Planung von Elektroanlagen

Mit diesem Buch erhalten Sie ein umfassendes Werk, das Sie täglich bei Ihrer Arbeit oder bei Ihrem Studium brauchen. Sie werden mit den Komponenten der Elektrotechnik- Erzeugung, Übertragung, Verteilung, Schaltanlagen, Netzschutztechnik und elektrischer Maschinen- Schritt für Schritt vertraut gemacht. Angesichts viele theoretischer Publikationen, die Sie im Literaturverzeichnis nachlesen können, wird die Theorie in jedem Kapitel kurz und übersichtlich erklärt, dann gibt es praktische Beispiele mit Normen und es wird aufgezeigt, wie sie in der Praxis vorkommen können.

Elektrische Energie wird aus anderen Energieformen, wie Kohle, Gas, Uranium, Wind, Sonne, in Kraftwerken umgewandelt (Erzeuger) und über längere Strecken übertragen, verteilt und in andere Energieformen umgeformt (Verbraucher) (Abb. 2.1). Die Übertragung und Verteilung erfolgt mit dem symmetrischen Dreiphasensystem. Zu seiner Erzeugung ist eine Anordnung mit drei räumlich versetzten Spulen erforderlich. Man bezeichnet die Spulen auch als Stränge. In ihnen werden drei gleich große Wechselspannungen induziert, die um jeweils 360^°/3 = 120^° gegeneinander phasenverschoben sind [2].

Die Wechselstromgrößen werden mithilfe der komplexen Rechnung durchgeführt. Die Mathematik gibt uns mit der Euler’schen Gleichung die Möglichkeiten zur Darstellung der komplexen Zahlen in der trigonometrischen Komponentenform oder in der Exponentialform (Abb. 3.1) [1–4].

Die Spannungen und Ströme lassen sich im Wechselstromkreis wie folgt definieren [1, 2]:

Gegeben:Berechnen Sie:

Die Methode der symmetrischen Komponenten wird bei der Berechnung der unsymmetrischen Fehler verwendet. In diesem Abschnitt werden die Grundlagen dieses Verfahrens beschrieben. Ein charakteristischer Drehoperator ist eine komplexe Zahl mit dem Betrag 1. Die Multiplikation mit einem Drehoperator bedeutet deshalb die Drehung eines beliebigen Zeigers, ohne seinen Betrag zu verändern. Aus der komplexen Zahlenebene ist der Drehoperator \(j=\sqrt -1\) bekannt, der eine Drehung um \(90^{\,\circ}\) bewirkt. Dementsprechend bedeutet j² = − 1. Eine Drehung um \(90^{\,\circ}\) und j³ bringt den Zeiger wieder in die Ausgangsstellung. Im Drehstromsystem sind die Winkel \(\varphi=120^{\,\circ}\) und \(240^{\,\circ}\) von besonderer Bedeutung. Abb. 6.1 zeigt ein symmetrisches System mit Phasenspannungen, verketteten Spannungen und Einheitszeigern [1–4].

DIN EN 60909-0 (VDE 0102):2016-12

Die Kurzschlussstromberechnung in Drehstromnetzen wird weltweit nach IEC 60909-0 (VDE 0102) (DIN EN 60909-0) durchgeführt [1].

Das Ziel der Lastflussberechnung ist die Bestimmung der komplexen Spannungen in allen Netzknoten und die Berechnung der Leistungsflüsse auf den Verbindungselementen zwischen den Knoten, d. h. den Freileitungen, Kabeln und Transformatoren. Lastflussberechnungen werden für die beidenLastzustände Starklast und Schwachlast ermittelt. Dabei werden drei verschiedene Netzknoten unterschieden (Abb. 8.1) [1–3]:

In diesem Abschnitt wird ein Berechnungsverfahren zur Ermittlung von Spannungsdifferenzen in elektrischen Netzen hergeleitet. Eine elektrisch kurze Leitung wird vorausgesetzt, sodass die Berechnungen auf Nieder- und Mittelspannungsleitungen (Freileitungen, Leitungen und Kabel) beschränkt bleiben [1–3].

DIN VDE 0100 Teil 430, DIN VDE 0298 Teil 4 und DIN VDE 0276 Teil 1000, DIN VDE 0276 Teil 603 Nach DIN VDE 0100 Teil 430 müssen Kabel und Leitungen gegen Überlast und Kurzschluss geschützt sein. Für die Strombelastbarkeit sind die Verlegeart, die Umgebungstemperatur und die Häufung von großer Bedeutung [1, 2].

Der Querschnitt des Schutzleiters kann entweder berechnet oder den Tabellen in DIN VDE 0100 Teil 540 entnommen werden [1].

Zwischen der Spannungshaltung in elektrischen Netzen und der Blindleistung besteht ein besonders enger Zusammenhang [1, 2]. Dafür bestehen Normen und Vorschriften, die einzuhalten sind. Die Berechnung der Netze abhängig von der Spannungsebene werden mit Resistanzen und Reaktanzen durchgeführt. In der Hochspannung dürfen die Wirkwiderstände gegenüber den Reaktanzen vernachlässigt werden, was in der Niederspannung \(R_{k} > X_{k}\) gilt. Die Netztransformatoren 380/220 kV, 220/110 kV und 110/20 kV(10 kV) werden in der Regel mit Stufenschaltern ausgerüstet, die unter Last verstellbar sind, um bei Änderung der Belastung die Spannungen in einem gewünschten Spannungsband zu halten.

Die wichtigsten Begriffe sind im Folgenden zusammengestellt [1, 2, 6]:

IEC 62305 (VDE 01085-305) gilt für das Errichten, Planen und Erweitern von Blitzschutzanlagen. Diese Vorschrift enthält keine Aussagen über die Blitzschutzbedürftigkeit baulicher Anlagen. Diese Norm ist durch die neuesten Erkenntnisse der Blitzschutztechnik entstanden [1].

Die Niederspannungsanlagen [1] (Abb. 15.1 und 15.2) werden z. B. in der Industrie, in Hochhäusern, Wohnungen, Bürogebäuden, Motor Control Centern, Klima- und Heizungsanlagen einschließlich bis 1 kV gebaut. Die Einspeisung erfolgt aus dem 20-kV- oder 10-kV-Netz. Die Bemessungsspannung beträgt 400/230 V, 50 Hz. In der Industrie wird die Spannungsebene 690 V für Motor Control Center verwendet. Schienenverteiler kommen in der Industrie und in Hochhäusern zum Einsatz. Vorteile der Schienenverteiler sind sehr großer Energietransport, geringer Brandlast und Spannungsfall. Dagegen werden die Einfamilienwohnungen bis 63 A mit Installationsverteilern in der Wand und darüber hinaus mit Standverteilern bestückt. Größere Abnehmerleistungen können direkt von der Ortsnetzstation versorgt werden.

Der Schutz gegen elektrischen Schlag nach DIN VDE 0100 Teil 410 kann durch folgende Maßnahmen sichergestellt werden [1, 2]:

Ströme, die über den Schutzleiter und die Schirmung von Daten- und Informationsleitungen fließen, können Störungen, Fehlfunktionen und sogar Schäden verursachen. Die Art der Erdungsverhältnisse ist für diese Störungen ausschlaggebend. Durch die Trennung des Schutzleiters vom Neutralleiter im TN-S-Netz werden diese Fehlerströme vermieden. An einem Punkt in der Anlage werden Anlagenerdung und Betriebserdung zusammengeführt. Der PEN-Leiter wird im gesamten Verlauf isoliert verlegt. Der Schutzleiter PE und kombinierte PEN-Leiter dürfen nicht geschaltet werden. Beim TT-System kommt dieser Fall nicht vor. Neutral- und Schutzleiter müssen getrennt verlegt und dürfen niemals zusammengeführt werden. In Abb. 17.1 ist ein Konzept für den zentralen Erdungspunkt bei einem TN- und TT-System gezeigt. Für abgelegene Elektroanlagen, Häuser oder Landwirtschaft werden 990 V Übertragungsleitungen verwendet (Abb. 17.2). Dafür werden 990/400/230 V- Transformatoren mit amorphen Kernen eingesetzt, da diese Transformatoren 1/3 Eisenverluste besitzen [1–4].

Die Mittelspannungsnetze (MS) werden in der Regel aus dem Hochspannungsnetz (110 kV) gespeist und nach DIN IEC 38 mit Spannungen zwischen 1 und 36 kV betrieben. Die Energie wird dann über Netzstationen in die Niederspannungsnetze verteilt [1, 2].

Die Umwandlung, Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie mit Kabeln und Leitungen und dazu gehörigen Betriebsmitteln nennt man elektrische Anlagen [1]. Abb. 19.1 zeigt das Prinzipschema einer Umspannschaltanlage mit unterschiedlichen Sammelschienensystemen.

Sammelschienen haben die Aufgabe, die Ströme auf die angeschlossenen Leitungen zu verteilen. Die Zahl der Einspeisungen und der Abzweige, die Trennbarkeit der Anlagenteile, die Umschaltung der Verbraucher und das (n− 1)-Kriterium sind die entscheidenden Anforderungen für die Auswahl der Sammelschienensysteme, die hier kurz zusammengefasst werden [1].

Nach DIN VDE 0670 Teil 6 ist eine Schaltanlage die Kombination von Schaltgeräten mit zugehörigen Steuer,- Mess,- Schutz- und Regeleinrichtungen, sowie Baugruppen, Verbindungen und tragenden Teilen. Schaltgeräte sind zum Schalten und Schützen elektrischer Betriebsmittel bestimmt. Sie dienen zum Verbinden, Unterbrechen und Trennen der Stromkreise. In Normal- und Fehlerbedingungen müssen sie sicher funktionieren. Die Auswahl der Schaltgeräte erfolgt nach der jeweiligen Aufgabe, z. B. Freischalten, Lastschalten, Schalten von Überlast und Kurzschluss, Geräte zum Schutz gegen Personengefährdung. Eine Übersicht über die Schutzeinrichtungen MS- und NS-Schaltanlagen ist in Abb. 21.1 zusammengefasst.

Eine sichere und optimale Anlage kann durch die zuverlässige Funktion aller elektrotechnischen Komponenten erreicht werden. Das ist jedoch nur möglich, wenn man die Vorschriften beachtet und die Anlage richtig dimensioniert wird. DIN VDE 0636 Teil 1 sagt aus: Selektivität zwischen zwei oder mehreren in Reihe geschalteten Schaltgeräten ist vorhanden, wenn bei einem Kurzschluss- oder einem Überlaststrom nur das Gerät abschaltet, das unmittelbar hinter dem angeschlossenen Betriebsmittel angeordnet ist. Die Koordinierung von in Reihe geschalteten ÜSE spielt daher eine wichtige Rolle und muss folgende Bedingungen erfüllen [1, 2]:

Elektrische Anlagen sollen für die eingebauten und angeschlossenen Betriebsmittel optimalen Schutz bieten, in der Anschaffung und während der Betriebszeit geringe Kosten verursachen, im Aufbau bedienungs- und wartungsfrei sowie einfach zu projektieren sein [1]. Diese Anlagen können mit Sicherungen oder mit Leistungsschaltern gebaut werden. In diesem Kapitel werden Sicherungen mit Leistungsschaltern verglichen und ihre Vor- und Nachteile gezeigt. Sicherungen sind bekanntlich für größere Ströme gut geeignet und übernehmen den Kurzschlussschutz. Leistungsschalter werden für den Überlastschutz und bis zu ihrem Bemessungsausschaltvermögen für den Kurzschlussschutz eingesetzt. Abb. 23.1 zeigt eine Anlage mit Sicherungen und Leistungsschalter. Bei Schaltkombinationen aus Sicherung, Leistungsschalter und Schütz ist zu prüfen, für welchen Anlagenteil und für welche Zuordnungsart die Stromkreise geplant werden. DIN EN 60947-1 kennt zwei unterschiedliche Prüfströme und Zuordnungsarten:

Die Auswirkungen der Fehler sind hohe dynamische- und thermische Beanspruchungen und Beeinträchtigungen der Energieversorgung. Jeder Fehler soll möglichst schnell abgeschaltet und Menschen und Tiere vor gefährlichen Wirkungen des elektrischen Stroms geschützt werden. Daher sind Zuverlässigkeit, Schnelligkeit, Wirtschaftlichkeit und Selektivität Forderungen an die Schutzschalter [4]. In Mittelspannungsnetzen sind Anlagen und Betriebsmittel den hohen thermischen und dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt. Um die Zerstörungen zu beherrschen, müssen die Vorschriften für die Planung und Projektierung beachtet werden. Die Berechnung der Kurzschlussströme erfolgt nach DIN VDE 0102 (IEC 60 909). Fehler in elektrischen Netzen zeigt Abb. 24.1.

Elektrische Maschinen wie Generatoren, Transformatoren, Motoren kommen in Kraftwerken, in elektrischen Anlagen, in der Industrie, in Gewerbe und Landwirtschaft, in den Büros, im Haushaltsbereich, in elektrischen Bahnen, in Kraftfahrzeugen und in Schiffen vor. Die Leistungen gehen von mW bis MW.

Elektrische Energie wird heute aus fossilen Energieträgern, der Kernenergie und erneuerbaren Energien gewonnen. Die erneuerbaren Energien sind für die Existenz der Menschheit nicht mehr wegzudenken. Zu den erneuerbaren Energien zählen Wasserkraft, Geothermie, Wind, Biomasse und Solarenergie. Kohle ist derzeit die wichtigste Primärenergie in der Energieumwandlung. Der Wirkungsgrad der fossilen Kraftwerke ist in den letzten Jahren um 7 % gestiegen. Die Gas-und Dampf-Kombikraftwerke (GuD) werden auf der ganzen Welt eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Kohlekraftwerke hat 48 % und Braunkohle 46 % erreicht. Neue Dampfkessel werden mit einer höheren Dampftemperatur von 250 bar-Technik, 550/560 ^°C erprobt. Derzeit werden 270 bar und 580/600 ^°C getestet. Ziel dieser Entwicklungen ist es 300 bar und 700/720 ^°C mit einem Wirkungsgrad von 50 % zu erreichen [1, 2]. Der Wasser-Dampf-Rohr-Kreislauf und andere wichtige Elemente sind die Themen der Entwicklungen in nächster Zeit. Die Effizienz und Verwendung von Erdgas ist schon heute auf 58 % gestiegen. Auch in diesem Bereich geht die Entwicklung neuer Kühlsysteme für Gasturbinen voran. Auf der anderen Seite sind Erdgas, die Verbrennungsmotoren und Dieselkraftstoffe wie Biogas von großer Bedeutung. Die Leistung von Gasturbinen sind 15 MW-Grenze erreicht. Neue Gasturbinen bis 300 MW werden entwickelt, und als ein Ziel von 30 % Wirkungsgrad wird erwartet. Parallel dazu steigt der Primärenergieverbrauch der Bewölkerung sehr schnell. Die Verteilung der Energie auf der Nord- und Südhalbkugel läuft allerdings ungerecht. 80 % der Energie wird heute von den nördlichen Ländern verbraucht, nur 20 % von den Südstaten. Menschen in den unterentwickelten Ländern müssen nur mit einem Dollar leben. Weltweit besitzen 10 % der Weltbevölkerung, die reichsten der Welt, die Vermögenswerte von 85 %. Als Ergebnis kann man sagen, dass die Nutzung von Energie, die anhaltenden sozialen Probleme und die Bildung von Megastädten mit mehr als 10 Millionen Menschen die Hauptprobleme darstellen werden. Die Lösung dieser Probleme wird die größte Herausforderung der Menschheit sein. Nach den neuesten Schätzungen der UNESCO werden im Jahr 2050 10 Milliarden Menschen auf der Erde leben.

Elektrische Netze werden für die klassische Versorgung mit zentraler Einspeisung der Kraftwerke in die Hoch- und Höchstspannungsnetze ausgelegt. Dies führt zu eindeutigen Energieflüssen und Kurzschlussleistungen in den Verteilnetzen. Aufgrund der Subventionierung von Eigenerzeugungsanlagen aus regenerativen Energien gemäß EEG steigt die Anzahl von vielen dezentralen Kleinkraftwerken von Jahr zu Jahr sprunghaft an.

Eine Industrieanlage wird von einer Transformatorstation eingespeist. Der Transformator ist über ein Erdkabel an einer 10-kV-Hochspannung angeschlossen (Abb. 28.1). In Abb. 28.2 sind alle abgehenden Leitungen und die zu versorgenden Gebäude gezeigt.