Elektrische Kraftwerke und Netze

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1. Allgemeines zur elektrischen Energieversorgung

Zussamenfassung

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. In [1.36] findet man einen breiten Überblick über alle bekannten Energieformen.

Dietrich Oeding, Bernd R. Oswald

2. Grundlagen zur Berechnung in Drehstromnetzen

Zussamenfassung

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 [2.1 bis 2.21, N2.1].

Dietrich Oeding, Bernd R. Oswald

3. Thermische Kraftwerke

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Thermische Kraftwerke (konventionelle Wärmekraftwerke, Gasturbinenoder Kombikraftwerke, Kernkraftwerke usw.) tragen in der Welt und auch in Deutschland in erheblichem Maße zur Erzeugung elektrischer Energie bei. Nur in wenigen Ländern, wie z.B. in den skandinavischen Ländern, in Österreich und in der Schweiz sowie in Kanada und in Ländern Südamerikas steht die Erzeugung aus Wasserkraft im Vordergrund (Kap. 4).

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4. Wasserkraftwerke und Windkraftwerke

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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 (Tabelle 1.2).

Dietrich Oeding, Bernd R. Oswald

5. Drehstromgeneratoren

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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 R. Oswald

6. Generator- und Turbinenregelung

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Gleichstrommaschinen als Erregermaschinen haben immer mehr an Bedeutung verloren [6.6]. Die Gleichrichtung durch den Kollektor wurde durch Halbleiter abgelöst. Auch die elektromechanischen Regler sind weitgehend durch elektronische Regler ersetzt worden.

Dietrich Oeding, Bernd R. Oswald

7. Eigenbedarfsanlagen in Kraftwerken

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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.

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8. Transformatoren

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Die von Drehstromgeneratoren in Kraftwerken erzeugte Spannung (Bild 5.2) 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.

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9. Freileitungen

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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. Den Kostenvorteil der Freileitung gegenüber dem Kabel zeigt Bild 12.14.

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10. Kabel

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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.

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11. Schalter und Schaltanlagen

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12. Drehstromnetze

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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.

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13. Mathematische Beschreibung des Drehstromnetzes

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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 [13.22].

Dietrich Oeding, Bernd R. Oswald

14. Leistungsfluss im Drehstromnetz

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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.

Dietrich Oeding, Bernd R. Oswald

15. Kurzschlussströme und Kurzschlussbeanspruchungen

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Die Berechnung der Kurzschlussströme wurde bis 1962 nach VDE 0670 oder anderen Unterlagen, z.B. [15.2–15.6], durchgeführt. Erste eigene VDE-Bestimmungen für die Kurzschlussstromberechnung wurden in Deutschland 1962/64 veröffentlicht.

Dietrich Oeding, Bernd R. Oswald

16. Sternpunktbehandlung und Erdung in Hochspannungsnetzen

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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).

Dietrich Oeding, Bernd R. Oswald

17. Überspannungen und Isolationskoordination

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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 R. Oswald

18. Stabilität der Drehstromübertragung

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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.

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19. Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung

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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. Bild 12.2 zeigt, dass auch in Europa eine Reihe von HGÜ-Seekabelverbindungen in Betrieb sind.

Dietrich Oeding, Bernd R. Oswald

20. Berechnung transienter Vorgänge in Drehstromnetzen

Zussamenfassung

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 R. Oswald

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