Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik (IEH) Prof. Dr.-Ing. Thomas Leibfried Stand: Juli 2018

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1 Fakultät für Elektrtechnik und Infrmatinstechnik Institut für Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik (IEH) Prf. Dr.-Ing. Thmas Leibfried Stand: Juli 2018 Studienmdell 9 Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik IEH Mdellberatung Dr.-Ing. Bernd Hferer (IEH)

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3 Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik AUF EINEN BLICK Einleitung Beschreibung des Studienmdells 9 Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik Frschung am IEH Mdellplan Beschreibung der Vrlesungen Elektrische Energienetze Energieübertragung und Netzregelung Hchspannungstechnik Hchspannungsprüftechnik Energietechnisches Praktikum Anschrift der Mdellberater Dr.-Ing. Bernd Hferer Institut für Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik (IEH) Engesserstr. 11, Geb D Karlsruhe Tel: Link: bernd.hferer@kit.edu

4 EINLEITUNG Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik Studienmdell 9 Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik Deutschland will weltweit Vrreiter in Sachen Erneuerbare Energie werden. Die Ziele der Energiewende sind ambitiniert und sllen den CO2-Ausstß drastisch senken, einmal durch den effizienteren Umgang mit Energie und zum anderen durch deutlich verstärkte Nutzung regenerativer Energien. Hinzu kmmt - zumindest in Deutschland - die Abkehr vn der Kernenergie. Dieser Wandel betrifft nicht nur die Energieerzeugung sndern insbesndere auch die Energienetze und damit vr allem das Strmnetz, aber auch das Gasnetz. Lösungen, an denen die Frschung derzeit arbeitet sind neue Speichertechnlgien und deren Energiemanagement, die Entwicklung der Elektrmbilität und die Anpassung der Netze an die neuen Anfrderungen. Hierbei geht es um die intelligente Betriebsführung (Management) der Verteilnetze und um neue Technlgien im Übertragungsnetz. Zu letzterem gehört insbesndere der Ausbau einzelnen HVDC-Verbindungen (HVDC = Hchspannungsgleichstrm) zu einem Gleichstrmnetz. Ein HVDC-Netz gibt es bis heute nch nicht und ist Gegenstand der aktuellen Frschung. Gleiches gilt für die Kpplung des Strmnetzes mit dem Gasnetz und dem Wärmenetz (Nah- und Fernwärmenetz). Durch diese sgenannte Sektrenkpplung kann man eine erhebliche Flexibilisierung der Energieversrgung erreichen. Aufgrund dieser vielfältigen Aufgaben ist die Nachfrage nach gut ausgebildeten Ingenieuren der elektrischen Energietechnik enrm - swhl seitens der Industrie als auch der Energieversrgungsunternehmen. Aufgrund der umfassenden Neurganisatin der elektrischen Energieversrgung vm Ersatz älterer Kraftwerke durch neue Anlagen, insbesndere auch dezentraler Kleinkraftwerke, über die Einbindung vn Speichern in Frm der Batterien verschiedenster Art und Größe bis hin zu flexiblen Endverbrauchern bieten sich dem Ingenieur der Energietechnik neue Herausfrderungen und Gestaltungsmöglichkeiten. Der Begriff Elektrenergiesysteme umfasst dabei alle zur Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie ntwendigen Anlagen und Kmpnenten. Das reicht vn Einzelkmpnenten wie z. B. den Netzbetriebsmitteln (Transfrmatren, Kabelsysteme der Frequenzumrichter) über mderne Anlagen zur Steuerung der Leistungsflüsse in elektrischen Netzen auf der Basis vn Leistungshalbleiterbauelementen (Flexible AC Transmissin Systems, FACTS und HVDC-Übertragungssysteme) bis hin zur Optimierung des gesamten Energiesystems, z. B. durch Betrachtung des elektrischen Energienetzes und des Gasnetzes als eine Einheit. Das Aufgabenfeld der Elektrenergie-Ingenieurs reicht vn der Grundlagenentwicklung neuer Technlgien und Knzepte, z. B. neuer Schaltungs- der Regelungsknzepte für HVDC-Anlagen über die Entwicklung neuer technischer Lösungen, z. B. DC-Leistungsschalter, bis hin Optimierung des Netzbetriebs z. B. durch Sektrenkpplung unter der Randbedingung der Wirtschaftlichkeit durch neuartige Algrithmen. Derzeit findet ein Umbruch der elektrischen Energieversrgung statt. An vielen Stellen wird Neuland betreten, was gerade jungen und gut ausgebildeten, hch mtivierten Ingenieuren eine interessante Arbeit und darüber hinaus die Chance zur Gestaltung unserer Zukunft Arbeit bietet. Deutschland hat in vielen Bereichen der elektrischen Energietechnik die Technlgieführerschaft. Oft werden grße Prjekte im internatinalen Rahmen bearbeitet, was exzellente Chancen für entsprechend qualifizierte Ingenieure im In- und Ausland mit sich bringt.

5 Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik EINLEITUNG Um dieser Vielfalt an beruflichen Möglichkeiten gerecht werden zu können, legt das Mdell Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik durch das vernetzende Fach zunächst eine breite Wissensbasis: Numerische Methden, Optimizatin f Dynamic Systems und Messtechnik. Die Spezialisierung (Vertiefungsbereich) im Bereich der elektrischen Energienetze erflgt durch die Vrlesungen Berechnung elektrischer Energienetze, Energieübertragung und Netzregelung Hchspannungstechnik und Hchspannungsprüftechnik swie Leistungselektrnik und Hchleistungsstrmrichter. Die Energiewirtschaft spielt in diesem fachlichen Kntext eine gewisse Rlle, dies wir in der Vrlesung Einführung in die Energiewirtschaft vermittelt. Ergänzt wird dieser Fächerkann durch das Energietechnische Praktikum, welchen gemeinsam vm IEH und dem ETI veranstaltet wird. Im Sinne einer breiten Ausbildung ist es empfehlenswert, sich im Wahlfachbereich thematisch nicht zu sehr einzugrenzen. Energietechnik-Ingenieure sllten auf ein breites Wissen auch aus anderen Fachgebieten verfügen, dazu kann der Wahlfachbereich in idealer Weise genutzt werden. Frschung am IEH Das IEH widmet sich in der Frschung den zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie ntwendigen Anlagen, Systemen und Kmpnenten. Die Frschungsarbeiten lassen sich grb in die Bereiche Transprtnetz, Verteilnetz und Kmpnenten aufteilen. Im Bereich Transprtnetz geht es z. B. um HVDC-Übertragungssysteme und deren Betriebsführung swie um das Design und die Betriebsführung eines dem Drehstrmnetz überlagerten Hchspannungsgleichstrmnetzes (HVDC-Netz). Weiterhin sllen Windenergieanlagen und speziell designte Speichersysteme dazu genutzt werden, Mmentanreserve bereitzustellen. Im Bereich Verteilnetz werden die Integratin vn Speichersystemen und die Sektrenkpplung, als die Kpplung zwischen Strm-, Gas- und Wärmenetz untersucht. Bei den Kmpnenten geht es um einen speziellen Energiespeicher: die Redx-Flw-Batterie. Außerdem werden Kabeldiagnseverfahren untersucht, die gerade im Kntext langer Kabelstrecken bei Hchspannungsgleichstrmverbindungen und bei der Anbindung vn Offshre-Windparks dringend gebraucht werden. Ein Querschnittsthema ist die Echtzeitsimulatin vn Energiesystemen als Pwer-Hardware-in-the-Lp-System (PHIL). Hierbei wird eine Kmpnente in eine virtuelle Umgebung, z. B. ein Energienetz eingebunden, wbei das Energienetz in Echtzeit berechnet werden muss. Bei der Frschung auf diesem Gebiet geht es einerseits um die Kmpnente und deren Eigenschaften aber auch um die Methde PHIL an sich und deren Anwendbarkeit.

6 MODELLPLAN Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik Die Ausgestaltung des Studienmdells erflgt über die Zusammensetzung des Wahlbereichs. Die Zusammenstellung der Wahlfächer ist in einem vm Mdellberater der Vertiefungsrichtung zu genehmigenden individuellen Studienplan festzuhalten. Der Mdellplan gliedert sich in feste und wählbare Mdule. Die wählbaren Mdule sind in Absprache mit dem Mdellberater auszuwählen. Mdellplan: Flgende Mdule sind für das Studienmdell Elektrtechnik und Infrmatinstechnik 9 verbindlich: Vernetzendes Fach Sem. Vrl.-Nr. Lehrveranstaltung Prüfungsdauer SWS LP V+Ü SS Numerische Methden h, S SS Messtechnik h, S WS Optimizatin f Dynamic h, S Systems Vertiefung SS Leistungselektrnik h, S SS Energieübertragung h, S und Netzregelung WS Elektrische Energienetze h, S WS Hchspannungstechnik h, S WS Hchleistungsstrmrichter min, M SS Einführung in die h, S Energiewirtschaft WS Hchspannungsprüftechnik min, M WS Energietechnisches Praktikum der alternativ ein Praktikum nach Absprache mit dem Mdellberater x 15 min, M Zwischensumme 54 Wahlmdule 30 Überfachliche 6 Qualifi- katinen Masterarbeit 30 Gesamtsumme 120

7 Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik VORLESUNGSBESCHREIBUNG Elektrische Energienetze Dzent: Prf. Dr.-Ing. T. Leibfried Umfang: 6 LP (2+2 SWS) im Wintersemester Prüfung: schriftliche Prüfung (2 Stunden) Unterlagen: Vrlesungsskript, Übungsaufgaben Link: Die Vrlesung Elektrischer Energienetze (EEN) behandelt zunächst die Grundlagen der Hchspannungstechnik und beantwrtet die Frage, warum hhe Spannungen zur Energieübertragung überhaupt benötigt werden. Im zweiten Kapitel werden wichtige theretische Grundlagen des Drehstrmsystems und verschiedener Kmpnentensysteme gelegt. Diese werden im späteren Verlauf der Vrlesung zur Behandlung spezieller Fehlerfälle im Netz benötigt. Ein grßes Kapitel beschäftigt sich dann mit der Berechnung vn Energieübertragungsnetzen und systemen. Hierunter ist die Netzeinspeisung Netz 1 Lastflussberechnung mit ihren Varianten bis hin zu Optimierungsrechnungen hinsichtlich des Kraftwerkeinsatzes zu verstehen. Anschließend werden Fehlerfälle im Netz behandelt und die dafür nötigen Berechnungsverfahren erarbeitet. Zunächst geht es um den einfachen Fall des 3-pligen Netzkurzschlusses. Anschließend werden mit Hilfe der mathematischen Methde der symmetrischen Kmpnenten auch unsymmetrische Fehlerfälle berechnet, dies sind 1-plige und 2-plige Kurzschlüsse mit und hne Erdberührung swie Leitungsunterbrechungen. S 1 Übergabeleistung 1 S 5 4 ~ S Netz 3 S S 4 S 7 S 12 3 S S 10 betrachteter Netzteil 2 S 2 Leitungen Netz 2 Mit dieser Vrlesung werden die wesentlichen Werkzeuge zur Netzberechnung im störungsfreien statinären Betrieb und im Fehlerfall behandelt und bereitgestellt. Diese Grundlagen über Netze und deren Berechnung sllte jeder Ingenieur beherrschen, der im Bereich der elektrischen Energietechnik tätig sein will.

8 VORLESUNGSBESCHREIBUNG Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik Energieübertragung und Netzregelung Dzent: Umfang: Prüfung: Unterlagen: Link: Prf. Dr.-Ing. T. Leibfried 5 LP (2+1 SWS) im Smmersemester schriftliche Prüfung (2 Stunden) Vrlesungsskript, Übungsaufgaben Die Vrlesung Energieübertragung und Netzregelung (EÜN) behandelt die Technik der elektrischen Energieübertragung, sei es in Drehstrmtechnik der als Hchspannungsgleichstrmübertragung. Zu Beginn wird die Charakteristik der Drehstrmübertragung behandelt. Das zweite Kapitel behandelt die Hchspannungsgleichstrmübertragung (HGÜ), insbesndere die Funktinsweise der Anlagen, die Funktinsweise und teilweise Auslegung der Kmpnenten und die Regelung vn HGÜ-Anlagen. Das dritte Kapitel widmet sich den Flexible AC Transmissin Systems (FACTS). Hierbei handelt es sich um leistungselektrnische Anlagen, durch welche Energieflüsse im Netz gesteuert werden können. Behandelt werden der Aufbau, die Dimensinierung und die Funktinsweise dieser Anlagen. Das letzte Kapitel behandelt die Netzregelung. Zunächst werden systemdynamische Mdelle für verschiedene Kraftwerkstypen abgeleitet. Diese werden durch die prinzipiell geltenden Mdelle für ein Netz erweitert. Auf der Basis der s entstehenden Regelstrecke werden die Begriffe Primärregelung und Sekundärregelung erklärt. Die Vrlesung bildet dadurch ein Kernstück der Studienmdelle Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik (9), Regenerative Energien (18) swie Elektrische Energiesysteme und Energiewirtschaft (23) und bereitet ptimal auf die Ingenieurtätigkeit in der Industrie (Siemens, ABB, Alstm als Grßunternehmen swie zahlreiche mittelständische Unternehmen) und bei Energieversrgungsunternehmen (EnBW, RWE, E.ON, Vattenfall swie zahlreichen Stadtwerken) vr.

9 Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik VORLESUNGSBESCHREIBUNG Hchspannungstechnik Dzent: Betreuung: Umfang: Prüfung: Unterlagen: Link: Dr.-Ing. R. Badent Dipl.-Ing. T. Maier 6 LP (2+2 SWS) im Wintersemester schriftliche Prüfung (2 Stunden) Vrlesungsskript, Übungsaufgaben Die Hchspannungstechnik ist die essentielle Vraussetzung für die Übertragung und Verteilung grßer Mengen Energie. Dabei müssen hhe elektrische Feldstärken beherrscht werden. Die Übertragung wäre hne die Hchspannungstechnik weder wirtschaftlich nch technisch machbar. In internatinalen Nrmen spricht man vn Hchspannung ab Spannungen vn 1kV, für die Energieversrger in Deutschland beschränkt sich die Hchspannung jedch auf 110kV darunter spricht man vn Nieder- (bis 1kV) und Mittelspannung (1 bis 20kV) und darüber vn Höchstspannung (220 und 380kV). Die Vrlesung Hchspannungstechnik gibt die Grundlage für einen in der Welt der Hchspannungstechnik arbeitenden Ingenieur. Diese umfasst nicht nur die Energieübertragung sndern auch andere technische Bereiche wie Röntgengeräte, Laser, Hchleistungslichtquellen, Senderöhren, Kpiergeräte, Elektrfilter, Nierensteinzertrümmerer, Spannungsversrgung vn Satelliten und viele mehr. Die Vrlesung umfasst flgende Themen im Einzelnen: Plarisatin, Grenzflächen, Einschlüsse Gleich- und Wechselspannung am unvllkmmenen Dielektrikum Frequenz- und Temperaturabhängigkeit des Verlustfaktrs Erzeugung hher Gleich-, Wechsel- und Stßspannungen swie hher Stßströme für Prüfzwecke und die Fusinsfrschung Gasentladungsarten, Gaselektrnik, Energieniveauschema Selbständige und unselbständige Entladungen, Twnsend Mechanismus, Streamermechanismus Ähnlichkeitsgesetze, Paschengesetz Glimmentladungen, Funken, Lichtbögen, Teilentladungen Durchschlag flüssiger und fester Islierstffe, Statistik des elektrischen Durchschlags, Islatinskrdinatin Entstehung vn Überspannungen, Leitungsgleichung, Wanderwellentherie

10 VORLESUNGSBESCHREIBUNG Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik Hchspannungsprüftechnik Dzent: Umfang: Prüfung: Unterlagen: Link: Dr.-Ing. R. Badent 4 LP (2+1 SWS) im Smmersemester als Blckveranstaltung, 4 LP (2+1 SWS) im Wintersemester Mündliche Prüfung Vrlesungsskript An Betriebsmittel der elektrischen Energietechnik werden höchste Anfrderungen bezüglich Sicherheit, Verfügbarkeit und Lebensdauer gestellt. Dies rührt zum einen daher, dass diese Betriebsmittel mit hhen Investitinksten verbunden sind und zum anderen, dass im Falle eines Versagens die Flgen erhebliche Ausmaße annnehmen können verbunden mit sehr Ksten. Eine umfassende Qualifizierung dieser Betriebsmittel ist daher unumgänglich. Teil dieser Qualifizierung sind umfangreiche Prüfungen mit teilweise sehr hhen Spannungen und Strömen. Da diese Prüfungen in der Regel sehr kstenintensiv sind, werden entsprechend hhe Anfrderungen auch an die Qualität der Prüfung gestellt. Dies umfasst die Themenkmplexe Nrmung, Spannungsqualität, Messsysteme, Messunsicherheiten, Akkreditierung, etc. Der Hchspannungsprüf-technik kmmt smit eine zentrale Rlle zu, bei der Qualitätssicherung elektrischer Betriebsmittel. Nrmung - Bedeutung - Entstehung - Klassen - Internatinale, natinale Nrmenwerke IEC Erzeugung der Prüfspannung - Anfrderungen an Spannungsfrm - Tleranzen - Messsysteme - Messunsicherheitsberechnung Teilentladungsprüfungen - Physikalischer Hintergrund - Elektrische Messung - Ankpplung - Filterung - Störungen, Störunterdrückung Prüfung vn Kabeln und Garnituren, swie Verbindern - Theretischer Hintergrund - Lastwechselprüfung - Kurzschlussstrmprüfungen Akkreditierung vn Prüflabratrien - Vraussetzungen - Akkreditierungsstellen - Kalibrierkette

11 Elektrenergiesysteme und Hchspannungstechnik VORLESUNGSBESCHREIBUNG Energietechnisches Praktikum Dzent: Dr.-Ing. R. Badent / Dr.-Ing. K.-P. Becker Betreuung: Mitarbeiter Umfang: 6 LP (4 SWS) im Wintersemester Prüfung: Praktikumsbegleitende mündliche Prüfungen Unterlagen: Aufgabenstellungen werden ausgehändigt Link: Das Praktikum Elektrenergiesysteme gibt in neun Versuchsnachmittagen einen Überblick über die Besnderheiten und Phänmene der Hchspannungsund Energietechnik. Die Unterlagen zur Versuchsvrbereitung ermöglichen ein Verständnis der Therie der zu Grunde liegenden Phänmene. An anschaulichen und abwechslungsreichen Versuchen wird anschließend das gewnnene Wissen auf die Praxis übertragen. Der Versuche werden in Gruppen vn zwei der drei Studierenden durchgeführt. Besnderer Wert wird auf die Sicherheit gelegt: Da mit Spannungen mit bis zu 200 kv gearbeitet wird, ist durch verschiedene Sicherheits- und Sperrmechanismen für maximale Sicherheit der Praktikumsteilnehmer gesrgt. Bestandteil des Praktikums ist eine Sicherheitsunterweisung und ein Oszillskpkurs. Themen: Erzeugung und Messung hher Gleich-, Wechsel- und Stßspannung Gasentladungen Teilentladungsmesstechnik Wanderwellen Kapazitäts- und Verlustwinkel-Messung an Energiekabeln Hchspannungsgleichstrmübertragung (HGÜ) Elektrmagnetische Verträglichkeit

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