Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Fakultät Technik und Informatik Department Informations- und Elektrotechnik

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1 Studiengruppe: Eingegangen am: Protokollführer: Übungstag: Weitere Teilnehmer: Professor: ENP2 Energieverteilungsnetz 03/ Einleitung In diesem Versuch werden Kurzschluss- und Lastflussberechnungen für ein Energieverteilungsnetz in der Nieder-, Mittel- und Hochspannungsebene durchgeführt und die Ergebnisse analysiert. Sie werden ihre manuell durchgeführten Berechnungen mit dem Simulationsergebnissen des Netzplanungssystem PSS SINCAL vergleichen und das Netzwerk nach Vorgaben erweitern. Hierbei wird ihnen vermittelt, wie der Planungsingenieur komplexe Variationen und Erweiterungen eines Energieverteilungsnetzes austesten und die Qualität der Änderungen beurteilen kann, bevor diese in die Realität umgesetzt werden. Die Analyse des Energieverteilungsnetzes unterliegt folgenden Kriterien: Einhaltung der Spannungsdifferenz an den Sammelschienen Eignung der ausgewählten Kabel auf ihre Strombelastbarkeit n-1 Sicherheit für einfache Leitungsunterbrechung Berechnung von 3-poligen Kurzschlüssen Selektivität bei 3-poligen Kurzschlüssen Einfluss von Wirk- und Blindleistungseinspeisungen auf die Lastverteilung 2 Energieverteilungsnetz Für das zu berechnende und zu simulierende Energieverteilungsnetz sind folgenden Kennwerte der Bauelemente gegeben: Einspeisung E1: S k = 1500 MVA R/X = 0,1 Lastflusstyp = u q und delta c = 1,1 Bio-Gasgenerator G1: U N = 400 V S N = 0,55 MVA P =0,5 MW cos φ = 0,95 x d sat = 18,6% R/X = 0,1 Lastflusstyp = P und cos φ ENP2-Energieverteilung.docx Seite: 1

2 Windgenerator G2: U N = 690 V S N = 2,5 MVA P N = 2 MW cos φ = 0,95 x dsat = 18,6% R/X = 0,1 Lastflusstyp = P und cos φ Verbraucher: P1 N = 650 kw P2 N = 380 kw P3 N = 800 kw P4 N = 650 kw P5 N = 600 kw cos φ = 0,9 Lastflusstyp = P, cos φ und u Leitungen: Name Länge in km Kabeltyp X in Ω/km R in Ω/km C in nf/km L1 2,00 (Bündel) 20kV,Erde 0,132 0, ,0 L2 5,00 NA2XS(FL)2Y 3x1x240 (Bündel) 110kV,Erde 0,146 0, ,0 L3 15,00 NA2XS(FL)2Y 3x1x240 (Bündel) 110kV,Erde 0,146 0, ,0 L4 7,50 NA2XS(FL)2Y 3x1x240 (Bündel) 110kV,Erde 0,146 0, ,0 L5 2,00 (Bündel) 20kV, Erde 0,132 0, ,0 L6 3,20 (Bündel) 10kV, Erde 0,123 0, ,0 L7 3,90 (Bündel) 10kV, Erde 0,123 0, ,0 L8 1,35 (Bündel) 10kV, Erde 0,123 0, ,0 L9 1,15 (Bündel) 10kV, Erde 0,123 0, ,0 L10 0,90 (Bündel) 10kV, Erde 0,123 0, ,0 L11 3,50 (Bündel) 10kV, Erde 0,123 0, ,0 ENP2-Energieverteilung.docx Seite: 2

3 Transformatoren: Name Bemessungsspannung in kv Bemessungsleistung S N in MVA Kurzschlussspannung Ohmsche Kurzschlussspannung T1 20/0,4 0,63 u k =4% u r = 1% T2 und T4 110/20 30 u k =12% u r = 1% T3 110/10 40 u k =10% u r = 1% T5 20/0,69 2,5 u k =6% u r = 1% T6 bis T9 10/0,4 0,4 u k =4% u r = 1% Für alle Transformatoren gilt die Schaltungsgruppe DYN5 Bild 1: 110kV - Teilnetzplan für die Kurzschlussberechnung ENP2-Energieverteilung.docx Seite: 3

4 Bild 2: 110kV - Teilnetzplan für die Lastflussberechnung P I I I P III P II I II ENP2-Energieverteilung.docx Seite: 4

5 Für das oben beschriebene Energieverteilungsnetz sind Vorausberechnungen durchzuführen. Die Ergebnisse ihrer Berechnungen sind zu Praktikumstermin mitzubringen! 2.1 Kurzschlussberechnung Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild zu dem 3-poligen Anfangs-Kurzschlussstrom I k an der Sammelschiene K10 des Teilnetzplanes aus Bild 1. Berechnen Sie den Anfangs-Kurzschlussstrom I k und den Stoßkurzschlussstrom i p (Annahme κ= 2,0) für den 3-poligen Kurzschluss an der Sammelschiene K10. Berechnen Sie die Anfangs-Kurzschlusswechselleistung S k. 2.2 Lastflussberechnung Berechnen Sie die Einspeiseleistungen P I und P II an der Sammelschiene K10 des Teilnetzplanes aus Bild 2. Berechnen Sie dazu die Einspeiseströme I I und I II. Bestimmen Sie den tiefsten Spannungspunkt. Berechnen Sie den max. Spannungsfall Δu. 3 Simulation des Energieverteilungsnetzes Erfassen Sie das Energieverteilungsnetz wie im Bild 1 mit der Netzplanungssoftware PPS SINCAL. 3.1 Kurzschluss an der Sammelschiene K10 Führen Sie die Berechnung für einen 3-poligen Kurzschluss an der Sammelschiene K10 durch und notieren Sie sich die Ergebnisse der Simulation für I '' k; i p ; S k. 3.2 Lastflussberechnung Kopieren Sie das Teilnetzwerk aus Bild 2 in den Netzplan von Bild 1. Führen Sie die Lastflussberechnung für das Netzwerk durch und notieren Sie sich die Ergebnisse der Simulation für P I ; P II ; I I ; I II. Prüfen Sie die Spannungsqualitäten an den Sammelschienen und notieren Sie sich die Ergebnisse der Untersuchung. 3.3 Kurzschluss an der Sammelschiene K17 Führen Sie die Berechnung für einen 3-poligen Kurzschluss an der Sammelschiene K17 durch. Wählen Sie eine geeignete NH-Sicherung für die Niederspannungsseite und eine HH-Sicherung für die Oberspannungsseite des Transformators T7 aus. Ist die Selektivität von der HH-Sicherung zur NH-Sicherung gegeben? Beschreiben Sie den Begriff Selektivität im Bezug auf diese Aufgabe. ENP2-Energieverteilung.docx Seite: 5

6 3.4 n 1 Sicherheit Prüfen Sie ob das Netz eine n-1 Sicherheit gegenüber Leitungsunterbrechungen hat. Welche Lösungsmöglichkeiten gibt es, wenn die n-1-sicherheit im Ringnetz nicht eingehalten wird? Prüfen Sie die Strombelastung der einzelnen Leitung im Ringnetz und die Spannungsqualitäten der Sammelschienen. Ist der gewählte Querschnitt in Ordnung? Um wie viel könnte der Kabelquerschnitt verkleinert werden, so dass das System seine Qualitäten beibehält? Wird das System stabiler, wenn der Querschnitt vergrößert wird? Führen Sie die Ergebnisse des jeweiligen Querschnitts auf. 3.5 Leistungssteuerung Stellen die Verbindung zum Verbundnetz wieder her und trennen den Biogasgenerator vom Netz ab. Beim Windgenerator ist der Lastflusstyp = S und cos φ einzustellen. Der Leistungsfaktor wird für folgende Werten cos φ = 0,85; 0,95; 1,00 jeweils induktiv und kapazitiv variiert. Beobachten Sie die Lastverteilung und notieren Sie sich die Wirkleistungen und Blindleistungen vom Windgenerator an der Sammelschiene K9a für die unterschiedlichen Variationen des cos φ. 4 Simulation des Energieverteilungsnetzes mit Erweiterungen Da sich die Leistung P3 auf P N = 3 MW erhöhen soll, möchte der Betreiber des Industrienetzes einen Windkraftgenerator mit den unten genannten Daten für den Eigenbedarf und zur möglichen Speisung ins Netz installieren. Windkraftgenerator: U N = 690 V S N = 2,5 MVA P N = 2 MW cos φ = 0,95 Der Windgenerator wird über einen Transformator an die Sammelschiene K13 angeschlossen. Transformator: U N = 10kV/690V u k = 6% S N = 2,5 MVA ENP2-Energieverteilung.docx Seite: 6

7 4.1 Kurzschluss an der Sammelschiene K17 Hat sich der 3-polige Anfangskurzschlussstrom I k an der Sammelschiene K10 und K17 gegenüber Aufgabe 3 verändert? Ist die Selektivität der gewählten Sicherungen aus Aufgabe 3 noch vorhanden? 4.2 Lastflussberechnung Wie sehen die Spannungsqualitäten des Netzes und Strombelastung der Leitungen aus, ist eine n-1-sicherheit gegeben? 4.3 Leistungssteuerung Auf welche mögliche maximale Wirkleistung kann der neue Windgenerator erweitert werden, ohne dass die Kriterien für die Spannungsqualität außerhalb der Richtlinien liegen. 4.4 Einfluss von aktiven Lasten An der Sammelschiene K4 sind vier aktive Lasten mit folgenden Daten über einen Transformator anzuschließen, der Windgenerator aus der Erweiterungsaufgabe ist nicht zu beachten. Asynchronmaschine: U N = 10 kv P N = 0,4 MW n N = 1475 min -1 cos φ = 0,84 I a /I n = 0,2 p = 3 η = 0,965 Transformator: U N = 110kV/10kV u k = 10% S N = 4 MVA Simulieren sie einen 3-poligen Kurzschluss an der Sammelschiene K4. Nehmen die Motoren starken Einfluss auf den Kurzschluss? Überprüfen Sie Ihre Aussage nach der Abschätzungsformel nach DIN VDE 0102 (siehe Anhang Grundlagen ). ENP2-Energieverteilung.docx Seite: 7

8 5 Auswertungen 5.1 Vergleichen Sie die Ergebnisse aus Aufgabenpunkt 3 mit den Ergebnissen aus der Vorbereitung in einer tabellarischen Form und erklären Sie mögliche Abweichungen. 5.2 Werden die Spannungsqualitäten in der Aufgabe 3 im Mittelspannungsnetz +- 4% und im Niederspannungsnetz +- 10% laut Vorgabe nach DIN EN eingehalten. Waren Auffälligkeiten zu beobachten? 5.3 Erstellen Sie eine Tabelle mit den in der Simulation verwendeten Leitungsquerschnitten im Ringnetz und deren Ergebnisse aus der Aufgabe 3. Erläutern Sie ihre Beobachtungen. 5.4 Erstellen Sie eine Tabelle mit den simulierten Ergebnisse der Aufgabe 3.6 und zeichnen sie das Diagramm P, Q = f(cos φ). 6 Literaturhinweise Elektrische Energieverteilung ; Flossdorff, Hilgarth Elektrische Energieversorgung ; Heuck, Dettmann, Schulz 7 Anhang Übersicht von Kabeltypen, Kabeldaten, Kabelaufbau Diagramme der Charakteristiken von HH- und NH-Sicherungen Grundlagen zur Kurzschluss- und Lastflussberechnung ENP2-Energieverteilung.docx Seite: 8

9 Kurzzeichen für Starkstromkabel nach DIN VDE 0271/0276 Bauartkurzzeichen Kennzeichnung N DIN VDE Norm-Typ (N) in Anlehnung an DIN VDE-Norm x Leiterart A Aluminiumleiter Kupfer Isolierwerkstoff Y PVC 2X vernetztes PE (VPE) Konzentrischer Leiter, Schirm C Konzentrischer Leiter aus Cu, im Längsschlag CW Konzentrischer Leiter aus Cu wellenförmig CE Konzentrischer Leiter aus Cu pro Einzelader S Cu-Schirm SE Cu-Schirm pro Einzelader bei mehradrigen Kabel H leitfähige Schicht (F) längswasserdichter Schirm Bewehrung B F G R Bewehrung aus Stahlband Flachdraht verzinkt Gegenwendel aus verzinktem Stahlband Runddraht verzinkt Mantel A Schutzhülle aus Faserstoffen Y PVC K Bleimantel 2Y PE KL Aluminiummantel Schutzleiter I O mit Schutzleiter ohne Schutzleiter Aderanzahl Leiter-Nennquerschnitt in mm 2 Leitertyp r... runder Leiter..m mehrdrähtiger Leiter s... Sektor-Leiter..h Hohlleiter o... ovaler Leiter /V verdichteter Leiter e... eindrähtiger Leiter Nennspannung 0,6/1 kv 3,6/6 kv 6,0/10 kv 12/20 kv 18/30 kv Beispiele NA2XS2Y 1 x 35 RM/16 6/10 kv Einadriges VPE-isoliertes Kabel mit PE-Mantel nach Norm, rund, mehrdrähtiger Aluminiumleiter mit Nennquerschnitt 35 mm 2, umgeben mit Cu-Schirm 16 mm 2 und Nennspannung (U 0 /U) 6/10 kv NYY-J 12 x 1,5 RE 0,6/1 kv Kabel nach Norm, Isolierung aus PVC, Mantel aus PVC, mit grün-gelb gekennzeichneter Ader, zwölfadrig mit Nennquerschnitt 1,5 mm 2 Rundleiter, eindrähtig, Nennspannung 0,6/1 kv X 12

10 Strombelastbarkeit für VPE-isolierte Mittelspannungskabel einadrig 6/10 kv, 12/20 kv, 18/30 kv N2XSY N2XS2Y N2XS(F)2Y NA2XSY NA2XS2Y NA2XS(F)2Y Strombelastbarkeit* in Ampere (A) in Erde (20 C) Leiterart Kupferleiter Aluminiumleiter Anordnung U 0 /U 6/10 kv 12/20 kv 18/30 kv 6/10 kv 12/20 kv 18/30 kv Querschnitt in mm 2 Bemessungsstrom in Ampere (A) *Die Werte gelten auch für längswasserdichte Kabel. A B C D E F G H Strombelastbarkeit* in Ampere (A) in Luft (30 C) Leiterart Kupferleiter Aluminiumleiter Anordnung U 0 /U 6/10 kv 12/20 kv 18/30 kv 6/10 kv 12/20 kv 18/30 kv Querschnitt in mm 2 Bemessungsstrom in Ampere (A) *Die Werte gelten auch für längswasserdichte Kabel. I J K L M N O P Q R S X X 37

11 Technische Daten 110 kv Kabel / Technical data 110 kv cable Technische Elektrische Daten/Electrical 110 kv Kabel data / Technical 110 kv data 110 kv cable Nennquerschnitt Leiterdurch- Isolierwand- Durchmesser Außenmantel Nettogewicht ca. Ader Schirm RM/RMS messer dicke Isolierung Wand- Durch- Cu Al dicke messer Cross section Conductor Insulation Diameter Oversheath net weight appr. Core Screen RM/RMS diameter thickness insulation Wall Diameter Cu Al thickness mm 2 mm mm mm mm mm kg/km kg/km RM 18,5 18,0 57 4, RM 20,5 18,0 59 4, RM 24,2 18,0 63 4, RM 26,5 18,0 65 4, RM 31,5 18,0 70 4, RM 35,1 18,0 74 4, RM 38,2 18,0 77 4, RMS 43,6 18,0 82 4, RMS 50,0 18,0 88 4, RMS 56,3 18,0 98 4, Technische Elektrische Daten/Electrical 110 kv Kabel data / Technical 110 kv Kabel data 110 kv cable Nennquerschnitt Leiterwiderstand Schirmwider- I k -Leiter Belastbarkeit Ader Schirm RM/RMS stand Cu Al Cu Al Cross section Conducter resistance Screen I k Current rating Core Screen RM/RMS Cu Al resistance conductor DC AC DC AC Cu Al Cu Al mm 2 Ohm/km Ohm/km Ohm/km Ohm/km Ohm/km ka ka A A RM 0,0754 0,0973 0,1250 0,1610 0, RM 0,0601 0,0782 0,1010 0,1280 0, RM 0,0470 0,0617 0,0778 0,1020 0, RM 0,0366 0,0493 0,0605 0,0787 0, RM 0,0283 0,0392 0,0469 0,0621 0, RM 0,0221 0,0321 0,0367 0,0495 0, RM 0,0176 0,0267 0,0291 0,0405 0, RMS 0,0151 0,0205 0,0247 0,0362 0, RMS 0,0113 0,0160 0,0186 0,0250 0, RMS 0,0090 0,0128 0,0149 0,0206 0, Technische Elektrische Daten/Electrical 110 kv Kabel data / Technical 110 kv data 110 kv cable Nennquerschnitt Kapazität Ladestrom Induktivität Reaktanz Ader Schirm RM/RMS Cross section Capacitance Charging current Inductance Reactance Core Screen RM/RMS mm 2 µf/km A/km mh/km Ohm/km RM 0,133 2,7 0,46 0, RM 0,140 2,8 0,45 0, RM 0,157 3,1 0,43 0, RM 0,168 3,4 0,41 0, RM 0,187 3,7 0,39 0, RM 0,190 3,8 0,38 0, RM 0,221 4,3 0,37 0, RMS 0,229 4,6 0,35 0, RMS 0,262 5,3 0,34 0, RMS 0,271 5,4 0,33 0,104 Belastbarkeit berechnet bei: Current rating calculated with: Erdbodentemperatur 20 C Soil temperature 20 C Verlegetiefe 1,2 m Laying depth 1.2 m Erdbodenwärmewiderstand 1,0/2,5 Km/W Thermal soil resistivity 1,0/2,5 Km/W Schirm beidseitg geerdet Screen bonded at both ends Dreieckverlegung Trefoil laying 10

12 ? BETA schützen Niederspannungs-Sicherungssysteme NH-Sicherungseinsätze Siemens AG Baureihe 3NA3 3 Baugröße: 3 Betriebsklasse: gg Bemessungsspannung: AC 500 V/DC 440 V Bemessungsstrom: A Zeit-/Strom-Kennlinien-Diagramm I L I!! ) # ) # ) )! # # )!! # ) # ) ) ) 1 # = Schmelz-/I 2 t s -Werte-Diagramm I ) I ' & % I I I! I I 1 % >! ) # # ) # ) )! # # )!! # ) # ) ) )! &! & & # & A BB )! Strombegrenzungs-Diagramm ) #! & &! & A BB )! ) # ) # ) Stoßkurzschlussstrom mit größtem Gleichstromglied % Stoßkurzschlussstrom ohne Gleichstromglied )! # # )!! # ) # ) ) ) & # & # & A BB ) 1 = Typ I n P v ϑ I 2 t s 1ms 4ms A W K A 2 s A 2 s 3NA , NA , NA , NA , NA , NA , NA , NA , NA , NA , Typ I 2 t a AC 230 V AC 400 V AC 500 V A 2 s A 2 s A 2 s 3NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA /26 Siemens ET B1 AO 2008, Kennlinien

13 791 Zeit-Strom-Kennlinien für DRIESCHER- HH-Sicherungen 6,3 A bis 160 A In unten gezeigtem Diagramm sind die Zeit-Strom- Kennlinien der DRIESCHER-HH-Sicherungen mit Bemessungsströmen von 6,3 bis 160 A dargestellt. Enge Toleranzen der Schmelzleiter (Genauigkeit 0,003 mm), fertigungsbegleitende Kontrollen und eine sorgfälltige Endkontrolle garantieren einen hohen Qualitätsstandard, sodass die Kennlinien mit geringer Streuung eingehalten werden Strom in A A 125 A 100 A 80 A 63 A 50 A 40 A 31,5 A 25 A 20 A 16 A 10 A 6,3 A , Zeit in s