Schalt- und Ausgleichsvorgänge in elektrischen Netzen

Nach dem Energiewirtschaftsgesetz sind die Unternehmen verpflichtet, eine möglichst sichere, preisgünstige, verbraucherfreundliche, effiziente und umweltverträgliche leitungsgebundene Versorgung der Allgemeinheit mit Elektrizität bereitzustellen [§ 1, EnWG]. Darüber hinaus sind die Energieanlagen so zu errichten und zu betreiben, dass die technische Sicherheit gewährleistet ist [§ 49, EnWG]. Dieses setzt natürlich voraus, dass den Betreibern von Anlagen ein ausreichendes Know-how zur Verfügung steht, die notwendigen Geräte so zu dimensionieren, und die Netze so zu betreiben, dass die Wahrscheinlichkeit einer Überbeanspruchung der Betriebsmittel und damit ein Versorgungsausfall an den Netzknoten, von denen Netzkunden versorgt werden, gering gehalten wird.

Für die Beurteilung von stationären und transienten Strom- und Spannungsverhältnissen in elektrischen Netzen ist die Nachbildung der Betriebsmittel wesentlich, da sich nur die physikalischen Phänomene ergeben, die aufgrund der Betriebsmittelstruktur bzw. der charakteristischen Daten bei der Erstellung des Ersatzschaltbildes auch berücksichtigt werden. Aus diesem Grunde erfolgt in diesem Kapitel die Darstellung der Komponenten hinsichtlich ihrer Funktionsweise und der mathematischen Darstellung.

Im Folgenden werden vereinfachend die wesentlichen Merkmale eines Drehstromsystems dargestellt, die für die Nachbildung von Netzen von Interesse sind.

Grundsätzlich treten transiente Vorgänge in elektrischen Netzen bei einem Übergang von einem stationären Zustand in einen anderen auf. Im Allgemeinen kann zwischen äußeren und inneren Überspannungen unterschieden werden.

Grundsätzlich kann zwischen einem Erdschluss und einem Kurzschluss bzw. den hierbei auftretenden Strömen unterschieden werden. In diesem Sinne wird als Kurzschlussstrom ein Strom zwischen Leiter – Leiter bzw. Leiter – Erde bezeichnet, der durch den Selektivschutz erfasst und entsprechend abgeschaltet wird.

Einschaltvorgänge in elektrischen Netzen haben aufgrund der vorhandenen Kapazitäten und Induktivitäten als Konsequenz, dass hohe Einschaltströme bzw. -spannungen entstehen, die abhängig vom Zuschaltaugenblick sind. Die Ursache ist, dass eine Änderung des Systemzustands nicht sprunghaft erfolgen kann, sondern es werden Ausgleichsvorgänge stattfinden. Die Berechnung der Einschaltvorgänge und die hieraus abzuleitenden elektrischen Kenngrößen ist unabdingbar, da die eingesetzten Betriebsmittel hinsichtlich der auftretenden Beanspruchungen dimensioniert sein müssen, damit keine Gefährdung entsteht.

Schaltgeräte in Netzen haben die Aufgabe, Betriebsmittel bzw. Netzteile vom Netz zu trennen; dieses kann sowohl bei Kurzschlussströmen als auch bei Betriebsströmen der Fall sein. Ob ein Leistungsschalter erfolgreich eine Unterbrechung durchführen kann, hängt hierbei von der wiederkehrenden Spannung ab, die nach Öffnen der Schaltkontakte über der Schaltstrecke entsteht. Die Höhe als auch die Steilheit dieser wiederkehrenden Spannung ist abhängig von der Netztopologie und dem Schaltaugenblick ab. Falls die auftretende Spannungssteilheit größer als die zulässige ist, kann es zu Wieder- oder Rückzündungen kommen. Ob dieses zu einem Versagen des Schaltvorgangs führt, hängt sowohl vom Schaltgerät als auch vom Strom ab, der unterbrochen wird.

Während im Kap. 7 Ausschaltvorgänge in Netzen anhand unterschiedlicher Fehlerfälle, Lastbedingungen und Netztopologien dargestellt und die sich hieraus ergebenden Strom- und Spannungsverläufe berechnet werden, ist für die Unterbrechung der Ströme in der Praxis das Verhalten der Leistungsschalter von herausragender Bedeutung. Aus diesem Grund wird in diesem Kapitel das Schaltverhalten der eingesetzten Schalter dargestellt und mit den internationalen Prüfungen verglichen. Neben SF₆-Leistungsschaltern, die im Hoch- und Höchstspannungsbereich zum Einsatz kommen, werden auch Vakuum-Leistungsschalter betrachtet, die vorwiegend im Mittelspannungsbereich eingesetzt werden.

Die Aufgabe von Trenn- und Erdungsschaltern besteht in erster Linie darin, eine Trennstrecke herzustellen, damit ein Betriebsmittel freigeschaltet werden kann. Darüber hinaus müssen Trenn- und Erdungsschalter auch Ströme schalten bzw. Schaltaufgaben ausführen. In diesem Abschnitt werden diese Schaltaufgaben und die dabei auftretenden und die dabei auftretenden Schaltvorgänge näher beschrieben.

Beim Schalten von kapazitiven Strömen mit SF6-Trennschaltern werden hochfrequente Überspannungen hervorgerufen, die bei der grundsätzlichen Auslegung des Trennschalters berücksichtigt werden müssen. Beim Schalten von kapazitiven Strömen mit Freiluft-Trennschaltern im Strombereich I_L0 > 100 mA muss auf Grund des mehr oder weniger kontinuierlichen Stromflusses mit großen Lichtbogenlängen und längeren Lichtbogenzeiten gerechnet werden. Die in größeren Schaltanlagen beim Sammelschienenwechsel auftretenden Kommutierungsbeanspruchungen sind sowohl von Freiluft-Trennschaltern als auch von SF₆­Trennschaltern nur mit Hilfskontaktsystemen zu beherrschen. Freiluft-Leitungserdungsschalter besitzen sowohl im kapazitiven als auch im induktiven Schaltfall ein begrenztes Schaltvermögen, auch wenn diese für derartige Beanspruchungen nicht ausgelegt worden sind. Bei SF6-Leitungserdungsschaltern kann die für das Kurzschluss­einschaltvermögen erforderliche hohe Schaltgeschwindigkeit genutzt werden, um auch bei der Ausschaltung kurze Lichtbogenzeiten zu erreichen.

In diesem Abschnitt werden Vorgänge betrachtet, die nicht durch Ein- und Ausschaltvorgänge oder Kurzschlüsse hervorgerufen werden. Im Einzelnen werden die folgenden Vorgänge betrachtet:

Ermittlung der Impedanzen Z ₁, Z ₂ und Z ₃ einer π-Ersatzschaltung aus den Werten der Kettenmatrix A.