Kapitel 2 Aufbau der Netze von Niederspannung (NS) bis Höchstspannung HöS)

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1 Netztechnik und Netzführung Vorlesung SS 2013 Kapitel 2 Aufbau der Netze von Niederspannung (NS) bis Höchstspannung HöS) Themenübersicht 1. Das System 50 Hertz-Wechselstrom/Drehstrom 2. Typische Spannungsebenen 3. Schaltungen der Netze 4. Sternpunktbehandlung 5. Entwicklung des bayrischen Hochspannungsnetzes von 1924 bis 2013 Seite 1

2 1. Das System 50 Hertz-Wechselstrom/Drehstrom Basis für das Elektrizitätsversorgung ist ein System mit den sinusförmigen Wechselgrößen Spannung und Strom bei 50 Hertz Wechselfrequenz d.h. die Sinuskurve wird 50 mal pro Sekunde durchlaufen. Der entscheidende Vorteil der Wechselspannung gegenüber Gleichspannung ist deren einfache Transformierbarkeit über beliebige Spannungsstufen. Dafür gibt es auch Nachteile gegenüber Gleichspannung z.b. bei weiträumiger Übertragung von Leistung. Werden 3 Wechselspannungen in einem festen Verhältnis miteinander verknüpft, erhält man eine 3-Phasen-Wechselspannung auch Drehstrom genannt. Die Netze unserer Elektrizitätsversorgung sind Drehstromnetze und bestehen somit aus 3 verketteten sinusförmigen Wechselspannungen mit 50 Hertz Wechselfrequenz- Wir sprechen deshalb im Weiteren von einem 50- Hertz-Drehstromsystem. Die 3 verketteten Wechselspannungen werde üblicherweise als die 3 Phasen des Drehstromsystems - Phasen L1, L2 und L3 - genannt;

3 1. Das System 50 Hertz-Wechselstrom/Drehstrom Die Phasen sind um jeweils 120 Grad versetzt. Damit ist die geometrische Summe der 3 Wechselgrößen = 0 wenn das Drehstromsystem symmetrisch betrieben wird; Liniendiagramm Zeigerdiagramm U1N, U2N und U3N werden auch als Phasen-, Stern- bzw. Strangspannungen bezeichnet. U12, U13 und U23 sind die sog. verketteten Spannungen. Entsprechend der Seitenverhältnisse des gleichseitigen Dreiecks stehen die Phasenspannungen und die verketteten Spannungen im Verhältnis U12 = U13 = U23 = 3 x U1N = 3 x U2N = 3 x U3N ; der Verkettungsfaktor = 3

4 1. Das System 50 Hertz-Wechselstrom/Drehstrom Die Sternschaltung Die Dreieckschaltung

5 2. Typische Spannungsebenen Das Netz in der Elektrizitätsversorgung hat die Aufgabe die elektrische Energie vom Ort der Erzeugung zum Ort des Verbrauches zu übertragen. Die elektrische Energie wird dabei über das Netz übertragen und nicht transportiert. Im einfachsten Fall besteht ein Netz aus einem Generator, der mit einem Verbraucher über eine Leitung verbunden ist. Damit ist Erzeugung und der Verbrauch unmittelbar miteinander verknüpft. Verbraucher Erzeugung G ~ Leitung M

6 2. Typische Spannungsebenen Bei einer Verknüpfung mehrerer Erzeuger mit mehreren Verbrauchern an jeweils unterschiedlichen Orten entsteht ein elektrisches Netz (= Verknüpfung mehrere Erzeugungsknoten mit Verbraucherknoten) G ~ ~ G ~ G ~ ~ ~

7 2. Typische Spannungsebenen Je nach Aufgabe werden Netze mit unterschiedlichen Spannungen betrieben und mit Transformatoren untereinander verbunden. Bei der Elektrizitätsversorgung unterscheiden wir dabei nach der Höhe der Netzspannung in: - Niederspannungsnetze (NS) - Mittelspannungsnetze (MS) - Hochspannungsnetze (HS) und - Höchstspannungsnetze (HöS) Typische Spannungen: NS: 0,4 kv (0,24 kv), 0,11 kv, 0,5 kv MS: 10 kv, 20 kv, 25 kv, 30 kv, 35 kv, HS: 45 kv, 50 kv, 60 kv, 110 kv, HöS: 220 kv, 330 kv, 400 kv (380 kv), 500 kv, 750 kv, 1000 kv, In Deutschland gebräuchlich sind die Spannungen: NS = 0,4 kv, MS = 10 kv in Stadtnetzen, 20 kv in Landnetzen HS = 110 kv HöS = 220 kv und 400 kv

8 2. Typische Spannungsebenen Die sog. Nennspannung eines Netzes z.b. 110 kv bezeichnet die typische Spannungsebene. Tatsächlich werden die Netze in einem sog. Spannungsband in der Nähe der Nennspannung betrieben. Bei 110 kv-netzen beträgt das Spannungsband z.b kv Die Nennspannung bezieht sich immer auf die verkettete Spannung zwischen den Phasen der 3 Wechselspannungen des Drehstromsystems. Die Phasenspannung ist um den Faktor 1/ 3 geringer. In unseren NS-Netzen werden sowohl die verkettete Spannung (=0,4 kv) als auch die Phasenspannung (= 0.23 kv oder 230 Volt) genutzt.

9 2. Typische Spannungsebenen 400 kv Höchstspannung HöS 220 kv Höchstspannung HöS 110 kv Hochspannung HS 20 kv (10 kv) Mittelspannung MS 380/220 V Niederspannung NS Seite 9

10 3. Schaltungen der Netze 3.1 Strahlennetze dabei werden die einzelnen Leitungen strahlenförmig an einen zentralen Netzknoten angeschlossen. Die einzelnen Leitungen haben keine Verbindung zu weiteren Netzknoten. Hauptstränge enden wiederum an zentralen Netzknoten, sind aber nur an einen Netzknoten angeschaltet. Strahlennetze finden wir in NS und MS-Netzen teilweise auch in HS-Netzen; Vorteile von Strahlennetzen sind: - einfache Netzstruktur einfache Planung - einfacher Netzschutz kein Selektier-Kriterium notwendig - Leitungsbelastung einfach zu ermitteln (Summe der Leistung aller an einen Strang angeschlossenen Verbraucher); - einfache Spannungshaltung am zentralen Netzknoten; Nachteile von Strahlennetzen sind: - einfache Fehler auf Leitungen führen zu Versorgungsunterbrechungen - Instandhaltungsarbeiten an Leitungsabschnitten erfordern Umschaltungen der Hauptstränge des Strahlennetzes - die einzelnen Stränge müssen für die zu erwartenden Maximalleistung der angeschlossenen Verbraucher ausgelegt werden

11 3. Schaltungen der Netze 3.2 Maschennetze dabei werden die einzelnen Leitungen zu Ring- und Maschenstrukturen vernetzt. Im einfachsten Fall ist eine Leitung mit mehreren Verbraucheranschlüssen an zwei zentralen Netzknoten angeschlossen. Maschennetze finden wir in HöS (Standard) und HS-Netzen teilweise auch in MS-Netzen; Vorteile von Maschennetzen sind: - hohe Versorgungssicherheit; - Verbraucherlasten verteilen sich auf mehrere Leitungen und Einspeiseknoten; - Instandhaltungsarbeiten auf Leitungen sind freizügiger wie bei Strahlennetzen möglich; - Beeinflussung der Lastflüsse sind durch Schaltmaßnahmen möglich; Nachteile von Maschennetzen sind: - aufwändiger Netzschutz wegen Anforderung an Selektivität bei Fehlern im Netz muss die fehlerbehaftete Netzverbindung identifiziert und gezielt abgeschaltet werden. - Lastflussberechnung und Spannungshaltung sind komplexe Aufgaben ebenso die Ausbauplanung von Maschennetzen;

12 4. Sternpunktbehandlung Erdschlussbehandlung bezeichnet die Art, wie der Sternpunkt eines Drehstromnetzes mit der Erde verbunden wird. Während im Normalbetrieb eines elektrischen Netzes die Art der Sternpunktbehandlung quasi keine Rolle spielt, ist sie im Fall eines Erdfehlers (Kontakt eines Phasenleiters mit Erde) von entscheidender Bedeutung. Es werden folgende Arten der Sternpunktbehandlung unterschieden: 4.1 Isolierter Sternpunkt Diese Erdungsart wird meist in Mittelspannungsnetzen mit geringer Ausdehnung, beispielsweise am Kraftwerksgenerator oder im Kraftwerkseigenbedarf, eingesetzt. Bei einem Fehler, bei dem eine Phase mit Erde in Berührung kommt, fließt nur ein geringer Fehlerstrom. Dieser wir durch die Kapazität zwischen Phasenleiter und Erde bestimmt und hängt neben den Leiter-Erd-Kapazitäten entscheidend von der Ausdehnung des entsprechenden Netzes ab. Ein Vorteil von Netzen mit isoliertem Sternpunkt ist, dass im Fehlerfall keine sofortige Abschaltung notwendig ist. Wenn z. B. ein einpoliger Erdschluss auftritt, ist der Erdschlussstrom so klein, dass nicht abgeschaltet werden muss. Bei diesem Fehlerfall wird allerdings die Spannung gegenüber Erde der anderen zwei Phasen um den Faktor 3 erhöht, was zu einer stärkeren Isolationsbeanspruchung und ggf. zu Folgestörungen führt.

13 4. Sternpunktbehandlung 4.2 Induktive Sternpunkterdung Dabei wird der Sternpunkt über eine so genannte Petersen-Spule mit der Erde verbunden. Die Induktivität der Spule wird dabei auf die resultierenden Leiter-Erd-Kapazitäten des betreffenden Netzes angepasst, so dass die Induktivität von Petersen-Spule und die Leiter- Erdkapazitäten des Netzes nahezu gleich groß sind. Das Prinzip beruht darauf, dass der überwiegend durch die Leiter-Erd-Kapazitäten bestimmte Fehlerstrom durch einen entsprechenden Strom, bestimmt durch die Induktivität der Petersen- Spule, kompensiert wird. Die Induktivität der Petersen-Spule muss bei Veränderungen des Netzes hinsichtlich seiner Ausdehnung jeweils angepasst werden, damit - einerseits eine sichere Fehlerstromkompensation wirksam ist - andererseits keine unzulässige Spannungsüberhöhung im Sternpunkt auftritt; Da der durch einen Leiter- Erd-Fehler ausgelöste Lichtbogen an der Fehlerstelle durch die Petersen-Spule gelöscht wird, spricht man bei einem Netz mit induktiver Sternpunkterdung auch von einem gelöschten betriebenen Netz. Vor- und Nachteile der induktiven Sternpunkterdung entsprechen denen bei Betrieb mit isoliertem Sternpunkt. Bei induktiver Sternpunkterdung kann allerdings das Netz eine weitaus größere Ausdehnung haben wie bei isoliertem Sternpunkt. Begrenzend ist der sog. Erdschluss-Reststrom, der durch die ohmschen Ableitwiderstände des Netzes bestimmt wird und ebenfalls von der räumlichen Ausdehnung des Netzes abhängt. So werden Netze mit induktiver Sternpunkterdung in mehrere Netzgruppen auch Erdschlussgebiete genannt aufgeteilt.

14 4. Sternpunktbehandlung 4.3 Niederohmige Sternpunkterdung Dabei wird der Sternpunkt von Transformatoren über eine schaltbare Verbindung dem Sternpunkterder mit Erde kurzgeschlossen. Es werden in einem Netz so viele Sternpunkte mit Erde verbunden, dass bei einphasigen Fehlern ein Kurzschlussstrom auftritt, der ein sicheres Reagieren des Netzschutzes bewirkt. Gleichzeitig soll der Strom aber einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten, um negative Beeinflussungen an technischen Einrichtungen in der Nähe von Hochspanungsanlagen möglichst zu vermeiden. Bei niederohmiger Sternpunkterdung tritt bei einphasigen Fehlern ebenfalls eine Verlagerungsspannung in den gesunden Phasen auf, die aber wesentlich geringer ist wie bei induktiver Sternpunkterdung. Bei einphasigen Fehlern ist dem symmetrischen Drehstromsystem ein sog. Nullsystem überlagert, das resultierend ein unsymmetrisches System im Fehlerfall ergibt. Die niederohmige Sternpunkterdung wird in Hochspannungsnetzen zum Teil (vorwiegend Netze mit hohem Kabelanteil) und Höchstspannungsnetzen ausschließlich angewendet. Die sichere Beherrschung von einpoligen Fehlern ist dabei nicht mehr von der geographischen Ausdehnung des Netzes abhängig.

15 5. Die Entwicklung des bayrischen Hochspannungsnetzes von 1924 bis

16 5. Die Entwicklung des bayrischen Hochspannungsnetzes von 1924 bis 2013 Wichtigste Informationen zum Netz von 1924: Erstinbetriebnahme des 110kV-BAG-Netzes zusammen mit Walchensee-Kraftwerk und Mittleren Isar im Januar 1924 Leitungen im Tannenbaumprofil; Schlingen- oder Kappenisolatoren; Phasenleiter: Kupferseile, meist 120 mm² Netzbetrieb mit induktiv geerdeten Sternpunkt Maschennetz; Tannenbaummastbild

17 5. Die Entwicklung des bayrischen Hochspannungsnetzes von 1924 bis 2013 Erweiterungen bis 1930 Wichtigste Informationen zu Erweiterungen bis 1930 Bau von Verbindungen zu Nachbarnetzen in Tirol und Württemberg; Anschluss KW Schwandorf in Leitung Regensburg-Amberg Anschluß UW Passau und Kachlet-Kraftwerk über Doppelleitung mit neuem Mastbild (Donaumast) Anschluss UW Kulmbach (erste Freiluftschaltanlage) über Doppelleitung an Bamberg Donaumastbild

18 5. Die Entwicklung des bayrischen Hochspannungsnetzes von 1924 bis 2013 Erweiterungen bis 1951 Wichtigste Informationen zu Erweiterungen bis Inbetriebnahme der ersten 220kV-Leitung in Bayern Remptendorf- Ludersheim- St.Peter ( Reichssammelschiene ) Ludersheim über 2 x 100MVA in Leitung Nürnberg-Amberg; Anschluss Lechstaustufen über Einebenenmast Anschluss Mainstaustufen und weitere Ergänzungen des 110- kv-netzes 1949 Erweiterung des 220kV-Netzes durch Inbetriebnahme Leitung Ludersheim- Aschaffenburg-RWE (Kelsterbach), Einebenenmastbild

19 5. Die Entwicklung des bayrischen Hochspannungsnetzes von 1924 bis 2013 Erweiterungen bis 1967

20 5. Die Entwicklung des bayrischen Hochspannungsnetzes von 1924 bis 2013 Wichtigste Informationen zu Erweiterungen bis 1967 Anschluss KW Schwandorf an 220-kV via Ludersheim Anschluss KW Ingolstadt an 220-kV. Anschluss KW Pleinting an 220 kv 220-kV-Ringschluss Ludersheim Würgau Schweinfurt Aschaffenburg; Anschluss bayrisches Chemiedreieck an 220-kV

21 5. Die Entwicklung des bayrischen Hochspannungsnetzes von 1924 bis /220-kV 110-kV Erweiterungen bis 1997

22 5. Die Entwicklung des bayrischen Hochspannungsnetzes von 1924 bis 2013 Wichtigste Informationen zu Erweiterungen bis Umstellung des 110-kV-Netzes auf niederohmige Sternpunkterdung; 1973 Anschluss 400-kV via Großkrotzenburg Bergrheinfeld Erweiterung 220-kV mit Ostring und Südostring Anschluss Kernkraftwerk Isar an 400 kv Anschluss Kernkraftwerke Grafenrheinfeld und Gundremmingen an 400-kV Anschluss Speicherkraftwerk Sellrain-Silz in Tirol an 220-kV Anschluss Stadtwerke München an 400-kV Anschluss RWE-Netz und BW-Netz an 400-kV Anschluss KW Irsching an 220- und 400-kV Bau 400-kV-Ostring Anschluss CSSR-Netz über 400-kV und Gleichstrom-Kupplung Anschluss Thüringen und CZ über 400-kV-Drehstrom Ertüchtigung 110-kV-Netz

23 5. Die Entwicklung des bayrischen Hochspannungsnetzes von 1924 bis kV in 2011

24 5. Die Entwicklung des bayrischen Hochspannungsnetzes von 1924 bis /220-kV in 2009

25 5. Die Entwicklung des bayrischen Hochspannungsnetzes von 1924 bis 2013 Wichtigste Informationen zu Änderungen bis 2013 Umstellungen von 220-kV auf 400 kv auf einigen Trassen Rückbau von 110-kV-Leitungen Vereinfachungen von Schaltanlagen Generell keine größeren Zubauten wegen Liberalisierung und Kostenregulierung des Netzes; Eislastsanierung von Freileitungsmasten in Folge der Münsterlandstörung in 2005;