Ausgearbeiteter Fragenkatalog

Kraftwerke 370.026

Version 1

von

Martin FEISCHL, BSc

Wien, am 17. November 2015

Kapitel 1

Emissionen und Umweltschutz

1. Was sind Stickoxide und wie entstehen sie?

Sticksto� kommt in der Luft als zweiatomiges Gas N2 vor. Zwischen den Atomen be-steht eine Dreifachbindung, zu deren Aufbrechen eine sehr hohe Energie erforderlich ist.Sticksto� reagiert unter normalen Bedingungen kaum mit anderen Sto�en. Bei hohenTemperaturen wird diese Bindung aufgebrochen und Sticksto� kann mit Sauersto� rea-gieren.NyOx mit y ∈ {1 . . . 2} und x ∈ {1 . . . 6}NO Sticksto�monoxid, NO2 Sticksto�dioxid → Diese Gemische werden allgemein in derKurzform NOx (Sticksto�oxide) zusammengefasst.Die Stickoxide nehmen exponentiell mit der Flammtemperatur zu.

2. Wodurch wird die Verbrennungstemperatur in einem Kraftwerk bestimmt?

Bestandteile Abluft: Kohlendioxid, Wasserdampf, Unverbrannter Sauersto� der Luft, Stick-sto�anteil der Verbrennungsluft.Die Verbrennungsgase der Abluft werden durch die bei der Verbrennung freigesetzte Heiz-leistung erwärmt. Die Kesseltemperatur ist daher durch die Menge des Abgasstromes unddie spezi�sche Wärme der einzelnen Abgaskomponenten bestimmt.

∆T =Tth

cp,CO2 ··mCO2 + cp,H2O ·

·mH2O + cp,O2z ·

·mO2z + cp,N2 ·

·mN2

(1.1)

3. Wie funktionieren Entstickungsmaÿnahmen?

• Feuerungstechnische Maÿnahmen (FTM, Primäre Maÿnahmen)Brenner mit niedrigen NOx-Werten: Durch die Luftüberschusszahl kann diemittlere Verbrennungstemperatur auf ein Niveau mit niedriger Sticksto�oxid- Er-zeugung eingestellt werden. Hierdurch ist eine Absenkung des NOx-Gehalts auf 70bis 50 % möglich.Regulierung der Luftüberschusszahl (Oberluft): Die Luftüberschusszahl be-stimmt die Verbrennungstemperatur. In Gasturbinen wird sie auf einen Wert vonetwa 2 eingestelltRauchgaszirkulation Hier wird ein Anteil von 15 bis 20% des Rauchgases wiederdem Kessel zugeführt

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• Rauchgasreinigung DENOX (Sekundäre Maÿnahmen)Selektive katalytische Reduktion (SCR-Verfahren): Hierbei werden Kataly-satoren auf der Basis von Metalloxiden in einem Reaktor eingesetzt. Das NOx wirdmit Ammoniak (NH3) zur Reaktion gebracht und es bildet sich Sticksto� (N2) undWasserdampf (H2O). Die DENOX-Anlage (Katalysatoren auf der Basis von Me-talloxiden, die in einem Keramikkörper eingebettet sind) kann grundsätzlich voroder nach der Rauchgas-Entschwefelungs-Anlage (REA) angeordnet werden. Neh-men groÿes Bauvolumen in Kraftwerken ein.

Selektive Nichtkatalytische thermische Reaktion (SNCR-Verfahren): ImKesselbereich der Zwischenüberhitzer wird Ammoniak eingedüst, das mit den Stick-oxiden reagiert. SNCR-Verfahren gegenüber katalytischen Verfahren den Vorteil nied-riger Investitionen, da der Katalysator entfällt. Mit geringem Eingri� in die beste-hende Anlage bei geringem Platzbedarf ohne Druckverlust im Rauchgaskanal einakzeptabler Abscheidegrad erzielt werden. Das Verfahren wird daher häu�g zur Er-tüchtigung von Altanlagen eingesetzt. Es werden Abscheidegrade von etwa 50 bis80% erzielt.

4. Wie funktionieren Maÿnahmen zur Entschwefelung?

drei Verfahren:

• Vorbehandlung des Brennsto�s: fein gemahlener Kohlestaub wird gewaschen,wobei etwa 10 bis 30% des SO2 gebunden werden. Nachteil, dass die Kohle wiedergetrocknet werden muss.

• Feuerungstechnische Maÿnahmen (PTAV - Primäres Trocken-Additiv-Verfahren): fein gemahlener Kalk entsprechend dem Schwefelanteil des Brennsto�-stromes in den Brennraum eingeblasen. Es bildet sich Calziumsul�t (CaSO3) undCalciumsulfat (CaSO4). Das Verfahren bewirkt eine Reduktion von SO2 und SO3um 50 bis 60%

• Rauchgasreinigung (Sekundärmaÿnahmen):Nassreinigung Hierbei wird eine Kalklösung fein zerstäubt und in das Rauchgasinjiziert. Es bildet sich Nass-Gips (Calcium-Sulfat), der von der Bausto�ndustrieweiter verwendet wird. Abscheidegrad von über 90%. Hohen Energiebedarf von 2%Trockenreinigung: Das gelöschte Kalkhydrat wird in einen Absorber eingegeben,der nach dem Prinzip der zirkulierenden Wirbelschicht arbeitet. In diese wird auchWasser eingedüst.

5. Welche Verfahren zur Entstaubung sind möglich? Abbildung: 1.1

a: Absetzkammer, b: Zyklon, c: Drehströmungsentstauber d: Nasswäscher, e: Tuch�lter,f: Elektro�lter

6. Welche Verfahren zur Abscheidung von CO2 sind möglich?

CO2-Anteil auf zwei Arten abspalten: Vor und nach der Verbrennung.Kohlensto�anteil vor der Verbrennung vom Synthesegas getrennt, das als Brennsto� füreine Gasturbine dient. Dazu wird die CO-Komponente des Synthesegases möglichst voll-ständig in CO2 umgewandelt und durch einen zusätzlichen Prozessschritt abgetrennt.Das übrigbleibende Synthesegas, das hauptsächlich aus Wassersto� besteht, wird dannverfeuert.

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Abbildung 1.1: Möglichkeiten zu Entstaubung

Zur Abtrennung nach der Verbrennung ermöglicht das kleinere Gasvolumen unter höhe-ren Drücken und der relativ gröÿere CO2-Anteil kleinere und e�ektivere Abscheideanlagen(scrubbing units). Diese Form der CO2-Abscheidung ist bereits in kommerziellem Maÿ-stab in der Gasindustrie verfügbar.

7. Wie kann die Abwärme eines Kraftwerkes verwendet werden? Abbildung: 1.2

a: Frischwasserkühlung, b: Nasskühlturm, c: Trockenkühlturm, d: Einspritzkondensatormit Naturzugkühlturm

8. Welchen Ein�uss hat der Wirkungsgrad eines Kraftwerks auf den Brennsto�bedarf unddie Emissionen?

Je höher der Wirkungsgrad eines Kraftwerks desto niedriger werden die Verluste. Beigleichbleibender Leistung ab besser werdendem Wirkungsgrad nimmt der Brennsto�be-darf und damit die Emissionen ab.

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Abbildung 1.2: Abführung der Abwärme

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Kapitel 2

Kernkraftwerke

1. Worin unterscheiden sich Kernkraftwerke von konventionellen thermischen Kraftwerken?

• Die nukleare Wärmeentbindung dient zur Dampferzeugung

• Die Entsorgung ausgebrannter Brennelemente ist ungleich schwieriger, kosteninten-siver und für die Umwelt risikoreicher

• Die Dampfturbinen sind nicht mehr Heiÿdampfturbinen sondern Sattdampfturbinen.Der thermische Wirkungsgrad ist schlechter, weil Dampfdruck und Dampftempera-tur prozessbedingt relativ niedrig bleiben müssen. Die Kühlwasserfrage nimmt anBedeutung zu.

• Die Reaktorsicherheit ist eine Aufgabe mit völlig neuer Dimension. Auslegung deselektrischen Eigenbedarfs wird durch diese Aufgabe stark beein�usst.

2. Wie wird der Massendefekt in Kernkraftwerken genutzt?

Die Masse des Kohlensto�-Isotops 12C ist de�nitionsgemäÿ 12 u. Die einzelnen Bestand-teile des Kerns haben aber eine Gesamtmasse von 6·1,007276466812u + 6·1,00866491600u> 12u. Die fehlende Masse ∆m ist als sogenannter Massendefekt bei der Bildung desAtomkerns entsprechend

E = ∆m · c2 (2.1)

als Energie freigesetzt worden.

3. induzierte Spaltung

Die induzierte Spaltung ist eine Kernreaktion, bei der ein freies Teilchen, meist ein Neu-tron, den Kern tri�t und von diesem absorbiert wird. Der Kern gewinnt dadurch dieBindungsenergie und eventuelle kinetische Energie dieses Neutrons, be�ndet sich dadurchin einem angeregten Zustand und spaltet sich.

4. Mit welcher Art von Neutronen kann 235U gespalten werden? Beschreiben Sie den Vorgangder Kernspaltung qualitativ.

Das Uran-Isotop 235U kann durch thermische Neutronen gespalten werden. Die Summean Protonen und Neutronen vor und nach der Spaltung bleibt zunächst gleich.

23592 U + 1

0n → 13956 Ba +

9536Kr + 2·10n

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Dennoch wird durch den Massendefekt der Spaltprodukte bei so einer Kernreaktion eineEnergie von etwa 200 MeV frei. Zwei Neutronen werden freigesetzt, die andere Kerne spal-ten und so eine Kettenreaktion hervorrufen können. Diese Neutronen sind aufgrund derhohen freiwerdenden Energiemengen gegenüber thermischen Neutronen sehr viel schnel-ler. Diese schnellen Neutronen müssen daher erst abgebremst (=moderiert) werden, bevorsie einen weiteren 235U-Kern spalten können.

Abbildung 2.1: Spaltung von Uran 235

5. Wozu dient ein Moderator im Kernkraftwerk?

Als Moderator eignen sich Sto�e, die ein ebenso sehr kleines Atomgewicht wie Neutronenhaben und deshalb bei einem elastischen Stoÿ gut mit dem Neutron interagieren undwenig dazu neigen, freie Neutronen einzufangen. Bespiele: Wassersto�, Deuterium undGraphit.

6. Wozu dienen Steuerstäbe im Kernkraftwerk?

Bor ist ein Sto�, der einen hohen Absorptionsquerschnitt für Neutronen aufweist. Des-wegen werden Bor bzw. Borverbindungen als Regelelemente (=Steuerstäbe) oder zumschnellen Abschalten der Kernreaktion verwendet. Das Anwachsen einer Kettenreaktionwird dadurch unterbunden, dass die meisten Neutronen von dem in den Steuerstäbenenthaltenen Material absorbiert werden.

7. Beschreiben Sie den grundsätzlichen Aufbau eines Kernreaktors.

Kernspaltung im Kernreaktor (Reaktorkern der aus Brennelementen besteht), Wärme-träger - meist Wasser, in einem Dampferzeuger entsteht Wasserdampf→Wasser-Dampf-Prozess → Turbine treibt Generator anReaktorkern ist von einem Schutzschild umgeben, äuÿere Hülle um den Reaktor (Sicher-heitsbehälter=Containment)

8. Wodurch unterscheiden sich Leichtwasser- und Schwerwasserreaktoren?

In Leichtwasserreaktoren wird gewöhnliches Wasser als Moderator verwendet, in Schwer-wasserreaktoren Deuterium, da es erheblich weniger Neutronen absorbiert.

9. Wodurch unterscheiden sich Siedewasser- und Druckwasserreaktoren?

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Im Gegensatz zum Druckwasserreaktor mit Primär- und Sekundärkreislauf verfügt derSiedewasserreaktor nur über einen Dampf-Wasser-Kreislauf. Der Kreislauf des radioaktivbelasteten Kühlmittels ist somit nicht auf den Sicherheitsbehälter (Containment) be-schränkt. Die Dampfturbine wird im Siedewasserreaktor - im Gegensatz zum Druckwas-serreaktor - direkt von dem im Reaktordruckbehälter erzeugten Wasserdampf betrieben.

(a) Siedewasserreaktor (b) Druckwasserreaktor

Abbildung 2.2: Reaktortypen

10. Erläutern Sie die Begri�e Anreicherung, Aufarbeitung und Endlagerung.

• Anreicherung: Uranhexa�uorid (UF6) kommt seine besondere technische Bedeu-tung bei der Uran-Anreicherung zu, da die unterschiedliche Massenzahl der enthal-tenen Uranisotope unterschiedliche Molekülmassen bewirkt, während die Masse desFluoranteils konstant bleibt. UF6-Moleküle, die das Uranisotop 235U enthalten, sindgeringfügig leichter als das Uranisotop 238U. Daher kann eine Trennung der Isoto-pe durch Gasdi�usionsverfahren (leichtere Atome oder Moleküle wandern schnellerdurch eine poröse Wand als schwere) oder Gasultrazentrifugen (schwere Molekülebevorzugt an der Auÿenwand, während leichteren Moleküle in der Nähe der Roto-rachse) sind, erfolgen.

• Aufarbeitung: In einer Wiederaufbereitungsanlage werden die Transurane abge-trennt und in Mischoxid-Brennelementen eingebracht; die hochradioaktiven Spalt-produkte werden verglast und in ein Zwischenlager gebracht, wo sie einige Jahrzehntelang weiter abklingen müssen, bevor die Wärmeentwicklung soweit zurückgegangenist, dass eine Endlagerung möglich ist

• Endlagerung: Enthält der Abfall auch Nuklide mit Halbwertszeiten von Jahrzehn-ten oder länger, muss er in einem Endlager entsorgt werden.

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Kapitel 3

Wasserkraftwerke

1. Nennen und erläutern Sie eine Formel zur Abschätzung des Wasserkraftpotentials in Ab-hängigkeit der Wassermenge und Fallhöhe

Für jeden Kubikmeter pro Sekunde Wasser und jeden Meter Fallhöhe der abgearbeitetwerden kann, kann man in einem Wasserkraftwerk ≈ 8 kW elektrische Leistung erzeugen.

Pel ≈ 8 · kW

m3/s ·m·Q ·H (3.1)

2. Erläutern Sie den Aufbau eines Laufwasserkraftwerks

Abbildung 3.1: Laufwasserkraftwerk an einem Fluss mit genügend groÿem Gefälle (schema-tisch). OW Oberwasser, UW Unterwasser

Turbinen unter Beachtung der Tatsache ausgelegt, dass die Durch�ussmenge nur zum Teilzur Energieerzeugung herangezogen werden kann.Ein Fluss mit genügend Gefälle und steilen Ufern kann an geeigneter Stelle gestaut wer-den kann. Kraft und Stauwerk sind quer in den Fluss hineingebaut. Die Schaltanlage (dasSchalthaus) muss nicht unmittelbar mit dem Kraftwerk vereinigt werden, sondern kannam Ufer errichtet werden.Die Durch�ussmenge ist über ein Jahr zu beachten (Hochgebirgs�uss mit groÿen Durch-�ussmenge im Sommer bzw. Mittelgebirgs- und Flachland�uss mit gröÿter Durch�uss-mengen im Frühjahr und im Winter).

3. Was versteht man unter einer Rohrturbine?

Ähnelt hydraulisch der Kaplanturbine, Leit- und Laufschaufeln verstellbar. Maschine na-hezu axial durch�ossen, fast gerades Saugrohr hat bei hohen Wasserströmen besseren

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Wirkungsgrad.Einlaufspirale nicht erforderlich → Abstand zwischen einzelnen Maschinen gering.Generator vom Wasser umströmt. Soll aus hydraulischen Gründen möglichst klein sein→zwischen Turbine und Generator bei sehr niedriger Drehzahl ein Getriebe zur Erhöhungder Generatordrehzahl.

4. Beschreiben Sie den Begri� Schwallbetrieb.

Lückenlosen Ausbau→ Unterwasser einer Stufe wird zum Oberwasser der nächsten Stufein der Kette.Ist ein Becken oberhalb der ersten und unterhalb der letzten Stufe in der Kette vor-handen, so lässt sich bei entsprechender Auslegung der Kraftwerke auch ein Beitrag zurSpitzenlastdeckung beisteuern. Führt aber zu ökologischen Problemen.

5. Welche Elemente umfasst ein Pumpspeicherkraftwerk?

Im Gebirge ist ein hochgelegener See mit Zu- und Ab�uss vorhanden. In einem solchenFall führt man das Wasser durch Stollen und Rohrleitungen zum Kraftwerk und dannzum Unterlauf des Ab�usses (siehe Abbildung 3.2). Das zu�ieÿende Wasser muss nicht

Abbildung 3.2: Schematische Darstellung eines Speicherkraftwerkes

unmittelbar ausgenutzt zu werden, sondern kann bis zu einem gewissen Grade in demSpeichersee gesammelt werden, um in Zeiten hoher Belastung zur Stromerzeugung (Spit-zenlastdeckung) herangezogen zu werden.Zur Sicherheit muss ein Wasserschloss (Ausgleichsbehälter für den Fall, dass das Kraft-werk seine Turbine im Schnellschluss abstellt) vorgesehen werden.Unterscheidung in Tages-, Monats- und Jahresspeichern.

6. In welcher Gröÿenordnung liegt die Umschaltzeit zwischen Pump- und Turbinenbetriebbei einem modernen Pumpspeicherkraftwerk?

Man erreicht Zeiten von 70 s bei Pumpturbinen.

7. Welche Turbinenarten stehen für Wasserkraftwerke zur Verfügung?

• Peltonturbine

• Francisturbine

• Kaplanturbine

8. Beschreiben Sie den Begri� spezi�sche Drehzahl.

Lässt sich aus der Ähnlichkeitstheorie der Strömungsmaschinen herleiten, gibt die Dreh-zahl eines dem betrachteten geometrisch ähnlichen Laufrades an, das bei 1m Fallhöhe den

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Volumenstrom 1m3/s verarbeitet.

nq = n ·

√Q

m3/s(Hm

)3/4 (3.2)

Kennzi�er zur Auswahl der Turbinenbauart wenn eine gegebene Wasserdarbietung beieiner gewünschten Drehzahl n nutzbar gemacht werden soll.

9. Was versteht man unter einem Muscheldiagramm? Wie unterscheiden sich prinzipiell Mu-scheldiagramme von Gleichdruck- und Überdruckturbinen? Skizzieren Sie solche Muschel-diagramme.

Strömungsähnliche Turbine mit RaddurchmesserD1 = 1 m und der Fallhöhe H1 = 1 m entworfen und gebaut. Mit dieser Modellturbinekann man dann z.B. für die Francisturbine Kurvenscharen Q′1(n

′1) und η(n′1) aufnehmenfür verschiedene Leitradö�nungen a0.

Q′1 =Q√

Hm·(Dm

)2 (3.3)

n′1 =n√Hm

·(D

m

)(3.4)

Sind Q und H bekannt und das Muscheldiagramm, also Q′1 bei ηmax, so berechnet manden Durchmesser D aus (8-6), für den die Turbine auszulegen ist. Mit D und n′1 bei ηmax

folgt dann die Drehzahl n der Turbine.Eine vorgegebene Fallhöhe/Wasserstrom-Kombination verlangt also einen ganz bestimm-ten Turbinentyp.

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Abbildung 3.3: Verschiedene Muscheldiagramme

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Kapitel 4

Kraftwerkseigenbedarf

1. Beschreiben Sie die grundsätzlichen Betriebsarten von Kraftwerken und nennen Sie einigeBeispiele dazu

bestimmungsgemäÿer Betrieb:

• Anfahren aus unterschiedlich langen Stillstandsphasen

• Dauerbetrieb im Bereich zwischen Mindest- und Volllast ohne zeitliche Einschrän-kung

• Abfahren aus dem gerade gefahrenen Zustand der Anlage

• Kraftwerksinselbetrieb (Hauptgenerator versorgt das Eigenbedarfssystem)

• Stillstandsbetrieb (Haupt- oder Reservenetz versorgen das Eigenbedarfssystem)

nicht-bestimmungsgemäÿer Betrieb:

• Störungen in verfahrenstechnischen Systemen

• Störung einer Komponente des Eigenbedarfssystems

• Notstrombetrieb

• Sonderbetrieb (Erstinbetriebnahme von Neuanlagen, die Versorgung während unddie Wiederinbetriebnahme nach einer Groÿrevision)

2. Beschreiben Sie den grundsätzlichen Aufbau von Eigenbedarfssystemen

Das elektrische Eigenbedarfsnetz soll die notwendigen elektrischen Nennbetriebsparame-ter in jedem Betriebszustand des Kraftwerkes zur Verfügung stellen und die in diesenBetriebsfällen auftretenden Toleranzen im Spannungs- und Frequenzbereich abdecken.

Hauptbestandteile Eigenbedarfssystem:

• Hauptgenerator

• Normalnetz

(a) Notstromnetz und alle weiteren elektrischen Verbraucher angeschlossen

(b) unterliegt Spannungsunterbrechungen!

(c) Einspeisungen: Hauptnetz, Hauptgenerator, Anfahr-/ Reservenetz

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Abbildung 4.1: Prinzipdarstellung des Eigenbedarfssystems

• Notstromnetz

(a) unterbrechungsfrei: muss im Anforderungsfall ohne Spannungsunterbrechung inBetrieb bleiben (z.B.: mit batteriegepu�erte Gleichstromanlagen)

(b) unterbrechungsbehaftet: Notstromverbraucher, deren Versorgung im Anforde-rungsfall eine Unterbrechung zulässt (z.B.: schnell startende Notstromaggrega-te)

• Anschlusspunkte zum Haupt- und Reservenetz

Eigenbedarfssystem sollte über mindestens zwei getrennte Einspeisungen verfügen. Alsinterne Quellen sind je nach Kraftwerkstyp Generatoren, Dieselgeneratoren, Batterienund/ oder nachgeschaltete Umformer vorhanden.

3. Wie können elektrische Verbraucher im Eigenbedarfssystem kategorisiert werden?

• Motorische und nicht motorische Verbraucher

(a) Motoren zum Antrieb von Pumpen, Gebläsen und Hebezeugen

(b) Stellantriebe zum Betätigen von Schiebern und Absperrungen

(c) Regelantriebe zur Regelung von Medien und Massenströmen

• Prozessgebundene und Allgemeinverbraucher

(a) Heizungen für Behälter und Rohrleitungen

(b) Beleuchtungsanlagen für Innen- und Auÿenbereiche, Rettungswege und Flug-warnbefeuerungen

(c) elektrische Schutzeinrichtungen und Brandmeldeanlagen

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(d) leittechnische Anlagen

4. Was versteht man unter Blockschaltung, was unter Sammelschienenschaltung eines Kraft-werks?

• BlockschaltungDie Verbindung zwischen Generator, Maschinen- und Eigenbedarfstransformatorwird durch die Generatorableitung hergestellt, die als Hochstromverbindung diehöchsten Betriebsströme im Kraftwerk tragen und für die Beherrschung höchsterKurzschlussströme ausgelegt sein muss.

Abbildung 4.2: Blockschaltung

• SammelschienenschaltungFür kleinere und mittelgroÿe Kraftwerke, insbesondere Industriekraftwerke und Heiz-kraftwerke. Generatoren speisen über eine gemeinsame Hauptsammelschiene einer-seits in das Netz und andererseits auf ein gemeinsames Eigenbedarfssystem ein. Meistist zusätzlich ein Hausgenerator oder eine Reserveeinspeisung für separate Eigenbe-darfsversorgung vorhanden. Diese Schaltung ist vorteilhaft für:

� ungleiche Anzahl von Kesseln und Turbogruppen

� kleine Maschinensätze

5. Beschreiben Sie die Voraussetzungen und den Ablauf einer Sofortumschaltung

Bevorzugte Umschaltvariante im Hoch- und Mittelspannungsbereich. Erfolgt nach Anre-gung, wenn Spannungsbetrag und Spannungswinkel des Haupt- und Reservenetzes pha-sensynchron und innerhalb vorgegebener Grenzwerte liegen, und die Spannung des zweitenNetzes oberhalb des Minimalwerts liegt.Die stromlose Pause ist nur von der Di�erenz der Aus- und Einschaltzeiten der verwen-deten Schaltgeräte abhängig.Unterbrechungszeit etwa 10...30ms. Es kann praktisch von einem unterbrechungsfreien

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Abbildung 4.3: Sammelschienenschaltung

Weiterbetrieb ausgegangen werden.Ausgleichsströme im Bereich des 1,2 bis 2-fachen des aktuellen Betriebsstromes.

6. Beschreiben Sie die Voraussetzungen und den Ablauf einer Schnellumschaltung

Im Moment der Anregung zwischen den beiden Netzen besteht keine Synchronizität zwi-schen den Netzen und daher kann aus physikalischen Gründen keine Sofortumschaltungerfolgen.Haupteinspeisung wird unverzögert ausgeschaltet. Frühestmögliche Zeitpunkt im erstenMinimum der Di�erenz zwischen der Reservenetz- und Sammelschienenspannung gege-ben. Zuschaltung erfolgt synchron, wenn Phasenwinkel im Augenblick der Zuschaltungzu null geworden ist.Unterbrechungszeit zwischen 150ms und 200ms.Ausgleichsströme liegen im Bereich des 2,5 bis 3,5-fache des aktuellen Betriebsstromes.

7. Beschreiben Sie die Voraussetzungen und den Ablauf einer Restspannungsumschaltung

Zuschaltung des Reservenetzes erfolgt erst, wenn die Spannung an der Sammelschienenach Abschaltung der fehlerhaften Einspeisung auf einen voreingestellten Wert, z.B. aufeine Restspannung von 40% der Nennspannung, abgeklungen ist. Das kann mehr als 1sbis 2s dauern und hängt vom motorischen Anteil der Sammelschienenlast ab.Zuschaltung erfolgt ohne Rücksicht auf Synchronismus von Phasenwinkeln oder Di�e-renzfrequenzen. Höhere Werte als 40% Restspannung können zu mechanischen Überbe-anspruchungen führen.

8. Beschreiben Sie die Voraussetzungen und den Ablauf einer Langzeitumschaltung

Langzeitumschaltung oder zeitgesteuerte Umschaltung erfolgt, wenn bei einer Umschal-

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tung bis zum Ablauf einer fest eingestellten Zeit durch die automatische Umschalteinrich-tung keine Daten mit den voreingestellten Parametern für eine Sofort-, eine Schnell- odereine Restspannungsumschaltung ermittelt werden konnten.Zeiten von 3s bis 5s sind hierfür üblich. Kraftwerksprozesse können nicht aufrechterhaltenwerden.

9. Welchen Zweck hat eine automatische Umschaltvorrichtung?

ohne Beeinträchtigung der augenblicklichen Funktion der angeschlossenen Verbraucherwird die Sammelschiene oder der Sammelschienenabschnitt auf eine zweite interne Ein-speisung oder ein Reservenetz umgeschaltet.

Abbildung 4.4: Automatische Umschalteinrichtung zwischen zwei Einspeisungen

Beide Einspeisungen wirken auf eine Sammelschiene und sind in der Auslegung gleichbe-rechtigt. Im bestimmungsgemäÿen Betrieb ist eine der beiden Einspeisungen vorgewählt.Ist diese gestört, wird auf die zweite Einspeisung umgeschaltet.Die Sammelschiene kann in zwei Abschnitte geteilt werden. Die automatische Umschalt-einrichtung wirkt hier auf drei Schaltgeräte, von denen im bestimmungsgemäÿen Betriebdie Kupplung geö�net ist und die beiden Einspeisungen geschlossen sind. Automatischwird im Anforderungsfall die gestörte Seite geö�net und die Kupplung geschlossen (siehe4.5).

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Abbildung 4.5: Automatische Umschalteinrichtung zwischen zwei Einspeisungen und Sammel-schienenkupplung

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Kapitel 5

Schutz in Kraftwerken

1. Beschreiben Sie die konkurrierenden Anforderungen an die Schutztechnik in Kraftwerken

• Zuverlässigkeit:Die Schutzeinrichtung soll möglichst während der ganzen Lebensdauer ohne groÿenWartungsaufwand bestimmungsgemäÿ arbeiten, sowie weder zu Überfunktion nochUnterfunktion führen.

• Selektivität:nur das fehlerbetro�ene Betriebsmittel wie z.B. Generator oder Transformator sollvom übrigen System abgetrennt werden, um die Versorgung der Abnehmer weitge-hend aufrecht erhalten zu können.

• Schnelligkeit:Umfang und Ausbreitung des Schadens z.B. durch einen Hochstromlichtbogen sollbegrenzt begrenzt und ein Auÿertrittfallen, d.h. Verlust der Synchronizität einesSynchrongenerators mit dem Netz vermieden werden (Achtung auf Eigenzeit derSchutzrelais zur Erfassung und Auswertung der Störung sowie Eigenzeit der Leis-tungsschalter).

• Wirtschaftlichkeit:Das Schutzsystem im Kraftwerk soll in seinen Kosten für Anscha�ung und Wartungbzw. Funktionsüberwachung in einem angemessenen Verhältnis zum Schutzobjektstehen.

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2. Welche Schutzfunktionen werden generell für alle Generatoren unterschiedlicher Gröÿeeingesetzt?

Abbildung 5.1: Typischer Schutz für Generator im Bereich von 1-3 MVA

• Abhängiger (inverser) Überstromzeitschutz im Dreiphasensystem (51) und im Stern-punkt (51N) zum Schutz für (externen) Kurzschlüssen und groÿer Überlast

• Schie�astschutz (46) zur Vermeidung unzulässiger Belastung insbesondere der Dämp-ferkreise des Generatorläufers

• Thermischer Überlastschutz (49) als Reserveschutz und bei langandauernden denBemessungsstrom nicht deutlich übersteigenden Überlasten

• Ein Überfrequenzrelais (81) bzw. ein Überspannungsrelais (59) (nur vorgesehen,wenn der Generator durch das antreibende Moment der Antriebsmaschine eine Über-drehzahl aufnehmen kann bzw. möglicher Übererregung)

• Rückleistungsschutz (32)

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3. Nennen Sie einige Schutzfunktionen, die insbesondere bei sehr groÿen Generatoren (. 50MVA) eingesetzt werden und beschreiben Sie deren Wirkungsweise

Abbildung 5.2: Typischer Schutz für mittelgroÿe Generatoren

Zusätzlich zu kleinen Genatoren von Punkt 2 werden bei groÿen Generatoren noch fol-gende Schutzmaÿnahmen vorgesehen:

• Di�erentialschutz im Dreiphasensystem (87) und im Sternpunkt (87N)

• Untererregungsschutz (40), Läufererdschlussschutz (64R) sowie

• unabhängigen Überstromzeitschutz (50) und Unterspannungsschutz (27)

• Generatoren (5 - 50 MVA) Teile des Schutzsystems redundant, zusätzlich gerichteterÜberstromzeitschutz für Erdfehler (67N) und Detektion von Sternpunktverlage-rungsspannungen (59N)

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4. Nennen Sie einige Schutzfunktionen, die insbesondere bei sehr groÿen Generatoren (5 -50 MVA) eingesetzt

Abbildung 5.3: Typischer Schutz für groÿe Generatoren

(a) Schutz gegen Netzkurzschlüsse und Überlast

• Distanzschutz: Reservefunktionen für Netz- und Blockschutz

• Distanzschutz im Generatorsternpunkt: Wenn Netzschutzeinrichtungenversagen und Generator länger als die eingestellte Endzeit auf einen Netzkurz-schluss einspeist, soll diese letzte Reservestufe ihn vom Netz trennen

• Überlastschutz: knapp über dem Generatorbemessungsstrom eingestellt undmit einer gröÿeren Zeitverzögerung versehen

• Überstromschutz: Reserveschutzfunktion auf der OS-Seite

(b) Schutz der Turbine

• Turbinenschnellschlussventils: Leistungsschalter auf der OS-Seite des Block-transformators muss gleichzeitig ausgeschaltet werden, damit der Generator

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nicht als Motor weiterläuft

• Rückleistungsschutz: Nach ein bis zwei Sekunden ergeht eine Warnung, wäh-rend bei andauernder Rückleistung nach 10 bis 15 s der Schnellschluss eingreift

• Kraftwerksentkopplung: 150 ms nach Kurzschlusseintritt soll die Kupplungzwischen Generator und Turbine vor Überlastung schützen für den Fall, dass einkraftwerksnaher Kurzschluss in der Zwischenzeit nicht vom Netzschutz erfasstund ausgeschaltet worden ist

• Unterfrequenzrelais: wenn die Frequenz im Netz unter eine festgelegte Grenzefällt soll der Kraftwerksblock vom Netz getrennt werden, um den Eigenbedarfzu sichern

• Spannungssteigerungsschutz: ersten Meldestufe für das Überschreiten einereingestellten betriebsfrequenten Spannung und einer zweiten Stufe, die bei Über-schreiten eines höheren Wertes (z.B. 1,5-fache Nennspannung) zur Auslösung desLeistungsschalters führt

(c) Schutz des Generatorständers

• Di�erentialschutz: beim Auftreten von mehrpoligen Kurzschlüssen

• Ständererdschlussschutz: nach geringer Zeitverzögerung Auslösen des Leis-tungsschalters, zur Entregung und zum Schnellschluss (um kapazitivem Erd-schlussstrom in einen Windungs-, Wicklungs- oder sogar Doppelerdkurzschlussmit hohen Strömen und entsprechende Schadensausweitung zu verhindern)

• Erdschlussschutzeinrichtung zwischen Blocktransformator und Gene-ratorschalter: für den Fall, dass in diesem Bereich einschlieÿlich der US-Wicklungdes Blocktransformators bei o�enem Generatorschalter ein Erdschluss auftritt

(d) Schutz des Generatorläufers

• Läufertemperaturschutz und den Schie�astschutz

• Läufer(Rotor)Erdschlussschutz: überwacht dauernd die Isolation des Läu-fers gegen Erde einschlieÿlich der galvanisch mit dem Läufer verbundenen Teiledes Erregersystems

(e) Schutz des Blocktransformators

• Di�erentialschutz,Erdschlussschutz auf der OS-Seite undBuchholzschutz(= Warnung bei Gasentwicklung und Auslösung bei rascher Ölströmung zwi-schen Transformatorkessel und Ausdehnungsgefäÿ)

• Übererregungsschutz

(f) Schutz des Eigenbedarfstransformators

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