Elektrische Energieversorgung

575 Pages·1995·23.557 MB·German

by  Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann (auth.)

Klaus Heuck
Klaus-Dieter Dettmann
Elektrische Energieversorgung
Aus dem Programm _____________
Elektrische Energietechnik
Elektrische Energieversorgung
von K. Heuck und K.-D. Dettmann
Hochspannungs-Versuchstechnik
von D. Kind und K. Feser
Hochspannungs-Isoliertechnik
von D. Kind und H. Kärner
Elektrische Maschinen und Antriebe
von K. Fuest
Zeitschrift für Energiewirtschaft
Herausgeber: H. K. Schneider und C. C. von Weizsäcker
_________________________________ /
~eweg
Klaus Heuck
Klaus-Dieter Dettmann
Elektrische
Energieversorgung
3., vollständig überarbeitete und
erweiterte Auflage
Unter Mitarbeit von Egon Reuter
Mit 548 Abbildungen, 21 Tabellen und
69 Aufgaben mit Lösungen
I I
VIaweg
Dieses Lehrbuch entstand mit Unterstützung der ELEKTRO MARK, Hagen
Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme
Heuck, Klaus:
Elektrische Energieversorgung: mit 21 Tabellen und
69 Aufgaben mit Lösungen I Klaus Heuck; Klaus-Dieter
Dettmann. Unter Mitarb. von Egon Reuter.-3., vollst.
überarb. und erw. Auf!.
ISBN 978-3-663-12080-3 ISBN 978-3-663-12079-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-12079-7
NE: Dettmann, Klaus-Dieter:
1. Auflage 1984
2., neubearbeitete Auflage 1991
3., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 1995
korrigierter Nachdruck 1995
Alle Rechte vorbehalten
©Springer Fachmedien Wiesbaden 1995
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig!Wiesbaden, 1995
Softcoverreprint ofthe bardeover 3rd edition 1995
Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung
in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf deshalb der vor
herigen schriftlichen Einwilligung des Verlages.
Umschlaggestaltung und Foto: Moll, ELEKTROMARK
Satz: Waldhaim, Harnburg
Zeichenarbeiten: Schwarz, Harnburg
Gedruckt auf säurefreiem Papier
ISBN 978-3-663-12080-3
V
Vorwort
Das vorliegende Buch "Elektrische Energieversorgung" vermittelt im wesentlichen die Grund
kenntnisse, die von Studenten sowie Jungingenieuren der Elektrotechnik erwartet werden, wenn
sie bei einem Hersteller oder Betreiber energietechnischer Anlagen tätig werden wollen. Dement
sprechend umfaßt dieses Buch die gesamte Breite der elektrischen Energieversorgung. Es wird
die Kette von der Energieerzeugung bis hin zu den Verbrauchern behandelt. Den Schwerpunkt
bilden allerdings die Einrichtungen zum Transport und zur Verteilung elektrischer Energie. Das
dafür notwendige theoretische Rüstzeug wird anhand technologisch moderner Konstruktionen
entwickelt. Zugleich ist dabei der aktuelle Stand der DIN-VDE-Bestimmungen berücksichtigt
worden. Diese Gesichtspunkte dürften auch für den bereits im Berufsleben stehenden Ingenieur
von Interesse sein, wenn er seine Kenntnisse auffrischen bzw. erweitern möchte.
Ähnlich wie bereits bei der zweiten ist auch die dritte Auflage wiederum vollständig überarbeitet
und beträchtlich erweitert worden. Obwohl seit dem Erscheinen der zweiten Auflage erst drei
Jahre vergangen sind, erschien den Autoren dieser Schritt erneut notwendig.
So haben sich zwei zentrale DIN-VDE-Bestimmungen grundlegend geändert. Zum einen handelt
es sich um die DIN-VDE-Bestimmung 0111. Inhaltlich ordnet sie den Komplex Überspannun
gen und stellt Richtlinien für die Isolationskoordination auf. Zum anderen ist die DIN-VDE
Bestimmung 0670 zu nennen, die u.a. um die Teile 100-105 ergänzt worden ist. Sie behandeln
vornehmlich die Auswahl von Leistungsschaltern in Abhängigkeit von den Einschwingspannun
gen in Netzen. Die Neufassungen dieser beiden Vorschriften mußten vorgenommen werden, da
sich die Kenntnisse über das transiente Verhalten von Netzen erheblich vertieft haben. Um
das Buch an diesen gewissermaßen offiziellen Wissensstand anzupassen, mußten die bisheri
gen Passagen dazu durch eigenständige Abschnitte ersetzt werden. Diese Änderungen wirkten
sich auch auf zahlreiche andere Teile aus. Dafür seien zwei Beispiele angegeben. So haben die
transienten Komponentenersatzschaltbilder an Bedeutung gewonnen und mußten detaillierter
abgeleitet werden. Mit ihnen lassen sich nämlich auf einfache Weise lineare, unsymmetrische
Überspannungseffekte erläutern. Daneben galt es auch, die nichtlinearen Ferroresonanzerschei
nungen einzuarbeiten. Sie rufen im Netzbetrieb schwer interpretierbare Netzstörungen hervor.
Neben dieser Aktualisierung erschien es den Autoren notwendig, den Praxisbezug zu erhöhen
und die modernen Technologien stärker zu berücksichtigen. So ist im Kapitel Energieerzeugung
die Wirbelschichtfeuerung überarbeitet worden. Außerdem war es erforderlich, in einem neuen
Abschnitt den Stellenwert der regenerativen Energieträger herauszuarbeiten.
Ausführlicher als in de~ zweiten Auflage sind auch der Aufbau und die Funktionsweise der
Betriebsmittel in Netzen beschrieben worden. In diesem Zusammenhang galt es auch, auf die
Berechnung von Kräften in SF6-Anlagen einzugehen. Werden in der Praxis mehrere Technologien
parallel eingesetzt, werden vertiefend nur solche Konstruktionen behandelt, die auch zukünftig
von Bedeutung sind; mögliche Entwicklungstendenzen werden skizziert. Abrundend wird dar
über hinaus dargestellt, wie die moderne Rechnertechnologie mit lokalen Rechnernetzwerken in
die Leittechnik und damit in den Netzbetrieb eingebunden ist.
Trotz dieser tiefgreifenden Änderungen ist strikt darauf geachtet worden, daß auch, die dritte
Auflage für ein Selbststudium geeignet bleibt. So werden die einzelnen Begriffe stets folgerichtig
entwickelt. Außerdem werden Grundlagenkenntnisse, die nicht generell nach einem Grundstu
dium an einer Universität oder Fachhochschule vorzuliegen brauchen, nochmals erläutert oder
zumindest gestreift. Als Beispiele dafür seien die Berechnung galvanisch-induktiv gekoppelter
Kreise sowie die Tordarstellung von Netzen genannt. Zur Lernkontrolle befinden sich am Ende
der Kapitel eine Reihe von Aufgaben; die zugehörigen Lösungen sind im Anhang zu finden. Ihre
Gesamtzahl ist auf 69 aufgestockt worden.
Um die Verständlichkeit des Buches weiter zu erhöhen, sind die Modelle und damit auch deren
VI
analytische Formulierung zunächst immer sehr einfach gehalten. Sofern die ldealisierungen für
wichtige Bereiche der Praxis zu weitgehend sind, wird auf kompliziertere Modelle eingegangen.
Dabei wird verstärkt mit der physikalischen Plausibilität argumentiert. So werden z.B. bei der
Behandlung transienter Effekte möglichst weitgehend analytische Rechnungen vermieden. Die
Ersatzschaltbilder, die Modelle, werden relativ genau abgeleitet, ihre Auswertung erfolgt jedoch
numerisch. Die auf diesem Wege ermittelten Ergebnisse werden dann anschaulich erläutert.
Ähnlich wie bei der ersten und zweiten Auflage haben die Autoren bei der Erstellung des Ma
nuskriptes wiederum eine Reihe von Kollegen um Rat gefragt. So hat erneut Herr Prof. Funk,
Hannover, geholfen. Er hat die überarbeiteten Teile des Manuskriptes kritisch gelesen und sehr
konstruktiv - wie bereits bei den vorhergehenden Auflagen - Stellung dazu genommen. So ist
auf seine Anregung hin die Oberschwingungsbeanspruchung behandelt worden, die bei einem
Parallelbetrieb von einer Netzstation und einem geerdeten Synchrongenerator in Niederspan
nungsnetzen auftritt. Seine kritischen Betrachtungen haben - um ein weiteres Beispiel zu nen
nen- u.a. dazu geführt, den überkompensierten Netzbetrieb besser zu begründen. Ebenfalls als
sehr wertvoll haben die Autoren die Ratschläge von Herrn Prof. Hosemann, Erlangen, angese
hen. Der damit verbundene Wissenstransfer hat sehr wesentlich den Abschnitt 7.6 "Auswahl
von Schaltern" und Kapitel 11 "Sternpunktbehandlung" geprägt. So sind u.a. konsequent die
transienten Komponentenersatzschaltbilder angewendet worden, die von Herrn Prof. Hosemann
initiiert und in die DIN 5483 aufgenommen worden sind. In gleicher Weise ist auch ein Wissens
transfer von Herrn Dr.-Ing. Weck, Mannheim, erfolgt. Sehr nachhaltig sind dadurch Struktur
und Inhalt des Abschnitts 4.12.1 über die Isolationskoordination geformt worden. Eine Reihe
von weiteren wichtigen Fragestellungen haben die Autoren darüber hinaus mit Herrn Prof. Feser,
Stuttgart, und Herrn Prof. Nelles, Kaiserslautern, geklärt.
Für das gezeigte Entgegenkommen und die wirksame Hilfe möchten sich die Autoren an die
ser Stelle bei den genannten Herren nochmals bedanken. Weiterhin sind die Verfasser
Herrn Brendel, Frau Schwarz, Frau Schmidt, Frau Sander, Herrn Gully, Frau Jacob sowie
Herrn und Frau Waldhaim zu großem Dank verpflichtet. Ohne ihr Engagement und tatkräf
tige Hilfestellung hätte das Buch nicht erscheinen können.
Im Rahmen der Überarbeitung sind alle 548 Bilder neu angefertigt und rechnergestützt er
stellt worden. Diese Arbeiten sind überwiegend vom Zentralen Zeichenbüro an der Universität
der Bundeswehr Harnburg unter der Leitung von Herrn Dipl.-Ing. Brendel durchgeführt wor
den. Das Schwergewicht der Sacharbeit lag bei Frau Schwarz. Hilfestellung erfolgte dabei von
Frau Schmidt und Frau Sander sowie von Herrn Gully, Elektromark, der wiederum eine Rei
he sehr aufwendiger Konstruktionszeichnungen angefertigt hat. Einen beachtlichen Beitrag hat
ebenfalls Frau Jacob erbracht. Wie bereits bei den beiden vorhergehenden Auflagen ist von ihr
mit der gleichen Zuverlässigkeit und Schnelligkeit die Reinschrift des Manuskriptes übernommen
worden. Dankenswerterweise hat Frau Jacob auch sehr sorgfältig die Druckvorlagen Korrektur
gelesen. Erneut hat Frau Waldhaim das Manuskript mit viel persönlichem Einsatz und sehr zügig
in U\TE)X umgesetzt. Unterstützt wurde sie dabei von Herrn Dipl.-lng. Waldhaim, Mitarbeiter
am Fachgebiet Energieversorgung. Er paßte nicht nur das U\TEX-Paket an die Verlagsnormen
an, sondern erstellte mit viel Tatkraft und Akribie den gesamten Satz sowie das Layout des
Buches.
Eine beachtliche Hilfestellung erfolgte auch von Herrn Dr.-lng. Heidorn, Hamburg, sowie von
Herrn Dipl.-phys. Böker und Herrn Dipl.-math. Meyer, Mitarbeiter beim Fachgebiet Energie
versorgung. Sie haben sorgfältig Korrektur gelesen und vor Ort die Verfasser mit Rat und Tat
unterstützt. Darüber hinaus hat Herr Dipl.-lng. Schulze, Stavenhagen/Brandenburg, die Druck
vorlagen intensiv durchgesehen. Dank schulden die Autoren ferner dem Verlag Vieweg für die
Bereitschaft, die dritte Auflage herauszugeben.
Hamburg, im Juli 1994 Klaus Heuck
Klaus-Dieter Dettmann
Egon Reuter
VII
Inhaltsverzeichnis
Formelzeichen XIII
1 Überblick über die geschichtliche Entwicklung der elektrischen
Energieversorgung 1
2 Grundzüge der elektrischen Energieerzeugung 5
201 Stromerzeugung mit fossil befeuerten Kraftwerken 0 5
o o o o o o o
201.1 Kondensationskraftwerke 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5
o o
201.1.1 Prinzipieller Ablauf der Energieumwandlung in
Kondensationskraftwerken 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6
o o
201.1.2 Aufbau von Kondensationskraftwerken 0 0 0 0 0 0 0 0 8
o o
201.1.3 Wärmeverbrauchskennlinie von Kondensationskraftwerken 14
2.102 Überblick über weitere Wärmekraftwerke 15
201.201 Gegendruckanlagen 0 0 0 0 0 15
201.202 Kraftwerke mit Gasturbinen 16
201.203 Kombinationskraftwerke 0 17
202 Stromerzeugung mit Wasserkraftwerken 18
20201 Bauarten von Wasserturbinen 0 0 18
20202 Bauarten von Wasserkraftwerken 19
203 Stromerzeugung mit Kernkraftwerken 0 20
2.4 Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen 23
o
2.401 Windkraftanlagen 0 0 0 0 0 23
2.402 Solarthermische Kraftwerke 24
2.403 Geothermische Kraftwerke 25
o
2.4.4 Gezeitenkraftwerke 0 0 0 0 25
2.405 Photovoltaische Anlagen 0 25
2.406 Strom aus Biomasse 26
2.407 Schlußfolgerungen 0 0 26
o o
205 Kraftwerksregelung 0 0 0 0 0 0 26
o o
20501 Regelung von Wärmekraftwerken 27
20501.1 Regelung eines Blockes im Inselbetrieb 27
20501.2 Regelung im Insel- und Verbundnetz 0 32
20502 Regelung von Wasser- und Kernkraftwerken 35
o
206 Kraftwerkseinsatz 0 0 0 0 0 0 36
o
20601 Verlauf der Netzlast 36
o
20602 Deckung der Netzlast 37
207 Aufgaben 0 37
o o o o o o o o o o
3 Aufbau von Energieversorgungsnetzen 40
301 Übertragungssysteme 40
o o o o o
302 Wichtige Netzstrukturen 0 0 44
o
30201 Niederspannungsnetze 44
30202 Mittelspannungsnetze 47
VIII Inhaltsverzeichnis
30203 Hoch- und Höchstspannungsnetze 0 48
303 Aufgaben 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 51
4 Aufbau und Ersatzschaltbilder wichtiger Netzelemente 53
401 Berechnung von Netzwerken mit induktiven Kopplungen 0 53
4ol.l Analytische Beschreibung induktiver Kopplungen 0 53
401.2 Induktive Kopplungen in Netzen 0 57
4ol.3 Transientes Verhalten von Netzen o 63
401.4 Nichtlineare Induktivitäten 0 0 0 0 68
402 Transformatoren o o o o o o o o o o 0 0 0 0 70
40201 Einphasige Zweiwicklungstransformatoren 71
40201.1 Aufbau und Gültigkeitsbereich induktiver Modelle von
einphasigen Zweiwicklungstransformatoren 0 0 0 0 0 0 0 71
40201.2 Ersatzschaltbild eines einphasigen Zweiwicklungstrans-
formators 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 77
40201.3 Betriebsverhalten von Zweiwicklungstransformatoren im
einphasigen Netzverband 0 0 0 0 82
40202 Einphasige Dreiwicklungstransformatoren 0 0 o o o o o o 0 85
40203 Dreiphasige Transformatoren 0 0 0 o o o 0 0 o o o o o o o 0 88
4020301 Aufbau eines Drehstromtransformators mit zwei
Wicklungen 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 88
4020302 Schaltungen 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 89
4020303 Übersetzung bei symmetrischem Betrieb 91
40203.4 Ersatzschaltbild für den symmetrischen Betrieb 94
4020305 Betriebsverhalten von dreiphasigen Zweiwicklungstrans
formatoren im Netzverband 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 99
402.4 Spartransformatoren 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 101
402.401 Aufbau und Einsatz von Spartransformatoren 101
402.402 Ersatzschaltbild eines Spartransformators 0 0 0 102
40205 Transformatoren mit einstellbarer Übersetzung 0 0 0 0 0 104
4020501 Erläuterung der direkten Spannungseinstellung 105
4020502 Erläuterung der indirekten Spannungseinstellung 0 107
4020503 Leistungsverhältnisse bei Umspannern mit einstellbaren
Übersetzungen 109
403 Wandler 0 o o o o 0 0 o 0 113
40301 Spannungswandler 113
40302 Stromwandler o 0 0 116
4.4 Synchronmaschinen 118
o o 0 0
4.4ol Grundsätzlicher Aufbau von Synchronmaschinen 118
4.402 Erläuterungen zum Betriebsverhalten von Synchronmaschinen o 119
4.40201 Ersatzschaltbild für den stationären Betrieb 120
4.40202 Betriebseigenschaften von Synchronmaschinen in
Energieversorgungsnetzen 0 0 o o 0 o o o 0 0 0 0 0 125
4.40203 Spannungsregelung von Synchronmaschinen 0 o o 129
4.403 Erläuterungen zum Kurzschlußverhalten von Synchronmaschinen 130
4.40301 Dreipoliger Klemmenkurzschluß bei einer verlustfreien,
leerlaufenden Synchronmaschine mit Dauermagnetläufer 0 131
Inhaltsverzeichnis IX
4.40302 Dreipaliger Klemmenkurzschluß bei einer verlustfreien,
leerlaufenden Vollpolmaschine mit Gleichstromerregung 133
4.40303 Kurzschlußverhalten einer belasteten Vollpolmaschine 135
4o5 Freileitungen o o o o o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 140
4o5o1 Aufbau von Freileitungen o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 141
4o5o2 Ersatzschaltbilder von Drehstromfreileitungen für den
symmetrischen Betrieb o o o 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 147
4050201 Induktivitätsbegriff bei Dreileitersystemen 0 148
4050202 Kapazitätsbegriff bei Dreileitersystemen 0 0 0 154
4o5o2o3 Ohmscher Widerstand bei Dreileitersystemen 0 160
40502.4 Ableitungswiderstand bei Dreileitersystemen 0 160
4o5o3 Betriebsverhalten von symmetrisch aufgebauten Drehstrom
freileitungen bei symmetrischem Betrieb 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 161
4o5.4 Transientes Verhalten von Freileitungen im symmetrischen Betrieb 165
406 Kabel 169
4o6o1 Aufbau von Kabeln 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 169
4o6o2 Ersatzschaltbild und Betriebsverhalten von Drehstromkabeln 178
407 Lasten 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 181
408 Leistungskondensatoren o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 o 0 0 0 o 0 0 0 0 185
4o8o1 Aufbau von Leistungskondensatoren 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 185
4o8o2 Grundsätzliche Erläuterungen zur Blindleistungskompensation 186
4o8o3 Blindleistungskompensation bei Netzen mit parasitären
Oberschwingungen 188
4o9 Drosselspulen o o o o o o 0 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 193
4010 Schalter o o o o o o o 0 o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 o 0 0 o o 0 196
4o10o1 Ersatzschaltbild und prinzipielle Eigenschaften von Schaltern 196
4o10o2 Wirkungsweise und Aufbau wichtiger Schaltertypen 197
40100201 Leistungsschalter 0 197
4o10o2o2 Trennschalter 0 200
4o10o2o3 Lastschalter 0 0 0 202
4011 Schaltanlagen 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 203
4011.1 Schaltpläne von Schaltanlagen 204
4011.2 Bauweise von Schaltanlagen 0 0 209
4011.201 Konventionelle Freiluftschaltanlagen 209
4011.202 Gasisolierte Schaltanlagen o o o o o o 213
4011.203 Konventionelle Zellenbauweise 0 0 o 219
4011.3 Berücksichtigung von Schaltanlagen in Ersatzschaltbildern o 221
4011.4 Leittechnik in Schaltanlagen o o 0 0 0 o o o o o o o o o o o o o 222
4012 Überblick über wichtige Einrichtungen zum Schutz von Betriebsmitteln 224
401201 Schutz vor unzulässigen Spannungsbeanspruchungen o 0 0 o 224
401201.1 Beanspruchungen von Betriebsmitteln durch ver
schiedene Überspannungsarten o o o o o o o o o o o 224
401201.2 Festlegung des IsoHervermögens von Betriebsmitteln mit
Hilfe von genormten Bemessungsspannungen o o o 0 0 232
4o12ol.3 Überspannungsahleiter und Blitzschutzeinrichtungen o 237
401202 Schutz vor unzulässigen Strombeanspruchungen o 244
40120201 Sicherungen und I -Begrenzer o o o o o 0 0 0 o o o o 0 0 244
8