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EINLEITUNG; DIE ROLLE UND DER PLATZ DER SCHALTGERATE IN ELEKTRISCHEN SCHALTANLAGEN UND NETZEN

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EINLEITUNG; DIE ROLLE UND DER PLATZ DER SCHALTGERATE IN ELEKTRISCHEN SCHALTANLAGEN UND NETZEN

1.1. Einleitung



          Die Verbindung zwischen Erzeuger (Kraftwerke) und Endverbraucher (Nutzer) ist nicht eine feste Verbindung. Diese ist realisiert mittels einer vielzahl verschiedenartiges Schaltgeräte die in den Knotenpunkten der Übertragungs- und Verteilungsnetze installiert sind.

          Die Schaltgeräte haben die Aufgabe, Stromkreise zu verbinden und zu unterbrechen bzw. zu trennen, sowie im eingeschalteten Zustand den Strom zu führen.

          Gleichzeitig mit der Steigerung der installierter Leistung, d.h. der Einschalten neuer Kraftwerken zum elektrischen System (Kernkraftweke, Kalorischkraftweke, u.a.), die Forscher, die Konstruktoren und die Experimentatoren sollten immer mehr neue und komplexe Probleme und Aufgaben zu beherrschen.

          Die Werte der Ströme und der Spannungen haben kontinuierlich zugenommen.

          Die Palette der Nennströme ist jetzt von 0,1 A bis ober 25 kA und die Palette der Spannungen von 24 V bis ober 1000 kV.

          Die Überströme und Kurzschlußströme haben schon Werte von 100 kAeff und 500 kAmax überschritten.

          Bei dem Ausschalten der Kreisen und bei Blitzspannungen, die Werte haben schon ebenfalls 5 MV überschritten. Das bedeutet für Schaltgeräte und Schaltanlagen extreme thermische, mechanische (dynamische) und dielektrische Beanspruchungen.

          Die Vorlesungen „Elektrische Anlagen“ behandeln das breite Feld der elektrischen Anlagen mit ihren Betriebsmitteln und in ihrer Verknüpfung zu Netzen unter systemtechnischen Gesichtspunkten. Mehr als die Hälfte der Ingenieure der Elektrotechnik arbeiten auf dem Gebiet der Anlagentechnik in den herstellenden Industriefirmen (z.B. Electroaparataj Bukarest, Electroputere Craiova, Electrotehnica Bukarest u.a.), in der elektrischen Energieversorgung, in Ingenieurbüros, beim Staat oder im umwelttechnischen Bereich.

          Zum Verständnis der elektrischen Energieversorgung als systematische Disziplin ist es notwendig, die einzelnen elektrischen Betriebsmittel in ihrem Aufbau, ihrer Modellbildung und somit ihrer Wirkungsweise soweit zu behandeln, daß ihr Verhalten im Netz erkennbar wird. Hierzu gehört beispielsweise die rechnerische Behandlung mit Hilfe der symmetrischen Komponenten.

          Die behandelte Berechnung von Kurzschlußströmen im Drehstromnetz gehört zu den Grundlagen für die Auslegung in der elektrischen Übertragung und Verteilung. Die Kurzschlußströme bestimmen durch ihre direkten (Lichtbogen) und indirekten Wirkungen (thermische, dynamische) in hohem Maße die Bemessung (Auslegung) aller Betriebsmittel und Anlagen. Sie sind somit für den planenden Ingenieur und für die Betriebsführung von hervorragender Bedeutung. Alle Betriebsmittel und Anlagen müssen „Kurzschlußfest“ sein [DIN VDE 0101].

          Einige Grundbegriffe werden, entsprechend dem Internationalen Elektrotechnischen Wörterbuch (IEV) bzw. der zugehörigen IEC-Publ., in englischer Sprache angegeben. Auf diese Weise wird dem Zusammenwachsen der Europäischen Gemeinschaft und der zunehmenden Anwendung der englischen Sprache zur internationalen Verständigung in technischen Bereichen Rechnung getragen.

          Die Übungen und Laborarbeiten zur Vorlesung „Elektrische Anlagen“ sind in Bezug auf Aufgabenstellung und Betriebsmitteldaten Praxis orientiert.

          Im Sinne der angestrebten Praxisnähe werden ausschließlich Größengleichungen und SI-Einheiten verwendet. Die Formelzeichen und Sonderzeichen entsprechen dabei dem neuesten, internationalen Stand. Die Begriffe „Nennwert“ (nominal value) und „Bemessungswert“ (rated value) werden nach DIN 40200 / 10.81 (IEC Publ. 50 (151) / (1978) verwendet.

          Dieses Vorgehen hat für die Studierenden den Vorteil, daß sie bereits während des Hauptstudiums die Sprache der praktischen Ingenieurarbeit kennenlernen.

1.2. Die Rolle der Schaltgeräte in elektrischen Schaltanlagen und Netzen

          Die Hauptrolle der elektrischen Schaltgeräte ist die, die in den Kraftwerken erzeugte elektrische Energie, durch geeignete Schaltung der verbindenden elektrischen Netze, bis zum Endverbraucher zu leiten (Energiefluß).

          Im engeren Sinne versteht man unter Schaltgeräten: Schalter im allgemeinen mit mechanisch betätigten, metallischen Kontaktstücken zum mehrmaligen Ein- und Ausschalten der Strompfade; aber auch andere Bauelemente mit Schaltfunktion, z.B. Sicherungen, werden zu den Schaltgeräten gezählt.

          In diesem Abschnitt werden zunächst allgemein die Beanspruchungen der Schaltgeräte beim Schaltvorgang und anschließend Funktionsweise und Konstruktionsprinzipien von Nieder- und Hochspannungsschaltern, sowie von Sicherungen, erläutert.

          Ausführliche Darstellungen zu diesen Themen finden sich in weiterführender Literatur. Die elektrischen Netze zur Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie werden stets so gestaltet, daß sie ihre Aufgaben unter gesamtwirtschaftlichen Gesichtspunkten in optimaler Weise erfüllen.

          Für die Gestaltung der Netze sind eine Reihe von Faktoren maßgebend:

    Art der Verbraucher bzw. Verbrauchergruppen:

    * Lastdichte im Versorgungsgebiet

    * Gleichzeitigkeitsfaktor

    * Anschlußleistungen der Einzelverbraucher und ihre

    * örtliche Verteilung

    * Blindleistungsbedarf für Verbraucher und Netz

    * Anforderungen an die Versorgungssicherheit (Verfügbarkeit)

    * Anforderungen an die Anpassungsfähigkeit bei

    * steigendem Verbrauch.

In der Abb. 1.1. ist eine einfache Darstellung des Energieflusses vom Erzeuger (Kraftwerk) bis Endverbraucher (Benutzer) dargestellt.

          Die Spannungsebene, in der die Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden, hängt im wesentlichen von deren Energiebedarf bzw. der Anschlußleistung ab. Die Mehrzahl der Verbraucher (Haushalte, Gewerbebetriebe, Landwirtschaftsbetriebe) bis zu einer Anschlußleistung von max. ca. 150 kW ist an das Niederspannungsnetz 380 / 220 V; 50 Hz angeschlossen. Aus den Mittelspannungsnetzen mit 10 und 20 kV (teilweise auch 6 kV) werden mittlere (ab. ca. 40 kW) und größere Abnehmer (Industrie- und Gewerbebetriebe, größere Gebäudekomplexe, Ortschaften), bis zu Anschlußleistungen von einigen MW versorgt. Großabnehmer (z.B. Städte, große Industriebetriebe, Bahnen) mit Anschlußleistungen über 5 MVA sind i.a. an das Hochspannungsnetz 110 (123) kV angeschlossen.



Abb. 1.1. Energiefluß der elektrischen Energieversorgung

          Die Schwankungen des Lastbedarfs in einem Versorgungsgebiet vergleichmäßigt sich durch das Zusammenwirken mehrerer Verbraucher (Verbraucherverbund), da deren Lastspitzen im allgemeinen nicht gleichzeitig auftreten.

          Bei der Gestaltung von Netzen, aus denen Einzelverbraucher großer Anschlußleistung, wie z.B. Punktschweißmaschinen in Niederspannungsnetzen oder Lichtbogenöfen in Mittelspannungsnetzen neben vielen Verbrauchern geringer Anschlußleistung mit elektrischer Energie versorgt werden, muß darauf geachtet werden, daß die Lastspitzen, insbesondere wenn sie stoßartig auftreten, keine unzulässig hohen Spannungsabfälle im Netz verursachen. Sind Netze mit hoher Kurzschlußleistung nicht ausführbar, dann müssen Verbraucher, die Stoßlasten verursachen, aus dem übergelagerten Mittel- oder Hochspannungsnetz separat mit Energie versorgt werden.

          Spannungsschwankungen durch zeitlich langsam veränderliche Belastungsänderungen können durch Verstellen des Übersetzungsverhältnisses  der Umspanner im Netz ausgeregelt werden, die in Abb. 1.2. dargestellt wird.

          Im Niederspannungsnetz sollen die Spannungen im allgemeinen nicht mehr als 3% vom Nennwert abweichen. Der Umspanner Mittel-/ Niederspannung hat auf der Oberspannungsseite fest einstellbare Anzapfungen, mit deren Hilfe das Spannungsübersetzungsverhältnis, entsprechend dem Aufstellungsort des Transformators am Anfang, in der Mitte oder am Ende der Leitung in einem Bereich von ± 4% bis ± 5% eingestellt werden kann (Transformator mit Umsteller).

          In Mittelspannungsnetzen können zwischen Leerlauf und Vollast Spannungsschwankungen bis 8% zugelassen werden. Sie werden über Stelltransformatoren mit unter Last schaltbaren Stufenschaltern (Stellbereich ± 16%) gespeist. Bei Hochspannungsleitungen sind Spannungsschwankungen bis zu 10% zulässig; der Stellbereich der Umspanner beträgt ± 22%. Elektrische Netzen bestehen aus Freileitungen und Kabeln, sowie den Schalt- und Umspannstationen. Verteilungsleitungen und Mittel-Niederspannungsnetze können einseitig oder zweiseitig gespeist sein. Ihre Aufgabe ist es, die Energie zu den einzelnen Verbrauchern oder an Verteilerstationen für Verbrauchergruppen zu führen.

          Kraftwerke und Verteilungsnetze sind über die Hochspannungsübertragungsleitungen zu einem Verbundnetz zusammengeschlossen.

          Ein Verbundnetz erfüllt folgende Aufgaben:

·        Übertragung großer Leistungen über weitere Entfernungen;

·        Energieaustausch zwischen Kraftwerken oder Kraftwerksgruppen, die mit unterschiedlicher Rohenergie arbeiten (z.B. Wasser-, Kernenergie-, Braunkohlekraftwerke).

·        Energie-Sammelschienen zwischen Großkraftwerken und Verbrauchs-Schwerpunkten.

·        Gegenseitige Unterstützung der Kraftwerke bei Störungen, betrieblich erforderlichen Revisionen und klimabedingten Umständen (schlechte Kühlwasserverhältnisse, geringes Laufwasserangebot).

Im Gegensatz zu getrennt arbeitenden Einzelnetzen ergeben sich beim Verbundbetrieb folgende Vorteile:

·     Die Blockleistung der Kraftwerke kann groß gewählt werden; ihr Standort kann unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Überlegungen bestimmt werden; dadurch ergeben sich geringere Investitionen und Betriebskosten.

·     Durch wirtschaftlichen Einsatz von Grundlastkraftwerken (z.B. Laufwasser Braunkohlekraftwerke) und Spitzenlastkraftwerken (z.B. Speicher-, Gasturbinenkraftwerken) können die Belastungskurven mit kleinstmöglichen  Betriebskosten ausgefahren werden.

·     Der Zusammenschluß von unterschiedlichen Verbrauchergruppen gleicht die Belastungskurve des Netzes aus.

·     Das Ausfallrisiko ist bei gleichem Reservefaktor erheblich geringer, d.h. die Sicherheit gegen Versorgungsunterbrechungen ist erheblich höher.

·     Die mitlaufende Reserve kann verringert werden.




Abb. 1.2.  Stellbereiche  p  Transformatoren und Spannungsänderungen DU der Netze.

                            ST – Stufenschalter  U – Umschalter (nur stromlose Umstellung)

Der Verbundsbetrieb erfordert eine zentrale Leitstelle, dem sogenannten Lastverteiler, der unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit und Versorgungssicherheit des Netzbetriebes mit Hilfe von Prozeßrechnern und Fernwirkeinrichtungen den Einsatz der Kraftwerke steuert.

          Bild 1.3. zeigt zusammenfassend in schematischer Form das gesamte System einer elektrischen Energieversorgung.

          Grund- und Spitzenlast - Großkraftwerke speisen überwiegend in das 380 (400) kV - Netz, welches mit dem älteren 220 kV - Netz, das gleichaktige Aufgaben erfüllt, gekoppelt ist. Diese überwiegend Transportzwecken dienenden Netze bestehen im Wesentlichen aus Freileitungen mit Leistungslängen von 200 bis 1000 km auf der 380 (400) kV - Ebene.

          Die Verteilung der Energie innerhalb von Regionen kann vorwiegend auf der 110 (123) kV - Ebene über Freileitungen mit Längen von 50 bis 100 km oder in dichtbesiedelten Gebieten über Kabeln mit Längen von 5 bis 10 km erfolgen.

          Die 110 (123) kV - Netze werden aus dem 380 / 220 (400 / 231) kV - Netz über Großtransformatoren mit elektrischer Energie versorgt. Außerdem speisen in diesem Netz mittlere Kraftwerke der Energieversorgungsunternehmen (EVU’s), sowie Stadtwerke und Industriekraftwerke mit sehr unterschiedlicher Leistung ein. An das 110 kV - Netz sind die Mittelspannungsnetze, deren Spannungshöhen überwiegend 10 kV oder 20 kV betragen, angeschlosssen. Sie bestehen in ländlichen Gebieten aus Freileitungen (Länge ca. 10 20 km), in dichtbesiedelten und städtischen Gebieten aus Kabeln (Länge 1 2 km). Mittelspannungsnetze speisen die verschiedenen Niederspannungsnetze zur Versorgung von Ortschaften, Stadt- und Industriegebieten und Großabnehmer verschiedener Art.


Abb. 1.3.  Schematische Darstellung der elektrischen Energieversorgung.

1.3. Der Platz der Schaltgeräte in elektrischen Schaltanlagen und Netzen

          In der Abb. 1.4 ist die elektrische Schaltanlage eines Kraftwerkes dargestellt und die verschiedenen Schaltgeräte und andere elektrischen Einrichtungen (Meßeinrichtungen, Schutzeinrichtungen) plaziert sind, d.h. Schalt- und Verteilungsanlagen eines Kraftwerkes mit Eigenversorgungsanlagen.

          Folgende Komponenten sind zu erkennen:

                   1 - Turbine

                   2 - Generator

                   3,5 - Erdungs-Trennschalter

                   8,9,10,14,15 - Sammelschienen-Trennschalter

                   11,12 - Querkoppel-Trennschalter

                   13 - Querkoppel-Lastschalter

                   6,17 - Meß-Stromwandler

                   18 - Überspannungsableiter

                   19 - Meß-Spannungswandler

          Nach ihrem Schaltvermögen werden Schaltgeräte nach VDE 0670 [20] unterteilt in:

          Trennschalter (Trenner) stellen im geöffneten Zustand eine Trennstrecke dar, d.h. einen sichtbaren Abstand zwischen den Schaltstücken, der den jeweiligen Sicherheitsanforderungen zum Schutz des Personals und der Anlage genügt. Trennschalter sind weiterhin fähig, einen Stromkreis zu öffnen und zu schließen, wenn entweder ein vernachläßigbarer Strom (£ 0,5 A) aus- oder eingeschaltet wird (z.B. kapazitive Ströme von Durchführungen, Sammelschienen, Ströme von Spannungswandlern), oder wenn eine wesentliche Anderung der Spannung zwischen den Anschlüssen der Pole auftritt. Trennschalter können Ströme unter normalen Bedingungen und - für eine festgelegte Zeit (z.B. 1 Sek.) - unter abnormalen Bedingungen führen.

          Leistungsschalter (Hochspannungsleistungsschalter) sind fähig, die unter normalen und unter abnormalen Bedingungen, wie etwa Kurzschluß, die im Stromkreis auftretenden Ströme einzuschalten, zu führen, (eine bestimmte Zeit, z.B. 1 Sek.) und auszuschalten. Leistungsschalter sind in der Regel nicht für häufiges Schalten ausgelegt.

          Lastschalter sind fähig, die unter normalen Bedingungen im Netz auftretenden Ströme, wozu auch betriebliche Überlastungen gehören, einzuschalten, zu führen und auszuschalten, sowie Ströme unter abnormalen Bedingungen (Kurzschluß), zu führen und eventuell einzuschalten.



          Leistungstrennschalter und Lasttrennschalter sind Leistungs- bzw. Lastschalter, die im geöffneten Zustand die für eine Trennstrecke festgelegten Anforderungen erfüllen.

          Kombination Leistungsschalter / Trennschalter. Entsprechend den vielfältigen Aufgaben und Einsatzbereichen werden unterschiedliche Anforderungen an das Ein- oder Ausschaltvermögen der Schaltgeräte gestellt.

          Die Abb. 1.5. zeigt die entsprechenden elektrischen Schaltgeräte und Einrichtungen im Mittel- und Niederspannungsfeld einer Schalt-, Umspann- und Verteilungsanlage, im Zusammenhang mit dem Bild 1.1.

          Folgendes ist zu beachten:

21 - Erdungs-Trennschalter auf der Mittelspannungsebene

22 - Leistungs-Trennschalter auf der Mittelspannungsebene

23,26 - Leistungsschalter - Mittelspannungsleistungsschalter

27 - Sicherung - Hochspannungssicherung (Mittelspannungsebene)

28 - Last-Trennschalter (Mittelspannungsebene)

29,32 - Leistungsschalter - Niederspannungsleistungsschalter

30,31,33 - Sicherungen - Niederspannungssicherungen

34 - Schütz - Niederspannungsebene

35 - Spannungswandler – Mittelspannungsebene

Abb. 1.4. Elektrische Schaltanlage in einem Kraftwerk

Abb. 1.5.  Elektrische Schaltanlage im Mittel - und Niederspannungsfeld

                          einer Schalt-, Umspann- und Verteilungsanlage

Sicherungen: nach VDE 0636 [27] ist eine Sicherung ein Schutzorgan (Schaltgerät), das dazu dient, durch Abschmelzen eines oder mehrerer Schmelzleiter den Stromkreis zu öffnen, in dem sie eingesetzt wurde und den Strom zu unterbrechen, wenn dieser einen gegebenen Wert während einer bestimmten Zeit überschreitet. Sicherungen dienen zum Überlast- und Kurzschlußschutz von Betriebsmitteln und Anlagenteilen in Hoch- und Niederspannungsanlagen.

Schütze sind Schaltgeräte mit elektromechanischem Antrieb (keine Handbetätigung) und dienen zum Schalten von Stromkreisen bei normaler Last und Dienstüberlastungen. Sie führen und schalten Kurzschlußströme nicht. Sie sind geeignet, sehr viele Schaltspiele durchzuführen (-Schaltspiele). Zum Schutz gegen Kurzschlußströme werden sie immer mit Sicherungen in Reihe geschaltet. Im Kurzschlußfall wirken die vorgeschalteten Sicherungen strombegrenzend.

          Strombegrenzende Leistungsschalter

Typische Einsatzfälle: Schalter in Abzweigungen, Schalter in Unterverteilungen, Motorschutz-Leistungsschalter.

Um eine Strombegrenzung zu erreichen, ist im Kurzschlußfall eine sehr schnelle Öffnung der Kontaktstücke erforderlich. Bei strombegrenzenden Leistungsschaltern werden hierfür die elektrodynamischen Stromkräfte unterstützend ausgenützt. Bei Leistungsschaltern mit kleineren Nennströmen erfolgt die Auslösung mittels eines vom Hauptstrom durchflossenen Schlagankers, der zusätzlich direkt auf das bewegliche Kontaktstück einwirkt. Bei Schaltern mit hohen Nennströmen öffnen die Schaltglieder durch die abstoßende Wirkung der Stromkräfte (elektrodynamische Kräfte).

          Überspannungsableiter sind Schutzeinrichtungen, die gegen Schalt- und Blitzstoßspannungen schützen. Sie sind in Knoten, am Eingang in Umspann- und Schaltstationen, als auch am Ende der Leitungen angebracht. An Leitungspunkten, an denen sich die charakteristische Impedanz ändert, treten Reflexionen und somit Überspannungen auf.








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