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Elektrische Anlagen Teil 1

Vorlesungsskript für Studentinnen und Studenten des Bachelor-Studiengangs Elektrotechnik und Informationstechnik - Vertiefungsrichtung Energie, Elektronik und Umwelt -

Prof. Dr.- Ing. F.R. Frontzek Hochschule Darmstadt Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik

Griesheim, 3.09.2013

Frontzek, F.R. – Elektrische Anlagen Allgemeines

Seite 0.2

I. Inhalt Teil1 1. Einführung 1.1 Aufbau von Elektroenergiesystemen und typische Nenndaten 1.2 Netzstrukturen 1.3 Versorgungszuverlässigkeit 1.4 Übungsaufgaben zu Kap. 1

2. Bauweise und Schaltpläne von Schaltanlagen (SA) 2.1 2.2 2.3 2.4

Grundbegriffe Schaltungen von Hoch- und Mittelspannungsschaltanlagen Aufbau von Schaltanlagen. Beispiele Übungsaufgaben zu Kap. 2

3. Schaltgeräte 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

Grundbegriffe Lichtbogen und Lichtbogenlöschprinzipien in GS- und WS-Kreisen Leistungsschalter in HS-, MS- und NS-Netzen Sicherungen in MS- und NS-Netzen Andere Schalter (Trennschalter, Lastschalter, Schütze, u.a.) Selektivität in Niederspannungsnetzen Übungsaufgaben zu Kap. 3

4. Strombelastbarkeit von elektrischen Betriebsmitteln 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

Dauerstrombelastbarkeit Erwärmungsvorgänge in elektrischen Betriebsmitteln Thermische Beanspruchung bei Kurzschluss Elektrodynamische Beanspruchung bei Kurzschluss Übungsaufgaben zu Kap. 4

Teil2 5. Schutz gegen elektrischen Schlag 5.1 Statistik elektrischer Unfälle 5.2 Mensch und Elektrizität 5.2.1 Wirkung des elektrischen Stromes auf den menschlichen Körper 5.2.2 Körperwiderstand und Stromweg 5.2.3 Berührungsspannung 5.2.4 Körperströme und Berührungsspannungen bei hohen Frequenzen 5.2.5 Verhalten bei elektrischen Unfällen 5.3 Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag 5.3.1 Allgemeines 5.3.2 Schutz gegen elektrischen Schlag unter normalen Bedingungen 5.3.3 Schutz gegen elektrischen Schlag unter Fehlerbedingungen 5.3.3.1 Allgemeines 5.3.3.2 Netzformen 5.3.3.3 Schutzklassen von elektrischen Betriebsmitteln 5.3.3.4 Schutz durch automatische Abschaltung der Stromversorgung oder Meldung 5.3.3.5 Fehlerschutz ohne Schutzleiter 5.3.4 Schutz sowohl gegen direktes als auch bei indirektem Berühren 5.3.5 Hauptpotentialausgleich in Gebäuden 5.3.6 Vor- und Nachteile der Schutzmaßnahmen 5.4 Übungsaufgaben zu Kap. 5

6. Einführung in die Anlagenplanung 6.1 6.2 6.3 6.4

Grundlagen der Anlagenplanung, Konzeption, Randbedingungen Gesetze, Verordnungen, Vorschriften, Bestimmungen, Normen Planungsvorgänge bei der Projektierung von Niederspannungsanlagen PC-Rechenhilfen

September, 2013

Frontzek, F.R. – Elektrische Anlagen Allgemeines

Seite 0.3

II. Klausur Hilfsmittel:

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Formelsammlung aus dem Skript Schreib- und Zeichengeräte keine Mitschriften keine Aufgaben mit Lösung und keine alte Klausuren

keine Bücher Zeitdauer: 90 min. III. Hinweise zur Vorlesung / Übungen Sprechstunden (Raum 312, D16 Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag

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Tel.: 06151/168231 oder 06151/168250):

Block 1. 2. 3. 4. 5. 6.

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IV. Literatur [1]

Kiefer G. : VDE 0100 und die Praxis. vde - verlag, Berlin, Offenbach, 12.Auflage, 2006

[2]

Oeding D. und Oswald, B.R. : Elektrische Kraftwerke und Netze. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2004

[3]

Gremmel, H. : ABB-Schaltanlagen-Handbuch. Cornelsen-Verlag, Stuttgart, 1999

[4]

Seip G.G. : SIEMENS - Elektrische Installationstechnik. Teil 1: Energieversorgung und -verteilung Teil 2: Installationsanlagen, -geräte und -systeme, Beleuchtungstechnik, Schutzmaßnahmen. 3. Auflage, 1993

[5]

Heuck K., Dettmann K.-D. : Elektrische Energieversorgung. Verlag Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden, 1995

[6]

Flosdorff R., Hilgarth G. : Elektrische Energieverteilung. B.G. Teubner, Stuttgart, 1994

[7]

Kiank H., Fruth W.: Planungsleitfaden für Energieverteilungsanlagen. SIEMENS AG, Publicis Publishing, 2011

[8]

Pusch, P. : Schaltberechtigung für Starkstromanlagen und Netze. vde - verlag, Berlin, Offenbach, 1994

September, 2013

Frontzek, F.R. – Elektrische Anlagen Kapitel 1: Einführung

Seite 1.1.1

1. Elektroenergiesysteme und Netze – Allgemeines 1.1 Aufbau von Elektroenergiesystemen. Typische Nenndaten S″″k = 10 ... 25 GVA 220 kV

220 kV

110 kV

∼

∼ S nT = 100 ... 300 MVA

Kraftwerksblöcke SnG = 150 ... 400 MVA

220 kV S nT = 0.6 ... 1 GVA 380 kV 10 kV

S″″k = 0.2 ... 0.75 GVA S nT = 10 ... 40 MVA

380 kV

110 kV

110 kV

S″″k = 2 ... 7.5 GVA

110 kV

S″″k = 20 ... 50 GVA 380 kV

S nT = 300 ... 600 MVA

∼

110 kV

S″″k = 2 ... 7.5 GVA SnT = 10 ... 150 MVA

20 kV

∼ Kraftwerksblöcke großer Leistung S nG > 300 MVA

0.4 kV

S″″k = 0.5 ... 1.5 GVA

20 kV

S nT = 100 ... 1000 kVA

Bild 1.1

Prinzipschema des Aufbaus eines Elektroenergiesystems in Anlehnung an die Gegebenheiten in Europa September, 2013

Frontzek, F.R. – Elektrische Anlagen Kapitel 1: Einführung

1 3 5 7 8 9 10 11 12

Seite 1.1.2

Wärmekraftwerk, 2 Höchstspannungs-Freileitung 380 kV oder 220 kV, Umspannwerk auf 110 kV, 4 Hochspannungs-Freileitung 110 kV, Umspannwerk auf 20 kV mit Schalthaus, 6 Mittelspannungskabel 20 kV, Transformatorenstation (Kabelstation) zur Umspannung auf 0,4 kV (400 V/230 V), Mittelspannungs-Freileitung 20 kV, Transformatorenstation (Turmstation) zur Umspannung auf 0,4 kV (400 V/230 V), Niederspannungs-Freileitung 0,4 kV (400 V/230 V), Transformatorenstation (Maststation) zur Umspannung auf 0,4 kV (400 V/230 V), Kabelverteilerschrank, 13 Niederspannungskabel 0,4 kV (400 V/230 V)

Bild 1.2 Wie kommt der Strom ins Haus? [ 8 ]

September, 2013

Frontzek, F.R. – Elektrische Anlagen Kapitel 1: Einführung

Seite 1.1.3

Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen sind die Bemessungs-Betriebsströme I r ( In * ) von elektrischen Betriebsmitteln in den Verteilungsnetzen meistens nicht größer als 2500 A (4000 A). Die Bemessungs-Leistung S rT von Verteilungs- bzw. Netztransformatoren kann dann näherungsweise berechnet werden als

Sr =

3 U r( S) I r( S )

wobei U r(S) , I r(S) sind die Bemessungsspannung und der Bemessungsstrom auf der Unterspannungsseite des Transformators. Der maximal zu erwartender Kurzschlussstrom** I“ k auf der Unterspannungsseite eines Transformators lässt sich näherungsweise berechnen als

I k"(S ) = I r ( S ) ⋅

100% ukr %

Da die Kurzschlussspannung von Transformatoren u kr% im Bereich von 4% (MS/NS) bis ca. 12% (HS) liegt und mehrere Transformatoren parallel arbeiten können, sind die zu erwartenden Kurzschlussströme I“ k ca. 10 ... 25 mal größer als die Bemessungs-Betriebsströme und überschreiten meistens 63 kA (100 kA) nicht. Die Anfangs-Kurzschlusswechselstromleistung S“ k auf der entsprechenden Netzspannungsebene Un errechnet sich als

S k" =

* I n, U n, ….. I r, Ur, …..

3 U n I "k .

Nennwerte (en: nominal values) Bemessungswerte (en: rated values)

Nennwert (Def.): Ein geeigneter gerundeter Wert einer Größe zur Benennung, Bezeichnung oder Identifizierung eines Elements, einer Gruppe oder einer Einrichtung, z. B. Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung, Nennfrequenz und dergleichen. Bemessungswert (Def.): Ein für eine vorgegebene Betriebsbedingung geltender Wert einer Größe, der im allgemeinen vom Hersteller für die Bemessung für ein Gerät, Element, eine Gruppe oder eine Einrichtung festgelegt wird, z.B. Bemessungsspannung, Bemessungsstrom und dergleichen. Bemessungsdaten (en: rating): Die Zusammenstellung von Bemessungswerten und Betriebsbedingungen. Als Index für Formelzeichen wurde national (DlN 1304-1) und international (IEC 60427-1) festgelegt für den • Nennwert ,,n" oder ,,nom", z. B. für die Nennspannung U n oder U nom, • Bemessungswert ,,r" oder „rat" , z. B. für den Bemessungsstrom I r oder Irat. Bei einem Mittelspannungsnetz, das zum Beispiel als „20-kV-Netz" bezeichnet wird, der Begriff also der Bezeichnung des Netzes dient, das aber für eine obere Grenzspannung von 24 kV gebaut ist, ist die Bemessungsspannung Ur = 24kV, die Nennspannung Un = 20 kV.

** - für vernachlässigbar kleine Kurzschlussimpedanzen des einspeisenden Systems

September, 2013

Frontzek, F.R. – Elektrische Anlagen Kapitel 1: Einführung

Seite 1.2.1

1.2 Netzstrukturen Leitungssysteme zur Versorgung von Abnehmern elektrischer Energie können in drei Grundformen eingeteilt werden: • Strahlennetz • Ringnetz • Maschennetz Strahlennetze (Bild 1.2.1 a) sind dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Leitungsstränge von einem Einspeisepunkt strahlenförmig ausgehen. An jedem einzelnen Leitungsstück befinden sich der Reihe nach mehrere Stromkunden. Bei MS- und NS-Netzen wird diese Netzstruktur verwendet, wenn die Kunden beispielsweise in einem strukturschwachen Gebiet oder lang gestreckten Tal zu versorgen sind. Vorteile: - einfache Netzüberwachung - minimaler Aufwand für Schutztechnik - kostengünstig - kleine Kurzschlussströme

Nachteile: - Netzspannungsschwankungen beim Einschalten großer Lasten - großer Spannungsabfall am Leitungsende - geringe Versorgungszuverlässigkeit - ev. Verbindungsleitungen zu Nachbarnetzen bzw. eine Notstromanlage ist vorzusehen

Tr 1 Tr

Tr 2

offene Trennstelle

Last

(a)

(b)

Bild 1.2.1 Strahlennetz (a) und ein offen betriebenes Ringnetz (b)

Ringnetze (Bild 1.2.1 b) sind dadurch gekennzeichnet, dass die Kunden im Leitungszug liegen, wie Perlen an einer Schnur, d.h., die Leitung wird am Ende wieder an den Einspeisepunkt zurückgeführt. Häufig werden Ringnetze bei Normalbetrieb in der Mitte geöffnet, so dass zwei Strahlen (Halbringe) entstehen. In jedem Halbring werden meistens noch weitere Trennstellen vorgesehen, die im Störungsfall zur Freischaltung der fehlerhaften Kabelstrecke dienen. Zugleich wird die Trennstelle in der Mitte der Ringleitung geschlossen, so dass die Kunden nach kurzer Unterbrechung wieder versorgt werden können.

September, 2013

Frontzek, F.R. – Elektrische Anlagen Kapitel 1: Einführung

Seite 1.2.2 Tr 3

offene Trennstelle

Tr 2

Tr 1

Tr 2

Tr 1 Last

(a)

(b)

Bild 1.2.2 Verzweigtes Ringnetz (a) und Maschennetz (b) Ein Maschennetz entsteht, wenn Ringnetze durch Querverbindungen so verknüpft werden, dass sich eine Struktur mit vielen Maschen und mehrfachen Einspeisungen bildet (Bild 1.2.2 b). Bei einem geringeren Grad an Maschen spricht man von vermaschten Netzen. In beiden Fällen wird vorausgesetzt, dass die vorhandenen Trennstellen in der Mehrzahl auch in Betrieb 2 durchverbunden sind. Maschennetze sind etwa ab Lastdichten von 5 MVA/km möglich. Vorteile: - geringer Spannungsabfall - geringe Leistungsverluste - hohe Versorgungszuverlässigkeit

UST 3

UST Umspannstation

Nachteile: - aufwendige Schaltanlage - großer Aufwand für Schutztechnik - große Kurzschlussströme - hohe Investitionskosten

UST 2

UST 1

Netzstation offene Trennstelle

Bild 1.2.3 Typischer Aufbau eines gewachsenen, eigensicheren Mittelspannungsnetzes mit Ringleitungen

September, 2013

Frontzek, F.R. – Elektrische Anlagen Kapitel 1: Einführung

Seite 1.3.1

1.3 Versorgungszuverlässigkeit In der Praxis wird folgende Versorgungszuverlässigkeitsmaxime angestrebt: Die Struktur des Netzes ist stets so zu gestalten, dass dessen Versorgung durch einen Fehler grundsätzlich nicht unterbrochen wird. Erst das Auftreten zweier Fehler zur gleichen Zeit darf zu Versorgungsunterbrechungen führen, ein einfacher Ausfall muss dagegen beherrscht werden. Es ist s.g. (n-1) - Ausfallkriterium. Das (n-1) – Kriterium besagt, dass das Netz auch nach dem Ausfall eines beliebigen Netzbetriebsmittels die geforderte Funktion weiterhin erfüllen muss und keine weiteren Netzbetriebsmittel über ihre festgelegten Grenzen beansprucht werden dürfen. Die Beherrschung eines Fehlers im Netz ist meistens mit einer Ausfalldauer verbunden. Die Forderung nach einer hohen Versorgungszuverlässigkeit (kurze Ausfallzeiten) ist gleichzeitig mit hohen Investitions- und Betriebskosten verbunden. Meistens muss ein Kompromiss zwischen Aufwand und Erfüllung der Forderungen der hohen Versorgungszuverlässigkeit geschlossen werden. Die zumutbare Ausfalldauer hängt grundsätzlich von der Höhe der ausgefallenen Leistung ab (somit auch indirekt von der Spannungsebene des Netzes). In der Praxis hat sich als Richtwertkennlinie die s.g. Zollenkopf-Kurve bewährt (Bild 1.3.1). 24h

[s ]

Schadensbeseitigung vor Ort

4h

10 4 Umschaltungung vor Ort

1h 1 h

T0

10 3

Schaltungungen im Netz

16 min

10 min

Fernsteuerung

2 min

100 1 min

NS

MS

Umschalt-Automatik Dauernde Parallelschaltung

10

101

102

10 3

10 4 P0

10 5

[kW]]

106

Bild 1.3.1 Zollenkopf-Kurve. Ausfalldauer T 0 in Abhängigkeit von der Ausfallleistung P

0

Danach darf ein Niederspannungskabel, das einer Anzahl von Hausanschlüssen mit insgesamt von etwa 100kW versorgt, etwa 4 Stunden ausfallen (darüber hinaus müsste z.B. mit dem Verderb von Tiefkühlkost gerechnet werden). In dieser Zeit muss der Fehler repariert oder notfalls eine provisorische Versorgung (Notstromaggregat) aufgebaut werden Ein Mittelspannungsabnehmer mit einer Leistung von etwa 400 kW bis 1000 kW , der auf ein offen betriebenes Ringkabel angeschlossen ist, muss mit etwa ½ bis eine Stunde Unterbrechungsdauer rechnen. In dieser Zeit wird meistens die Versorgung durch Verlegen der Trennstrecke wiederhergestellt. Der Ausfall eines Transformators von Hoch- auf Mittelspannung mit einer Belastung von etwa 30 MW muss durch Umschaltung in längstens zwei Minuten für den betroffenen Abnehmerkreis behoben sein. Größere Lasten müssen durch automatische Umschaltung in Sekunden oder durch Mehrfachspeisung ohne Unterbrechung sichergestellt werden. Kunden mit besonders hohen Anforderungen an die Versorgungszuverlässigkeit müssen mit höheren Kosten für die Anschlussaufwendungen rechnen. Für kleine Anlagen mit besonders hohen Anforderungen an die Versorgungszuverlässigkeit (z.B., EDV-Anlagen) wird die entsprechend zuverlässige Stromversorgung meistens von Kunden selbst sichergestellt durch Anwendung von USV-Anlagen und/oder Notstromaggregaten. September, 2013

Frontzek, F.R. – Elektrische Anlagen Kapitel 1: Einführung

Seite 1.3.2

1.4 Übungsaufgaben zu Kap.1 Aufgabe 1.1 In einer Umspannstation 110/20 kV mit 2 Umspannern sind die Kurzschlussströme und die Bemessungs-Betriebsströme zu berechnen (siehe Bild 1.4.1). Die Bemessungsleistungen der ´´ Umspanner Tr 1 und Tr2 ist gleich und beträgt 40 MVA. Der 3-polige Kurzschlussstrom I k an der Stelle F1 beim geschlossenen Schalter Q12 beträgt 25 kA. Station A

110 kV

F1

Q12

Tr 1

20 kV

Station B

Tr 2

Q0

SSI A

Q1

SSI B

F2

Q2

Bild 1.4.1 Umspannstation 110/20 kV mit 2 Umspannern a) Berechnen Sie den maximalen Betriebsstrom der 110 kV- Leitungen b) Berechnen Sie den maximalen Betriebsstrom in einem 20 kV- Transformatorabzweig c) Berechnen Sie den maximalen Betriebsstrom an den 20 kV- Sammelschienen, wenn die Schalter Q0,Q1 und Q2 geschlossen sind d) Berechnen Sie den maximalen Betriebsstrom an den 20 kV- Sammelschienen, wenn die Schalter Q0,Q1 und Q2 geöffnet sind e) Berechnen Sie die höchst zu erwartenden Kurzschlussströme an der 20 kV Sammelschiene (Kurzschlussstelle F2), wenn die Kurzschlussspannung der Transformatoren 12 % beträgt und die Schalter Q0,Q1 und Q2 geöffnet sind. Welche Ströme fließen dann an der Primärseite des Transformators? f) Berechnen Sie die höchst zu erwartenden Kurzschlussströme an der 20 kV Sammelschiene (Kurzschlussstelle F2), wenn die Kurzschlussspannung der Transformatoren 12 % beträgt und die Schalter Q0,Q1 und Q2 geschlossen sind. Welche Ströme fließen dann an der Primärseite des Transformators? September, 2013

Frontzek, F.R. – Elektrische Anlagen Kapitel 2: Bauweise und Schaltpläne von Schaltanlagen

Seite 2.1.1

2. Bauweise und Schaltpläne von Schaltanlagen (SA) 2.1 Grundbegriffe Schaltanlagen bilden in einem Netz Knotenpunkte zum Verbinden, Trennen und Schützen der Netzteile. Gleichzeitig haben sie auch den Zweck die zugeführte elektrische Energie zu verteilen. Umspannanlage = Umspanner

{Transformator(en) } + Schaltanlagen an der Primär- und Sekundärseite des Umspanners (siehe z.B. das Bild 2.1.1)

Umspannanlagen (siehe Bilder 2.1.2, 2.1.3, 2.1.4): ♦ Umspannwerke (380 kV / 110 kV, 220 kV / 110kV) ♦ Umspannstationen (110 kV / 20 kV, 110 kV / 10 kV) ♦ Netzstationen (20 kV / 0.4 kV, 10 kV / 0.4 kV) Als Schaltanlage (Def.) bezeichnet man die Gesamtheit aller elektrischen Betriebsmittel in einem abgegrenzten Raum oder auf einem abgegrenzten Gelände, die zum Zusammenschalten bzw. Trennen einzelner Freileitungs-, Kabel- Schienen- oder Transformatorabgänge dienen. Im Allgemeinen besteht eine Schaltanlage aus: • Primärtechnik, dazu zählen die Betriebsmittel, die direkt in den Transport und die Verteilung der elektrischen Energie eingebunden sind u. a. Sammelschienen mit ihren Abstützungen, Trennschalter, Leistungsschalter bzw. Sicherungen und Last(trenn)schalter, Strom- und Spannungswandler, Überspannungsableiter, Erdungsschalter, Erdungsanlage • Sekundärtechnik, hier sind zu zählen Schutzrelais, Einrichtungen zur Überwachung und Steuerung, Messgeräte (Schutz-, Netzleit- und Messtechnik) Man unterscheidet zwei Grundausführungen der Schaltanlagen: • Freiluftschaltanlagen • Innenraumschaltanlagen Als Isoliermedium für Schaltanlagen (SA) werden verwendet: • Luft (konventionelle SA) bis 123 kV Innenraum-SA bis 800 kV Freiluft-SA • SF6 - Gas hauptsächlich Innenraum-SA bis 800 kV • Festisolierung Innenraum-SA bis 36 kV Schaltanlagen bestehen grundsätzlich aus folgenden Hauptteilen: ♦ Sammelschiene (siehe Kap.2.2 ) ♦ Schaltfelder (Einspeise-, Transformator-, Abgangs-, Mess-, Übergabefeld, Quer- und Längskupplung, siehe Kap.2.2 ) ♦ Steuer-, Mess- und Schutzeinrichtungen ♦ Erdungsanlage ♦ Nebenanlagen Die Sammelschiene stellt den Netzknotenpunkt dar. Sie ist das verbindende Element aller Einspeise- und Abgangsfelder einer Schaltanlage. Im Normalbetrieb besitzt die Sammelschiene ein bestimmtes Potential. Sammelschienen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie über alle Felder der Schaltanlage verlaufen und dass die überwiegende Anzahl der Schaltfelder gleichzeitig an jede Sammelschiene angeschlossen ist oder angeschlossen werden kann. Die Schaltfelder enthalten entsprechend ihrer Funktion Schaltgeräte, Wandler, Kabelanschlussraum, Messinstrumente, Vorrichtungen zum Erden und Kurzschließen, Steuergeräte, Schutz und Überwachungseinrichtungen zur Messung und Zählung der elektrischen Energie. Aus Sicherheitsgründen für den Betrieb der Anlagen ist eine Erdungsanlage erforderlich, die alle leitenden Teile von Körpern miteinander verbinde...