Grundlagen Wechselstrom / Gleichstrom

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Silke Glöckner
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1 Grundlagen Wechselstrom / Gleichstrom Lutz Hofmann Technikdialog zum Thema Hybridleitungen der BNetzA, Frankfurt, Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung zu Stromübertragungstechnik Aufbau von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) Grundlagen elektromagnetischer Felder Umrüstung von Drehstromleitungen zu Hybridleitungen Korona und Geräuschentwicklungen Seite 2 1

2 Höchstspannungsnetzausbau mit HDÜ und HGÜ Höchstspannungsnetzausbau* Hochspannungs- Drehstrom-Übertragung (HDÜ) Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) LCC HGÜ netzgeführt VSC HGÜ selbstgeführt Freileitung Kabel Freileitung Kabel Teilverkabelung Teilverkabelung *Netzausbau mit Gasisolierter Übertragungsleitung (GIL) nicht berücksichtigt Seite 3 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung zu Stromübertragungstechnik Aufbau von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) Grundlagen elektromagnetischer Felder Umrüstung von Drehstromleitungen zu Hybridleitungen Korona und Geräuschentwicklungen Seite 4 2

3 Prinzipieller Aufbau einer VSC-Hochspannungs-Gleichstromübertragung (VSC-HGÜ) Transformator Drehstrom- Netz Konverterstation ~ = Gleichstromleitung (Kabel oder Freileitung) Konverterstation = ~ Transformator Drehstromnetz + - ggf. zus. Neutralleiter (N) Seite 5 Prinzipieller Aufbau einer VSC-Hochspannungs-Gleichstromübertragung (VSC-HGÜ) Transformator Filteranlage nur bei Bedarf Konverterstation ~ = Gleichstromleitung (Kabel oder Freileitung) Konverterstation = ~ Transformator Filteranlage nur bei Bedarf ggf. zus. Neutralleiter (N) Seite 6 3

4 Vergleich HDÜ- mit HGÜ-Technik im vermaschten HöS-Netz Drehstromtechnik (HDÜ) einfache Spannungstransformation und Leistungsauskopplung (UW) selbstständige Einstellung des Leistungsflusses überlastbar belastungsabhängiger induktiver bzw. kapazitiver Blindleistungsbedarf wirtschaftliche Leitungslänge begrenzt, ausreichend im europ. Verbundsystem natürliche Erhöhung der Netzstabilität Erhöhung der Kurzschlussleistung, Spannungsstützung bei Kurzschluss Gleichstromtechnik (HGÜ) Umweg über HDÜ, Multi-Terminal-Betrieb, zus. Stromrichterstationen aktive Steuerung des Leistungsflusses keine Überlastfähigkeit geregelte Blindleistungsbereitstellung bei der VSC HGÜ keine Längengrenzung, Wirtschaftlichkeit für kurze Leitungslängen begrenzt asynchrone Netzkopplung, künstliche Erhöhung der Netzstabilität möglich ungenügender Beitrag zur Spannungsstützung bei Kurzschluss Seite 7 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung zu Stromübertragungstechnik Aufbau von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) Grundlagen elektromagnetischer Felder Umrüstung von Drehstromleitungen zu Hybridleitungen Korona und Geräuschentwicklungen Seite 8 4

5 Elektromagnetische Felder Magnetisches Feld (B-Feld, magnetische Induktion) abhängig von der Höhe des Stromes im Leiter der Freileitung/des Kabels abhängig vom Abstand zur Leitung und Geometrie der Leitungsanordnung ortsabhängiges Vektorfeld (Feldkomponenten in den drei Raumdimensionen) vektorielle Überlagerung der Einzelfelder zum resultierenden magnetischen Feld Drehstromtechnik zeitabhängig elliptische Drehfelder mit einer Frequenz von 50 Hz Grenzwert 26.-BImSchV: 200 T Vorsorgewert: 100 T Gleichstromtechnik zeitunabhängig, => keine induzierten Ströme Gleichfeld, das sich dem Erdmagnetfeld (ca. 48 T in Mitteleuropa) vektoriell überlagert, selbe Größenordnung Grenzwert 26.-BImSchV: 500 T getrennte Betrachtung und Berechnung von Dreh- und Gleichfeldern Seite 9 Elektromagnetische Felder Elektrisches Feld (E-Feld, elektrische Feldstärke) abhängig von den Potentialdifferenzen (Spannungen) zwischen den Leitern und dem Bezugspotential abhängig vom Abstand zur Leitung und Geometrie der Leitungsanordnung ortsabhängiges Vektorfeld (Feldkomponenten in den drei Raumdimensionen) vektorielle Überlagerung der Einzelfelder zum resultierenden elektrischen Feld hohe elektrische Feldstärken führen zu Koronaerscheinungen, bei weiter steigenden elektrischen Feldstärken entstehen Büschelentladungen bis hin zum elektrischen Durchschlag oder Lichtbogen, bei Gleichspannung: im Nahbereich Funkenentladungen durch Berühren Drehstromtechnik zeitabhängig Gleichstromtechnik zeitunabhängig Grenzwert 26.-BImSchV: 5 kv/m Grenzwert: keine Festlegung getrennte Betrachtung und Berechnung von Dreh- und Gleichfeldern Seite 10 5

6 Minimierung elektromagnetische Felder magnetische und elektrische Felder sind abhängig vom Abstand zur Leitung und Geometrie der Leitungsanordnung kleinere Leiterabstände führen zu kleineren Feldern größere Abstände zur Leitung führen zu kleineren Feldern Minimierungspflicht der elektromagnetischen Felder nach dem Stand der Technik (26.-BImSchV): größerer Bodenabstand (geringerer Durchhang), geringere Leiterabstände und optimierte Mastgeometrie, optimale Phasenfolge (Minimierungsort?) und Phase-splitting Seite 11 Betrag der elektrischen Feldstärke in kv/m Abstand x in m Verlauf der elektrischen Feldstärke in der Umgebung einer Drehstrom-Freileitung in einer Aufpunkthöhe von 1,0 m über EOK für eine Betriebsspannung von 380 kv und einen Abstand von 200 bzw. 400 m zur Wohnbebauung Seite 12 6

7 magnetische Flussdichte in T Donaumast, Abstand 400 m Horizontaler Abstand x von Wohnbebauung in m Beträge der Effektivwertvektoren der maximalen magnetischen Gesamtinduktion B einer Drehstrom-Freileitung in der Aufpunkthöhe von 1,0 m über EOK in Abhängigkeit vom horizontalen Abstand x zur Freileitung Seite 13 ±600 kv 2,50 15,00 4,60 5,50 5,50 4,60 21,70 4,00 2,00 11,70 39,40 34,20 3,00 7,00 ±400 kv ±200 kv 3,00 13,50 51,70 38,70 65,20 5,00 6,84 Typische Tragmaste für HGÜ-Freileitung unterschiedlicher Spannungsebene nach Forschungsgemeinschaft für Hochspannungs- und Hochstromtechnik e.v., "Elektrische Hochleistungsübertragung und -verteilung in Verdichtungsräumen," Mannheim, Studie ,60 Seite 14 7

8 3.5 3 HGÜ-Freileitung 2.5 E / kv/m x / m Elektrische Feldstärke in seitlichem Abstand zur Leitungsachse in einer Aufpunkthöhe von 1,0 m über EOK in der Spannfeldmitte für eine Betriebsspannung von ±400 kv Seite B / µt HGÜ-Freileitung x / m Effektivwerte der magnetischen Induktionen einer ±400-kV-HGÜ-Freileitung mit zwei Stromkreisen und einer Belastung von MW in einer Höhe von 1 m über der EOK Seite 16 8

9 Wechselwirkungen zwischen Drehstrom- und Gleichstromsystemen bei Hybrid-Freileitungen mit gemeinsamer Führung von Drehstrom- und Gleichstromkreisen überlagern sich die elektrischen und magnetischen Felder der unterschiedlichen Frequenzen (50 Hz und 0 Hz) gegenseitig gegenseitigen Beeinflussung u. a. durch: induktive Beeinflussung des Gleichstromsystems durch die Leiterströme im Drehstromsystem kapazitive Beeinflussung durch die unterschiedlichen Leiter-Erde-Spannungen ggf. Potentialverschiebung der Drehstromsysteme durch eine Gleichspannung Beeinflussung durch direkte Berührung (z. B. bei Seilriss) Auslegung der Schutzeinrichtungen (z. B. der Überspannungsableiter) Beeinflussung abhängig von: Abstand der Leiter untereinander und zum Erdboden Anordnung der einzelnen Phasen Länge der Parallelführung, Anzahl der Stromkreise, metallic return (ja/nein) Seite 17 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung zu Stromübertragungstechnik Aufbau von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) Grundlagen elektromagnetischer Felder Umrüstung von Drehstromleitungen zu Hybridleitungen Korona und Geräuschentwicklungen Seite 18 9

Hybrid-Mast mit 1 380-kV-AC, 2 110-kV-AC und 1 ±400 kv DC Quelle: E.ON, Datteln, Ausgabe 02.2012 Quelle: Amprion, 29.

: Austausch der Isolatorketten Überprüfung der Statik der Maste Überprüfung der Schutzeinrichtungen und Isolationskoordination (z. B.

10 Hybrid-Mast mit kV-AC, kV-AC und 1 ±400 kv DC Quelle: E.ON, Datteln, Ausgabe Quelle: Amprion, 29. Mai 2012 Seite 19 Umrüstungsmaßnahmen von Drehstromleitungen Maßnahmen für die Umrüstung von Drehstromleitungen zu Hybridleitungen u. a.: Austausch der Isolatorketten Überprüfung der Statik der Maste Überprüfung der Schutzeinrichtungen und Isolationskoordination (z. B. der Überspannungsableiter, Schutzgeräte, Schutzeinstellungen, Erdung) Überprüfung der elektrischen und magnetischen Felder zusätzliche Konverterstationen an den Einspeise-/Abnahmeknoten (Geräuschentwicklung im Bereich der Konverterstationen) bei Bedarf kann ggf. zusätzlich in Abhängigkeit von der vorhandenen Drehstromleitung erforderlich: Masterhöhungen Masttausch Seite 20 10

Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung zu Stromübertragungstechnik Aufbau von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) Grundlagen elektromagnetischer Felder Umrüstung von Drehstromleitungen

unter Atmosphärendruck in einem nicht leitenden Medium (z. B.

11 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung zu Stromübertragungstechnik Aufbau von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) Grundlagen elektromagnetischer Felder Umrüstung von Drehstromleitungen zu Hybridleitungen Korona und Geräuschentwicklungen Seite 21 Korona und Koronaentladung Koronaentladungen treten bei hohen elektrischen Feldstärken (typisch >100 kv/cm) als stromschwache Gasentladung unter Atmosphärendruck in einem nicht leitenden Medium (z. B. Luft) durch Ionisation auf lokal hohe elektrische Feldstärken treten insbesondere an scharfen Kanten, Spitzen oder nicht glatten Oberflächen auf Korona = Leuchterscheinung Koronaverluste: u. a. quadratisch von der Spannung, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit abhängig Brumm- und Knistergeräusche, Funkstörungen Abhilfe: Vergrößerung Leiterdurchmesser, Bündelleiter, Koronaringe Seite 22 11

Bündelleiter und Koronaringe Teilleiter Abstandhalter 2-er Bündel 4-er

Überspannungsableiter von 123 kv bis 550 kv Seite 23 Vielen Dank für Ihre

Oswald Fachgebiet Institut für Elektrische Energieversorgung

12 Bündelleiter und Koronaringe Teilleiter Abstandhalter 2-er Bündel 4-er Bündel 8-er Bündel 400-kV-Freileitung Quelle: splicetec ag, Überspannungsableiter von 123 kv bis 550 kv Seite 23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. habil. B. R. Oswald Fachgebiet Institut für Elektrische Energieversorgung Energieversorgung und Hochspannungstechnik Prof. Dr.-Ing. habil. Universität Lutz Hofmann Hannover 12

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