3. Das Elektroenergieverteilungssystem

1. 3. Das Elektroenergieverteilungssystem Historisches und Einordnung Für das im folgenden beschriebene technische Phänomen werden zwei Bezeichnungen verwendet, Drehstrom und Dreiphasenwechselstrom. Die Bezeichnung Drehstrom ist darauf zurückzuführen, dass diese Stromart mit einem Drehfeld erzeugt wird und selbst wieder Drehfelder erzeugen kann. Auf der internationalen Elektrotechnikausstellung 1891 in Frankfurt am Main war das Drehstromübertragungssystem ebenso sensationell, wie der Drehstromgenerator und der Drehstrommotor selbst. Die Länge der Übertragungsstrecke betrug 175 km, die Spannung war auf 15 kV herauf transformiert worden, die Übertragungsleistung betrug 300 PS. Allgemein gilt für das System folgende Darstellung. Verlustleistung Q 3Ui;3Ii,fi,cos i (Drehstromi) 3Uo;3Io,fo,cos 0o (Drehstromi) Dreh-strom-system Für das Übertragungssystem gilt: Ui  Uo (Spannungsabfälle über den Leitungen) ii = io ccccosi = coso fi= fo WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung

2. Elektroenergieversorgungsnetze Elektroenergieversorgungsnetze sind mit dem Drehstromsystem aufgebaut. Die Führungsgrößen eines Elektroenergieversorgungsnetzes sind Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit. Die deutlich spürbaren Wirkungen von Netzausfällen und die sich ändernden Energiekosten machen uns das gegenwärtig. Die Funktionen eines Netzes sind: Übertragen als Energieferntransport über mehrere Spannungsebenen, die durch Umspannwerke miteinander verbunden werden. Verteilen aus den Hochleistungsleitungen, d.h. stufenweises dezentralisieren. Versorgen über die Ortsnetze, d.h. Heranführen an die Verbraucher. Bestandteile von Energieversorgungsnetzen sind: Leitungen einschließlich der Isolatoren Schaltanlagen Mess- und Informationstechnik Umspanner Schutzeinrichtungen. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung

3. Das westeuropäische Verbundnetz Das Verbundnetz bildet das Rückgrat der Stromversorgung. Heute ist fast ganz Europa in das Verbundnetz einbezogen. Die folgende Karte zeigt die arbeitenden Verbindungsleitungen. Den Weg zum Verbundnetz der Elektro-energieversorgungsunternehmen beschritt zuerst im Jahre 1926 das Rheinisch - Westfälische Elektrizitätswerk. Innerhalb von sechs Jahren wurde eine 800 km lange 220000-V-Leitung von den Braun-kohle - Kraftwerken im Köln - Aachener Raum bis zu den Wasserkraftwerken in den Alpen fertig gestellt und mit dazwischen liegenden Verbrauchsschwerpunkten verknüpft. Diese Leitung ermöglichte den Energieaustausch zwischen den beiden Erzeugungsschwerpunkten. Im gesamten Netz arbeiten die Generatoren synchron. Vorteile: Gebietsbezogener und zeitlicher Last- und Erzeugungsausgleich und kostengünstige Reservestellung für nicht verfügbare Kraftwerke. Nachteile: Im Havariefall können große Netzabschnitte ausfallen. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung Quelle: Elektrotechnik/Energietechnik Heymann,Sauerwein

4. t +U -U Das Drehstromübertragungssystem • Das Drehstromübertragungssystem ist die Hauptform der elektrischen Energieübertragung. • Gegenüber Einphasenwechsel- oder der Gleichstrom hat es folgende Vorteile. • Einfache Erzeugung magnetischer Drehfelder • Bessere Leiterausnutzung • Einfache Bereitstellung von 2 Spannungsebenen • Einfache Umformung in Gleichstrom Wirkprinzip Der DSG erzeugt die drei Spannungen Für die drei Generatorspannungen gilt: Analog für die Ströme: Das Wirkprinzip des Drehstromübertragungssystems beruht darauf, dass die Augenblicksspannungen und -ströme in jedem Zeitpunkt 0 sind. Das gilt aber nur für den Fall, dass alle drei Spannungen gleiche Amplitude gleiche Frequenz und gleichen Kurvenverlauf haben. In diesem Fall können drei Stromkreise aufgebaut werden. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung

5. I1 I2 I3 U1 U3 I1 I2 I3 U2 Ein offenes Drehstromsystem DSG- Wicklungen Verbraucherwiderstände Die verkettete Systeme Verkettung ist eine spezifische Art des Zusammenschaltens, bei der drei Rückleiter entfallen. Voraussetzung:  U = 0;  I = 0 1. Sternschaltung 2. Dreieckschaltung WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung

6. W2 U1 L1 U2 U1 V2 U2 US US W2 UL1/L3 V2 W1 V1 W1 L2 V1 L3 N IS IS IL Festlegungen: • Anfänge von Strängen, das sind Wicklungen oder Widerstände, werden mit werden mit U1, V1 und • W1 bezeichnet. • Enden von Strängen werden mit U2, V2 und W2 bezeichnet. • Außenleiter werden mit L1, L2 und L3 und der Neutralleiter mit N bezeichnet. • Strom und Spannung werden als Stranggrößen IS bzw. US bezeichnet. (Spannung über einer • Teilwicklung oder einem Teilwiderstand, Strom durch eine Teilwicklung oder einen Teilwiderstand) • Strom und Spannung werden auch als Leitergrößen IL und UL bezeichnet. (Spannung zwischen den • Außenleitern z.B. UL1/L3 und Strom im Außenleiter IL ) Hinweis: In der praktischen Arbeit sind die Leitergrößen von vorherrschender Bedeutung. Berechnung von UL und US US1 Aus dem Zeiger-diagramm der drei Leiterspannungen liest man ab: US3 US2 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung

7. IL1 IS3 IS1 US1 US1 US UL N IL1 IS3 IS1 IS2 -IS3 Berechnung von IL und IS Man liest man für Dreickschaltung ab: UL = US Zeigerdiagramm der Dreieckschaltung Rückstrom- oder Neutralleiter sind bei Dreieckschaltung nicht anschließbar. Zusammenfassung: Sternschaltung Dreieckschaltung Merke: Die abgeleiteten Beziehungen (Leiter- und Strangwerte) für symmetrische Stern- und Dreieck-schaltung gelten unabhängig für Generator-, Übertragungs- oder Verbrauchergrößen. In der Praxis sind I1 I2 I3. D.h. es gilt  I  0. Bei der Sternschaltung fliesst dann im Neutralleitert N ein Strom. Diese Belastung wird als unsymmetrische Belastung bezeichnet. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung

8. Leistungen im Drehstromsystem Merke: .Die Drehstromleistung ist die Summe aller Teilleistungen! bei symmetrischer Belastung gilt Leiterwerte sind praktisch einfacher messbar, weil das Messen der Strangwerte oft mit einem Eingriff in die Maschine verbunden ist. Deshalb werden die Leistungsbeziehungen oft auch in folgender Schreibweise angegeben. Sternschaltung Dreieckschaltung Für die Leistungsarten gilt somit analog Wirkleistung Blindleistung Scheinleistung WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung

9. Die Netzstruktur Quelle: Lehrerfachheft Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung

10. Umspannanlage 110 kV Quelle: Lehrerfachheft Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung

11. Erdung des Sternpunktes Körper der Betriebsmittel sind mit dem Sternpunkt direkt verbunden PE- und N-Leiter sind ab Span- nungsquelle getrennt verlegt L1 L2 L3 N Niederspannungsnetz 400/230 V Der Hausanschluss Quelle: Elektroinstallation, H.-J. Geist, elektor WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung

12. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung