Schaltanlagen Handbuch 11. neubearbeitete Auflage

Herausgegeben von Hennig Gremmel Gerald Kopatsch

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Inhaltsverzeichnis

1 Physikalische und technische Grundbegriffe

1.1 Einheiten physikalischer Größen 1

1.1.1 Das internationale Einheitensystem (Sl) 1 1.1.2 Sonstige noch gebräuchliche Einheiten; deutsche,

englische und US-Maße 16 1.1.3 Allgemeine Konstanten 21

1.2 Physikalische, chemische und technische Werte 22

1.2.1 Elektrochemische Spannungsreihe 22 1.2.2 Faradaysche Gesetze 23 1.2.3 Thermoelektrische Spannungsreihe 25 1.2.4 pH-Wert 26 1.2.5 Wärmeübertragung 26 1.2.6 Akustik, Geräuschmessung, Geräuschdämmung 29 1.2.7 Technische Werte fester, flüssiger und gasförmiger Stoffe 33

1.3 Festigkeitslehre 37

1.3.1 Grundlagen und Definitionen 37 1.3.2 Zug- und Druckfestigkeit 38 1.3.3 Biegefestigkeit 39 1.3.4 Belastung von Trägern 40 1.3.5 Knickfestigkeit 42 1.3.6 Zulässige Knick- und Zugbeanspruchung für Gestängerohre 43 1.3.7 Schubfestigkeit 44 1.3.8 Widerstandsmomente und Flächenträgheitsmomente 46

1.4 Geometrie, Flächen- und Körperberechnung 47

1.4.1 Flächeninhalt von Vielecken 47 1.4.2 Flächeninhalte und Schwerpunkte 48 1.4.3 Körperinhalte und Körperoberflächen 49

2 Allgemeine elektrotechnische Formeln

2.1 Formelzeichen der Elektrotechnik nach DIN 1304 51

2.2 Wechselstromgrößen 52

2.3 Elektrische Widerstände 59

2.3.1 Begriffe und spezielle Werte 59 2.3.2 Widerstände bei verschiedenen Schaltungen 60 2.3.3 Der Einfluss der Temperatur auf den Widerstand 62

2.4 Beziehungen zwischen Spannungsfall, Leistungsverlust und Leiterquerschnitt 63

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2.5 Stromaufnahme von elektrischen Maschinen und Transformatoren . . 66

2.6 Dämpfungsmaß a von Übertragungssystemen 68

3 Berechnung der Kurzschlussströme in Drehstromanlagen

3.1 Begriffe und Erklärungen 69

3.1.1 Begriffe nach DIN EN 60909 (VDE 0102) 69 3.1.2 Symmetrische Komponenten unsymmetrischer Drehstromsysteme . . . . 70

3.2 Berechnungsgrundlagen nach DIN EN 60909 (VDE 0102) 71

3.3 Impedanzen der elektrischen Betriebsmittel 81

3.3.1 Netzeinspeisung 81 3.3.2 Elektrische Maschinen 81 3.3.3 Transformatoren und Drosselspulen 85 3.3.4 Drehstrom-Freileitungen 89 3.3.5 Drehstromkabel 96 3.3.6 Stromschienen in Schaltanlagen 102

3.4 Beispiele zur Kurzschlussstromberechnung 102

3.5 Der Einfluss der Sternpunktbehandlung auf das Fehlerverhalten in Drehstrom-Hochspannungsnetzen über 1 kV 107

4 Bemessung von Schaltanlagen

4.1 Isolationsbemessung 109

4.1.1. Isolationskoordination in Hochspannungsnetzen 109 4.1.2 Isolationskoordination in Niederspannungsnetzen 116

4.2 Bemessung von Starkstromanlagen auf mechanische und thermische Kurzschlussfestigkeit DIN EN 60865-1 119

4.2.1 Bemessung von Leitungsschienen auf mechanische Kurzschlussfestigkeit 122

4.2.2 Bemessung von Leiterseilen auf mechanische Kurzschlussfestigkeit . . . 133 4.2.3 Horizontale Seilauslenkung 142 4.2.4 Mechanische Beanspruchung von Kabeln und Kabelgarnituren

im Kurzschlussfalle 145 4.2.5 Bemessung von Leiterseilen auf thermische Kurzschlussfestigkeit 146

4.3 Bemessung von Leiterseilen und Rohrschienen auf statische Lasten und Randfeldstärke 150

4.3.1 Berechnung des Durchhanges von Leiterseilen in Freiluftanlagen 150 4.3.2 Berechnung der Durchbiegung und Beanspruchung von

Rohrschienen 156 4.3.3 Berechnung der Oberflächen-Randfeldstärke 158

IX

4.4 Bemessung auf Dauerstromfestigkeit 159

4.4.1 Erwärmung in geschlossenen Schaltschränken 159 4.4.2 Belüftung von Schaltanlagen- und Transformatorenräumen 161 4.4.3 Zwangsbelüftung und Klimatisierungen von Schaltanlagen 164 4.4.4 Erwärmung in gekapselten Stromschienen 167 4.4.5 Erwärmung in isolierten Leitern 168 4.4.6 Längenausdehnung von Stromschienen 169

4.5 Bemessung von Starkstromanlagen auf Erdbebensicherheit 170

4.5.1 Allgemeine Grundsätze 170 4.5.2 Experimenteller Nachweis 172 4.5.3 Rechnerischer Nachweis 173

4.6 Mindestabstände, Schutzvorrichtungsabstände und Gangbreiten . . 174

4.6.1 Mindestabstände und Schutzvorrichtungsabstände in Starkstrom­anlagen mit Nennspannungen über 1 kV (DIN VDE 0101) 175

4.6.2 Wege und Gänge in Starkstromanlagen mit Nennspannungen über 1 kV(DIN VDE 0101) 179

4.6.3 Gangbreiten in Starkstromanlagen mit Nennspannungen bis 1 kV (DIN VDE 0100 Teil 729) 182

4.7 Bautechnische Anforderungen 183

4.7.1 Innenraumanlagen 184 4.7.2 Freiluftanlagen 186 4.7.3 Anlagen unter besonderen Bedingungen 187 4.7.4 Batterieräume 188 4.7.5 Transformator-Aufstellung 189 4.7.6 Vorbeugender Brandschutz 192 4.7.8 Abmessungen für den Transport 196

5 Schutzmaßnahmen für Personen und Anlagen

5.1 Berührungsschutz in Anlagen bis 1000 V gemäß DIN VDE 0100 197

5.1.1 Schutz gegen direktes Berühren/Schutz gegen elektrischen Schlag/ Basisschutz) 197

5.1.2 Schutz bei indirektem Berühren/Schutz bei elektrischen Schlag unter Fehlerbedingungen/Fehlerschutz) 200

5.1.3 Schutz durch Kleinspannung 204 5.1.4 Schutzleiter, PEN-Leiter und Potentialausgleichsleiter 206

5.2 Berührungsschutzmaßnahmen in Anlagen über 1000 V gemäß DIN VDE 0101 209

5.2.1 Schutz gegen direktes Berühren/Schutz gegen elektrischen Schlag unter normalen Bedingungen 209

5.2.2 Schutz bei indirektem Berühren/Schutz gegen elektrischen Schlag unter Fehlerbedingungen 210

X

5.3 Erdung 212

5.3.1 Grundlagen, Definitionen und Bestimmungen 212 5.3.2 Erdungsmaterial 216 5.3.3 Bemessung von Erdungsanlagen 219 5.3.4 Erdungsmessungen 225

5.4 Blitzschutz 225

5.4.1 Allgemeines 225 5.4.2 Blitzschutzmethoden 226 5.4.3 Schutzräume von Blitzschutzseilen 228 5.4.4 Schutzräume von Blitzschutzstangen 230

5.5 Elektromagnetische Verträglichkeit 233

5.5.1 Entstehung und Ausbreitung von Störgrößen 238 5.5.2 Messung von Störgrößen 243 5.5.3 EMV-Maßnahmen 243

5.6 Teilentladungsmessung 252

5.6.1 Teilentladungsvorgänge 254 5.6.2 Elektrische Teilentladungs-Messverfahren 256 5.6.3 Beurteilung von Teilentladungen 259

5.7 Klimabeanspruchung und Korrosionsschutz 261

5.7.1 Klimate 261 5.7.2 Klimabeanspruchung und Klimaprüfungen 265 5.7.3 Isolationsbeeinträchtigung durch Feuchtigkeit 266 5.7.4 Korrosionsschutz 268

5.8 Schutzarten für elektrische Betriebsmittel bis 72,5 kV (VDE 0470 Teil 1, EN 60529) 270

6 Netzplanung und Anlagenprojektierung

6.1 Projektierung von Schaltanlagen 273

6.1.1 Konzeption, Randbedingungen, PC-Rechenhilfen 273 6.1.2 Projektierung von Hochspannungsanlagen 277 6.1.3 Projektierung von Mittelspannungsanlagen 280 6.1.4 Projektierung von Niederspannungsanlagen 285 6.1.5 Eigenbedarfsanlagen in Kraftwerken 289 6.1.6 Kurzschlussstromberechnung, rechnergestützt 294 6.1.7 Kabelquerschnittberechnung, rechnergestützt 295

6.2 Planung von Schaltanlagen 296

6.2.1 Modulare Planung von Schaltanlagen 296 6.2.2 Definition von Modulen 296 6.2.3 Von der Kundenanforderung zur modularen Systemlösung 298 6.2.4 IT Werkzeuge zur rechnerunterstützten Projektabwicklung 298 6.2.5 Rechnerunterstützte Projektabwicklung 300

XI

6.3 Kennzeichnungssystematik und Erstellung von Dokumenten 303

6.3.1 Strukturierungsprinzipien und Referenzkennzeichnung nach DIN EN 61346 304

6.3.2 Erstellung von Dokumenten 318 6.3.3 Klassifikation und Kennzeichnung von Dokumenten 321 6.3.4 Zeichnungswesen 324

7 Niederspannungsanlagen

7.1 Schaltgeräte 329

7.1.1 Allgemeines 329 7.1.2 Leistungsschalter 330 7.1.3 Schütze 333 7.1.4 Motorstarter 335 7.1.5 Lasttrennschalter 338 7.1.6 Sicherungen 341 7.1.7 Installations-Schutzschaltgeräte 347 7.1.8 Überspannungsschutzeinrichtungen 351 7.1.9 Selektivität 354 7.1.10 Back-up-Schutz 356

7.2 Niederspannungs-Schaltanlagen und -Verteiler 357

7.2.1 Grundlagen 357 7.2.2 Typgeprüfte-/ Partiell typgeprüfte Schaltgerätekombinationen 358 7.2.3 Einteilung von Schaltgerätekombinationen 358 7.2.4 Betriebsmittel in Schaltgerätekombinationen 360 7.2.5 Nachweis der Kenndaten von Schaltgerätekombinationen 361 7.2.6 Nachrüsten, Ändern und Instandhalten von Niederspannungs-

Schaltgerätekombinationen 361 7.2.7 Modulares Niederspannungs-Schaltanlagensystem (MNS-System) 361 7.2.8 Anlagen zur Blindleistungs-Kompensation 369 7.2.9 Leitsysteme für Niederspannungs-Schaltanlagen 369 7.2.10 Motor Control Center MNS /S 371

7.3 Planungshilfen 374

7.3.1 Einhaltung der Grenzübertemperatur 374 7.3.2 Nachweis der Kurzschlussfestigkeit von Schienensystemen 376 7.3.3 Berechnungsprogramme für Planung und Entwurf von

Niederspannungs-Schaltanlagen 376

8. Schaltgeräte und Schaltanlagen für Hochspannung

bis einschließlich 52 kV (Mittelspannung)

8.1 Schaltgeräte (< 52 kV) 379

8.1.1 Trennschalter 379 8.1.2 Lasttrennschalter 379

XII

8.1.3 Erdungsschalter 380 8.1.4 Erkennbare Schaltstellung 381 8.1.5 HH-Sicherungseinsätze (DIN VDE 0670 Teil 4) 381 8.1.6 Is-Begrenzer» 383 8.1.7 Leistungsschalter 385 8.1.8 Vakuum-Schütze 389

8.2 Schaltanlagen (s 52 kV) 389

8.2.1 Bestimmungen für Schaltanlagen 389 8.2.2 Schaltfelder nach DIN VDE 0101 389 8.2.3 Metallgekapselte Schaltfelder 396 8.2.4 Metallgekapselte luftisolierte Schaltfelder 392 8.2.5 Metallgekapselte gasisolierte Schaltfelder 400 8.2.6 Leitsysteme für Mittelspannungs-Schaltanlagen 408

8.3 Anschlussverbindungen für Mittelspannungsanlagen 409

8.3.1 Vollisolierte Transformatorverbindung mit Kabeln 409 8.3.2 Feststoffisolierte Schienenverbindung 410

9 Hochstromschaltanlagen

9.1 Generatorschalter 411

9.1.1 Auswahlkriterien für Generatorschalter 413 9.1.2. Generatorschalter-Typenreihen HGCS. und HEC7...(SF6-Gas-Schalter). . 414 9.1.3. Generatorschalter-Typenreihen HGI/HECI. (SF6-Gas-Schalter) 417 9.1.4 Generatorschalter Typ VD 4G (Vakuumschalter) 418

9.2 Hochstromableitungen (Generatorableitungen) 420

9.2.1 Übersicht, Anforderungen 420 9.2.2 Bauformen, Merkmale, Systemauswahl 421 9.2.3 Dimensionierung 424 9.2.4 Konstruktiver Aufbau 425 9.2.5 Erdungssystem 426 9.2.6 Druckhaltung/Belüftung 427

10 Hochspannungsapparate

10.1 Begriffe und elektrische Kenngrößen für Schaltgeräte 429

10.2 Trennschalter und Erdungsschalter 434

10.2.1 Drehtrennschalter 434 10.2.2 Einsäulen-Trennschalter 436 10.2.3 Hebeltrennschalter 439 10.2.4 Einsäulenerdungsschalter 440 10.2.5 Antriebe für Trenn- und Erdungsschalter 441

10.3 Lasttrennschalter 442

XIII

10.4 Leistungsschalter 443

10.4.1 Funktion, Auswahl 443 10.4.2 Bauweisen 444 10.4.3 Ausschaltvorgang und wichtige Schaltfälle 447 10.4.4 Löschmittel und Schaltprinzip 454 10.4.5 Antriebe und Steuerung 457

10.5 Messwandler für Schaltanlagen 462

10.5.1 Begriffe und elektrische Kenngrößen 462 10.5.2 Stromwandier 466 10.5.3 Spannungswandler 473 10.5.4 Kombiwandler 476 10.5.5 Nichtkonventionelle Wandler 477

10.6 Überspannungsabieiter 483

10.6.1 Bauart, Funktionsprinzip 483 10.6.2 Anwendung und Auswahl 485

11 Hochspannungsanlagen

11.1 Anlagen-Übersicht und Schaltungen 491

11.1.1 Anlagen-Übersicht 491 11.1.2 Schaltungen von Hoch- und Mittelspannungsschaltanlagen 492

11.2 SF6-gasisolierte Schaltanlagen (GIS) 499

11.2.1 Übersicht 499 11.2.2 SF6-Gas als Isolier- und Löschmittel 500 11.2.3 GIS für 72,5 bis 800 kV 501 11.2.4 SMART-GIS 504 11.2.5 Anlagenaufbau 505 11.2.6 Anlagendispositionen 506

11.3 Freiluftanlagen 510

11.3.1 Anforderungen, Abstände 510 11.3.2 Aufbau und Komponenten 511 11.3.3 Anlagendispositionen und Bauweisen 519

11.4 Innovative HS-Schaltanlagen-Technik 529

11.4.1 Konzepte für die Zukunft 529

11.4.2 Innovative Lösungen 531

11.5 Anlagen für die Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) . . . 538

11.5.1 Grundlagen 538 11.5.2 Wahl der Hauptdaten einer HGÜ 540 11.5.3 Komponenten einer HGÜ-Anlage 540 11.5.4 Anlagendisposition 543 11.5.5 HVDC Light Stromrichteranlagen 544

XIV

11.6 Statische Blindleistungskompensation 547

11.6.1 SVC Statische Blindleistungskompensatoren 548 11.6.2 TCSC Thyristor-gesteuerte Reihenkondensator-Anlagen 549 11.6.3 STATCOM Statischer Synchron-Blindleistungskompensator 550 11.6.4 UPFC Kombinations-Lastflussregler 551 11.6.5 FACTS - Anwendung in Verbundnetzen 552

12 Transformatoren und sonstige Betriebsmittel für Schaltanlagen

12.1 Transformatoren 555 12.1.1 Ausführung, Bauarten und Abmessungen 555 12.1.2 Schaltgruppen und Schaltungen 558 12.1.3 Kurzschlussspannung, Spannungsänderung und Kurzschlussfestigkeit . 560 12.1.4 Verluste, Kühlung und Überlastbarkelt 563 12.1.5 Parallelbetrieb 566 12.1.6 Schutzeinrichtungen für Transformatoren 568 12.1.7 Geräuschstärke und Maßnahmen zur Geräuschdämmung 569

12.2 Strombegrenzungs-Drosselspulen DIN EN 60289 (VDE 532 Teil 20). . 570

12.2.1 Dimensionierung 570 12.2.2 Drosselspulenschaltung 572 12.2.3 Aufstellung von Drosselspulen 573

12.3 Kondensatoren 574

12.3.1 Leistungskondensatoren 574 12.3.2 Blindleistungskompensation 575 12.3.3 Verdrosselte Kondensatoren (stark verstimmte Filter) 578 12.3.4 Filterkreisanlagen (scharf abgestimmte Filter) 579 12.3.5 Rundsteuerverträglichkeit von Kompensationsanlagen 580 12.3.6 Möglichkeiten der Blindstromkompensation 580 12.3.7 Spezielle Kompensationsanlagen 584

12.4 Widerstandsgeräte 586

12.5 Stromrichter (Gleichrichter) 588

13 Leitungsmaterial und Zubehör für Schaltanlagen

13.1 Stromschienen, Leiterseile und Isolatoren 593 13.1.1 Eigenschaften von Leiterwerkstoffen 593 13.1.2 Stromschienen für Schaltanlagen 594 13.1.3 Stromschienen-Bohrungen und -Verschraubungen nach

DIN 43673 Teil 1 und 2 615 13.1.4 Technische Werte für Leiterseile 623 13.1.5 Stützer und Freileitungsisolatoren 638

13.2 Kabel und Leitungen 659

13.2.1 Bestimmungen, Übersicht 659

XV

13.2.2 Strombelastbarkeit 661 13.2.3 Bemessung und Schutz 686 13.2.4 Hinweise für das Verlegen 694 13.2.5 Steuer-, Wandler- und Versorgungskabel in Hochspannungs-

Schaltanlagen 698 13.2.6 Fernmeldekabel 701 13.2.7 Technische Daten von VDE-, englischen und US-Normkabeln 703 13.2.8 Starkstromkabel-Garnituren für Mittel- und Hochspannung 710

13.3 Zubehör für gefahrloses Arbeiten in Schaltanlagen 720

14 Schutz- und Leittechnik in Schaltanlagen und Netzen

14.1 Übersicht und Aufgaben 725

14.2 Schutztechnik 727

14.2.1 Schutzrelais und Schutzsysteme 727 14.2.2 Grenzwertschutz 728 14.2.3 Vergleichsschutz 729 14.2.4 Richtungsschutz 730 14.2.5 Automatische Wiedereinschaltung 731 14.2.6 Vorteile numerischer Schutzgeräte 732 14.2.7 Schutzkonzepte 732

14.3 Steuerungs-, Mess- und Regelungstechnik (Sekundärtechnik) 735

14.3.1 Gleichspannungsversorgung 736 14.3.2 Verriegelung 737 14.3.3 Steuerung 738 14.3.4 Meldung 740 14.3.5 Messung 741 14.3.6 Synchronisierung 743 14.3.7 Zählung 744 14.3.8 Registrierung und Protokollierung 747 14.3.9 Schaltautomatik 748 14.3.10 Transformatorsteuerung und Spannungsregelung 750 14.3.11 Örtliche Schaltwarten 752

14.4 Schaltanlagen-Leittechnik mit Mikroprozessoren 753

14.4.1 Übersicht 753 14.4.2 Vergleich konventioneller Sekundärtechnik mit Mikroprozessortechnik . . 753 14.4.3 Lösungsstruktur der neuen Leittechnik 754 14.4.4 Einsatz von Lichtwellenleitern 757 14.4.5 IEC 61850 - Der Kommunikationsstandard für Schaltanlgen 758

14.5 Netzführung und Fernwirktechnik 759

14.5.1 Aufgaben der Netzführung 760 14.5.2 Fernwirktechnik und -Systeme 760 14.5.3 Übertragungstechnik 762

XVI

14.5.4 Technische Bedingungen für Fernwirksyteme und Nahtstellen zu den Schaltanlagen 763

14.6 Lastführung und Rundsteuertechnik 767

15 Nebenanlagen

15.1 Ersatzstromversorgungsanlagen 769

15.1.1 Übersicht 769 15.1.2 Ersatzstromversorgung mit Stromerzeugungsaggregaten 770 15.1.3 Unterbrechungsfreie Stromversorgung mit Bereitschaftsaggregaten

(rotierende USV-Anlagen) 775 15.1.4 Unterbrechungsfreie Stromversorgung mit statischen Wechselrichtern

(statische USV-Anlagen) 775

15.2 Schnellumschalteinrichtungen 780

15.2.1 Anwendung, Einsatz, Aufgaben 780 15.2.2. Einbindung in die Anlage 782 15.2.3. Ausführung von Schnellumschalteinrichtungen 782 15.2.4. Funktionsweise 783 15.2.5. Umschaltmodi 783

15.3 Stationäre Batterien und Batterieanlagen 788

15.3.1 Vorwort 788 15.3.2 Definitionen 788 15.3.3 Batterietypen und ihre Eigenschaften 790 15.3.4 Laden und Entladen von Batterien 794 15.3.5 Gleichrichter/Ladegerät 796 15.3.6 Betriebsarten 798 15.3.7 Kapazitätsberechnung 798 15.3.8 Batterieinstallation 799

15.4 Installationen und Beleuchtung in Schaltanlagen 800

15.4.1 Ermittlung des Eigenbedarfs an elektrischer Leistung für Betriebsmittel . 800 15.4.2 Verlege- und Installationssysteme 801 15.4.3 Verlege- und Installationssysteme nach DIN EN 50086 802 15.4.4 Beleuchtungsanlagen 806 15.4.5 Brandmeldeanlagen 809

16 Werkstoffe und Halbzeuge für den Schaltanlagenbau

16.1 Stahl und Eisen 811

16.1.1 Allgemeines über Baustähle 811 16.1.2 Abmessungen und Gewichte von Formstahl und Stahlrohren 812 16.1.3 Beanspruchung von Stahlbauteilen 820

16.2 Nichteisen-Metalle 820

16.2.1 Kupfer für die Elektrotechnik 820

XVII

16.2.2 Messing und Bronzen 821

16.2.3 Aluminium für die Elektrotechnik 821

16.3 Isolierstoffe 823

16.3.1 Feste Isolierstoffe 823 16.3.2 Flüssige Isolierstoffe 828

16.3.3 Gasförmige Isolierstoffe 830

16.4 Halbzeuge 830

16.4.1 Maße und Gewichte für Bleche 830 16.4.2 Schlitzbandstahl 831 16.4.3 Gewinde für Schrauben 832 16.4.4 Anzugsdrehmomente für feuerverzinkte Sechskantschrauben 832 16.4.5 Gewinde für Elektrotechnik 833

17 Verschiedenes

17.1 DIN VDE-Bestimmungen und lEC-Publikationen für den Schaltanlagenbau 835

17.2 Anwendung der europäischen Richtlinien auf Hochspannungs-Schaltanlagen. CE-Kennzeichnung 869

17.3 Qualität in Schaltanlagen 869

17.4. Bemerkenswerte Lieferungen und Leistungen der ABB-Schaltanlagentechnik 871

XVIII