Prof. Dr.-Ing. Volker Hinrichsen Dipl.-Ing. Max Tuczek
Prof. Dr.-Ing. Volker Hinrichsen Dipl.-Ing. Max Tuczek
Prof. Dr.-Ing. Volker Hinrichsen Dipl.-Ing. Max Tuczek
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
<strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>.-<strong>Ing</strong>. <strong>Volker</strong> <strong>Hinrichsen</strong><br />
<strong>Dipl</strong>.-<strong>Ing</strong>. <strong>Max</strong> <strong>Tuczek</strong><br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 1 -
Vorstellung des FG Hochspannungstechnik<br />
S3|10: Büroräume - dritter und zweiter Flur Südseite<br />
S3|09: KHH, Laborräume, Seminarraum, Werkstatt<br />
S3|08: GHH<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Bürobereich<br />
KHH<br />
GHH<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 2 -
Vorstellung des FG Hochspannungstechnik<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Akkreditiertes Prüffeld für U m = 800 kV<br />
1,2-MV-Wechselspannungs-Trafokaskade<br />
3,2-MV-Stoßspannungsgenerator<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 3 -
Vorstellung des FG Hochspannungstechnik - WiMis<br />
Simona Feier-Iova<br />
Patrick Halbach<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Thomas Wietoska<br />
<strong>Max</strong> <strong>Tuczek</strong><br />
Alexander Rocks<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 4 -<br />
Jan Debus<br />
Stefan Schäfer<br />
Masi Koochack-Zadeh<br />
(zzt. in Japan)<br />
Sebastian Suchanek
Vorstellung des FG Hochspannungstechnik - ATMs<br />
Frau Hasenei<br />
Sekretariat<br />
Herr Veith Herr Homa Herr Ullrich<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Frau Brunner<br />
Buchhaltung<br />
Werkstatt<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 5 -<br />
(Herr Noll)<br />
Herr Peter
Hochspannungstechnik I: Themenübersicht<br />
1 Einführung in das Fachgebiet<br />
• Aufgaben der Hochspannungstechnik<br />
• System der elektrischen Energieversorgung<br />
• Betriebsspannungen der elektrischen Energieversorgung<br />
• Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung<br />
• Spannungsbeanspruchungen im Netz<br />
2 Erzeugung hoher Wechselspannungen<br />
3 Erzeugung hoher Gleichspannungen<br />
4 Erzeugung von Stoßspannungen<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 6 -
Hochspannungstechnik I: Themenübersicht<br />
5 Messung hoher Spannungen<br />
• Wechselspannungen<br />
• Gleichspannungen<br />
• Stoßspannungen<br />
12 Wanderwellenvorgänge auf Leitungen<br />
6 Elektrostatische Felder<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 7 -
Hochspannungstechnik II: Themenübersicht<br />
7 Geschichtete Dielektrika<br />
8 Maßnahmen zur Feld- und Potentialsteuerung<br />
9 Der elektrische Durchschlag von Gasen<br />
10 Oberflächenentladungen<br />
(Gleitentladungen, Fremdschichtüberschlag)<br />
11 Blitzentladungen, Blitzschutz, Überspannungsschutz<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 8 -
Hochspannungstechnik I: Zeitplan<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
8<br />
9<br />
10<br />
11<br />
12<br />
13<br />
14<br />
16.10.2008<br />
23.10.2008<br />
30.10.2008<br />
6.11.2008<br />
13.11.2008<br />
20.11.2008<br />
27.11.2008<br />
04.12.2008<br />
11.12.2008<br />
18.12.2008<br />
25.12.2008<br />
01.01.2009<br />
08.01.2009<br />
15.01.2009<br />
22.01.2009<br />
29.01.2009<br />
05.02.2009<br />
12.02.2009<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Kap. 1 Einleitung<br />
Kap. 1 Einleitung<br />
Kap. 2 Erzeugung hoher Wechselspannungen<br />
Kap. 2 Erzeugung hoher Wechselspannungen<br />
fällt aus<br />
Kap. 3 Erzeugung hoher Gleichspannungen<br />
Kap. 3 Erzeugung hoher Gleichspannungen<br />
Kap. 4 Erzeugung hoher Stoßspannungen<br />
Kap. 4 Erzeugung hoher Stoßspannungen<br />
Kap. 5 Messung hoher Spannungen<br />
Weihnachtsferien<br />
Weihnachtsferien<br />
Weihnachtsferien<br />
Kap. 5 Messung hoher Spannungen<br />
Kap. 5 Messung hoher Spannungen<br />
Kap. 6 Elektrische Felder<br />
Kap. 6 Elektrische Felder<br />
Puffer<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 9 -
Hochspannungstechnik I: Prüfungsmodalitäten<br />
Übungen:<br />
• 2 Mini-Tests in der VL-Zeit<br />
• jeder Test kann bis zu 10 Punkte bringen � max. 20 Punkte<br />
Vorlesung:<br />
• nur mündliche Prüfung<br />
• maximale Punktezahl: 80<br />
Gesamt � max. 100 Punkte<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 10 -
Buchempfehlungen<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
2. Auflage, 2005<br />
21411-9<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 11 -<br />
24,90 €<br />
ca. 26 €<br />
Kostenloser Download im pdf-format aus dem Uni-Netz:<br />
http://www.springerlink.com/content/k272j8/?p=bd0a4ff15df1427d8ec2d814192d1591&pi=0<br />
59,95 €
Buchempfehlungen<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 12 -<br />
289,- €
Aufgaben der Hochspannungstechnik<br />
Die Hochspannungstechnik beschäftigt sich mit den<br />
• physikalischen Erscheinungen<br />
• technischen Problemen,<br />
die im Zusammenhang mit<br />
• dem natürlichen Auftreten<br />
• der Erzeugung<br />
• der Anwendung<br />
• der Messung<br />
hoher Spannungen auftreten.<br />
Ihre größte technische Bedeutung hat sie für die elektrische<br />
Energieversorgung erlangt. Die heute selbstverständliche,<br />
kostengünstige und qualitativ hochwertige Bereitstellung elektrischer<br />
Energie zu jeder Zeit und an praktisch jedem Ort wäre ohne den<br />
Einsatz und die Beherrschung hoher Spannungen undenkbar.<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 13 -
Auftreten von „Hochspannung“<br />
In technischen Systemen ......<br />
als Betriebsspannung .....<br />
<strong>Dr</strong>ehstromnetze 50 Hz oder 60 Hz bis U s = 800 kV (>1000 kV)<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 14 -<br />
Aktuelle Planung VR China:<br />
U s = 1100 kV<br />
Indien:<br />
U s = 1200 kV!
Auftreten von „Hochspannung“<br />
In technischen Systemen ......<br />
als Betriebsspannung .....<br />
Hochspannungsgleichstromübertragung bis ± 600 kV<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 15 -<br />
Aktuelle Planung VR China:<br />
± 800 kV!
Auftreten von „Hochspannung“<br />
In technischen Systemen ......<br />
als Überspannungen .....<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
netzfrequent ...<br />
• als Folge von Erdschlüssen<br />
• „Ferranti-Effekt“ (Spannungserhöhung am Ende einer<br />
langen leerlaufenden Leitung (bzw. nach Lastabwurf)<br />
durch Spannungsfall an den Längsinduktivitäten<br />
aufgrund des kapazitiven Ladestromes<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 16 -
Auftreten von „Hochspannung“<br />
In technischen Systemen ......<br />
als Überspannungen .....<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
transient ...<br />
• als Folge von gewollten oder ungewollten<br />
Schalthandlungen<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 17 -
Auftreten von „Hochspannung“<br />
In technischen Systemen ......<br />
als Prüfspannung .....<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Wechselspannung bis 2 MV<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 18 -
Auftreten von „Hochspannung“<br />
In technischen Systemen ......<br />
als Prüfspannung .....<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Gleichspannung bis einige MV<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 19 -
Auftreten von „Hochspannung“<br />
In technischen Systemen ......<br />
als Prüfspannung .....<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Stoßspannung bis einige MV<br />
(Blitzstoßspannungen,<br />
Schaltstoßspannungen)<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 20 -
Auftreten von „Hochspannung“<br />
In technischen Systemen ......<br />
andere Anwendungen .....<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochfrequente Wechselspannungen für Langwellenfunk<br />
(Antennenspannungen bis einige 10 kV)<br />
Gleichspannungen:<br />
Teilchenbeschleuniger bis einige 10 6 eV<br />
Staubfilter, Farbspritzanlagen bis 100 kV<br />
Hochvakuum-Elektronenröhren bis einige 100 kV<br />
Hochleistungsimpulsanlagen in der physikalischen Forschung<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 21 -
Auftreten von „Hochspannung“<br />
In der Natur ......<br />
als Gleichspannung ......<br />
Gewitterelektrizität: Wolkenspannungen bis<br />
100 MV<br />
Elektrostatische Aufladungen:<br />
Ladungstrennungen bis einige kV<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
als Stoßspannung ......<br />
Überspannungen durch<br />
Blitzeinschläge<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 22 -
Definition „Hochspannung“<br />
Ein elektrisches Netz wird allgemein als ein "Hochspannungsnetz"<br />
bezeichnet, wenn es mit verketteter Wechselspannung größer 1 kV<br />
(Effektivwert) oder Gleichspannung größer 1,5 kV betrieben wird.<br />
Darüber hinaus haben sich aber auf dem Gebiet der elektrischen<br />
Energieversorgung die Begriffe Mittelspannung, Hochspannung und<br />
Höchstspannung durchgesetzt, die sich an der "Höchsten Spannung<br />
für ein Betriebsmittel U m " eines Netzes orientieren.<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
„Mittelspannung“<br />
„Hochspannung“<br />
„Höchstspannung“<br />
Spannung<br />
1 kV < U m
Aufgaben der Hochspannungstechnik<br />
Die wesentliche Aufgabe der Hochspannungstechnik in der<br />
elektrischen Energieversorgung ist die Isolierung spannungsführender<br />
Teile in den Netzen und Betriebsmitteln untereinander und gegenüber<br />
der Umgebung.<br />
Die Isolierung muss dabei während der angestrebten Lebensdauer<br />
der Betriebsmittel von bis zu 50 Jahren allen auftretenden<br />
• elektrischen<br />
• mechanischen<br />
• klimatischen<br />
• sonstigen<br />
Beanspruchungen mit Sicherheit gewachsen sein.<br />
Gleichzeitig muss die Auslegung kostengünstig und nach<br />
wirtschaftlichen Gesichtspunkten erfolgen, was bedeutet, dass die<br />
Ausnutzung der Materialien bis dicht an die technisch-physikalischen<br />
Grenzen getrieben wird<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 24 -
Aufgaben der Hochspannungstechnik - Problemfelder<br />
Feststellen der im Betrieb auftretenden Spannungsbeanspruchungen<br />
nach Art, Höhe, Dauer und Häufigkeit<br />
Verstehen der physikalischen Phänomene, die zum Zusammenbruch<br />
der (gasförmigen, flüssigen oder festen) Isolierung führen können, und<br />
Ableitung von Dimensionierungsregeln für die Auslegung von<br />
Hochspannungsgeräten<br />
Optimale Bemessung der Isolierung durch Kenntnis der<br />
Werkstoffeigenschaften (insbesondere auch Langzeitverhalten!) und<br />
deren ständige Weiterentwicklung, sowie durch geeignete Formgebung<br />
von Elektroden und Isolieranordnungen<br />
Entwicklung geeigneter Prüf- und Diagnoseverfahren und deren<br />
Festlegung in international gültigen Normen<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 25 -
Aufgaben der Hochspannungstechnik - Problemfelder<br />
Isolationskoordination und Überspannungsschutz<br />
Erzeugung und Messung hoher Wechsel-, Gleich- und<br />
Stoßspannungen im Labor und vor Ort<br />
Durchführen von Entwicklungs-, Typ-, Stück- und Abnahmeprüfungen<br />
an Betriebsmitteln oder ganzen Anlagen<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 26 -
Hochspannungstechnik – Beteiligte Fachdisziplinen<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 27 -
Übertragungsspannungen<br />
Um elektrische Energie über sehr weite Strecken transportieren<br />
zu können, muss die Übertragungsspannung hoch gewählt werden.<br />
Übertragene Leistung im <strong>Dr</strong>ehstromnetz:<br />
P = 3 ⋅U ⋅ I = 3 ⋅U / 3 ⋅ I = 3 ⋅U ⋅I<br />
� Höhere Übertragungsleistung durch<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
LE ∆ ∆<br />
höhere Spannung<br />
oder<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 28 -<br />
P übertragene Leistung (VA)<br />
U LE Leiter-Erd-Spannung (V)<br />
U ∆ verkettete Spannung (V)<br />
I Strom über das Leiterseil (A)<br />
höheren Strom
Übertragungsspannungen<br />
Die bei der Übertragung auftretenden Verluste sind im wesentlichen<br />
dem Quadrat des Stromes proportional:<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
P = I ⋅R<br />
V<br />
2<br />
P V Verlustleistung je Phase (VA)<br />
I Strom über das Leiterseil (A)<br />
R Widerstand des Leiterseils (Ω)<br />
Hohe Übertragungsspannung wählen!<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 29 -
Welche Kosten verursachen Übertragungsverluste?<br />
Beispielrechnung: was kosten 1% Übertragungsverluste?<br />
Es soll die Leistung des Kernkraftwerks Biblis (beide Blöcke)<br />
abgeführt werden: P = 2.400 MW = 2,4 · 10 9 W<br />
Davon 1% Verluste: P v = 24 MW (zur Erinnerung: Lauffen – Frankfurt: 30%!)<br />
Volllastbetrieb 24 h am Tag: tägliche Arbeitsverluste<br />
W v = P v ·T = 24 MW · 24 h = 576 MWh = 576.000 kWh<br />
Annahme: 1 kWh kostet 1,5 cent � tägliche Verlustkosten K v,d = 8.500 €/d<br />
Betrieb des Kraftwerks an ca. 330 Tagen pro Jahr<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
�� Jährliche Verlustkosten "Biblis" K v,a ≈ v,a ≈ 2,8 Mio. €/a<br />
Deutschlandweit: 1% von 600 TWh = 6 TWh Verluste<br />
�� Jährliche Verlustkosten "Deutschland" K v,a ≈ v,a ≈ 90 Mio. €/a<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 30 -
Begrenzung der Kurzschlussleistung<br />
Weiterer Grund für ein Hochspannungsnetz:<br />
durch Bildung von Teilnetzen mit einer übergeordneten Übertragungsspannung<br />
lässt sich die Kurzschlussleistung eines Netzes begrenzen.<br />
110 kV<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
110 kV<br />
110 kV<br />
Heute beherrschbare Kurzschlussströme: 80 kA<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 31 -<br />
380 kV<br />
110 kV<br />
110 kV
Übertragungsspannungen<br />
Die Übertragungsspannung kann nicht beliebig gesteigert werden,<br />
da die Isolation für höhere Spannungen immer aufwendiger wird.<br />
� Es lässt sich eine optimale Übertragungsspannung ermitteln.<br />
Die optimale Übertragungsspannung ergibt sich<br />
aus einer Kostenbetrachtung.<br />
Die Kosten für eine Fernübertragung setzen sich zusammen aus<br />
• Betriebskosten<br />
• Anlagenkosten<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
• Leiterseilkosten<br />
• Isolationskosten<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 32 -
Übertragungsspannungen<br />
Ausführliche Herleitung in der Übung<br />
• Betriebskosten<br />
• Anlagenkosten<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Annahmen:<br />
K V ~ 1/U<br />
• Leiterseilkosten<br />
• Isolationskosten<br />
1<br />
• Übertragung von „1“ nach „2“<br />
• Strecke s = const.<br />
• Übertragene Leistung P = const.<br />
K L ~1/U<br />
K is ~ U<br />
P<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 33 -<br />
s<br />
2
Übertragungsspannungen<br />
• Betriebskosten<br />
• Anlagenkosten<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
K V ~ 1/U<br />
• Leiterseilkosten<br />
• Isolationskosten<br />
K L ~1/U<br />
K is ~ U<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 34 -
Übertragungsspannungen<br />
Faustformeln für die optimale Übertragungsspannung:<br />
a) U opt = f(P):<br />
Zufällige Übereinstimmung mit der natürlichen Leistung = 2<br />
Pnat<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Z = Wellenwiderstand der Leitung<br />
Z<br />
=<br />
[ kV] = 15 ... 20⋅ [ MVA]<br />
U P<br />
opt<br />
L<br />
C<br />
'<br />
'<br />
U = Z⋅ P = 16...20⋅<br />
P<br />
Z = 250 Ω (420 kV, Viererbündel)<br />
Z = 400 Ω (123 kV, Einzelleiter)<br />
nat nat<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 35 -<br />
U<br />
Z
Übertragungsspannungen<br />
Faustformeln für die optimale Übertragungsspannung:<br />
b) U opt = f(s):<br />
opt<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
[ ] =<br />
U kV s[ km]<br />
Gilt nicht für sehr kurze Leitungslängen, da dort die Kosten für<br />
Transformatoren überproportional ins Gewicht fallen.<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 36 -
Übertragungsspannungen<br />
Richtwerte für Übertragungsspannung, übertragbare Leistung<br />
und Entfernungen:<br />
Übertragungsspannung<br />
U m = 123 kV<br />
U m = 245 kV<br />
U m = 420 kV<br />
U m = 765 (800) kV<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Leistung<br />
30 MVA<br />
(≈ Bedarf einer<br />
30 000-Einwohner-Stadt)<br />
125 MVA<br />
(kleiner Kraftwerksblock)<br />
600 MVA<br />
(großer Kohle-<br />
Kraftwerksblock)<br />
2000 MVA<br />
(2 KKW-Blöcke)<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 37 -<br />
Strecke<br />
100-200 km<br />
200-400 km<br />
400-800 km<br />
1000 km
Entwicklung der Übertragungsspannungen<br />
Jahr<br />
1891<br />
1907<br />
1911<br />
1929<br />
1932<br />
1952<br />
1959<br />
1965<br />
1985<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Spannung (kV)<br />
15<br />
50<br />
110<br />
220<br />
287<br />
380<br />
525<br />
736<br />
1200 *)<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 38 -<br />
Ort<br />
Lauffen-Frankfurt / D<br />
Stadtwerke München / D<br />
Lauchhammer-Riesa / D<br />
RWE Rheinleitung / D<br />
Boulder Dam / USA<br />
Hårspranget-Hallsberg / S<br />
UdSSR<br />
Manicouagan-Montréal / CA<br />
Ekibastuz - Kokchetav/UdSSR<br />
*) Pilot-Projekt: 2000 km lange Leitung; die halbe Strecke für mehrere Jahre mit 1200 kV<br />
betrieben. Weiteres Pilotprojekt in Japan: 1100 kV für mehr als 10 Jahre.<br />
Kittler
Bei IEC genormte Übertragungsspannungen<br />
Die IEC-Vorschrift 60071-1 gibt folgende Spannungsreihe vor:<br />
72,5 kV<br />
123 kV<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
145 kV<br />
170 kV<br />
245 kV<br />
300 kV<br />
362 kV<br />
420 kV<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 39 -<br />
525 (550) kV<br />
765 (800) kV
Internationale höchste Übertragungsspannungen<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 40 -
Spannungsebenen in Deutschland<br />
In Deutschland langfristig angestrebte Stufung<br />
420 kV 123 kV 12 kV 0,4 kV<br />
245 kV<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
72 kV<br />
36 kV<br />
24 kV<br />
7,2 kV<br />
Netze und Einrichtungen der anderen Spannungsebenen sind zwar<br />
noch in großem Umfang in Betrieb, werden jedoch nicht weiter<br />
ausgebaut bzw. werden zurückgebaut (oder "uprated").<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 41 -
Elektrische Energieversorgung - Verbundbetrieb<br />
Argumente für den Verbundbetrieb ....<br />
Der Standort der Kraftwerke kann unabhängig von den<br />
Verbrauchszentren gewählt werden.<br />
Die Charakteristika der Kraftwerkstypen (Grund-, Mittel-,<br />
Spitzenlastkraftwerke) können besser berücksichtigt werden.<br />
geringere Reservehaltung erforderlich<br />
geringere Auswirkungen von Netzstörungen und Kraftwerksausfällen<br />
für den Verbraucher<br />
insgesamt höhere Qualität der elektrischen Energieversorgung<br />
(Spannungs- und Frequenzhaltung) f = 50 Hz +/- 50 mHz!!!!<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 42 -
Elektrische Energieversorgung - Verbundbetrieb<br />
Argumente für den Verbundbetrieb ....<br />
zeitlicher (tageszeitlich, jahreszeitlich) und geografischer (Nord-<br />
Süd, Ost-West) Lastausgleich<br />
Freie Wahl des Stromversorgers unabhängig vom Standort<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 43 -
Das deutsche Verbundnetz<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 44 -
Die deutschen Übertragungsnetzbetreiber (2005)<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 45 -
Der europäische Stromverbund – UCTE-Netz 2006<br />
611 GW installiert (440 GW gesichert) � eines der größten Verbundsysteme der Welt<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
L´Union pour la Coordination<br />
du Transport de l´Electricité<br />
UCTE<br />
L´Union pour la Coordination du Transport de<br />
l´Electricité<br />
– insgesamt 22 europäische Länder<br />
IPS<br />
Interconnected Power Systems<br />
– Russland, Weißrussland, Ukraine, Estland,<br />
Lettland, Litauen<br />
NORDEL<br />
Nordic Electricity System<br />
– Dänemark, Island, Finnland, Norwegen,<br />
Schweden<br />
ATSOI, UKTSOA<br />
Association of Transmission System Operators<br />
of Ireland, United Kingdom Transmission<br />
System Operators' Association<br />
– Irland und Großbritannien Quelle: VDN 2006<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 46 -<br />
www.vdn-berlin.de
Von der Erzeugung bis zum Verbraucher - heute<br />
Für Übertragung von 1000 MW:<br />
I ≈ 20.000 A I ≈ 1.500 A<br />
13 kV ... 27 kV 123 kV ... 420 kV 12 kV ... 36 kV 0,4kV<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
"Hoch- und Höchstspannung" "Mittelspannung" "Niederspannung"<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 47 -
Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung<br />
Schaltbild einer Übergabe-Umspannstation 220/66 kV (245/72,5 kV)<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 48 -<br />
Erdungsschalter<br />
Trennschalter<br />
Leistungsschalter<br />
Sammelschienen 220 kV<br />
Transformatoren 220/66/11 kV<br />
Sammelschienen 66 kV
Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung<br />
Teil einer 420-kV-Freiluftschaltanlage<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 49 -
Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung<br />
420-kV-gasisolierte Schaltanlage<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 50 -
Die wichtigsten Betriebsmittel<br />
Generatoren<br />
Transformatoren<br />
Leistungsschalter<br />
Trenn- und Erdungsschalter<br />
Überspannungsableiter<br />
Spannungs-, Strom- und Kombiwandler<br />
Stützisolatoren<br />
Freileitungsisolatoren<br />
Kabel einschließlich Endverschlüsse und Muffen<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 51 -
FACTS<br />
Flexible AC Transmission Systems<br />
Einrichtungen zur Lastflussregelung zwischen zwei <strong>Dr</strong>ehstromnetzen<br />
durch Beeinflussung von Spannung, Winkel und Impedanz<br />
1<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
U 1 , α 1<br />
jX<br />
U 2 , α 2<br />
Vermehrter Einsatz von Bauelementen der Leistungselektronik, z.B.:<br />
Thyristoren mit Sperrspannungen bis 8 (10) kV<br />
LTT‘s = Light Triggered Thyristors<br />
IGBT‘s = Integrated Gate Bipolar Transistors<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 52 -<br />
2
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)<br />
Einsatzgebiete:<br />
Verbindung asynchroner Netze untereinander: 50- und 60-Hz-Netze<br />
oder Netze mit unterschiedlichen Frequenzregelungscharakteristiken<br />
Extrem weite Übertragungsstrecken (> 1000 km), bei denen sonst mit<br />
Hilfe von FACTS hoher Aufwand zur Blindleistungskompensation und<br />
Stabilität getrieben werden müsste<br />
Seekabelverbindungen über mehr als 40 km, die bei <strong>Dr</strong>ehstrombetrieb<br />
zu unvertretbaren kapazitiven Ladeleistungen der Kabel führen würden<br />
Netzerweiterungen in Ballungsräumen, bei denen direkte <strong>Dr</strong>ehstrom-<br />
Verbindungen zu nicht mehr beherrschbaren Kurzschlussleistungen<br />
führen würden<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 53 -
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)<br />
Betriebsspannungen:<br />
Freileitung: in der Regel +/- 500 kV (Extrem: +/- 600 kV)<br />
Seekabel: +/- 400 kV bis +/- 450 kV<br />
Betriebsarten:<br />
Gleichstrom-Kurzkupplung (GKK; back-to-back)<br />
Fernübertragung<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 54 -
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 55 -
Spannungsbeanspruchungen im Netz<br />
Höhe der (Über-)Spannung / p.u.<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Mögliche Spannungen ohne Einsatz von Ableitern<br />
Durch Einsatz von Ableitern begrenzte Spannungen<br />
Blitzüberspannungen<br />
(Mikrosekunden)<br />
Schaltüberspannungen<br />
(Millisekunden)<br />
Zeitdauer der (Über-)Spannung<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 56 -<br />
Stehspannung der Geräteisolation<br />
Zeitw. Überspannungen<br />
(Sekunden)<br />
Höchste Betriebsspannung<br />
(dauernd)
Spannungsbeanspruchungen im Netz<br />
Spannungsbeanspruchungen und genormte Prüfspannungsformen<br />
(IEC 60071-1 bzw. DIN EN 60071-1 „Isolationskoordination“)<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 57 -
Spannungsbeanspruchungen im Netz<br />
• DIN EN 60071-1 definiert genormte Isolationspegel für die Betriebsmittel.<br />
• Der genormte Isolationspegel wird durch eine Kombination von zwei<br />
Bemessungsspannungen definiert.<br />
• Dabei werden zwei verschiedene Spannungsbereiche unterschieden:<br />
Bereich I: von Um = 1 kV bis einschließlich Um = 245 kV<br />
(Verteil- und Übertragungsnetze)<br />
⇒ Bemessungs-Kurzzeit-Wechselspannung<br />
⇒ Bemessungs-Blitzstoßspannung *)<br />
Bereich II: U m über 245 kV<br />
(Übertragungsnetze)<br />
⇒ Bemessungs-Schaltstoßspannung **)<br />
⇒ Bemessungs-Blitzstoßspannung *)<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
*) "BIL" nach IEEE Std. 1313.1 **) "SIL" nach IEEE Std. 1313.1<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 58 -
Isolationspegel nach DIN EN 60071-1<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 59 -<br />
Bereich I<br />
(U m = 1 kV bis U m =245 kV)<br />
Die Bemessungsspannungs-<br />
Werte für<br />
• Leiter-Erd-,<br />
• Leiter-Leiter-,<br />
• Längsisolation<br />
sind gleich!
Isolationspegel nach DIN EN 60071-1<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 60 -<br />
Bereich II<br />
(U m > 245 kV)<br />
Unterschiedliche Bemessungsspannungswerte<br />
für<br />
• Leiter-Erd-,<br />
• Leiter-Leiter-,<br />
• Längsisolation!
Hochspannungstechnik I: Themenübersicht<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Verlauf einer Stoßspannung<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 61 -
Was bedeuten U n, U s und U m ?<br />
Definition lt. DIN EN 60071-1 („Isolationskoordination“)<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
R<br />
S T<br />
= U n lt. 28/169/CDV (Entwurf IEC 60071-1 Ed. 8)<br />
Spannungszeigerdiagramm<br />
„Außenleiterspannung“<br />
„Verkettete Spannung“<br />
„<strong>Dr</strong>eiecksspannung“<br />
= U s lt. 28/169/CDV (Entwurf IEC 60071-1 Ed. 8)<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 62 -<br />
Beispiel: deutsches<br />
Höchstspannungsnetz<br />
U n = 380 kV<br />
U s = 420 kV<br />
U m = 420 kV (i.d.R.!)<br />
Leiter-Erd-Spannung:<br />
U = U / 3 = 242 kV<br />
LE s
Formgebung von Elektroden und Isolieranordnungen<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 63 -
Isolationskoordination<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 64 -
Tagesbelastungskurve eines Kraftwerkes<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 65 -
Klimabedingungen<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 66 -
Sonstige Beanspruchungen ….<br />
Transport ....<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Algen- und Moosbewuchs .....<br />
Vandalismus ....<br />
Tierfraß ...<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 67 -
Sonstige Beanspruchungen ….<br />
Erdbeben ....<br />
Transportbeanspruchungen ....<br />
Vandalismus ....<br />
Tierfraß ...<br />
Stromkräfte ....<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Algen- und Moosbewuchs .....<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 68 -
Betriebsmittel: Transformatoren<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 69 -
Betriebsmittel: Leistungsschalter<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 70 -
Betriebsmittel: Trenn- und Erdungsschalter<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 71 -
Betriebsmittel: Überspannungsableiter<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 72 -
Betriebsmittel: Wandler<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 73 -<br />
Optischer Stromwandler<br />
(Ausnutzung des<br />
elektro-optischen<br />
"Faraday-Effekts")
Betriebsmittel: Freileitungsisolatoren<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 74 -
Betriebsmittel: Kabel, Endverschlüsse, Muffen<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 75 -
Thyristoren mit Sperrspannungen bis 8 kV<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 76 -
Lichtgetriggerte Thyristoren<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 77 -
Erste <strong>Dr</strong>ehstromübertragung Lauffen - Frankfurt 1891<br />
Ölfüllung!<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 78 -<br />
Später: 15.000 V<br />
1000 Lampen<br />
+<br />
1 künstlicher<br />
Wasserfall !!
Erasmus Kittler<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 79 -<br />
<strong>Prof</strong>essor<br />
<strong>Dr</strong>. Erasmus Kittler<br />
Erster ordentlicher Lehrstuhl<br />
für Elektrotechnik<br />
weltweit, 1882
Erasmus Kittler<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 80 -
Lackieranlage mit 100 kV Hochspannung<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Quelle: Phoenix Contact März/April 2003<br />
Hochspannungstechnik / Kapitel 1 - 81 -
Change language