ersatznetze kann man dann nach dem n − 1-Verfahren die Netzsicherheitsrechnung durchführen. Der Netzschutz soll unzulässige Betriebszustände erkennen und anzeigen bzw. die fehlerbetroffenen Betriebsmittel schnell, zuverlässig und selektiv abschalten. Nach der Art der Störung unterscheidet man Kurzschlussschutz, Überlastschutz, Erdschlussschutz, Über- und Unterspannungsschutz sowie Über- und Unterfrequenzschutz. Diese Schutzprinzipien werden abschließend behandelt. Verschiedene Prüfmethoden zum Garantieren eines ordnungsgemäßen Verhaltens des Schutzsystems werden vorgestellt.