D. Oeding · B. R. Oswald

Elektrische Kraftwerke und Netze

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Dietrich Oeding · Bernd R. Oswald

Elektrische Kraftwerke und Netze

6. Auflage

Mit 529 Abbildungen und 119 Tabellen

~Springer

Dipl.-Ing. Dietrich Oeding Universitätsprofessor i. R., Institut für Elektrische Engergieversorgung Technische Universität Darmstadt

Dr.-Ing. habil. Bernd R. Oswald Universitätsprofessor, Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik Universität Hannover

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ISBN 978-3-662-06961-5 ISBN 978-3-662-06960-8 (eBook)

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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2004 Urspriinglich erschienen bei Springer-V erlag Berlin Heidelberg New Y ork 2004 Softcover reprint of the hardcover 6th edition 2004

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Satzherstellung und digitale Reproduktion der Abbildungen: Fotosatz-Service Köhler GmbH, Würzburg Einbandgestaltung: rnedio Technologies AG, Berlin

Gedruckt auf säurefreiem Papier 62/3020Rw 543210

Vorwort zur sechsten Auflage

Die Bedeutung der elektrischen Energie für das Leben der Menschen, die in­dustrielle Produktion, die Mobilität und die Kommunikation hat seit der letz­ten Auflage des Buches im Jahre 1978 weiter stark zugenommen, auch wenn die Unsicherheiten bei der Bereitstellung der Primärenergie zur Umwandlung in elektrische Energie größer geworden sind. Die Kernkraftwerksunfälle in Three-Mile Island (USA) und in Tschernobyl (UdSSR) haben zu dieser Unsi­cherheit beigetragen, und in Deutschland sogar zu einem Ausstiegsbeschluss aus der friedlichen Nutzung der Kernenergie im Jahre 2001 geführt. Zu starker Verunsicherung hat auch die anhaltende Diskussion über Umweltschäden durch die Verbrennung fossiler Primärenergien wie Kohle und Erdöl/Benzin und die daraus entstehende Erwärmung der Erdatmosphäre geführt, auch wenn man heute noch nicht sicher sein kann, ob steigende mittlere Tempera­turen nicht auch oder zusätzlich durch eine verstärkte Sonnenfleckentätigkeit erklärbar sein könnten.

Nachdem man festgestellt hat, dass durch Energieeinsparmaßnahmen und effiziente Nutzung eine teilweise Entkopplung von Wirtschaftswachstum und Anstieg des Primärenergieeinsatzes möglich ist, und in industriell entwickel­ten Ländern auch der Anstieg für die elektrische Energie stark zurückgegan­gen ist gegenüber den Jahrzehnten nach dem zweiten Weltkrieg, hat die Zeit rasch steigender Leistungen bei Kraftwerksblöcken sowie die Einführung im­mer neuer höherer Spannungsebenen bei 1000 kV ein Ende gefunden. Im Zuge der Ausweitung des Verbundbetriebes in Europa versucht man die vor­handenen Primärenergien und dabei insbesondere die Wasserenergie und an­dere regenerative Energien möglichst vollständig zu nutzen. Die eingeführte Liberalisierung des Strommarktes in Europa kann zur guten Ausnutzung der Kraftwerke und Netze führen und damit zu einem Abbau der hohen Verfüg­barkeit, um so dem Konkurrenzdruck standhalten zu können. Die Bewäh­rungsprobe des liberalisierten Strommarktes steht noch aus.

In den vergangeneu Jahrzehnten sind Konstruktionen und Verfahren ent­wickelt worden zum sparsamen und umweltschonenden Umgang mit Primär­energie, zum Beispiel bei der Heizung und beim Automobil sowie insgesamt in der Industrie und im Haushalt. In einer Reihe von Industrieländern da­runter auch in Deutschland hat man darüber hinaus eine starke staatliche För­derung regenerativer elektrischer Energieerzeugung durch Windkraftwerke und Solarzellen eingeleitet, dies in der Hoffnung, dass diese regenerativen

VI Vorwort zur sechsten Auflage

Quellen in einigen Jahrzehnten, wenn man auch große Offshore-Windparks verwirklicht hat, einen merklichen Anteil der fossilen Energieverbrennung zur elektrischen Energieerzeugung ersetzen zu können.

Immerhin wurde im Jahre 2002 der bisher größte Windpark Europas am Wybelsumer Polder bei Emden mit 54 Windenergieanlagen, die maximal zu­sammen 70 MW erzeugen können, in Betrieb genommen und damit erreicht, dass etwa 3 o/o der elektrischen Energie in Deutschland aus Windenergieanla­gen bereitgestellt werden konnten.

Auch unter Berücksichtigung der hier angedeuteten Entwicklung erschien es angebracht, die fünfte Auflage zu überarbeiten und dem Stand der Technik anzupassen, wobei es wie in den vorangegangenen Auflagen das Ziel war, den Ingenieuren in der Praxis und den Studierenden ein Buch mit verlässlichen Grundlagen für die elektrische Energieversorgung in die Hand zu geben. Bei der Überarbeitung wurden einzelne Kapitel völlig neu bearbeitet, während an­dere dem Stand der Technik angepasst oder entsprechend ergänzt wurden. Das Kap. 4 zum Beispiel, in dem bei der fünften Auflage nur Wasserkraftwerke behandelt wurden, enthält in der neuen Auflage zusätzlich auch einen Ab­schnitt über Windkraftanlagen.

In ausreichendem Maße wurde in den Kap. 2, 5, 13, 14, 15, 16 und 18, die sich teilweise mit Berechnungen im Drehstromnetz beschäftigen, der verstärkten Verwendung von Programmen Rechnung getragen.

Kapitel 10 über Kabel wurde durch einen umfangreichen Anhang über die Mit- und Nullimpedanzen für Stromkreise aus vier Einleiter-Kunststoffkabeln ergänzt.

Vollständig neu bearbeitet wurde u.a. Kap. 15 über die Berechnung der Kurzschlussströme und ihrer Wirkungen, weil sich hier mit der Herausgabe der IEC-Normen 60909 (2001) und 60865 (1993), aufbauend auf der Basis der Vorarbeiten in Deutschland seit 1954 und der 1972 begonnenen internationa­len Zusammenarbeit, sowie der weiteren dazugehörenden bis zum Jahre 2002 veröffentlichten Ergänzungen und Verbesserungen, ein weltweit anerkannter Standard auf diesem für die elektrische Energieversorgung wichtigen Feld herausgebildet hat.

Auch in der vorliegenden sechsten Auflage fand sich nicht genügend Raum für eine ausführliche Darstellung der Schutztechnik und der digitalen Leit­technik in Kraftwerken und Netzen der elektrischen Energieversorgung. Die Hütte, 29. Auflage, Elektrotechnik Band 3 Netze enthält eine ausführliche Dar­stellung. Aufgenommen wurde hier deshalb nur ein kurzer Überblick über die Aufgabe des Schutzes bei Kraftwerksblöcken und im Drehstromnetz mit Lite­raturhinweisen.

Formelzeichen und Nebenzeichen werden in weitgehender Anpassung an DIN 1304 und insbesondere an DIN 1304, Teil 3: "Formelzeichen für elektri­sche Energieversorgung" gewählt. Die Indizes n und r für Nennwerte und Be­messungswerte werden nach DIN 40200 verwendet. Wesentliche Abweichun­gen ergeben sich damit nur gegen die veraltete Norm DIN 1304, Teil 7: "For­melzeichen für elektrische Maschinen". Die Leiter des Drehstromnetzes

Vorwort zur sechsten Auflage VII

werden mit Ll, L2, L3 bezeichnet. Die Kurzform 1, 2, 3 wird nicht verwendet. Die symmetrischen Komponenten können dann die Indizes 1, 2, 0 für das Mit-, Gegen- und Nullsystem erhalten. Bei Formelzeichen und Indizes in den Kap. 15 und 16 ergeben sich einige Abweichungen, weil hier eine weitgehende Anpassung an die genannten IEC-Normen erfolgte.

Das Vorwort der fünften Auflage wird unverändert abgedruckt in Erinne­rung an Dr.-Ing. Hans Happoldt, Ehrenringträger des VDE, der im Jahre 1984 verstorben ist.

Die Verfasser danken den Firmen, die Bildmaterial zur Verfügung gestellt haben. Sie danken dem Springer-Verlag für die sorgfältige Ausführung der Zeichnungen und die gute Ausstattung des Buches. Sie wünschen der neuen Auflage eine gute Aufnahme.

Ober-Ramstadt, Hannover Januar 2004

D. Oeding B.R. Oswald

Vorwort zur fünften Auflage

Die rasche Weiterentwicklung der elektrischen Energieerzeugung, ebenso wie die Entwicklungen auf dem Gebiet der Energie-Übertragung und -Verteilung, haben eine vollständige Neubearbeitung des Buches "Elektrische Kraftwerke und Netze" von Buchhold/Happoldt notwendig gemacht.

Steigende Einheitenleistungen beim Bau von Kraftwerken, insbesondere bei Kernkraftwerke, ebenso wie steigende Einheitenleistungen bei Block- und Netztransformatoren und anderen Betriebsmitteln erzwingen die Steigerung der Übertragungsleistungen für Freileitungen und Kabel. Auf der einen Seite beobachtet man die verstärkte Erschließung großer abgelegener Wasserkräfte in Kraftwerken bis zu einigen Tausend MW mit der Übertragung der Leistung über Fernleitungen mit Drehstrom bis 765 kV und Gleichstrom bis ± 533 kV, während auf der anderen Seite verbrauchernahe große thermische Kraftwerke entstehen mit nur verhältnismäßig geringen Übertragungsentfernungen und hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit und an die Beherrschung der Kurzschluss- und Erdkurzschlussströme.

Bei der Neubearbeitung wurde in verstärktem Maße die Darstellung und Berechnung der Drehstromnetze mit Hilfe der symmetrischen Komponenten aufgenommen. Die Berechnungsgleichungen wurden weitgehend den VDE­Bestimmungen angepasst. Hier wurde damit zahlreichen Anregungen aus dem Leserkreis Rechnung getragen. Formelzeichen und Indizes wurden aus­gehend von DIN 4897 "Elektrische Energieversorgung-Formelzeichen" ge­wählt. Um den Umfang der bisherigen Darstellung nicht wesentlich auszuwei­ten, wurde der Relais-Schutz von elektrischen Maschinen und Netzen nicht behandelt; hier ist auf die einschlägige Literatur zu verweisen.

Das Buch wendet sich an Ingenieure, die sich mit der Projektierung, dem Bau und dem Betrieb von Anlagen zur Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie beschäftigen. Wir hoffen, dass es auch eine wertvolle Hilfe für die Stu­dierenden der Fachrichtung Energietechnik sein wird.

Zum Dank sind die Verfasser zahlreichen Fachleuten verpflichtet, die Mate­rial und Anregungen beigesteuert haben. Hier sind besonders zu nennen die Herren Dr.-Ing. H. Schweikert, der den Abschnitt Wasserturbinen neu gestal­tete, Dipl.-Ing. K.H. Schüller und Mitarbeiter, die die Neufassung des Ab­schnittes Wärmekraftwerke unterstützten, Dipl.-Ing. R.-D. Steckel und Stud.­Ass. E. Zimmermann, die wertvollen Anregungen gegeben und den Abschnitt über die Kabelbelastbarkeit neu bearbeitet haben, Dipl.-Ing. J. Stenzel, der den

X Vorwort zur fünften Auflage

Abschnitt Sternpunktbehandlung und Erdung in Hochspannungsnetzen neu zusammengestellt hat, und Dipl.-Ing. H. P. Lips, der den Abschnitt Hochspan­nungs-Gleichstrom-Übertragung überarbeitet hat, sowie weiterhin den Fach­kollegen, die sich die Mühe der Durchsicht und Korrektur unterzogen haben.

Die Verfasser danken den Firmen, die Unterlagen und Bildmaterial zur Ver­fügung gestellt haben.

Für die gute Ausstattung und die sorgfältige Ausführung der Zeichnungen danken die Verfasser dem Springer-Verlag und wünschen dem neubearbeite­ten Buch eine gute Aufnahme bei den Ingenieuren der Praxis und den Studie­renden der Energietechnik

Weinheim, Mannheim Dezember 1977

H.Happold D. Oeding

Inhaltsverzeichnis

1 1.1 1.2

2 2.1 2.2 2.2.1

2.2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5

3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

4 4.1 4.2

Allgemeines zur elektrischen Energieversorgung . . . . . . . Einführung, Primärenergie und elektrische Energie . . . . . Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie

Grundlagen zur Berechnung in Drehstromnetzen Überblick ..................... . Komplexe Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Transformation zeitlich sinusförmig verlaufender Größen in die komplexe Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die komplexe Leistung im Wechsel- und Drehstromnetz Zählpfeile und Zählpfeilsysteme Symmetrische Komponenten . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . Symmetrierung und Entsymmetrierung Impedanzen im Mit-, Gegen- und Nullsystem Drehstromleistung und Komponentenleistungen Modale Komponenten . . . . . . . . . . . Allgemeiner Ansatz . . . . . . . . . . . . Bestimmung der Transformationsmatrix Transformation von Zeigergrößen . . Leistung in modalen Komponenten Gebräuchliche Komponentensysteme

Thermische Kraftwerke . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . Grundlast-, Mittellast-und Spitzenlastanlagen Thermische Prozesse, Wirkungsgrad Kraft-Wärme-Kopplung . . . . . . . . . . . . Dampfturbine . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Anordnung in Dampfkraftwerken Nukleare Dampferzeugung - Kernkraftwerke

Wasserkraftwerke und Windenergieanlagen Bedeutung ...... . Wasserkraftgeneratoren . . . . . . . . . . . .

6

13 13 13

13 15 18 26 26 26 31 34 35 36 38 39 40 41

47 47 51 55 74 78 81 86

93 93 94

XII

4.3 4.4 4.5

5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4

6 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3

7 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.4 7.4.1 7.4.2 7.5 7.5.1 7.5.2

8 8.1 8.2

Inhaltsverzeichnis

Wasserturbinen . . . . . . . . . . . Laufwasser- und Speicherkraftwerke Windenergieanlagen

Drehstromgeneratoren Allgemeines . . . . . . Gleichungssystem der Synchronmaschine Stationärer Betrieb . . . . . . . . . Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie Nichtstationärer Betrieb . . . . . . Operatorengleichungen . . . . . . . Zeitlicher Stromverlauf bei dreipoligem Klemmenkurzschluss Kurzschlussdrehmomente und Fundamentbeanspruchung Ersatzschaltungen für den subtransienten und den transienten Zustand . . .

Generator- und Turbinenregelung Erregungseinrichtungen Spannungsregelung . . . . . . . . Statik der Spannungsregelung Spannungsregelung eines Turbogenerators Turbinenregelung . . . . Bilanzmodell des Netzes Primärregelung . Sekundärregelung . . . .

Eigenbedarfsanlagen in Kraftwerken Aufgabe des Eigenbedarfs . . . . . . . Aufbau von Eigenbedarfsnetzen, Prinzipschaltung Auswahl der Eigenbedarfstransformatoren . . . . Niederspannungsversorgung . . . . . . . . . . . . Sicherstellung des Eigenbedarfs in thermischen Kraftwerken . Grundüberlegungen . . . . . . . . . . . . . . . . Reserveversorgung des Eigenbedarfs . . . . . . . Notstillsetzen des Blockes, Notstromversorgung Spannungshaltung und Schnellumschaltung Spannungseinbruch beim Einschalten von Motoren Umschaltung des Eigenbedarfs Schutz von Kraftwerksblöcken . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . Schutzmaßnahmen für Kraftwerksblöcke

Transformatoren . . . . . . . . Einsatz der Transformatoren . . Schaltgruppen und Schaltungen

96 102 111

119 119 126 130 140 142 143 147 152

161

167 167 171 171 171 180 180 183 186

191 191 192 194 195 197 197 197 201 202 202 205 211 212 213

217 217 219

Inhaltsverzeichnis

8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5 8.4 8.5 8.6 8.6.1 8.6.2 8.6.3

9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.4.4 9.5 9.5.1 9.5.2 9.5.3 9.5.4 9.6 9.6.1 9.6.2 9.6.3 9.6.4 9.7 9.7.1 9.7.2

10 10.1 10.2

Zwei- und Dreiwicklungstransformatoren ......... . Ersatzschaltung und Zeigerdiagramm . . . . . . . . . . . . Leistungsaufnahme und Spannungsänderung bei Belastung Dreiwicklungstransformatoren . . . . . . Nullsystem und Sternpunktbelastbarkeit Rushströme beim Einschalten Wicklungen und Stufenschalter . . . . . . Spartransformatoren . . . . . . . . . . . Ersatzschaltungen in symmetrischen Komponenten Impedanzersatzschaltungen Admittanzersatzschaltungen . . . . Ersatzschaltungen ohne Übertrager

Freileitungen . . . . . . Mastformen, Kosten . . . Aufbau der Freileitungen Mittlere geometrische Abstände Impedanzen . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . Selbst- und Gegenimpedanzen von Leiterschleifen Impedanzen in symmetrischen Komponenten Induktive Beeinflussung Kapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . Selbst- und Gegenpotenzialkoeffizienten von Leiterschleifen Admittanzen in symmetrischen Komponenten Oberflächenrandfeldstärke . . . . Die Leitung im stationären Betrieb . . . . Leitungsgleichungen . . . . . . . . . . . Ersatzschaltungen für die kurze Leistung Wellenwiderstand und natürliche Leistung Verluste, wirtschaftliche Stromdichte Wirkung der Freileitungen auf den Menschen Elektrische und magnetische Feldstärke am Erdboden HF-Störfeldstärke und Geräuschpegel

Kabel ...... . Allgemeines . . . Aufbau der Kabel

10.3 Kabelauslegung und Belastbarkeit 1 0.3.1 Allgemeine Überlegungen 10.3.2 Strombelastbarkeit 10.3.3 Verlustberechnung 10.3.4 Wärmewiderstände 10.3.5 Normalbedingungen für Kabelbelastung und Häufung

XIII

223 223 227 229 233 236 239 243 246 246 253 255

257 257 260 265 270 270 271 280 291 292 292 294 298 303 306 306 307 308 310 314 314 321

323 323 323 329 329 330 332 337 339

XIV Inhaltsverzeichnis

10.3.6 10.4 10.4.1 10.4.2 10.5

11 11.1 11.1.1 11.1.2 11.1.3 11.1.4 11.1.5 11.1.6 11.2 11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4

12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.6.1 12.6.2 12.6.3 12.6.4 12.7 12.7.1

Kabelbelastung bei Bodenaustrocknung und wechselnder Last Impedanzen und Kapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Impedanzen im Mit- und Nullsystem ............. . Kapazitäten, Ladeleistungen und kapazitiver Erdschlussstrom Hochspannungs- und Hochleistungskabel

Schalter und Schaltanlagen . . . . . Leistungsschalter . . . . . . . . . . Anforderungen an Leistungschalter Ölschalter, ölarme Schalter Vakuumschalter . Druckluftschalter Generatorschalter SF6-Schalter . Schaltanlagen . . Allgemeines . . . Schaltungen in Schaltanlagen Innenraum- und Freiluftschaltanlagen Vollgekapselte, SF6-isolierte Schaltanlagen

Drehstromnetze . . . . . . . . Netzaufbau, Verbundnetz . . . Höchstspannungsübertragung Versorgung großer Städte oder Ballungsräume Verteilungsnetze . . . . . . . . . . . . . . Industrielle Stromversorgung . . . . . . . Blindleistungsbedarf und Kompensation Blindleistungsbedarf der Verbraucher Blindleistungsbedarf des Netzes . . . . . Blindleistungskompensation . . . . . . . Parallelresonanz und Absaugung von Stromoberschwingungen Netzschutz . . Überblick ..... .

12.7.2 Leitungsschutz .... 12.7.3 Transformatorschutz

13 Mathematische Beschreibung des Drehstromnetzes 13.1 Netzumformungen .............. . 13.2 Gleichungssysteme mit Admittanz-, Impedanz-

und Hybridmatrix . . . . . . . . . . . . . 13.2.1 Knotenpunktverfahren, Admittanzmatrix 13.2.2 Impedanzmatrix . . . . . . . . . 13.2.3 Hybridmatrix . . . . . . . . . . 13.3 Quer- und Längsunsymmetrien 13.4 Einfachquerfehler ....... .

342 346 346 354 358

365 365 365 368 368 370 373 373 375 375 376 379 382

387 387 390 397 403 410 412 412 417 419 425 431 431 433 435

439 439

439 441 445 449 455 461

Inhaltsverzeichnis

13.4.1 13.4.2 13.5 13.5.1 13.5.2 13.5.3 13.6 13.7 13.7.1 13.7.2 13.7.3 13.7.4 13.7.5

14 14.1 14.2 14.2.1 14.2.2 14.2.3 14.2.4 14.2.5 14.2.6 14.3 14.3.1 14.3.2 14.3.3 14.3.4 14.3.5

15 15.1 15.2 15.3 15.3.1 15.3.2 15.3.3

15.4

15.4.1 15.4.2 15.4.3 15.4.4

Strom-Spannungsbeziehungen an der Fehlerstelle Einpoliger Erdkurzschluss . . . . . . . . . . . . . Einfachlängsfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strom-Spannungsbeziehungen an der Fehlerstelle Einpoliger Längsfehler . . . . . . . . . . . . . . Zweipoliger Längsfehler . . . . . . . . . . . . . . Doppelerdkurzschluss und andere Doppelfehler Fehlermatrizenverfahren . . . . . . . . . . . . . Fehlerbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . Nachbildung von Kurzschlüssen an der Admittanzmatrix Nachbildung von Unterbrechungen an der Admittanzmatrix Nachbildung von Kurzschlüssen an der Impedanzmatrix Nachbildung von Kurzschlüssen und Unterbrechungen in modalen Komponenten

Leistungsfluss im Drehstromnetz Aufgabe ............. . Leistungsfluss auf Leitungen . . . Vorgabe der Belastung als konstante Impedanz Vorgabe der Belastung durch konstanten Strom Vorgabe der Belastung durch konstante Leistung Vorgabe der Abnahmeleistungen als Funktion der Spannung Leistungsfluss auf Leitungen bei mehreren Abnahmen Leistungsfluss in Ringnetzen . . . . . . . . . . . . . . Leistungsfluss in vermaschten Netzen . . . . . . . . . Methoden der Leistungsflussberechnung - Einführung Knotenpunktverfahren . . . . . . . . Newton-Verfahren .......... . Entkoppelte Leistungsflussberechnung Gleichstromleistungsflussberechnung

Kurzschlussströme und Kurzschlussbeanspruchungen Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitlicher Verlauf des Kurzschlussstromes . . . . . Methoden zur Berechnung der Kurzschlussströme Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . Überlagerungsverfahren . . . . . . . . . Verfahren mit der Ersatzspannungsquelle an der Kurzschlussstelle . . . . . . . . . . Nachbildung der Betriebsmittel beim Verfahren mit der Ersatzspannungsquelle an der Kurzschlussstelle Allgemeines . . . . . . . . . . . . . Netzeinspeisungen ........ . Leitungen (Freileitungen und Kabel) Transformatoren . . . . . . . . . . .

XV

462 466 468 468 469 471 472 478 480 481 483 486

486

487 487 487 489 490 493 494 495 498 499 499 503 510 512 514

517 517 521 527 527 527

534

539 539 540 542 543

XVI Inhaltsverzeichnis

15.4.5 Generatoren ............. . 15.4.6 Kraftwerksblöcke mit Stufenschalter 15.4.7 Kraftwerksblöcke ohne Stufenschalter 15.4.8 Korrekturfaktoren bei Kurzschluss zwischen Generator

und Blocktransformator 15.4.9 Motoren ................. . 15.5 Kurzschlussströme und ihre Berechnung 15.5.1 Allgemeines ........... . 15.5.2 Anfangs-Kurzschlusswechselstrom 15.5.3 Stosskurzschlussstrom 15.5.4 Ausschaltstrom ......... . 15.5.5 Dauerkurzschlussstrom ..... . 15.5.6 15.5.7 15.6

15.6.1 15.6.2

15.6.3 15.7 15.7.1 15.7.2

15.7.3 15.7.4 15.8

16 16.1 16.2 16.2.1 16.2.2 16.2.3 16.2.4 16.3

16.4 16.4.1 16.4.2

16.4.3 16.4.4 16.4.5 16.5

Beitrag von Asynchronmotoren zum Kurzschlussstrom Thermisch gleichwertiger Kurzschlussstrom und Joule-Integral Berechnung der Kurzschlussströme im per-unit-oder im o/o/MVA-System ............ . Physikalische, relative und semirelative Größen Definition der Größen des p. u.-Systems und des %/MVA-Systems ........... . Kurzschlussstromberechnung im o/o/MVA -System Mechanische und thermische Kurzschlussfestigkeit Grundüberlegungen zu Kurzschlusskräften . . . . Beanspruchungbiegesteifer Leiter und Stütztpunkt­beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beanspruchung in Hochspannungsanlagen mit Seilen Thermische Kurzschlussfestigkeit Begrenzung der Kurzschlussströme . . . . . . . . . .

Sternpunktbehandlung und Erdung in Hochspannungsnetzen Überblick ...... . Sternpunktbehandlung . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . Netze mit isoliertem Sternpunkt Netze mit Erdschlusskompensation Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung Sternpunktbehandlung auf der OS- und US-Seite eines YyO d5-Transformators . . . . . . . . . . . Erdung in Hochspannungsnetzen . . . . . . . . Über Erde fließende Teilkurzschlussströme . . . Schleifenimpedanzen, Erdseilreduktionsfaktoren und Kettenleiterimpedanzen . . . . . . . . . . . Erdkurzschluss in der Nähe einer Anlage Ausbreitungswiderstände von Erdern und Erdungsanlagen Bau von Erdungsanlagen und Erdungsmessungen Beeinflussung ........................ .

549 553 560

563 570 573 573 580 597 605 612 616 628

640 640

642 643 649 649

656 671 677 682

687 687 690 690 690 692 696

698 702 702

706 712 718 722 728

Inhaltsverzeichnis

17 17.1 17.2 17.2.1 17.2.2 17.2.3 17.2.4 17.3 17.3.1 17.3.2 17.3.3

17.3.4 17.4 17.4.1 17.4.2 17.4.3 17.5 17.6 17.7 17.7.1 17.7.2

Überspannungen und Isolationskoordination Übersicht .................... . Spannungserhöhungen . . . . . . . . . . . . . Zeitweilige Spannungserhöhung bei Erdschluss Zeitweilige Spannungserhöhung bei Lastabwurf, Ferranti-Effekt Spannungserhöhung durch kapazitive Unsymmetrie Resonanzüberspannnungen . . . . . Innere Überspannungen . . . . . Transiente Erdschlussüberspannungen Überspannungen beim Schalten kleiner induktiver Ströme Überspannungen beim Schalten von Kondensatoren und Leitungen ....................... . Überspannungen beim Ausschalten von Kurzschlussströmen . Äußere Überspannungen . . . . . . . . . . . . Überblick ................... . Atmosphärische Entladung und Blitzeinschlag Wauderwellen auf Leitungen Isolationsminderung . . . . . . . . . . . . . . Isolationskoordination . . . . . . . . . . . . . Auswahl und Einsatz von Überspannungsahleitern Funkenstreckenahleiter Metalloxidabieiter

17.7 .3 Ableiterahsatz . . . . .

18 18.1 18.2 18.2.1 18.2.2 18.2.3 18.3

Stabilität der Drehstromübertragung Einführung, Begriff der Stabilität, Modellbildung Statische Stabilität . . . . . . . . . Statische Stabilität ohne Regelung Statische Stabilität mit Regelung Selbsterregung . . . . . . . . . . . Transiente Stabilität . . . . . . . .

XVII

735 735 736 736 736 742 743 744 744 747

754 759 767 767 768 770 779 784 788 788 791 792

801 801 806 806 810 814 817

18.3.1 Einflussgrößen und Untersuchungsmethode 817 18.3.2 Transiente Stabilität abhängig von Kurzschlussart, -dauer

und Netzaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 821 18.3.3 Stabilitätsverlust und Resynchronisierung . . . . . . . . . 826 18.3.4 Einfluss von Generatorauslegung und Erregersystem auf die

transiente Stabilität . . . . . . . . . . . . . 831

19 Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung 835 19.1 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . 835 19.2 Technische Besonderheiten der HGÜ gegenüber der DHÜ 837 19.3 Entwicklung der HGÜ . 837 19.4 Betriebsmittel der HGÜ 841 19.4.1 Gesamtanordnung 841 19.4.2 HGÜ-Stationen 845

XVIII

19.4.3 HGÜ-Freileitungen und -Kabel 19.5 Kostenvergleich HGÜ mit DHÜ

Anhang

Formelzeichen und Nebenzeichen

Literatur ....

Sachverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

847 850

853

919

925

963