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2024 | Buch

Kurzschlussströme in Drehstromnetzen

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Über dieses Buch

In diesem Buch werden die Grundlagen für die Ermittlung von Kurzschlussströmen behandelt. Die Berechnung der Ströme gehört mit zu den wesentlichen Aufgaben bei der Planung elektrischer Netze. Da die Netze zuverlässig und sicher betrieben werden müssen, ist die Berechnung durch internationale und nationale Normen standardisiert. In der gültigen IEC/VDE-Norm werden konkrete Rechenverfahren angewendet, die sich in vielen Jahrzehnten bewährt haben. Hierbei werden neue technische Entwicklungen laufend ergänzt. Vielfach sind jedoch die Hintergründe nicht mehr bekannt, so dass in diesem Buch diese Grundlagen beschrieben werden. Der Autor ist seit 1972 in der Normung der Kurzschlussstromberechnung tätig und hat die in dieser Zeit gewonnen Erkenntnisse zusammengetragen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Die Kurzschlussstromberechnung ist eine „Sicherheitsberechnung“, die der Auslegung der Anlagen, Geräte und des Netz- und Personenschutzes gilt. Aus diesem Grunde ist es sinnvoll, dass zur Berechnung der Ströme in der Vergangenheit geeignete Verfahren abgeleitet wurden, die in den folgenden Kapiteln näher beschrieben werden.
Gerd Balzer
2. Vorschriften zur Kurzschlussstromberechnung
Zusammenfassung
In diesem Abschnitt werden die Vorschriften auf dem Gebiet der Kurzschlussstromberechnung national (DKE) und international (IEC) vorgestellt. Gleichzeitig wird die Entwicklung der Norm dargestellt, deren Ursprung in der Erstellung der VDE-Vorschrift zu Anfang der sechziger Jahre des letzten Jahrhunderts liegt und vom Komitee UK 121.1 bzw. der VDE 0102 Kommissionen erarbeitet wurde.
Gerd Balzer
3. Voraussetzungen und Berechnungsverfahren
Zusammenfassung
Die angegebenen Normen zur Kurzschlussstromberechnung nach Kap. 2 setzen verschiedene Randbedingungen voraus, die in diesem Kapitel näher erläutert werden. Diese Voraussetzungen sind zum Teil notwendig, um das Verfahren der Ersatzspannungsquelle an der Kurzschlussstelle, welches die Berechnung wesentlich vereinfacht, einzusetzen [1].
Gerd Balzer
4. Berechnungsgrößen von Betriebsmitteln
Zusammenfassung
In den folgenden Abschnitten werden die Impedanzen und sonstigen Größen der unterschiedlichen Betriebsmittel bestimmt, die für eine Kurzschlussstromberechnung maßgebend sind. In diesem Zusammenhang werden die Mit- und Nullimpedanzen von Freileitungen und Kabeln ausführlich abgeleitet. Darüber hinaus werden auch aktive Elemente (Spannungsquellen, Stromquellen) betrachtet. Im Allgemeinen werden mit der Indizierung (1), (2) und (0) die Größen im Mit-, Gegen- und Nullsystem bezeichnet. Wenn keine Verwechslung möglich ist, wird bei der Darstellung im Mitsystem auf den Index verzichtet.
Gerd Balzer
5. Berechnung der Kurzschlussströme
Zusammenfassung
In diesem Abschnitt werden, ausgehend von den Daten nach Kap. 4, die Gleichungen für die Berechnung der unterschiedlichen Ströme nach VDE 0102 [1] angegeben, wobei die grundsätzliche Vorgehensweise bzw. die Randbedingungen nach Kap. 3 zu berücksichtigen sind. Die nachfolgenden Gleichungen beziehen sich in erster Linie auf die Berechnung des dreipoligen Kurzschlussstroms. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass bei der Anwendung der Gleichungen in jedem Fall die gültigen Vorschriften maßgebend sind.
Gerd Balzer
6. Doppelerdkurzschluss
Zusammenfassung
Bis zur VDE-Bestimmung 102:1990-01 [1] war der Doppelerdkurzschluss ein Bestandteil der Hauptvorschrift. Eine Überarbeitung des gesamten Textes führte jedoch dazu, dass der Inhalt wesentlich vergrößert wurde, sodass es ratsam erschien, hierfür einen gesonderten Teil vorzusehen. Dieses wurde durch die Veröffentlichung der Vorschrift [2] erfüllt.
Gerd Balzer
7. Berechnung des Spannungsfaktors c
Zusammenfassung
Bei der Anwendung des Verfahrens der Ersatzspannungsquelle an der Kurzschlussstelle ist es notwendig, eine Spannung einzusetzen, der der Spannung am Fehlerort vor Eintritt des Kurzschlusses entspricht. Daher ist jeweils eine Lastflussberechnung notwendig, damit diese Spannung anschließend als Spannungsquelle eingesetzt werden kann. Das Problem ist, dass unter diesen Bedingungen für jeden Kurzschlussfall zuerst umfangreiche Berechnungen durchgeführt werden müssen, um die gewünschten größten und kleinsten Kurzschlussströme zu berechnen. Aus diesem Grunde sind in der Vergangenheit Überlegungen angestellt worden, den Wert dieser Spannungsquelle allgemein abzuschätzen, um einen großen oder kleinen Kurzschlussstrom zu berechnen [1].
Gerd Balzer
8. Korrekturfaktoren für Erzeugungseinheiten und Transformatoren
Zusammenfassung
In der VDE-Bestimmung zur Kurzschlussstromberechnung [1] wird die Belastung eines Netzes durch die Anwendung eines Spannungsfaktors c berücksichtigt. Der Spannungsfaktor kompensiert grundsätzlich den Spannungsfall bei einer Belastung zwischen der treibenden Spannung und einer möglichen Kurzschlussstelle im Netz. Dieser Spannungsfall wirkt sich bei einer induktiven Belastung besonders aus, da auch die Betriebsmittel eines Netzes überwiegend als induktive Elemente wirken. Grundsätzlich ist es möglich, den Spannungsfall durch einen allgemeinen Spannungsfaktor c bei der Kurzschlussstromberechnung zu kompensieren, der sich auf alle Kurzschlussorte im Netz gleichmäßig auswirkt, als auch individuell eine Impedanzkorrektur für ein bestimmtes Betriebsmittel vorzunehmen. In der VDE-Bestimmung werden beide Möglichkeiten eingesetzt.
Gerd Balzer
9. Komponentensysteme
Zusammenfassung
Die Berechnung der elektrischen Größen eines Drehstromnetzes ist relativ einfach, wenn es sich um ein symmetrisches System handelt, dieses bedeutet, dass alle Spannungen und Ströme um 120° phasenverschoben und sämtliche Betriebsmittel gleich und symmetrisch sind. Die Ermittlung der Ströme und Spannungen anhand eines einphasigen Netzes bildet dann gleichzeitig das dreiphasige Verhalten des Netzes nach. Die Analyse nach den Kirchoff’schen Gesetzen ist jedoch komplexer, wenn das Netz nicht symmetrisch ist, welches z. B. auf unsymmetrische Lasten, unsymmetrische Fehler und Betriebsmittel oder Kurzschlüsse zurückzuführen ist, die in den drei Phasen nicht symmetrisch sind. In diesen Fällen werden in der Regel die symmetrischen Komponenten verwendet, die von Fortescue 1918 eingeführt wurden [1].
Gerd Balzer
10. Ausschaltwechselstrom in vermaschten Netzen
Zusammenfassung
In vermaschten, elektrischen Netzen können bei der Berechnung des Ausschaltwechselstroms nach einer alten VDE Bestimmung 0102 von 1971 [1] Abweichungen auf der unsicheren Seite mit zu kleinen Stromwerten auftreten, da der Netzbeitrag unabhängig von der Topologie als konstant angenommen wurde. Die Abweichungen werden durch Generatoren und Motoren im Nahbereich verursacht, die wesentlich zum Kurzschlussstrom beitragen. Deren Einfluss kann bewirken, dass der Beitrag des überlagerten Netzes zum Kurzschlussstrom während der Kurzschlussdauer ansteigt, was nicht wie bisher in allen Fällen vernachlässigt werden darf, da der Beitrag eines Netzes während des Kurzschlussstromverlaufs als konstant angenommen wird.
Gerd Balzer
11. Berechnung des thermisch gleichwertigen Kurzschlussstroms
Zusammenfassung
Die mechanische und thermische Kurzschlussfestigkeit elektrischer Betriebsmittel wurde früher nach der VDE-Bestimmung 0103 [1] mithilfe der Faktoren m und n ermittelt. Diese Größen berücksichtigen das Abklingen des Gleich-·und Wechselstromanteils während der Kurzschlussdauer. Im Laufe der ständigen Überarbeitung der beiden VDE-Bestimmungen 0102 und 0103 ist die Berechnung des thermisch gleichwertigen Kurzschlussstroms ab 2002 in der Ausgabe VDE 0102 dargestellt, da diese Bestimmung sich ausschließlich mit der Berechnung der Kurzschlussströme beschäftigt, während VDE 0103 die mechanischen und thermischen Auswirkungen der Kurzschlussströme behandelt.
Gerd Balzer
12. Beitrag von Asynchronmotoren zum Kurzschlussstrom
Zusammenfassung
Grundsätzlich sind bei der Berechnung der größten Kurzschlussströme Asynchronmotoren zu berücksichtigen, sofern sie aufgrund der Betriebsweise nicht gleichzeitig eingeschaltet sind (Verriegelung oder Reservebetrieb). Zur Vereinfachung der Netzberechnung können Niederspannungsmotoren bei Kurzschlüssen in der öffentlichen Energieversorgung vernachlässigt werden, im Gegensatz zu Fehlern in Eigenbedarfsnetzen von Kraftwerken oder ähnlichen Anlagen industrieller Art (z. B. Chemie- und Stahlindustrie).
Gerd Balzer
13. Kurzschlussstromberechnung mit Umrichter-Anlagen
Zusammenfassung
Aufgrund des zunehmenden Einsatzes von regenerativen Energien ist es notwendig, die elektrische Energie über größere Entfernungen zu transportieren, sodass verstärkt HGÜ-Übertragungen eingesetzt werden als Folge der geringen Übertragungsverluste. Darüber hinaus werden vielfach Umrichter bei der Erzeugung von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen verwendet (PV-Einspeisungen, Offshore Windparks). Hierbei können im Prinzip zwei verschiedene Technologien unterschieden werden:
Gerd Balzer
14. Einfluss von Kondensatoren bzw. kapazitiven Kompensationseinheiten auf den Kurzschlussstrom
Zusammenfassung
Grundsätzlich werden Kondensatoren in zwei verschiedenen Anwendungen in Netzen der elektrischen Energieversorgung eingesetzt, nämlich erstens zur Kompensation der induktiven Blindleistung als Querkapazität zwischen Leiter und Erde und zweitens als Reihenkondensator zur Kompensation der Leitungsinduktivität. Beide Installationen haben einen Einfluss auf den Kurzschlussstrom, die in den folgenden Abschnitten näher betrachtet werden.
Gerd Balzer
15. Berechnung und Betrieb mit parallelen Transformatoren
Zusammenfassung
Bei parallelen Transformatoren kann es unter Berücksichtigung von unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen in Abhängigkeit des Berechnungsverfahrens bei der Ermittlung der Kurzschlussströme zu verschiedenen Ergebnissen kommen. Die Gründe hierfür werden im Folgenden dargestellt und gezeigt, wie dieses für die Kurzschlussstromberechnung nach VDE 0102 zu berücksichtigen ist. Teile dieses Kapitels sind in [1, 2] veröffentlicht worden.
Gerd Balzer
16. Darstellung von Spartransformatoren bei der Kurzschlussstromberechnung
Zusammenfassung
Spartransformatoren werden in der Regel als Kupplungstransformatoren zwischen zwei Höchstspannungsebenen eingesetzt, und im Allgemeinen werden Spartransformatoren bei der Kurzschlussstromberechnung wie Volltransformatoren nach Abschn. 4.​8 behandelt. Im Folgenden wird besonders auf die Ermittlung der Ersatzschaltbilder und die Stromverteilung bei der Bestimmung der einpoligen Kurzschlussströme Wert gelegt [1].
Gerd Balzer
17. Spannungsübertritt zwischen Drehstromsystemen mit unterschiedlichen Nennspannungen
Zusammenfassung
Bei Freileitungen mit verschiedenen Spannungsebenen auf einem Mast, z. B. 380 kV und 110 kV, können sich die Leiterseile des 380-kV- und des 110-kV-Systems unter extremen Randbedingungen auf Überschlagsdistanz nähern. Diese Vorgänge stellen für die angeschlossenen Betriebsmittel und besonders für die installierten Überspannungsableiter im unterlagerten Netz mit der geringeren Spannungsebene eine erhöhte Beanspruchung dar, in Abhängigkeit von der Wirksamkeit der Sternpunkterdung (Erdfehlerfaktor) [1]. In diesen Fällen werden die Betriebsmittel des unterlagerten Netzes kurzfristig der Betriebsspannung des überlagerten Netzes ausgesetzt. Grundsätzlich ist ein Überschlag möglich, wenn Isolatoren und Leiterseile defekt sind, Leiterseile gegeneinander schwingen oder aber durch Fremdeinwirkung (Flugobjekte) in Kontakt kommen.
Gerd Balzer
Backmatter
Metadaten
Titel
Kurzschlussströme in Drehstromnetzen
verfasst von
Gerd Balzer
Copyright-Jahr
2024
Electronic ISBN
978-3-658-43553-0
Print ISBN
978-3-658-43552-3
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-43553-0