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Hochspannungstechnik – Energietechnik, Zusammenfassungen von Elektrotechnik

Elektrotechnik

In diesen Skript Hochspannungstechnik – Energietechnik ,wird die Hochspannungstechnik von Hochspannungs-Gleichstrom Übertragung und Hochspannungs- Drehstrom-Übertragung beschrieben. Die Verschiedenen Verlegearten der Spannung und Welche Kabel arten es gibt.

Art: Zusammenfassungen

2019/2020

Zum Verkauf seit 11.02.2024

griletz-markus
griletz-markus 🇦🇹

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1., Hochspannungstechnik – Energietechnik
• HDÜ: Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung
• Unter Hochspannung versteht man im allgemeinen
Spannungen größer 1000V (Effektivwert).
• Netzfrequenz Europa: 50Hz
• Die Netzfrequenz steht in direktem Bezug zur
Drehzahl und zur Polzahl von Generatoren und
Motoren.
• Drehstromsysteme (HDÜ) –
technische/wirtschaftliche Grenzen
• Typische Norm-Spannungswerte:
a. 230VAC Niederspannung (allgemeine
Netzspannung)
b. 400VAC Kraftstrom
c. 1kV ≤ 52kV Mittelspannung
d. 52kV ≤ 420kV Hochspannung
e. 420kV ≤ 800kV (1,2MV) Höchstspannung
f. Bahnstrom: 15kV 16,7Hz (ÖBB, DB, SBB)
• HGÜ: Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
• Unter Hochspannung im Gleichspannungsbereich
versteht man im allgemeinen Spannungen größer
1500V.
• Verwendung:
a. bei großen Längen zur Vermeidung von
Leitungsinduktivitäten und
Betriebskapazitäten
b. Verbund (Koppelung) von nichtsynchronen
Netzen
• Bekannte Norm-Spannungswerte:
a. 750VDC Straßen-/U-Bahn
b. 1,5kV ≤ 800kV (1,2MV) Höchstspannung
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1., Hochspannungstechnik – Energietechnik

  • HDÜ: Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung
  • Unter Hochspannung versteht man im allgemeinen Spannungen größer 1000V (Effektivwert).
  • Netzfrequenz Europa: 50Hz
  • Die Netzfrequenz steht in direktem Bezug zur Drehzahl und zur Polzahl von Generatoren und Motoren.
  • Drehstromsysteme (HDÜ) – technische/wirtschaftliche Grenzen
  • Typische Norm-Spannungswerte: a. 230VAC Niederspannung (allgemeine Netzspannung) b. 400VAC Kraftstrom c. 1kV ≤ 52kV Mittelspannung d. 52kV ≤ 420kV Hochspannung e. 420kV ≤ 800kV (1,2MV) Höchstspannung f. Bahnstrom: 15kV 16,7Hz (ÖBB, DB, SBB)
  • HGÜ: Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
  • Unter Hochspannung im Gleichspannungsbereich versteht man im allgemeinen Spannungen größer 1500V.
  • Verwendung: a. bei großen Längen zur Vermeidung von Leitungsinduktivitäten und Betriebskapazitäten b. Verbund (Koppelung) von nichtsynchronen Netzen
  • Bekannte Norm-Spannungswerte: a. 750VDC Straßen-/U-Bahn b. 1,5kV ≤ 800kV (1,2MV) Höchstspannung

Hochspannungstechnik - Aufgabe:

  • Beherrschung hoher elektrischer Feldstärken (Blitz, …).
  • Bereitstellung von sicheren und wirtschaftlichen Isolationssystemen für Betriebsmitteln wie: a. Generatoren b. Transformatoren c. Schaltanlagen d. Kabel e. Freileitungen f. etc. … Hochspannungstechnik - Anwendungen:
  • Energieübertragung und - verteilung
  • Problem: Leitungsverlust P V bei großen Längen in Bezug auf den Strom I: P V = 3∙R∙I^2
  • Lösung: Absenkung des Stroms durch Anhebung der Spannung S = 3∙U Ph ∙I
  • Nachrichtentechnik (Sendeanlagen, …)
  • Röntgentechnik (Elektronenbeschleuniger, …)
  • Lasertechnik (Gasentladung zur Anregung von Atomen)
  • Medizintechnik (Schockwellen, …)
  • Forschung (Teilchenbeschleuniger, …)
  • Fertigungstechnik
  • EMV-Prüfung (mittels hoher Feldstärken)
  • Bauelemente (Kondensatoren)

Gleichgewicht im Verbundnetz durch Regulierung der Leistung.

  • gewonnene Leistung = entnommene Leistung + Verlustleistung durch Transport im Netz.
  • Ermittlung zu erwartender Netzschwankungen durch z.B: a. Abweichung des Leistungsangebots (Kraftwerksausfall, …) b. Fehler im Bezugsprofil von Großabnehmern c. Fehler in der meterologischen Prognose bei Wind und Sonnenenergie
  • Kann die Versorgung nicht aufrecht erhalten werden kann es auch zu landesweiten Stromabschaltungen kommen (Italien, USA 2003). Regelzone – APG (Austrian Power Grid) • Stabile Netzfrequenz: Gleichgewicht zwischen Energieerzeugung und Verbrauch.
  • Regelzone: Netzbereich, in dem das Gleichgewicht koordiniert wird.
  • APG: Regelführer Österreich
  • Verantwortlich für: Beschaffung und Aktivierung benötigter (±) Kraftwerksleistung
  • Synchron: idente Netzfrequenz und Phasenlage bei jedem Erzeuger und Kraftwerk
  • Asynchron: Kurzschlüsse, Ausfälle, Netztrennung, Schäden, … - > Synchronisierung durch Netzbetreiber in Regelzonen (-> APG). Frequenzhaltung:
  • Abweichungstoleranz: a. ± 10mHz – 180mHz b. Kurzzeitig ± 200mHz (automatische Regelleistung) c. ± 800mHz bei Ausfall von Erzeugerkapazitäten oder Abnehmern. d. Totband: erlaubte Schwankungsbreite von 50 Hz ± 20mHz (± 10mHz Messfehler)

Regelung:

  • Defizit: Frequenz sinkt ab, Regelleistung durch schnell anlaufende Kraftwerke (Gas, Wasserspeicher), Lastabwurf - > Stromausfall. • Überschuss: Frequenz > 50Hz, Reserveleistung durch Pumpspeicherkraftwerke, Lastverteilung.
  • Primärregelung: a. Wirkleistungsbalance im Verbundnetz durch alle Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) b. Reaktionszeit t = 1-2 sec. c. Automatisch d. UCTE: ± 3.000 MW e. APG: ± 70 MW
  • Sekundärregelung: a. Entlastet Primärregelung - > Grundfunktion wieder möglich b. Beeinflussung t > 30 sec. Annahme dass t > 30 sec. c. Größter Kraftwerksblock in der Regelzone muss kompensiert werden können (Ausfall). d. Systemnutzungsentgeld
  • Tertiärregelung-Minutenreserve: a. Entlastet Sekundärregelung - > Grundfunktion wieder möglich b. Beeinflussung t > 15 min. c. Aktivierung automatisch oder manuell d. Pos. Leistung „Ausfallreserve“ e. Neg. Leistung „Ausgleichsenergie“ f. Systemnutzungsentgeld

Freileitung:

  • Luft als Isoliermittel, durch genügend große Abstände bzw. genügende Länge der Isolatoren ist die Beherrschung der Spannung relativ einfach
  • Zulässige Leitertemperatur durch mechanische Festigkeit des Leiterseiles bestimmt
  • Einfacher Aufbau
  • Relativ einfach, schnell zu errichten und zu reparieren
  • HGÜ:
  • Abgase, Staub und Partikel werden aufgrund der hohen Gleichspannung aufgeladen (ionisiert). • Sie können über weite Strecken transportiert werden.
  • Sie setzen sich leicht in den Bronchien fest und stellen ein erhöhtes Gesundheitsrisiko dar.
  • Aufgaben des Erdseils a. „Einfangen“ von Blitzen für Körper innerhalb des Erdseilschutzwinkels α b. Ableiten (Aufteilen) von Blitzströmen c. Verbesserung der Masterdungsverhältnisse d. Datenübertragung e. (LWL um Störungen durch magnetische Felder zu vermeiden)
  • Direkter Blitzeinschlag Erdseil a. Gleichmäßigere Verteilung des Impulses b. Geringere Belastung der Masterdungen
  • Direkter Blitzeinschlag Mast a. Beschränkte Ausbreitung des Impulses b. Hohe Belastung der betroffenen Masterdung
  • Vorteil
  • Lange Lebensdauer
  • Hohe Belastbarkeit und Überlastbarkeit
  • Geringste kapazitive Blindleistung
  • Geringste Investitionskosten
  • Längste Betriebserfahrung
  • Geringste Nichtverfübarkeit
  • Geringste Investitionskosten
  • Nachteil
  • Höhere Fehlerrate (die meisten Fehler sind Lichtbogenfehler ohne Folgen)
  • Landschaftsbeeinträchtigung durch Sichtbarkeit
    • Kleine Werte von elektro-magnetischen Feldern nur durch Abstand und Anordnung zu erreichen
  • Höchste (stromabhängige) Verluste ( → höchste Betriebskosten)

Kabel:

  • Isoliermittel: a. Öl-Papier b. Kunststoff-Folien-Papier-Laminate (PPLP): kleinere Verlustleistung und höhere elektrische Festigkeit als Öl-Papier-Kabel. c. Kunststoffe (VPE, XLPE) → “umweltfreundlich” im Vergleich zu ÖL-Papier und PPLP, Alterungsprozesse der Isolierung
  • Hohe Kapazität des Kabels a. → großer kapazitiver Leiterstrom, b. → längenbegrenzende Wirkung für die Energieübertragung c. → Kompensation
  • Die übertragene Leistung wird bestimmt durch: a. zulässige thermische Grenze des Dielektrikums b. hohe thermischen Widerstände der Kabelaufbauelemente c. Bodenverhältnisse d. Für Dauerbetrieb ist daher thermische Leistung S therm entscheidend. e. Bei Hochspannungskabeln ist P nat erheblich größer als S therm (~ 2...6)

GIL – gasisolierte Leitung

  • Isolationsmaterial: Gasmischung
  • Isoliermittel (derzeit) 80 % N 2 + 20 % SF 6 bei einem Druck von 3 bis 7 bar.
  • SF 6 = Schwefelhexafluorid
  • Kabel sind unter der Erde in einem Tunnel verlegt. • Einfacher Übergang auf GIS (gasisolierte Schalter)
  • Vorteile:
  • Sehr große Leistungsübertragung
  • Hohe (Über-) Belastbarkeit
  • Geringerer Impedanzbelag als Freileitung
  • Hohe Lebensdauer erwartet (Erfahrung durch GIS)
  • Keine Alterung
  • Kleinste Werte der elektromagnetischen Felder
  • Geringere Verluste als Kabel
  • Geringere Betriebskosten inklusive Verluste als Kabel.
  • Nachteile:
  • Höchste Reinheit und Gasdichtigkeit
  • Höhere Blindleistung als Freileitung
  • Gaswächter, Fehlerortungssystem, Teilentladungsüberwachung
  • Höhere Nichtverfügbarkeit als Kabel durch längste Reparaturdauer
  • Geringe Betriebserfahrung, nur kurze Abschnitt in Betrieb
  • Größere Trasse, stark eingeschränkte Bodennutzung, SF 6
  • 7 bis 12-fache Investitionskosten als Freileitung (1) Gasisolierte Leitung: (2) Stützisolator → weisen Isolierbeine auf → halten den Leiter im Druckrohr zentriert. (3) Druckrohr mit Isoliergas gefüllt (4) Zylindersymetrischer Stromleiter → in der Mantelfläche axial geführte Nutkanäle → Aufnahme eines Führungselements eines Isolierbeins (5) (8) Isolierbein (6) Nutkanal (7) Führungselement

Transport (^1) ÜNB → übernatürlichen Betrieb, UNB → unternatürlicher Betrieb

-^2 T η = übertragbare Leistung/Trassenbreite -^3 Werte bezogen auf Stand der Technik Kriterien

  • Elektromagnetische Felder
  • Kosten/Nutzen
  • Bauliche Gegebenheiten
  • Lärm (Tröpfchen, Korona)
  • Ökologische Effekte (Bodenaustrocknung [Kabel, GIL], Flächenverbrauch, Landschaftsbild)
  • Umweltrisiko, Sicherheitsrisiko, Gesundheitsrisiko, …

Entwicklung

  • HTS-Kabeltechnologie (High Temperature Superconductivity) a. Weniger Verluste b. Geringeres Gewicht c. Derzeitige Temperatur 138° K (-135° C)
  • Nanotechnologie a. Wechsel- und Gleichspannugsanwendung
    • Hochtemperatur-Leiter-Seile a. Höhere Strombelastbarkeit, Geringere Längenausdehnung, keine Veränderung der mechanischen Eigenschaften b. Reduktion der Raumladung c. Verbessertes Teilentladungsverhalten d. Erhöhung der Durchschlagsfeldstärke