Elektroenergiesysteme

Frontmatter

1. Elektrische Energie, Lebensstandard, Versorgungssicherheit

Zusammenfassung

Der Wohlstand einer Nation bzw. einer Gesellschaft besitzt zwei Quellen. Man holt ihn entweder aus dem Boden oder man produziert. Beispiele für ersteres sind die erdöl-, erdgas-, diamanten-, gold- oder kohleexportierenden Länder, Beispiele für letzteres die sogenannten Industrienationen. Ihre Industrien und Gewerbebetriebe erbringen sowohl mit klassischen als auch zunehmend mehr wissensbasierten Produkten und Dienstleistungen eine Wertschöpfung, das heißt, sie schaffen Wert. Über ihre steuerlichen Abgaben sowie die Ausgaben ihres Beschaffungswesens, die Ausgaben der Eigner, Lohn- und Gehaltsempfänger etc. finanzieren sie praktisch alle anderen privaten und staatlichen Einrichtungen bzw. Dienstleister.

2. Elektroenergiesysteme, Verbundsysteme

Zusammenfassung

Die Wurzeln unserer heutigen Stromversorgung reichen zurück bis zur Entdeckung des Induktionseffekts durch Faraday im Jahr 1831, die Entdeckung des elektrodynamischen Prinzips durch Werner von Siemens im Jahre 1866 und den Beginn der großtechnischen Herstellung von Glühlampen durch Edison im Jahr 1879. Anfänglich wurden zahllose Gleichstromgeneratoren, später zunehmend auch Wechselstromund Drehstromgeneratoren dezentral in Fabriken, Bürohäusern, Hotels, Theatern etc. zur Stromerzeugung eingesetzt, zunächst überwiegend für Beleuchtungszwecke. Bereits vor der Jahrhundertwende gab es in Deutschland etwa 500 in Privatbesitz befindliche dezentrale Kraftwerke, meist zur Eigenversorgung von Unternehmen oder Großgebäuden. Der Wunsch privater Haushalte und kleinerer Gewerbebetriebe nach Versorgung mit elektrischer Energie, öffentlicher Straßenbeleuchtung und öffentlichen Verkehrsmitteln sowie die Aussicht privater Investoren auf ein neues Geschäftsgebiet führten in Städten zur Gründung öffentlicher städtischer Kraftwerke.

3. Energieressourcen – Energieverbrauch

Zusammenfassung

Der Verbrauch elektrischer Energie unterliegt je nach Tageszeit, Wochentag und Monat zeitlichen Schwankungen, die in Belastungsdiagrammen graphisch dargestellt werden. Beispielsweise zeigt Bild 3.1 eine typische Tagesbelastungskurve höchster und niedrigster Spitzenlast der BRD. Die Jahreshöchstlast tritt in Deutschland in der Regel an einem Tag im Dezember auf, die minimale Last häufig in einer Juninacht. Jahreshöchstlast und minimale Last unterscheiden sich grob um den Faktor 2. Am Tage des niedrigsten Jahresverbrauchs steht für kurze Zeit mehr als die Hälfte der installierten Kraftwerksleistung still.

4. Umwandlung von Primärenergie in Kraftwerken

Zusammenfassung

Die großtechnische Umwandlung von Primärenergie in elektrische Energie, kurz die Erzeugung elektrischer Energie, erfolgt in Kraftwerken. Abhängig von der eingesetzten Primärenergie unterscheidet man

Wärmekraftwerke (Dampfkraftwerke, Gasturbinen-KW, Dieselmasch.-KW, Kernkraftwerke)

Wasserkraftwerke (Laufwasser-KW, Speicher-KW, Pumpspeicher-KW, Gezeitenkraftwerke)

Additive Technologien (Windgeneratoren, Photovoltaikanlagen, Solarthermische Anlagen, Biomasseanlagen)

5. Kraftwerkleittechnik

Zusammenfassung

Kraftwerke sind komplexe Systeme, deren Betriebsführung insbesondere im Bereich der Umwandlung von Primärenergie in mechanische Energie eine weitgehende Automatisierung ihrer Teilprozesse erfordert. Steigende Anforderungen an primärenergiesparende Betriebsweise, höheren Gesamtwirkungsgrad, besseres Lastfolgeverhalten etc. führen zwangsweise zu immer größeren Blockeinheiten höherer Komplexität. Beispielsweise müssen zur Führung eines modernen steinkohlebefeuerten 475 MW-Blocks etwa 3.500 analoge und 4.000 binäre Meßsignale für Temperaturen, Drücke, Durchflüsse, Analysen etc. erfaßt und verarbeitet, zur Steuerung des Prozeßverhaltens 1.100 Antriebe geschaltet und Ventile betätigt werden.

6. Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie

Zusammenfassung

Die großtechnische Umwandlung der von den Gas-, Dampf- und Wasserturbinen, gegebenenfalls auch von Dieselmotoren bereitgestellten mechanischen Energie in elektrische Energie erfolgt mit Drehstromsynchrongeneratoren. Sie erzeugen fast 100 % der weltweit verbrauchten elektrischen Energie. Dem Verständnis ihres Betriebsverhaltens und ihrer Modellbildung für die Spannungs- und Frequenzregelung sowie die Stabilität eines Elektroenergiesystems kommt daher besondere Bedeutung zu. In geringem Umfang werden zur Erzeugung elektrischer Energie auch Drehstromasynchrongeneratoren (z. B. in Windgeneratoren oder kleinen Wasserkraftwerken ohne Wartungspersonal) sowie einphasige Bahnstromgeneratoren (16 2/3 Hz) eingesetzt.

7. Bereitstellung elektrischer Energie auf verschiedenen Spannungsebenen

Zusammenfassung

Die verlustarme Übertragung und Verteilung großer Mengen elektrischer Energie erfordert Transformatoren, die diese Energie für den Transport über große Entfernungen auf hohem Spannungsniveau bereitstellen. Im einzelnen unterscheidet man je nach Aufgabe und Auslegung folgende Transformatorarten:

– Maschinentransformatoren

– Netzkupplungstransformatoren

– Verteiltransformatoren

– Regeltransformatoren

– Dreiwicklungstransformatoren

8. Transport und Übertragung elektrischer Energie

Zusammenfassung

Transport und Übertragung elektrischer Energie erfolgen im Regelfall mit Drehstrom, generisch als Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung bzw. HDÜ bezeichnet (engl.: High-Voltage AC Transmission, HVAC). In einigen Spezialfällen kommen für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen zwei Netzknoten auch sogenannte Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen bzw. HGÜ zum Einsatz (engl.: High-Voltage DC Transmission, HVDC). Beide Verfahren werden im folgenden kurz vorgestellt. Die sich anschließenden Abschnitte behandeln systemtechnische und betriebliche Aspekte von Drehstromleitungen.

9. Verteilung elektrischer Energie

Zusammenfassung

Von Verteilung spricht man bei der Weiterleitung elektrischer Energie aus den 220 kV-/380 kV-Transportnetzen zu diversen Verteilerunternehmen, und letztlich zu den Sonderabnehmern und Endverbrauchern. In Umspannwerken (s. 14.2) wird die Hochspannung zunächst auf 110 kV heruntertransformiert und über mehrere 110 kV-Netze auf die diversen Regionen einer Regelzone verteilt. In den Umspannstationen der Regionen wird die Hochspannung von 110 kV je nach Lastdichte bzw. Größe des Versorgungsgebiets auf die sogenannte Mittelspannung von 10 kV, 20 kV oder 30 kV heruntertransformiert. Von dort fließt die elektrische Energie über Mittelspannungskabel zu den Ortsnetzstationen in den einzelnen Straßenfluchten eines Wohngebiets oder auch eines Gewerbegebiets (Bild 8.3b). In den Ortsnetzstationen wird die Mittelspannung schließlich auf 400 V heruntertransformiert und dann wahlweise über Dachständer-Freileitungen oder Erdkabel zu den anliegenden Gebäuden geleitet. In diesen betreibt der überwiegende Teil der Endverbraucher eine Vielzahl von Haushaltsgeräten, Lampen, Heizeinrichtungen und Informationssystemen etc., die aus der Niederspannungsebene versorgt werden.

10. Sternpunktbehandlung

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In symmetrisch betriebenen Drehstromsystemen ergänzen sich die Ströme der drei Phasen stets zu Null. Etwaige Strompfade zwischen den Sternpunkten der Generatoren, Transformatoren und Verbraucher, beispielsweise Kabelmäntel, Blitzschutzerdseile oder das Erdreich, sind dann stromlos.

11. Schaltanlagen

Zusammenfassung

Schaltanlagen, genauer gesagt ihre Sammelschienen, bilden die „Knoten“ der Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetze, Bild 11.1. Die in den Knoten ankommenden und abgehenden Leitungen werden oberbegrifflich als Abzweige bezeichnet. Man unterscheidet Abzweige für Einspeisungen, Abgänge und Kupplungen zu anderen Netzknoten. Wegen der Vielzahl der Abzweige und des für die großen Leitungsquerschnitte benötigten Anschlußraums werden die „Knoten“ als Sammelschienen realisiert, Bild 11.1b. Praktisch alle Abzweige einer Schaltanlage werden über Schaltgeräte (11.1) mit dem Netzknoten verbunden, daher auch der Begriff Schaltanlage, Bild 11.1c.

12. Netzschutz

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Netzschutz gliedert sich in den Überspannungsschutz und die sogenannte Schutztechnik. Der Überspannungsschutz verhindert das Isolationsversagen von Betriebsmitteln infolge von Überspannungsbeanspruchungen. Er wird bereits bei der Planung von Netzen im Rahmen der Isolationskoordination durch Einbau von Überspannungsableitern realisiert. Der Überspannungsschutz zählt zur sogenannten Primärtechnik, bedarf keiner späteren Anpassung und soll deshalb hier nicht näher betrachtet werden.

13. Frequenz- und Spannungsregelung

Zusammenfassung

Im stationären Betrieb eines Hochspannungsnetzes mit Nennfrequenz f _N und einem bestimmten Spannungsprofil U _Ni (Spannungen der einzelnen Netzknoten) herrscht Gleichgewicht zwischen erzeugter und aufgenommener Wirkleistung sowie erzeugter und aufgenommener Blindleistung. Störungen des jeweiligen Gleichgewichts führen zu unerwünschten Frequenzänderungen Δf bzw. Spannungsänderungen ΔU. Beispielsweise bewirkt eine Zunahme des Wirkleistungsverbrauchs bei unveränderter Primärenergiezufuhr in den Kraftwerken eine Drehzahlbzw. Frequenzabsenkung, eine Zunahme des Blindleistungsverbrauchs eine Verringerung der Knotenspannungen um die Spannungsabfälle längs der Leitungs- und Generatorreaktanzen. Unter den Regelgrößen eines Elektroenergiesystems versteht man daher zunächst die einheitliche Frequenz des Netzes und die Spannungen der einzelnen Netzknoten, im Verbundnetz zusätzlich die nach bestimmten Vereinbarungen zwischen den Partnern über Kuppelleitungen ausgetauschten Wirk- bzw. Blindleistungen, sogenannte Übergabeleistungen.

14. Netzleittechnik

Zusammenfassung

Die Transport-, Übertragungs- und Verteilnetze von Elektroenergiesystemen werden mit Hilfe von Netzleitsystemen geführt. Netzleitsysteme weisen gegenüber gewöhnlichen Prozeßleitsystemen zwei zusätzliche Komplexitätsgrade auf. Erstens handelt es sich um mehrere, hierarchisch den einzelnen Spannungsebenen zugeordnete, miteinander kommunizierende Prozeßleitsysteme mit jeweils eigener Warte, sogenannte Netzleitstellen. Zweitens macht die extreme räumliche Dispersion der einzelnen Prozeßleitsysteme und ihrer Prozeßkomponenten die Einführung einer zusätzlichen Technologie, der sogenannten Fernwirktechnik, erforderlich (s. 14.4). Bild 14.1 zeigt die grundsätzliche Struktur des Netzleitsystems eines einzelnen 110 kV-Netzes.

15. Netzbetrieb

Zusammenfassung

Die komplexe Aufgabe des Netzbetriebs teilen sich die beiden großen Themenkomplexe Netzführung und Netzbereitstellung, Bild 15.1. Die Netzführung leistet 24 Stunden rund um die Uhr, jahraus/jahrein die praktisch unterbrechungsfreie Stromversorgung aller Verbraucher eines Elektroenergiesystems. Die allen vertraute Zuverlässigkeit der Stromversorgung täuscht allzu leicht über die Tag und Nacht geleistete verantwortungsvolle Arbeit der mit der Netzführung betrauten Ingenieure und Techniker und die enormen Investitionen „hinter der Steckdose“ hinweg. Von den Abnehmern nicht bemerkt, kommt es hinter den Kulissen ständig zu betrieblich bedingten Abweichungen vom Normalbetrieb oder sogar zu Betriebsmittelausfällen, die von den Operateuren in der Warte ein korrektives Eingreifen in den Prozeß verlangen. Ihre vielfältigen Aufgaben werden in 15.1 näher vorgestellt.

16. Berechnung von Netzen und Leitungen im stationären Betrieb

Zusammenfassung

Die Berechnung von Netzen und Leitungen im stationären Betrieb erfolgt heute fast ausschließlich im Rahmen der sogenannten Leistungsflußrechnung. Vor dem Aufkommen der Digitalrechner wurden Knotenspannungen und Zweigströme mittels analoger Netzmodelle (spezielle Analogrechner) bestimmt. Unter Leistungsflußrechnung (engl.: power-flow analysis) versteht man die rechnergestützte Ermittlung der Wirk- und Blindleistungsflüsse eines Netzes aus vorgegebenen Einspeiseleistungen und Belastungen. Die Kenntnis der Leistungsflüsse ermöglicht der Netzplanung eine optimale Netzgestaltung bezüglich Kleinhaltung der Spannungsabfälle und Auswahl der Leitungsquerschnitte. Dem Netzbetrieb erlaubt sie eine nach wirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkten optimale Netzführung.

17. Kurzschlußstromberechnung

Zusammenfassung

Beim Versagen der Isolation zwischen den Leitern eines Drehstromsystems infolge Alterung, betrieblicher oder atmosphärischer Überspannungen etc. kommt es an der Fehlerstelle zu einem Lichtbogen, der die Verbraucherimpedanzen praktisch kurzschließt. Über die Fehlerstelle und in den zu- und abgehenden Leitungen fließen Kurzschlußströme, deren Höhe und zeitlicher Verlauf sich nach den im Strompfad liegenden Leitungsimpedanzen und den komplexen Generatorinnenwiderständen richtet. Die möglichen Fehlerströme müssen während der Planung eines Netzes und der Auslegung seiner Komponenten sowie für Sicherheitsbetrachtungen und den Netzschutz rechnerisch ermittelt werden.

18. Stabilität von Elektroenergiesystemen

Zusammenfassung

Im stationären Betriebszustand eines Elektroenergiesystems herrscht an jedem Generator und auch im gesamten Netz ein Gleichgewicht zwischen erzeugter und verbrauchter Wirkleistung sowie ein Gleichgewicht zwischen erzeugter und verbrauchter Blindleistung, sogenannte Wirkleistungs- und Blindleistungsbalance (s. Kapitel 13). Laständerungen, Kurzschlüsse oder Erzeugungsausfälle stören diese Gleichgewichte und führen zu elektromechanischen Ausgleichsvorgängen der Generatoren sowie meist aperiodischen Änderungen der Knotenspannungen bzw. Spannungen an den Sammelschienen. Stellt sich nach Beseitigung der Störung wieder ein stationärer Gleichgewichtszustand ein, bezeichnet man ein Netz als stabil. Ein Verlust der Stabilität tritt also dann ein, wenn ein nicht beherrschbares Ungleichgewicht zwischen der jeweils erzeugten und verbrauchten Leistung entsteht.

19. Wirtschaftliche Aspekte in Elektroenergiesystemen

Zusammenfassung

Wegen der großen volkswirtschaftlichen Bedeutung einer sicheren Energieversorgung wurde in Deutschland bereits im Jahr 1935 das Energiewirtschaftsgesetz EnWG durch die damalige Reichsregierung erlassen. Der Ordnungsrahmen des damaligen Gesetzes stellte den Aufbau einer funktionierenden und flächendeckenden Energieversorgung in den Vordergrund.

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