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3. Das Elektroenergieverteilungssystem

Historisches und Einordnung

Für das im folgenden beschriebene technische Phänomen werden zwei Bezeichnungen verwendet, Drehstrom und Dreiphasenwechselstrom. Die Bezeichnung Drehstrom ist darauf zurückzuführen, dass diese Stromart mit einem Drehfeld erzeugt wird und selbst wieder Drehfelder erzeugen kann.

Auf der internationalen Elektrotechnikausstellung 1891 in Frankfurt am Main war das Drehstromübertragungssystem ebenso sensationell, wie der Drehstromgenerator und der Drehstrommotor selbst. Die Länge der Übertragungsstrecke betrug 175 km, die Spannung war auf 15 kV herauf transformiert worden, die Übertragungsleistung betrug 300 PS.

Allgemein gilt für das System folgende Darstellung.

Für das Übertragungssystem gilt: Ui Uo (Spannungsabfälle über den Leitungen)ii = io

ccccosi = coso

fi= fo

Dreh-

strom-

system

Verlustleistung Q

3Ui;3Ii,fi,cos i

(Drehstromi)

3Uo;3Io,fo,cos 0o

(Drehstromi)

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Elektroenergieversorgungsnetze

Elektroenergieversorgungsnetze sind mit dem Drehstromsystem aufgebaut.Die Führungsgrößen eines Elektroenergieversorgungsnetzes sind Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit. Die deutlich spürbaren Wirkungen von Netzausfällen und die sich ändernden Energiekosten machen uns das gegenwärtig.

Die Funktionen eines Netzes sind:

Übertragen als Energieferntransport über mehrere Spannungsebenen, die durch Umspannwerke miteinander verbunden werden.

Verteilen aus den Hochleistungsleitungen, d.h. stufenweises dezentralisieren.

Versorgen über die Ortsnetze, d.h. Heranführen an die Verbraucher.

Bestandteile von Energieversorgungsnetzen sind:Leitungen einschließlich der IsolatorenSchaltanlagenMess- und InformationstechnikUmspannerSchutzeinrichtungen.

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Das westeuropäische Verbundnetz

Vorteile: Gebietsbezogener und zeitlicher Last- und Erzeugungsausgleich und kostengünstige Reservestellung für nicht verfügbare Kraftwerke.

Nachteile: Im Havariefall können große

Netzabschnitte ausfallen.

Quelle: Elektrotechnik/EnergietechnikHeymann,Sauerwein

Das Verbundnetz bildet das Rückgrat der Stromversorgung. Heute ist fast ganz Europa in das Verbundnetz einbezogen. Die folgende Karte zeigt die arbeitenden Verbindungsleitungen.

Den Weg zum Verbundnetz der Elektro-energieversorgungsunternehmen beschritt zuerst im Jahre 1926 das Rheinisch - Westfälische Elektrizitätswerk.

Innerhalb von sechs Jahren wurde eine 800 km lange 220000-V-Leitung von den Braun-kohle - Kraftwerken im Köln - Aachener Raum bis zu den Wasserkraftwerken in den Alpen fertig gestellt und mit dazwischen liegenden Verbrauchsschwerpunkten verknüpft. Diese Leitung ermöglichte den Energieaustausch zwischen den beiden Erzeugungsschwerpunkten.

Im gesamten Netz arbeiten die Generatoren synchron.

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Das Drehstromübertragungssystem ist die Hauptform der elektrischen Energieübertragung.Gegenüber Einphasenwechsel- oder der Gleichstrom hat es folgende Vorteile.• Einfache Erzeugung magnetischer Drehfelder• Bessere Leiterausnutzung• Einfache Bereitstellung von 2 Spannungsebenen• Einfache Umformung in Gleichstrom

WirkprinzipDer DSG erzeugt die drei Spannungen

Das Wirkprinzip des Drehstromübertragungssystems beruht darauf, dass die Augenblicksspannungen und -ströme in jedem Zeitpunkt 0 sind.

Das gilt aber nur für den Fall, dass alle drei Spannungen gleiche Amplitudegleiche Frequenz und gleichen Kurvenverlauf haben.

In diesem Fall können drei Stromkreise aufgebaut werden.

0I 0U

t

+U

-U

240sinmax3 tUU

120sinmax2 tUU

tUU sinmax1 Für die drei Generatorspannungen gilt:

240sinmax3 tII

120sinmax2 tII

tII sinmax1 Analog für die Ströme:

Das Drehstromübertragungssystem

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DSG- Wicklungen Verbraucherwiderstände

Ein offenes Drehstromsystem

Verkettung ist eine spezifische Art des Zusammenschaltens, bei der drei Rückleiter entfallen. Voraussetzung: U = 0; I = 0

1. Sternschaltung

U1

U2U3

I1

I1I2

I2

I3

I3

Die verkettete Systeme

2. Dreieckschaltung

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•Strom und Spannung werden auch als Leitergrößen IL und UL bezeichnet. (Spannung zwischen den Außenleitern z.B. UL1/L3 und Strom im Außenleiter IL )

Festlegungen:

•Anfänge von Strängen, das sind Wicklungen oder Widerstände, werden mit werden mit U1, V1 und W1 bezeichnet.

U1

U1

V1

W1 V1

W1

U2

U2

V2

W2

V2

W2

•Enden von Strängen werden mit U2, V2 und W2 bezeichnet.

•Außenleiter werden mit L1, L2 und L3 und der Neutralleiter mit N bezeichnet.

L2

L3

L1

•Strom und Spannung werden als Stranggrößen IS bzw. US bezeichnet. (Spannung über einer Teilwicklung oder einem Teilwiderstand, Strom durch eine Teilwicklung oder einen Teilwiderstand)

N

US U S

IS

IS

IL

UL

1/L

3

Hinweis: In der praktischen Arbeit sind die Leitergrößen von vorherrschender Bedeutung.Berechnung von UL und US

US1

US3

US2

Aus dem Zeiger-diagramm der drei Leiterspannungen liest man ab:

1

2/1

230cosS

L

U

U

3

2

130cos;30cos2 12/1 SL UU

32

12 12/1 SL UU

312/1 SL UU

321 SSS UUU

SLSl IIundUU 3

sfaktorVerkettung:3

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Zeigerdiagramm der Dreieckschaltung

Berechnung von IL und IS

1

1

230cosS

L

I

I

11 3 SL II

Rückstrom- oder Neutralleiter sind bei Dreieckschaltung nicht anschließbar.

Merke: Die abgeleiteten Beziehungen (Leiter- und Strangwerte) für symmetrische Stern- und Dreieck-schaltung gelten unabhängig für Generator-, Übertragungs- oder Verbrauchergrößen.

Man liest man für Dreickschaltung ab: UL = US

UL US

US1

U S1

IL1

IS1

IS2

IS3

-IS3

IL1

IS1IS3

30cos211 SL II

SLSL UUundII 3

SLSl IIundUU 3

In der Praxis sind I1 I2 I3. D.h. es gilt I 0. Bei der Sternschaltung fliesst dann im Neutralleitert N ein Strom. Diese Belastung wird als unsymmetrische Belastung bezeichnet.

N

Zusammenfassung:

Sternschaltung Dreieckschaltung

SLSL UUundII 3

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Leistungen im Drehstromsystem

Merke: .Die Drehstromleistung ist die Summe aller Teilleistungen!

cos

cos

cos

33

22

11

SSW

SSV

SSU

IUP

IUP

IUPbei symmetrischer Belastung gilt cos3 SS IUP

Leiterwerte sind praktisch einfacher messbar, weil das Messen der Strangwerte oft mit einem Eingriff in die Maschine verbunden ist.Deshalb werden die Leistungsbeziehungen oft auch in folgender Schreibweise angegeben.

Sternschaltung

cos3

cos3

33

LLLS

LLL

S

IUPdamitundII

IU

PdamitundU

U

Dreieckschaltung

cos33

cos3

3

LLL

S

LLLS

IUPdamitundI

I

IUPdamitundUU

Für die Leistungsarten gilt somit analog

cos3.cos3 LLSS IUPbzwIUP Wirkleistung

Blindleistung sin3 LLIUQ

Scheinleistung LLIUS 3

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Die Netzstruktur

Quelle: Lehrerfachheft Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie

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Umspannanlage

110 kV

Quelle: Lehrerfachheft Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie

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Der Hausanschluss

Niederspannungsnetz 400/230 V

L1

L2

L3

NQuelle: Elektroinstallation, H.-J. Geist, elektor

Erdung des Sternpunktes

Körper der Betriebsmittel sind mit dem Sternpunkt direkt verbunden

PE- und N-Leiter sind ab Span- nungsquelle getrennt verlegt

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