Grundlagen der Stromversorgung für spartenfremde Fachkräfte

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Strom ist nicht alles, aber ohne Strom ist nichts!
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Grundlagen der elektrischen Energieversorgung
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Die Seminare werden regelmäßig von Dipl.-Ing. Walter Castor, Stadtwerke
Erlangen AG, veranstaltet und unterliegen seinem Copyright.
Die Vervielfältigung und der Druck dieser Unterlagen ist nur mit ausdrücklicher
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Seminar 1 - Grundlagen (ca. 2.2 MB)
Seminar 1a - Kraftwerke (ca. 1,5 MB)
Seminar 2 - Netze (ca. 1,3 MB)
Seminar 3 - Kabel (ca. 3,4 MB)
Seminar 4 - Schaltgeräte (ca. 1,7 MB)
Seminar 5 - Trafo (ca. 2,2 MB)
Seminar 6 - Schaltanlagen (ca. 7,6 MB)
Seminar 7 - Fehler (ca. 1,3 MB)
Seminar 8 - Netzschutz (ca. 1 MB)
Seminar 9 - Arbeitssicherheit (ca. 1,8 MB)
Seminar 10 - Störungen, Schaltungen, Kundenanschluss (ca. 2 MB)
Seminar 11 - Zusammenfassungen (ca. 0,2 MB)
Der Strom,
als Ursache betrachtet,
übt sehr auffallende und verschiedenartige
Kräfte aus.
MICHAEL FARADAY
Grundlagen der Stromversorgung
für spartenfremde Fachkräfte
Dipl.-Ing. Walter Castor, Erlangen
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Erlangen, im Januar 2005
Inhalt
Grundlagen der Elektrotechnik ................................................................................... 1
Physikalische Grundlagen....................................................................................... 1
Die elektrische Spannung.................................................................................... 4
Der Widerstand.................................................................................................... 5
Die elektrische Leistung....................................................................................... 6
Die elektrische Arbeit........................................................................................... 8
Das Generatorprinzip........................................................................................... 9
Dreiphasenwechselspannung............................................................................ 10
Schaltungen....................................................................................................... 10
Nicht regenerative Stromerzeugung...................................................................... 11
Brennstoffe ........................................................................................................ 11
Turbinen ............................................................................................................ 11
Wärmeauskopplung........................................................................................... 13
Kühlung ............................................................................................................. 14
Rauchgasentschwefelung.................................................................................. 15
Kleine Einführung in die Kerntechnik................................................................. 17
Regenerative Stromerzeugung ............................................................................. 19
Wasserkraftwerke.............................................................................................. 19
Laufwasserkraftwerke........................................................................................ 20
Speicherkraftwerke............................................................................................ 20
Pumpspeicherkraftwerke ................................................................................... 20
Netze ........................................................................................................................ 21
Spannungsebenen ................................................................................................ 21
Netzformen............................................................................................................ 23
Sternpunktbehandlung .......................................................................................... 24
Betriebsmittel ............................................................................................................ 25
Isoliermittel ............................................................................................................ 25
Kabel..................................................................................................................... 28
Hochspannungskabel ........................................................................................ 31
Mittelspannungskabel........................................................................................ 32
Kabelgarnituren ................................................................................................. 33
Kabellegung....................................................................................................... 35
Kabelmess- und Prüftechnik.............................................................................. 36
Freileitungen...................................................................................................... 37
Schaltgeräte .......................................................................................................... 38
Physik der Kontakttrennung ............................................................................... 39
Trennschalter ..................................................................................................... 39
Erdungsschalter ................................................................................................. 42
Lasttrennschalter................................................................................................ 42
Leistungsschalter ............................................................................................... 43
Transformatoren .................................................................................................... 47
Kernaufbau ........................................................................................................ 49
Wicklungsaufbau................................................................................................ 51
Kessel ................................................................................................................ 51
Einschalten des Transformators ........................................................................ 52
Verluste.............................................................................................................. 53
Geräusche ......................................................................................................... 53
Wicklungsverschaltung ...................................................................................... 54
Kühlung.............................................................................................................. 55
Netztransformatoren .......................................................................................... 55
Verteiltransformatoren........................................................................................ 57
Prüfungen an Transformatoren .......................................................................... 58
Überlastung........................................................................................................ 59
Wandler ................................................................................................................. 60
Schaltung von Wandlern .................................................................................... 62
Besondere Anforderungen an Stromwandler ..................................................... 62
Besondere Anforderungen an Spannungswandler ............................................ 63
Schaltanlagen ........................................................................................................... 65
Umspannwerke...................................................................................................... 65
Sammelschienen................................................................................................ 65
Schaltanlagen im UW......................................................................................... 66
Ortsnetz- / Kundenstationen .............................................................................. 68
Nebenanlagen ....................................................................................................... 70
Batterieanlagen.................................................................................................. 70
Rundsteueranlage.............................................................................................. 70
Erdungsanlagen / Blitzschutz............................................................................. 71
Klemmen ............................................................................................................ 72
Emissionsschutz.................................................................................................... 72
Störlichtbogenschutz.......................................................................................... 72
Elektro-magnetische Felder ............................................................................... 74
Netzschutz................................................................................................................ 79
Fehlerformen......................................................................................................... 79
Kurzschluss ....................................................................................................... 79
Erdschluss / Erdschlusslöschung ...................................................................... 79
Aufbau der Erdschlusslöschspule...................................................................... 80
Einstellung der E-Spule ..................................................................................... 81
Netzschutz ............................................................................................................ 81
Zeitstaffelschutz................................................................................................. 82
Sicherungen ...................................................................................................... 82
UMZ-Schutz....................................................................................................... 83
AMZ ................................................................................................................... 84
Distanzschutz .................................................................................................... 84
Differentialschutz ............................................................................................... 86
Erdschlussschutz............................................................................................... 87
Transformatorschutz.......................................................................................... 88
Netzschutzprüfungen......................................................................................... 89
Leittechnik................................................................................................................. 91
Netzleittechnik....................................................................................................... 91
Stationsleittechnik ................................................................................................. 91
Dokumentation ...................................................................................................... 93
Arbeitssicherheit ....................................................................................................... 95
Begrifflichkeiten..................................................................................................... 97
Schaltungen in Netzen.............................................................................................. 98
Schaltreihenfolgen ................................................................................................ 98
Freischalten einer Ortsnetzstation....................................................................... 100
Parallelschalten von Transformatoren................................................................. 100
Fehlerbehebung...................................................................................................... 102
Entstörungsdienstorganisation ............................................................................ 102
Strategien zu Fehlerbehebung ............................................................................ 102
Kundenanlagen....................................................................................................... 105
Systemformen ..................................................................................................... 105
Elektrizitätszähler: ............................................................................................... 106
Grundlagen der Elektrotechnik
Seite 1
Jeder von uns bedient sich heute in irgendeiner Form der Elektrotechnik. Der Griff
zum Lichtschalter, der Druck auf die Einschalttaste des Fernsehgerätes gehört heute
ebenso dazu wie die Bedienung von Staubsauger, Mixer, Kassettenrecorder oder
Stereoanlage. Eines jedoch wird immer vorausgesetzt: Elektrizität muss vorhanden
sein!
Was aber ist „Elektrizität“ eigentlich? Man kann die Frage durch einen Blick in das
Lexikon z.B. so beantworten: „Elektrizität ist ruhende oder bewegte Ladung oder die
mit Ladung oder Strömen verbundene elektrische Energie“. Damit ist man aber
zunächst kaum klüger als vorher. Wir wollen daher versuchen, diese und weitere
Fragen mit vielen Abbildungen und allgemein verständlichen Erläuterungen zu
beantworten. Natürlich ist dabei manches bewusst vereinfacht dargestellt worden,
um das Begreifen der elektrotechnischen Grundlagen und das Einarbeiten in diese
Technik zu erleichtern.
Physikalische Grundlagen
Schon die alten Griechen bemerkten, dass ein an einem Fell geriebenes
Bernsteinstück eine geheimnisvolle Kraft ausübt, nämlich leichte Gegenstände
anzieht. Das Wort „elektrisch“ wird daher von der griechischen Bezeichnung für
Bernstein abgeleitet: elektron. Zur Erklärung dieser Erscheinung muss kurz auf den
Aufbau der Materie eingegangen werden. Auch hier haben die alten Griechen
Pionierarbeit geleistet. Schon 400 v. Chr. postulierte Demokrit, dass alle Stoffe aus
kleinsten, unteilbaren Bausteinen bestehen müssten (atom = unteilbares
(griechisch)). Heute weiß man, das auch Atome aus noch kleineren Bauteilen
bestehen. Der dänische Physiker Niels Bohr hat im Jahr 1913 ein Modell für den
Aufbau von Atomen angegeben, das ausreicht, den Leitungsmechanismus zu
erklären. Alle Stoffe bestehen aus Molekülen, die wiederum aus Atomen
zusammengesetzt sind. Atome kann man sich wie ein Sonnensystem vorstellen: um
einen elektrisch positiv geladenen Kern kreisen negativ geladene Teilchen, die
Elektronen. Die Atome der verschiedenen Elemente unterscheiden sich durch die
Größe des Atomkerns und die Zahl der Elektronen. Der Atomkern selber besteht aus
Neutronen, das sind Elementarteilchen, die elektrisch neutral sind, und Protonen mit
einer positiven Elementarladung (+e = +1,602 x 10-19 As). Das Elektron besitzt die
elektrische Elementarladung –e. Die Massen dieser Elementarteilchen Proton und
Neutron sind nahezu gleich groß: me = 9,109 x 10-28 g. Die Masse eines Elektrons
dagegen beträgt 16726 x 10-28 g. Ein Atom besitzt immer genau so viele Elektronen
in der Atomhülle wie Protonen im Kern. Es ist somit nach außen elektrisch
ungeladen, d. h. neutral. Die Elektronen bewegen sich auf Kreisbahnen um den
Kern, es entsteht eine Fliehkraft. Da sich jedoch ungleichnamige Ladungen anziehen
(positiver Kern ⇔ negatives Elektron) entsteht eine der Fliehkraft entgegengesetzte
Kraft, die dafür sorgt, dass die Elektronen in bestimmten Bahnen bleiben. Diese
Bahnen kann man mit Schalen vergleichen, die mit den Elektronen besetzt ist. Dabei
kann jede Schale nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen. Man
unterscheidet von innen nach außen:
Elektronenschale
max. Elektronenzahl
K
2
L
8
M
18
N
32
O
50
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In einem Atom müssen jedoch nicht alle Schalen besetzt sein. Bei einem
Aluminiumatom z. B. besteht der Kern aus 13 Protonen und 14 Neutronen. Um den
Kern kreisen auf drei verschiedenen Schalen (K, L und M) 13 Elektronen. Dabei ist
die K- und L-Schale vollständig besetzt, die M-Schale jedoch nicht. Das Atom hat
jedoch das Bestreben, einen stabilen Zustand zu erreichen. Dieser ist erreicht, wenn
sich auf der äußeren Schale acht Elektronen befinden. Wenn dies nicht der Fall ist,
werden Elektronen in diese äußere Schale aufgenommen oder abgegeben.
Wäre es möglich, aus den Atomen den leeren Raum herauszunehmen und die
Elektronen eng an den Kern zu legen, hätte ein Hochhaus die Größe eines
Kaffeebohne und diese würde 30 000 t wiegen.
Metalle bilden nun im festen Zustand Kristalle, in denen sich die Atome an festen
Plätzen in einer räumlichen Anordnung befinden (Vergleich: in einem Flugzeug hat
jeder Passagier seinen vorgeschriebenen Sitzplatz, es existiert eine Sitzordnung). Ist
ein derart kristalliner Aufbau nicht vorhanden, nennt man einen Stoff amorph. Hier
unterliegen die Atome keinem Ordnungsschema (Vergleich: in einem Bus kann sich
jeder Fahrgast hinsetzen, wo er möchte). Amorph sind alle Flüssigkeiten, Glas und
zum Teil auch Kunststoffe. Bei einem kristallinen Aufbau können nun Metallatome
leicht Elektronen abgeben, bilden also Ionen (das sind positiv oder negativ
aufgeladene Atome oder Moleküle). Durch die freien Elektronen entsteht ein
sogenanntes Elektronengas, in dem die Elektronen frei beweglich sind. Durch
Anlegen eines elektrischen Feldes (=Kräfte) werden die Elektronen
(Valenzelektronen) bewegt, es kommt zum Ladungstransport im Leiter und damit
zum elektrischen Strom. Nach außen hin bleibt der Stoff elektrisch neutral, weil die
Elektronen aufgrund der elektrostatischen Anziehung (ungleichnamige Ladungen
ziehen sich an) nicht aus dem Metall entweichen können, sondern nur zwischen den
Atomen frei verschiebbar sind. Charakteristisch für den Ladungstransport in Metallen
ist, dass die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur abnimmt. Dies kann man
damit erklären, dass die Atome die Bewegung der Elektronen um so mehr behindern,
je heftiger ihre Wärmeschwingungen sind.
In guten Leitern, wie Kupfer, ist der Platz für die freien Elektronen ausreichend groß,
bei schlechteren Leitern (Eisen) ist bereits weniger Platz vorhanden und Nichtleiter
(Isolatoren ) besitzen überhaupt keine freien Elektronen.
Neben dem Ladungstransport durch freie Elektronen (Metallbindung) gibt es noch
andere Arten. Die Halbleiter (Germanium, Silizium, Galliumarsenid) leiten zwar auch
durch Elektronen, aber hier nimmt die Leitfähigkeit bei wachsender Temperatur zu
und verschwindet bei genügend tiefen Temperaturen ganz. Durch Zugabe von
Fremdstoffspuren („dotieren“) kann man die Leitfähigkeit jedoch beträchtlich
erhöhen. Schließlich gibt es Stoffe, welche durch die Bewegung der elektrisch
geladenen Atome (Ionen) leiten. Ihre Leitfähigkeit ist bedeutend geringer als die von
Metallen und steigt mit wachsender Temperatur (Beweglichkeit der Moleküle).
Der elektrische Strom wird nun definiert als die Ladungsmenge Q, die durch eine
Querschnittsfläche während einer bestimmten Zeit t fließt. Als Formel ausgedrückt:
I=
Q
t
Das Verhältnis Stromstärke zur Fläche, durch die der Strom hindurchtritt, nennt man
Stromdichte S. Seine technische Bedeutung liegt in der Belastbarkeit des Leiters. Je
höher die Stromdichte wird, desto größer ist die Erwärmung des Leiters. Die
zulässige Stromdichte eines Leiters (die nicht nur vom Querschnitt abhängt sondern
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auch von der Umgebungstemperatur und der Art der Leiterverlegung) sinkt mit
wachsendem Querschnitt, da die wärmeabführende Oberfläche nicht im gleichen
Maß anwächst wie der Leiterquerschnitt.
Es taucht jetzt die Frage auf, wie schnell sich die Elektronen in einer Leitung
fortbewegen, wenn man eine Spannungsquelle anschließt. Die Geschwindigkeit, mit
der sich die Elektronen durch den Leiter bewegen (Driftgeschwindigkeit), wird meist
überschätzt. Sie beträgt nur einen Bruchteil eines Millimeters in der Sekunde.
Trotzdem leuchtet eine Lampe sofort auf, wenn wir den Schalter betätigen. Das
hängt natürlich damit zusammen, dass der „Stromtransport" nicht etwa durch
Elektronen erfolgt, die aus der Spannungsquelle in eine leere Leitung fließen und
nach dem Eintreffen bei der Lampe, die sie dann aufleuchten lassen, sondern weil
die Elektronen aus der Spannungsquelle ihre Bewegung sofort an die
Leitungselektronen weitergeben und dadurch unmittelbar den Stromfluss auslösen.
Dieses Beeinflussen von Elektron zu Elektron geschieht in unvorstellbar kurzer Zeit.
Es können dabei Geschwindigkeiten von fast 300.000 km/s auftreten. Allerdings ist
das z. B. für moderne Computer gar nicht so furchtbar schnell, wenn sie im Mikrooder Nanosekundenbereich arbeiten sollen. Da für einen Rechenvorgang zahlreiche
Elektronenbewegungen in den Schaltkreisen des Computers notwendig sind,
müssen die Elektronenwege extrem kurz sein. Sonst dauert die Übermittlung von
Informationen auf den Wegen innerhalb der Anlage länger als der eigentliche
Rechenvorgang, weil der Strom beispielsweise in einer Nanosekunde (eine
milliardsten Sekunde) „nur" eine Strecke von 30 cm zurücklegt. Deshalb konnten
superschnelle Computer erst mit Hilfe von integrierten Schaltkreisen gebaut werden,
bei denen die Elektronenwege nur Bruchteile eines Millimeters betragen und sich in
großer Anzahl auf engem Raum anordnen lassen.
Wie gesagt, der Strom beginnt in allen Teilen des Stromkreises praktisch gleichzeitig
zu fließen. Bei Gleichstrom kann es Stunden, ja Jahre dauern, bis ein bestimmtes
Elektron den ganzen Stromkreis durchwandert hat, während es bei Wechselstrom
entsprechend der Frequenz immer wieder umkehren muss und sich deshalb nur auf
ganz winzigen Strecken hin- und herbewegt. Nun könnte man annehmen, dass dann
die Elektronen (weil sie sich ja immer um einen Punkt in der Leitung hin- und
herbewegen), gar nicht als richtiger Strom durch die Leitung fließen. Natürlich ist
diese Meinung falsch, ein Vergleich soll es verständlich machen. Wie im Bild
dargestellt, liegen einige Kugeln eng hintereinander in einer geraden Reihe. Wenn
die rechte Kugel in Bewegung gesetzt wird, gegen die andere prallt, kommt sie sofort
zum Stillstand. Die linke Kugel aber löst sich im gleichen Augenblick von der Reihe
und bewegt sich allein weiter. Wenn sie umgekehrt und nun ihrerseits auf die
Kugelreihe prallt, spielt sich der gleiche Vorgang in der anderen Richtung ab und die
rechte Kugel entfernt sich allein von der Reihe. Damit ist eine Information von rechts
nach links und von links nach rechts übertragen worden, obwohl die Kugeln in der
Reihe sich praktisch nicht bewegt haben. Trotzdem haben sie die Energie der beiden
aufprallenden Kugeln weitergegeben. In ähnlicher
Form können wir uns das Hin- und Herpendeln der
(angestoßenen) Elektronen in einer Leitung
vorstellen, die an eine Wechselspannungsquelle
angeschlossen ist. Mechanisch verdeutlicht durch
eine „pendelnde" Stoßfortpflanzung.
Nach dieser doch theoretischen Einführung soll nun
ein Vergleich mit einem Wassermodell das
Verständnis für die Größen und Einheiten in der Elektrotechnik etwas erleichtern.
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Die elektrische Spannung
Wasser kann nur dann durch eine Leitung fließen, wenn es mit einer Pumpe oder
aufgrund eines natürlichen Gefälles hineingedrückt wird. Es muss also ein Druck
vorhanden sein, der das Wasser durch die Leitungen presst. Trotz des Druckes, den
die Pumpe ausübt, können sich die Wasserteilchen nicht bewegen. Erst wenn wir
Anfang und Ende einer solchen Leitung miteinander verbinden, so erhält man einen
geschlossenen Wasserkreislauf. Wir sehen, dass das Wasser von der Pumpe stets
in die gleiche Richtung gedrückt wird. Je größer diese Kraft ist, um so höher ist der
Wasserdruck.
A
Druck
Sog
B
Pumpe
A
Elektronenüberschuß
-
B
Batterie
Elektronenmangel
+
Überträgt man diese Verhältnisse auf den
elektrischen Bereich, so ergeben sich große
Ähnlichkeiten. Die Bewegung der Elektronen
wird durch eine Elektronenpumpe, die man
Stromquelle
nennt
(z.
B.
Batterie),
hervorgerufen. Die Spannung der Batterie
muss also eine Art Kraft sein und einen
elektrischen Druck ausüben.
Zwischen den Polen einer Batterie besteht
ein Spannungsunterschied, der durch die
Zeichen Plus und Minus ausgedrückt wird. Eine herrschende Spannungsdifferenz
heißt aber, dass der eine Punkt stärker mit Elektronen besetzt sein muss als der
andere. In der Elektrotechnik ist das stets beim Minuspol der Fall. Dort herrscht also
ein Elektronenüberschuss, während am Pluspol ein Elektronenmangel besteht. Um
einen Ausgleich zwischen beiden Punkten zu erreichen, um ein Gleichgewicht in der
Elektronenverteilung herzustellen, fließen die Elektronen in einen geschlossenen
Leitungskreis immer vom Minuspol zum Pluspol.
Leider hat man in den Anfängen der Elektrotechnik,
als die Elektronen noch nicht bekannt waren, die
Stromrichtung
aufgrund
galvanischer
Beobachtungen (Abscheiden von Metall und
Wasserstoff am Minuspol) gerade umgekehrt
festgelegt und die grundlegenden Gesetze darauf
aufgebaut. Bei dieser konventionellen, jedoch
physikalisch falschen Stromrichtung, ist der
Stromweg außerhalb der Stromquelle von Plus nach
Minus
angenommen.
Diese
konventionelle
Stromrichtung, die genormt ist, wird heute in der
Starkstromtechnik allgemein verwandt und als
technische Stromrichtung benannt.
Wasserkreis
Pumpe
Will man eine Spannung messen, so ist das Messinstrument (Spannungsmesser) an
den zwei Polen der Schaltung anzuschließen, zwischen denen die
Spannungsdifferenz auftritt. Die Maßeinheit für die elektrische Spannung ist das Volt
(nach dem italienischen Physiker Volta, 1745-1827), Kurzzeichen: V.
Während das Kurzzeichen für Gleichspannung und Gleichstrom aus zwei parallelen
Strichen besteht (=), sieht das Zeichen für Wechselstrom und Wechselspannung
sinngemäß wie eine Welle aus (≈).
Schalten wir in unsere Wasserleitung eine andersartige Pumpe, eine Kolbenpumpe
ein, so sehen wir, dass das Wasser ständig hin und herfließt. An den Anschlüssen
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der Pumpe wechseln also ständig Druck und Sog. Entsprechend wechseln im
elektrischen Stromkreis die Elektronen dauernd ihre Richtung und pendeln in der
Stromquelle und dem Leiter dauernd hin und her. Damit wächst auch an den
Anschlüssen
der
Stromquelle
ständig
Elektronenmangel
(plus)
mit
Elektronenüberschuss (minus). Wir haben es in diesem Fall mit einem
Wechselspannungserzeuger zu tun. Da der Vorgang periodisch verläuft, d.h. er sich
laufend wiederholt, nennen wir die Zeit, bis er wieder neu beginnt, eine Periode.
Der elektrische Strom
Dieser steht mit der Spannung in einem festen Zusammenhang, denn wie wir eben
gesehen haben, gibt es zwar eine Spannung, ohne dass ein Strom fließen muss,
aber es kann niemals ein Strom ohne Spannung fließen. Entscheidend für die Größe
des auftretenden Stroms ist die Höhe der Spannung. Eine hohe Spannung setzt
mehr Elektronen in Bewegung als eine kleine Spannung. Der durch einen Leiter
fließende Elektronenstrom ist also abhängig von der Höhe der angeschlossenen
Spannung.
Vergleiche mit Wasserströmen, die durch Rohre fließen, geben weiteren Aufschluss
über das Wesen elektrischer Ströme. Sollen große Wassermengen schnell durch
Rohre geleitet werden, so ist dazu ein großer Leitungsquerschnitt erforderlich. Dünne
Rohre reichen nur für den Transport kleiner Wassermengen aus.
Ähnlich ist es in der Elektrotechnik. Starke elektrische Ströme verlangen große
Leitungsquerschnitte, d. h. das Kabel muss dick genug sein. Schwache elektrische
Ströme kommen dagegen mit entsprechend dünnen Leitungen aus, ohne das der
Elektronenfluss behindert wird.
Will man einen Strom messen, so muss das Messinstrument (Strommesser) in die
stromführende Leitung eingeschaltet werden, in der sich Elektronen bewegen. Die
Bezeichnung „Ampere" (A) ist abgeleitet vom Namen des französischen Physikers
Andre Marie Ampère, 1775-1836.
Um die Größe des elektrischen Stromes zu ermitteln, muss man zählen, wie viele
Elektronen an einer beliebigen Stelle des Leiters vorbeitreiben (driften). Fließen 6,3 x
1018 Elektronen (6.300 Billiarden) in einer Sekunde durch die Leitung, so nennt man
diese Stromstärke 1 A. Ähnlich wie der Wasserzähler nicht die Menge der
Wassertropfen/s anzeigt, sondern viele Wassertropfen zu einer größeren Menge
zusammenfasst z. B. l/s oder m3/Monat, so zeigt der Strommesser nicht die Anzahl
der durch das Instrument hindurchtreibenden Elektronen an, sondern fasst viele
dieser Elektronen zu einer fassbaren Einheit zusammen.
Der Widerstand
Wir haben bisher festgestellt, dass die Stromstärke von der wirksamen Spannung
abhängt. Außerdem haben wir festgestellt, dass bei gleicher Spannung dann ein
großer Strom fließt, wenn das Leitermaterial viele freie Elektronen und, dass ein
kleiner Strom fließt, wenn das Leitermaterial wenig freie Elektronen besitzt. Die
Begriffe Spannung, Strom und Widerstand stehen also in einem geschlossenen
Stromkreis in einem wichtigen Zusammenhang. Das wird ausgedrückt durch das
Ohmsche Gesetz (Georg Simon Ohm, veröffentlicht 1826). Das Gesetz sagt aus,
dass der Strom ansteigt, wenn die Spannung größer oder der Widerstand kleiner
wird und der Strom abnimmt, wenn die Spannung kleiner oder der Widerstand größer
wird.
Seite 6
In eine Formel gebracht, heißt die Beziehung
Strom I =
Spannung U
Widerstand R
Oder anders ausgedrückt: Wird die Spannung an dem gleichbleibenden Widerstand
verdoppelt, so steigt die Stromstärke auf den doppelten Wert. Mathematisch
ausgedrückt: Strom und Spannung sind proportional, der Proportionalitätsfaktor ist
der Widerstand R. Wird bei gleicher Spannung der Widerstand verdoppelt, so sinkt
die Stromstärke auf den halben Wert. Soll die Spannung errechnet werden, lautet die
Formel :
U = R×I
Eine elektrische Spannung von 1 V treibt eine Stromstärke von 1 A durch einen
Widerstand von 1 Ohm. Und wenn wir den Widerstandswert ermitteln wollen, erfolgt
das mit der Formel:
R=
U
I
Wenn diese Formeln verwendet werden, so ist darauf zu achten, dass die Werte für
U in Volt, l in Ampère und R in Ohm (deutscher Physiker Georg Simon Ohm 17871854) eingesetzt werden. Man darf nicht wahllos unterschiedliche Größen
verwenden, z. B. Widerstände in Ohm, Spannungen in Millivolt und Strom in
Mikroampère. Eine kleine Rechnung macht das deutlich: Bei einem Bügeleisen fließt
z. B. ein Strom von 5 A durch die Widerstandsspirale in seiner Sohle, wenn das
Gerät an die 230 V Steckdose angeschlossen ist. Wie hoch ist der Widerstandswert
der Heizspirale? Wir rechnen nach der Formel: R = U : l und setzen 230 V : 5 A ein.
Das ergibt 46 Ohm. Hätte man die Spannung aber in Millivolt eingesetzt, müssten
220.000 : 5 gerechnet werden und das falsche Ergebnis würde rund 46.000 Ohm
heißen !
Die elektrische Leistung
Wird durch eine Pumpe das Wasser in dem Wasserkreis bewegt, so soll das Wasser
nicht nur fließen, sondern es soll auch eine Wirkung haben. Wir können
beispielsweise eine Turbine in den Wasserkreis einschalten und die im bewegten
Wasser steckende Energie in eine mechanische Bewegung umwandeln. Die
Leistung der Turbine ist vom Wasserdruck und der Wassermenge, die pro Sekunde
durchfließt, abhängig. Auf den elektrischen Vorgang übertragen bedeutet dies, dass
in einem Ohmschen Widerstand Wärme erzeugt wird und die entstehende
Wärmeleistung bzw. die hierzu erforderliche elektrische Leistung (P) um so größer
ist,
•
je größer die Spannung U (Druck) und
•
je größer die Stromstärke I (Menge/Sekunde) ist.
Da also P proportional U und l ist, ergibt sich die Formel:
P = U×I
P in Watt (W). Watt ist abgeleitet vom Namen des englischen Ingenieurs James
Watt, 1736 -1819.
Die Leistung bei Gleichstrom entspricht exakt der oben angegebenen Formel. Bei
Wechsel- oder Drehstrom zeigen sich Verhältnisse etwas komplizierter. Liegt in
einem Wechselstromkreis ein rein „ohmscher“- Verbraucher (z. B. eine Glühlampe
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oder ein Herd), dann sind die Nulldurchgänge und die Scheitelwerte von Strom und
Spannung zeitlich gleich, es tritt keine Phasenverschiebung auf. Bei Verbrauchern,
deren Funktion auf Elektromagnetismus beruht ( Motoren, Transformatoren u. ä.) eilt
der Strom (Blindstrom) der Spannung um den Phasenverschiebungswinkel ϕ nach,
da nach dem Nulldurchgang der Spannung erst das magnetische Feld aufgebaut
werden muss. Als Merksatz: Induktion, Induktion, erst die Spannung dann der Strom
(oder: Induktivitäten, Ströme sich verspäten). Bei Leitungen, Kabeln, Kondensatoren
eilt dagegen der Strom (Blindstrom) der Spannung um den Phasenwinkel ϕ voraus,
da vor dem Nulldurchgang der Spannung erst das elektrische Feld aufgebaut werden
muß. Bei idealisierten Bauteilen beträgt der Phasenwinkel 90° (bei Induktivitäten
+90°, bei Kapazitäten –90°). In der Realität liegt jedoch immer eine
Zusammensetzung aus den drei idealen Bauteilen vor. Bei einer Spule kann man
sich dies gut vorstellen: neben den magnetischen Erscheinungen besitzt der Draht
der Spule auch einen ohmschen Widerstand. Derart zusammengesetzte
Widerstände
bezeichnet
man
als
komplexe
Widerstände
mit
einer
Phasenverschiebung ≠ 90°. Sie setzen Wechselstrom einen weit höheren
Widerstand entgegen als Gleichstrom, wobei der Widerstandswert nicht konstant ist,
sondern sich mit der Frequenz ändert (xL = ωL, xC= 1/(ωC)). Die in einem solchen
Widerstand umgesetzte Leistung wird als Scheinleistung bezeichnet. Ihre Einheit ist
das VA, zur besseren Unterscheidung von der Wirkleistung (Watt). Die Bestandteile
der Scheinleistung sind die Wirkleistung (die Leistung, welche die Arbeit leistet) und
die Blindleistung, die durch den Blindstrom hervorgerufen wird. Die Blindleistung wird
also durch die Spule oder den Kondensator erzeugt und an die Stromquelle
zurückgegeben. Sie lässt sich nicht praktisch nutzen. Sie wird deshalb auch nicht
"verbraucht", sondern pendelt nutzlos zwischen Erzeuger und Stromquelle hin und
her. Sie ist gewissermaßen Ballast, der bloß die Leitungswege in Anspruch nimmt.
Da sie für die Nutzung des Stroms gewissermaßen blind ist, wird sie - im Unterschied
zur nutzbaren "Wirkleistung" - als "Blindleistung" bezeichnet.
Die durch Phasenverschiebung bewirkte Blindleistung macht sich im Netz der
Stromversorgung überall bemerkbar, wo Induktivitäten (wie bei Trafos und
Generatoren) oder Kapazitäten (wie bei längeren Kabeln) eine Rolle spielen. Sie
bedeutet, dass Geräte und Leitungen eine geringere Wirkleistung aufweisen, als
ihrer konstruktiven Auslegung bzw. der Scheinleistung entspricht. Im Extremfall kann
das soweit gehen, dass überhaupt keine Wirkleistung mehr zur Verfügung steht.
Man muss deshalb die auftretenden Blindleistungen "kompensieren", d.h. auf
dieselbe Weise beseitigen, in der sie entstehen, nämlich mit Hilfe von entsprechend
angepassten Induktivitäten und Kapazitäten. Und zwar möglichst nahe an der Quelle,
damit das Netz so weit wie möglich für die Übertragung von Wirkleistung zur
Verfügung steht.
Zum Beispiel kann ein Kraftwerksgenerator eine Scheinleistung von 15 Millionen VA
(oder 15.000 MVA) bei einer Wirkleistung von 12 Millionen W haben. Die Differenz
zwischen beiden Werten entfällt auf die Blindleistung. Das Maß für die Blindleistung
wird in "Voltampère réactif" (VAR) ausgedrückt.
Energie kann man weder erzeugen, noch verbrauchen, noch geht sie verloren. Sie
kann nur von einem Zustand in einen anderen überführt werden. Diese Umformung
versucht man natürlich mit größtmöglichem Erfolg durchzuführen und die
unweigerlichen Verluste kleinzuhalten.
Mit anderen Worten: der Wirkungsgrad eines Umformungsprozesses soll hoch sein,
damit die Ausbeute groß ist. Der Wirkungsgrad errechnet sich also aus dem
Seite 8
Verhältnis von abgegebener zu zugeführter bzw. aufgenommener Leistung. Die
Größe des Wirkungsgrades kann als Dezimalzahl oder in Prozent bestimmt werden.
η=
Pab
Pzu
η=
Pab
× 100%
Pzu
Er gibt an, wie viel Prozent der aufgenommenen Leistung an einen Verbraucher
abgegeben werden. Weil die aufgenommene Leistung einer Maschine immer größer
als ihre abgegebene Leistung ist, muss der Wirkungsgrad immer kleiner als 1 sein,
bzw. unter 100 % liegen.
Größenordnungen von Leistungen:
Fahrraddynamo
ca. 1W
GIühlampen
25-150 W
Bügeleisen
1 –1,5 kW
Kranmotor
40 kW
Farbfernseher
Bohrmaschine
Waschmaschine
Stromkraftwerk
ca. 150 W
500 W
3 kW
1300 kW
Die elektrische Arbeit
In der Betrachtung über die elektrische Leistung wurde ein wichtiger Punkt bislang
nicht erwähnt. Es ist der Faktor Zeit. Wenn eine Glühlampe oder ein anderes Gerät
während einer gewissen Zeit mit einer bestimmten
A
Leistung betrieben wird, so bezieht man dadurch vom
Elektrizitätswerk elektrische Arbeit. Diese ist abhängig
I
von der aufgenommenen Leistung und von der Zeit, in
U
V
der die Leistung aus dem Netz entnommen wurde.
Somit ergibt sich die Aussage:
11
12
1
10
2
9
3
4
8
7
6
5
Arbeit = Leistung x Zeit.
Die elektrische Arbeit steigt mit der Leistung und mit
der Zeit, sie ist also diesen beiden Größen direkt
proportional. Hieraus ergibt sich die Formel :
A = P× t
bzw.
Indirekte Arbeitsmessung
A = U×I× t
Das Ergebnis wird normalerweise in Kilowattstunden (kWh) angegeben. Werden von
einem Heizkörper 1 Stunde lang 1000 Watt entnommen, so ist 1 Kilowattstunde
(kWh) elektrische Arbeit verbraucht. Soll eine andere Einheit gebraucht werden, so
kann man Wattstunde (Wh) oder Wattsekunde (Ws)
verwenden. Nach dem Gesetz über Einheiten im
Messwesen entspricht die Wattsekunde der Einheit Joule,
deren Zeichen das J ist. Die Kilowattstunde ist demnach 3,6
MJ.
kWh
Messung der elektrischen Arbeit:
Zur Messung der elektrischen Arbeit benötigt man einen
Spannungsmesser, einen Strommesser und einen
Zeitmesser.
Einfacher
ist
der
Einsatz
eines
Elektrizitätszählers. Er besteht im Prinzip aus einem
Spannungspfad (Spannungsmesser) und einem Strompfad
(Strommesser). Beide wirken zusammen auf ein Zählwerk, das die entsprechende
Einschaltdauer (Zeit) die Arbeit registriert.
Direkte Arbeitsmessung
Seite 9
Das Generatorprinzip
In der Energietechnik dienen vorwiegend magnetische Kräfte der Erzeugung von
Spannungen, weil mit ihrer Hilfe sehr große elektrische Energien umgesetzt werden
können. Praktisch alle Kraftwerksgeneratoren nutzen magnetische Kraftwirkungen
aus. Kraftwerksgeneratoren arbeiten nach folgendem Prinzip:
Auf einem drehbaren Läufer aus Weicheisen sind Kupferdrähte gewickelt
(Kupferwicklung). Der Läufer wird durch eine Turbine angetrieben. Er befindet sich in
einem magnetfelderfüllten Gebiet (z. B. zwischen den Polen eines Dauer- oder
Elektromagneten). Schneiden nun die Wicklungsdrähte die magnetischen Feldlinien
(diese kann man bei einem Permanentmagneten durch Eisenspäne sichtbar
machen), so wirken auf die freien Elektronen im Leiter Kräfte. Dadurch werden die
freien Elektronen von den positiv geladenen Metallteilchen so getrennt, dass an
einem Leiterende ein Elektronenüberschuss (minus), am anderen ein
Elektronenmangel (plus) herrscht und zwischen den Leiterenden eine elektrische
Spannung auftritt. Diese nennt man induzierte Spannung, den Generator
Induktionsgenerator. Faraday (Michael Faraday, 1791-1867) erkannte nach
zahlreichen Versuchen, dass die erzeugt Spannung proportional ist zur Anzahl der
Windungen und zur Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses. Der
Generator muss also ständig für weitere Ladungstrennung sorgen, um die
Klemmenspannung aufrechtzuerhalten.
Sollten in den Verbrauchern große elektrische Energien umgesetzt werden, so
entstehen Probleme: Zwischen den Kohlebürsten und den Schleifringen treten
nämlich Funken auf, die die Schleifringe beschädigen können. Dieser Nachteil wird
beim folgenden, heute meist verwendeten Generatortyp vermieden: Die Spannungen
werden hier nicht im Läufer, sondern in den Ständerwicklungen induziert. Dies wird
durch Magnete erreicht, die auf dem Läufer angeordnet sind und sich mit diesem
drehen. Da der Ständer feststeht, können die Verbraucher direkt ohne Verwendung
von Schleifringen und Bürsten angeschlossen werden.
Steht die Leiterschleife senkrecht zum Magneten, ändert sich der durch die Schleife
gehende Fluss der Kraftlinien beim Drehen zunächst nur wenig. Die erzeugte
Spannung ist daher entsprechend klein. Mit zunehmenden Drehwinkel wird die
Spannung höher und erreicht ihr Maximum, wenn die Schleife parallel zu den
Feldlinien steht. Jetzt ist die Flussänderung beim Drehen am größten. Bei weiterem
Drehen nimmt die erzeugte Spannung wieder ab, bis zu Null und geht dann mit
vertauschtem Vorzeichen weiter. Nach einer Vollen Umdrehung (360°) ist wieder der
Ausgangszustand erreicht und der ganze Vorgang wiederholt sich. Der zeitliche
Verlauf der Spannung an den Klemmen des Generators ist sinusförmig. Die Zeit für
eine volle Umdrehung der Spule und somit für ein Durchlaufen aller Spannungswerte
heißt Periode T. Ihr Kehrwert ist die Frequenz ν (sprich: nü), die in Hertz (Hz,
Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894) gemessen wird. Sie gibt an, wie viele Male in
einer Sekunde die Spannung den maximalen positiven Wert erreicht. Im
europäischen Verbundnetz beträgt die Frequenz 50 Hz.
Bei der Beschreibung eines Wechselstromes spielt der Begriff der Phase eine
wichtige Rolle. Jedem Punkt im Diagramm, das die Spannung als Funktion der Zeit
darstellt, entspricht ein bestimmter Winkel, um den die Spule aus der Ausgangslage
senkrecht zu den Feldlinien gedreht wird. Man bezeichnet den jeweiligen Winkel als
Phase der Spannung ϕ (sprich: phi). Dem Maximum der positiven Spannung
entspricht somit die Phase ϕ = 90°, dem Nulldurchgang die Phase ϕ = 180° usw.
Üblicherweise wird der Winkel jedoch nicht in Grad angegeben, sondern in der
Seite 10
Länge des Bogens eines Einheitskreises (Kreis mit dem Radius 1), d.h. ein Winkel
von 360° entspricht 2π, ein Winkel von 180° entspricht π usw.
Dreiphasenwechselspannung
Bei der Erzeugung und Verteilung der elektrischen Energie ist das dreiphasige
Wechselspannungsnetz üblich. Es wird auch als Drehstromnetz bezeichnet.
Bei einem
Drehstromgenerator sind 3
Spulen räumlich um je 120 Grad versetzt.
In der Mitte kreist ein Magnet. In allen drei
Spulen entstehen Induktionsspannungen
gleicher Größe. Da die Spulen um 120
Grad versetzt sind, haben auch die
induzierten
Spannungen
eine
Phasenverschiebung von 120 Grad
L1
UL1
UL1-L3
UL2-L1
120°
Für
die
Fortleitung
dieser
drei
N
U
U
Wechselspannungen müssen eigentlich
Sternpunkt
sechs Leiter (je ein Hin- und Rückleiter)
zur Verfügung stehen. Man kommt aber mit
L2
U
drei Leitern aus, weil diese durch zeitliche L3
Verschiebung der drei Ströme abwechselnd
"Hinleiter"
und
"Rückleiter"
sind.
Überlandleitungen benötigen daher nur drei Leiter zur Übertragung von Drehstrom.
Bei der Versorgung im Niederspannungsortsnetz wird noch ein zusätzlicher Leiter,
der Mittelleiter N, mitgeführt, so dass sich Vier-Leiternetze ergeben. Durch die
Mitführung des Mittelleiters wird es möglich, aus einem solchen Netz
unterschiedliche Spannungen zu entnehmen. Zwischen dem Mittelleiter, der mit N
bezeichnet wird, und jeweils einem der drei Außenleiter (Phasen), die mit L1, L2, L3
bezeichnet werden, besteht eine Spannung von 230 V (UL1, UL2, UL3), zwischen
jeweils zwei Außenleitern eine Spannung von 400 V (UL1-L2, UL2-L3, UL3-L1). Die
unterschiedlichen Spannungen ergeben sich durch die Verkettung der drei
Wechselspannungen: 230 V x √3= 400 V (√3 ist der Verkettungsfaktor). Die meisten
Hausanschlüsse sind heute Vierleiteranschlüsse, bei denen also beide Spannungen,
nämlich 230 V für Licht und kleinere Geräte sowie 400 V für größere Geräte und
Motoren zur Verfügung stehen.
L3
L2
L3-L2
Schaltungen
Im folgenden sollen zwei grundlegenden Schaltungsarten anhand von ohmschen
Widerständen kurz erläutert werden.
Werden zwei Widerständer hintereinander, oder wie man sagt, in Serie geschaltet,
ergibt eine Messung von Spannung und Strom, dass sich die Widerstände addieren.
Die ist nicht verwunderlich, da man sich die Hintereinanderschaltung wie eine
Verlängerung des Widerstandsdrahtes vorstellen kann. Misst man die Spannung, die
über einen Widerstand abfällt, so stellt man fest, dass die Teilspannung um so
größer ausfällt, je höher der Widerstandswert ist. Der Strom durch beide Widerstände
ist gleich groß. Wenn beide Teilwiderstände gleich groß sind, fällt an jedem die halbe
Gesamtspannung ab. Dies kann man nutzen, indem man durch einen veränderlichen
Widerstand (Potentiometer) eine sich verändernde Spannungsquelle schafft.
Seite 11
Schaltet man die zwei Widerstände nebeneinander (parallel), liegt an jedem
Widerstand die gleiche Spannung; durch die Widerstände fließen jedoch
unterschiedliche Ströme.
Den Zusammenhang von Reihen- und Parallelschaltung beschreiben die beiden
Kirchhoffschen Regeln (Gustav R. Kirchhoff, 1824-1887). Die erste besagt, dass an
jedem Verzweigungspunkt mehrerer Leitungen die Summe der auf ihn zufließenden
Ströme genau so groß ist wie die Summe der von ihm abfließenden. Die Summe
aller Ströme ist also Null. Der zweite Kirchhoffsche Satz besagt: In jedem beliebig
aus einem Leiternetz herausgegriffenen geschlossenen Stromkreis ist die Summe
der angelegten Spannungen gleich der Summe der Produkte aus den Stromstärken
und den Widerständen.
Nicht regenerative Stromerzeugung
Brennstoffe
Zu den fossilen Brennstoffen zählen Braun- und Steinkohle, Erdöl und Erdgas. Sie
haben ihren Ursprung in organischen Substanzen, die sich vor Millionen von Jahren
abgelagert haben.
Steinkohle entstand durch die Anhäufung großer Massen abgestorbener Pflanzen meist durch Farne auf dem Grund von Seen und Sümpfen. Bakterien zersetzten dort
die organischen Substanzen. Sauerstoff und Stickstoff entwichen während des
Verrottungsprozesses. In den Pflanzenresten reicherte sich währenddessen
zunehmend Kohlenstoff an. So entstand zunächst Torf, der durch den Druck sich
darauf ablagernder Sedimente (z. B. Sand und Kies) in Braunkohle überging. Infolge
von Veränderungen der geologischen Formationen und unter Einwirkung von großer
Hitze und Druck (Metamorphose) wandelten sich die Braunkohleschichten schließlich
zu Kohleflözen. Die Steinkohlelager entstanden besonders in den Zeitabschnitten
Karbon und Perm, aber auch in der Trias und im Jura: also vor mehr als hundert
Millionen Jahren. Anthrazit ist die älteste Kohle. Sein Kohlenstoffgehalt beträgt bis zu
98 Prozent. Und reiner Kohlenstoff kommt als Graphit in alten Kohlelagerstätten vor
Die Braunkohle oder der Lignit - eine holzige Art der Braunkohle - sind die jüngsten
Kohleformationen. Deren Kohlenstoffgehalt liegt zwischen dem von Torf und
Steinkohle. Erdöl und Erdgas entstanden vor allem aus den organischen Massen
abgestorbenen Planktons, die sich auf dem Meeresgrund ablagerten. Dabei gelangte
ein Teil des Planktons unverwest und ohne Verlust darin gespeicherter
Sonnenenergie in sauerstofffreie Meerestiefen. Im Laufe der Zeit setzten sich - etwa
in Meeresbuchten und Flussmündungen - riesige Mengen Faulschlamm ab und
wurden dort von Schlick bedeckt. In einem Jahrtausende währenden Prozess
förderten auch hier Bakterien die Zersetzung. Mit Kohlenstoff und Wasserstoff
angereichertes Primärbitumen blieb zurück. Ebenfalls durch Hitze und Druck bildeten
sich daraus die im Erdölen enthaltenen Kohlenwasserstoffe. Destillationsprozesse
infolge der Hitzeeinwirkungen setzten dabei die flüchtigen Bestandteile, das Erdgas,
frei.
Turbinen
Die Wirkungsgrade der Maschinen und Prozesse wurden über die vielen Jahre
hinweg kontinuierlich gesteigert: Von einigen wenigen Prozent zu Anfang der
Entwicklung bis auf annähernd 60 % heute. Wirkungsgrade von nahezu 100 %
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werden jedoch aus physikalischen Gründen bei der Umwandlung in mechanische
Energie auch in ferner Zukunft nicht erreichbar sein.
Modernste Kraftwerke mit Dampfturbinen oder Gasturbinen haben Wirkungsgrade
bis 45 %, Kraftwerke mit einer Kombination beider Maschinen bis zu 60 % und
Automotoren etwa 25%. Das bedeutet, dass selbst in diesen, in langen
Entwicklungsprozessen ausgereiften Maschinen die Hälfte bis drei Viertel der
Energie verloren gehen. Um das verstehen zu können, ist ein kurzer Ausflug in die
Theorie der Thermodynamik notwendig. Dampfmaschine, Dampfturbine, Gasturbine
und Automotor nutzen die Energie aus, die in heißen Gasen bzw. im Wasserdampf
steckt. Die Grundlagen für die technische Nutzung der Dampfmaschine legte James
Watt bereits 1765. Das physikalische Prinzip bei Wärmekraftmaschinen ist dabei
immer gleich: Durch Erhitzen wird Energie in das Arbeitsmedium (meist Dampf oder
Luft) eingebracht. Dadurch erhöht sich bei gleichbleibendem Volumen beispielsweise in einem geschlossenen Gefäß sein Druck oder bei gleichbleibendem
Druck seine Geschwindigkeit. Das unter Druck stehende Medium hat das Bestreben,
sich auszudehnen, bis es sich auf Umgebungsdruck entspannt und sich auf
Umgebungstemperatur abgekühlt hat. In der Ausdehnungsphase kann es einen
Kolben oder eine Turbine antreiben. Die Wärmeenergie wird also in mechanische
Energie umgewandelt. Leider geht bei dieser Umwandlung - wie der französische
Physiker Sadi Carnot bereits 1824 ableitete- ein beträchtlicher Teil der Energie durch
Wärmeabgabe an die Umgebung verloren. Dieser Verlust ist naturgesetzlich bedingt
und unvermeidbar. Wie Carnot zeigte, hängt der Wirkungsgrad einer idealen
Wärmekraftmaschine von der Temperaturdifferenz des Gases vor und nach der
Ausdehnungsphase ab. Teilt man diese Differenz durch die Temperatur vor der
Abkühlung, so erhält man unmittelbar den theoretisch möglichen Wirkungsgrad. Alle
Temperaturen sind dabei in Kelvin (K) anzugeben, wobei 0 K der Temperatur von
minus 273 °C entspricht. Eine Dampfturbine, deren obere Dampftemperatur bei 280
°C (= 553 K) und deren untere Dampftemperatur bei 30 °C (= 303 K) liegt. kann also
einen theoretischen Wirkungsgrad von bestenfalls 45 % erreichen.
Dieser
Wirkungsgrad wird nur für den idealen Carnotprozeß erreicht. In der Praxis
verschlechtert sich der für dieses Beispiel errechnete Wert auf Grund von
unvermeidbaren Verlusten in der Turbine und im Generator sowie durch den
Energieverbrauch von Hilfsaggregaten wie Pumpen und Lüftern noch deutlich. Hier
ist der Ansatzpunkt, um mit fortschrittlichen Konzepten und Komponenten dem
Wirkungsgradrückgang entgegenzuwirken. Daneben wird aber ebenso daran
gearbeitet, durch Erhöhung der Mediumtemperatur vor der Ausdehnungsphase den
Carnotschen Wirkungsgrad zu erhöhen.
Die Anforderungen an Dampf- und Gasturbinen sind so extrem, dass bei ihnen schon
immer
die
Entwicklung
höchstpräziser
Fertigungsverfahren
und
hochbeanspruchbarer Werkstoffe das Tempo des technischen Fortschritts bestimmt
haben. Beispielsweise erreichen die Schaufelenden des Niederdruckläufers
(Durchmesser weit über 2 m) einer großen Dampfturbine bei 3 000 Umdrehungen
pro Minute eine Umfangsgeschwindigkeit von über 2000 km/h -mehr als die
Concorde. Die Schaufelenden legen dabei während der durchschnittlichen
Lebensdauer von 200000 Stunden einen Weg von etwa 500 Millionen Kilometern
zurück. An den Schaufelfüßen zerren Fliehkräfte von 300 bis 400 Tonnen, das
Gewicht von einem halben Dutzend ICE-Lokomotiven. Zusätzlich sind die Schaufeln
hohen Temperaturen ausgesetzt - im Hochdruckbereich über 500 °C. Noch sehr viel
höher liegen die Temperaturen bei Gasturbinen. Die ersten Kraftwerk-Gasturbinen
aus den sechziger Jahren hatten Gaseintrittstemperaturen von 750 °C. Diese
Seite 13
Temperaturen reichen aus, Stahl rot glühen zu lassen. Die Gastemperaturen
moderner Gasturbinen von 1200°C und höher würden ihn sogar zur Weißglut bringen
und weich werden lassen. Für sie mussten deshalb spezielle Kühlverfahren
entwickelt werden, um die Schaufeln vor solch extremen Temperaturen zu schützen.
Ganz neue Werkstoffe und besondere Fertigungsverfahren mussten entwickelt
werden.
Sowohl im Dampfprozess als auch in der Gasturbine wird das Arbeitsmedium Dampf
bzw. Gas erhitzt und auf hohen Druck gebracht. Der Dampf für die Dampfturbine wird
im Kessel erzeugt. Bei einem großen Kohlekraftwerk sind diese Kessel bis zu 200
Meter hoch. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, muss die obere
Dampftemperatur möglichst hoch sein. Hierzu gehört auch ein hoher Druck. Der
maximale Druck des Dampfs wird dabei durch die Materialbelastbarkeit begrenzt.
Moderne Kraftwerke machen bei Temperaturen von 500 bis 580 °C Drücke von 200
bis 290 bar erforderlich. Die untere Dampftemperatur wird auf etwa 30 °C gesenkt,
indem man ein Vakuum im Kondensator erzeugt. Eine weitere Erhöhung der
Dampfzustände erlauben die gängigen, kostengünstigen Werkstoffe kaum noch.
Dafür sind höherwertige, aber auch wesentlich teurere Werkstoffe notwendig.
Parallel zur Erhöhung der Dampfzustände wurde kontinuierlich an der Verbesserung
der Turbinenschaufeln gearbeitet, die die Bewegungsenergie des ausströmenden
Dampfs in Drehbewegung umsetzen. Der in die Turbine eintretende Dampf wird
durch die wie Düsen geformten Leitschaufeln ein wenig entspannt, dabei
beschleunigt und auf die Laufschaufeln umgelenkt. Durch den Antrieb der
Laufschaufel verliert der Dampf weitgehend seine Geschwindigkeit. Da er aber noch
unter hohem Druck steht, kann er ein weiteres Mal entspannt und beschleunigt
werden. Deshalb werden Dampfturbinen in mehreren Stufen meist einer Hochdruck-,
einer Mitteldruck- und zwei bis drei Niederdruckturbinen gebaut. Da die Dampfmasse
in allen Stufen die gleiche ist, das Volumen aber auf Grund der Entspannung immer
mehr zunimmt, muss der Querschnitt der Turbinenstufen immer weiter zunehmen.
Die letzte Schaufelreihe einer 1000-MW-Dampfturbine hat deshalb eine
Querschnittsfläche von etwa 10 Quadratmetern. Auch durch die Formgebung der
Schaufeln kann die Strömungsführung in der Turbine verbessert werden. Für jede
Duckstufe der Turbine anders geformte Profile sorgen schon heute dafür, dass etwa
90 % der Bewegungsenergie des Dampfs in der Turbine in Drehbewegung
umgesetzt werden. Weitere Steigerungen sind deshalb nur noch in kleinen Schritten
zu erreichen.
Über eine gemeinsame Welle wird der Generator angetrieben, der die mechanische
Drehenergie der Turbine in elektrische Energie umwandelt (Energie kann nicht
erzeugt werden, sondern wird nur umgewandelt !)
Wärmeauskopplung
In einem Kraftwerk mit Kondensationsbetrieb gibt der kondensierende Dampf im
Hauptkondensator Wärme an das Kühlwasser ab. Diese Wärme lässt sich -von
Ausnahmen abgesehen - nicht nutzen, weil sie auf zu niedrigem Temperaturniveau
anfällt.
Fernwärme und elektrische Energie können entweder getrennt produziert werden
(Fernwärme in Heizwerken, elektrische Energie in Kondensationskraftwerken) oder
auch zusammen nach dem Prinzip der Kraft - Wärme - Kopplung in Heizkraftwerken.
Für die Kraft - Wärme - Kopplung gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, den
Anzapfbetrieb und den Gegendruckbetrieb.
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Im Anzapfbetrieb wird der Turbine an geeigneter Stelle ein Teil des Dampfes
entnommen und zum Heizkondensator geleitet. Er ist so konstruiert, dass bei der
Kondensation des Dampfes das Heizwasser im Vorlauf Temperaturen zwischen 100
°C und 150°C annimmt. Der entnommene Dampfanteil steht zur Erzeugung
elektrischer Energie nicht mehr zur Verfügung. Die elektrische Leistung des
Kraftwerkes wird dadurch verringert. Der andere Teil des Dampfes wird durch den
Niederdruckteil der Turbine geleitet und im Hauptkondensator wieder verflüssigt. Die
Temperatur dieses Kondensators liegt zwischen 20 und 40°C. Wasser mit so
niedriger Temperatur ist für die Fernwärmeversorgung nicht geeignet. Bei einer Kraft
- Wärme - Kopplung im Anzapfbetrieb lässt sich das Mengenverhältnis zwischen
elektrischer Energie und Fernwärme in bestimmten Grenzen variieren.
Bei einer Gegendruckanlage wird der gesamte Dampf nach Durchströmen der
Turbine in einen Heizkondensator geleitet. Damit das Heizwasser Temperaturen von
100-150°C erreicht, muss der Dampf die Turbine mit entsprechend hoher
Temperatur verlassen. Er darf sich also nicht - wie in einer normalen Turbine - bis auf
niedrige Temperaturen entspannen. Im Heizkondensator wird der Dampf bei höheren
Temperaturen und entsprechend höherem Druck vollständig verflüssigt. Auch bei
dieser Anlage wird also ein Teil der Wärmeenergie nicht zur Erzeugung elektrischer
Energie, sondern zur Fernwärmeerzeugung verwendet. Die Anteile können jedoch
nicht variiert werden. Eine Besonderheit ist außerdem, dass elektrische Energie nur
dann erzeugt werden kann, wenn gleichzeitig auch Fernwärmebedarf besteht.
Kühlung
Das wirksamste und einfachste Kühlverfahren ist die Durchlaufkühlung.
Ein Teil des Flusswassers wird als künstlicher Seitenarm durch den Kondensator
geleitet. Das Wasser erwärmt sich dabei um ca. 10°C.
In den Fluss zurückgegeben, vermischt es sich schnell mit dem übrigen Wasser. Je
nach Wasserführung erhöht sich dabei die Flusstemperatur geringfügig. Auf dem
Weg zum Meer verliert der Fluss die Wärme an die Atmosphäre. Diesem Verfahren
sind heute enge Grenzen gesetzt. Industrieanlagen häufen sich und Frischwasser
wird knapp. Die Gefahr wächst, dass sich die Flüsse zu stark erwärmen und die
Selbstreinigungskraft beeinflusst wird.
Für Kraftwerke bedeutet das: Die natürlichen Gewässer scheiden zur
Wärmeabführung weitgehend aus. Es bleibt nur die direkte Abgabe der Wärme an
die Atmosphäre. Das geschieht durch Kühltürme.
Kühltürme haben die Aufgabe, aufgeheiztem Kühlwasser Wärme zu entziehen. Das
geschieht durch Übertragung der Wärme an die Luft.
Hierzu wird das erwärmte Kühlwasser über einen zwischengeschalteten Kühlturm
geleitet, bevor es abgekühlt und stark mit Sauerstoff angereichert in den Fluss
zurückgeht.
Im wesentlichen gibt es zwei Funktionsweisen bei Kühltürmen: Nass- und
Trockenkühlung.
Nasskühlung: Wasser und Luft treten in unmittelbaren Kontakt. Die Wärmeabfuhr
vollzieht sich hauptsächlich durch Verdunstung von Wasser. Das Kühlwasser wird im
Turm auf eine Höhe von etwa 10 m gepumpt. Dann rieselt es, gleichmäßig verteilt,
durch ein Plattensystem in ein Auffangbecken. Von unten wird es dabei von einem
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starken Luftzug durchströmt, der je nach Bauart künstlich erzeugt wird: im VentilatorKühlturm durch Gebläse oder im Naturzug- Kühlturm durch natürliche Kaminwirkung.
Ein kleiner Teil dieses rieselnden Wassers verdunstet und entweicht als Dampf in die
Atmosphäre. Bei Rückkühlung muss dieser Verlust ständig ersetzt werden.
Gleichzeitig wird immer etwas Wasser aus dem Kreislauf abgeleitet und erneuert. So
vermeidet man eine zu große Eindickung der natürlichen Salze im Kühlwasser. Diese
Aufkonzentrierung (Eindickung) wäre sonst durch die ständige Verdunstung im
Kreislauf unvermeidlich.
Aus beiden Verlustquellen ergibt sich ein ständiger Bedarf an Zusatzwasser: bei
einem Kernkraftwerk von 1300 MW sind das zum Beispiel rund 1,5 Kubikmeter pro
Sekunde oder 5000 Kubikmeter in der Stunde. Etwa die Hälfte des Zusatzwassers
geht in den Fluss zurück, frei von Verunreinigungen und fast hundertprozentig mit
Sauerstoff angereichert. Die andere Hälfte verdunstet.
Trockenkühlung : Wasser und Luft bleiben voneinander getrennt. Das Wasser kreist
in Rohren, an denen die Luft vorbeistreicht. Das Wasser kühlt ab und die Luft
erwärmt sich. Die Verdunstung wird beim Trockenkühlturm vermieden. Denn hier gibt
es einen völlig geschlossenen Kühlkreislauf, in dem nichts verdampfen kann und der
also auch kein Zusatzwasser braucht.
Da jedoch auf den starken Kühleffekt der Verdunstung verzichtet wird, ist die
trockene Kühlung weniger wirkungsvoll. Dieser Nachteil muss durch größere
Kühlflächen ausgeglichen werden. Ein Trockenkühlturm muss daher zweieinhalbbis dreimal größer sein als ein Nasskühlturm gleicher Leistung.
Hybridkühltürme sind eine Kombination aus Nass- und Trockenkühltürmen.
Nass-, Trocken- und Hybridkühltürme können entweder als Naturzugkühltürme oder
als Ventilatorkühltürme ausgeführt werden. Naturzugkühltürme brauchen eine
entsprechende Bauhöhe, damit der Zug für die aufsteigende Luft zustande kommen
kann. Für Ventilatorkühltürme reicht eine wesentlich geringere Bauhöhe aus. Sie
brauchen aber für den Antrieb der Ventilatoren, die den Luftstrom durch den
Kühlturm fördern, zusätzlich elektrische Energie.
Die verschiedenen Kraftwerks-Kühlverfahren haben spezifische Vor- und Nachteile:
Die Frischwasserkühlung verursacht die geringsten Investitionskosten und führt
wegen
der
erreichbaren
niedrigen
Kühltemperatur
zum
günstigsten
Kraftwerkswirkungsgrad.
Sie
benötigt
aber
große
Kühlwassermengen.
Nasskühltürme sind teurer und führen wegen der etwas höheren Kühltemperaturen
zu einer Verringerung des Wirkungsgrades von etwa einem Prozentpunkt gegenüber
Frischwasserkühlung. Sie brauchen wenig Kühlwasser. Bei bestimmten Wetterlagen
können die Kühlturmschwaden optisch stören. Trockenkühltürme sind noch teurer als
Nasskühltürme und führen zu einer nochmaligen Wirkungsgradeinbuße: gegenüber
der Frischwasserkühlung immerhin um etwa zwei Prozentpunkte. Dass sich keine
Schwaden bilden und kein Kühlwasser benötigt wird, sind die Pluspunkte dieses
Verfahrens.
Rauchgasentschwefelung
Primärmaßnahmen sind feuerungstechnischer Art, die sich aus den Vorgängen der
Stickoxidbildung erklären. Die Oxidation des Luftstickstoffs in der Verbrennungsluft
beginnt oberhalb einer Temperatur von 1300 Grad Celsius. Der im Brennstoff
gebundene Stickstoff dagegen oxidiert schon bei niedrigen Temperaturen
Seite 16
Durch Herabsetzung der Feuerraumtemperaturen sowie Verkleinerung der
Oxidationszonen (Wirbelschichtfeuerung) kann die Entstehung von Stickoxiden
schon bei der Verbrennung vermindert werden Das geschieht hauptsächlich mit
Stufen-Mischbrennern und durch Trockenentaschung.
Sekundärmaßnahmen: Die weitere Reduzierung der Stickoxide erfolgt gleich nach
dem Kessel in einem Katalysator. In ihm wandeln sich die Stickoxide unter Zugabe
von Ammoniak chemisch zu Stickstoff und Wasserdampf um (SCR-Verfahren =
Selective
Catalytic
Reduction).
Dieses
Verfahren
hinterlässt
keine
umweltbelastenden Rückstände, da Stickstoff und Wasser zu den natürlichen
Bestandteilen der Luft gehören. Die Reaktionsflächen der Katalysatoren bestehen
aus einer Speziallegierung, deren Mikrostruktur die Reaktion des Stickoxids mit
Ammoniak wirksam unterstützt (häufig Titandioxid TiO2 mit Vanadium- und
Wolframverbindungen). Mit diesem Verfahren lassen sich nach den
Primärmaßnahmen die Stickoxide effektiv aus den Rauchgasen entfernen.
Reaktionsgleichungen:
4NO
Stickstoffmonoxid
6NO2
à 4N2 + 6H2O
+ 4NH3 + O2
Ammoniak
Sauerstoff
Stickstoff
Wasser
+ 8NH3 à 7N2 + 12 H2O
Stickstoffdioxid
Ammoniak
Stickstoff
Wasser
Die Entschwefelung der Rauchgase geschieht in Wäschertürmen, in denen sie mit
einer wässrigen Kalklösung besprüht werden. Schwefel und Kalk verbinden sich;
gleichzeitig werden Chlor- und Fluorverbindungen ausgewaschen. Als Endprodukt
bleibt Gips, der in der Bauindustrie verwendet wird. Der Entschwefelungsgrad beträgt
rund 90 Prozent.
Reaktionsgleichungen:
2SO2
Schwefeldioxid
+
2CaCO3
à 2CaSO3
Calciumcarbonat
2CaSO3 + 4H20 + O2
Calciumsulfit
Wasser
Sauerstoff
Calciumsulfit
à
+
2CO2
Kohlendioxid
2(CaSO4 + 2H2O)
Calciumsulft-Dihydrat (Gips)
Komplettiert wird die Rauchgasreinigung durch hochwirksame Elektrostaubfilter. Sie
haIten die in den Rauchgasen enthaltene Flugasche fast vollständig zurück.
Flugasche und Verbrennungsasche aus dem Kessel werden als Baustoffe
eingesetzt. Elektrofilter bestehen aus einem System paralleler Metallplatten
(„Niederschlagselektroden“), die gassenförmig angeordnet sind. Dazwischen
befinden sich profilierte Metalldrähte („Sprühelektroden“), an denen eine negative
Gleichspannung in Größenordnungen zwischen 30 000 und 80 000 Volt liegt. Infolge
der hohen Spannung entsteht zwischen den Drähten und den Platten ein starkes
elektrisches Feld, das sich an den negativen Elektroden konzentriert und dort ein
sprühartiges Austreten von Elektronen bewirkt. Die Staubteilchen werden hierdurch
negativ aufgeladen und strömen nun zu den positiven Metallplatten, an denen sie
sich niederschlagen. Der Staubbelag, der allmählich entsteht, wird durch ein ständig
arbeitendes Klopfwerk entfernt und über den Ascheabzug in Speichersilos geführt.
Moderne Elektrofilter bestehen aus mehreren hintereinander geschalteten
Reinigungskammern, in denen von Stufe zu Stufe immer feinere Partikel
abgeschieden werden. Die äußeren Abmessungen sind je nach Größe des
Seite 17
Kraftwerkblocks unterschiedlich : für einen 550-MW-Block beansprucht der
Elektrofilter eine Grundfläche von etwa 40 x 60 m bei einer Höhe von ca. 40 Metern.
Die Menge des abgeschiedenen Staubes ist beträchtlich: etwa 30.000 – 40.000
Tonnen pro Jahr. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung kann die Flugasche
unter bestimmten Bedingungen als Betonzuschlag oder als Rohstoff für die
Zementherstellung verwendet werden.
Kleine Einführung in die Kerntechnik
Wie kann man sich den Vorgang der Kernspaltung durch ein Gedankenmodell
veranschaulichen?
Das Uran in der Tablette besteht zu 3% aus spaltbarem Uran 235 und zu 97% aus
nicht spaltbarem U 238.
Betrachten wir ein einzelnes Uran 235-Atom.
U235
+
Es besteht aus einem positiv geladenen Atomkern und 92
darum herumfliegenden (negativen) Elektronen. In der Regel
sind in einem Atomkern neben den Protonen genauso viel
Neutronen
vorhanden
(eine
Ausnahme
bildet
das
Wasserstoffatom, welches kein Neutron aufweist). Auf die
Neutronen wirken keine elektrischen Kräfte; sie werden nur
durch Atomkerne gebremst oder aufgehalten.
Soll ein solcher Uran 235-Atomkern gespalten werden, muss
man ihn beschießen. Verwendet man dazu negative Geschosse, können diese nicht
durch die Hülle in den Atomkern eindringen, da die Hüllelektronen auch negativ sind.
Aus dem gleichen Grund können positive Geschosse nicht in den positiven Kern
eindringen. Darum werden die Neutronen als neutrale Teilchen für die Geschosse
verwendet.
Neutron
Sind die Neutronen zu schnell, durchfliegen sie den Kern ohne ihn zu spalten.
Sind sie zu langsam, können sie gar nicht eindringen. Nur wenn sie eine relativ
langsame Geschwindigkeit von etwa 2 km/s haben, können sie eindringen und im
Kern stecken bleiben (Vergleich: Schießt ein Pistolenschütze aus der Nähe auf einen
Fußball, dann fliegt die Kugel glatt durch den Ball. Schießt er dagegen aus großer
Entfernung, trifft er den Fußball zwar noch, aber die Kugel hat zu wenig Energie um
einzudringen. Nur aus einer bestimmten Entfernung hat die Kugel eine solche
Geschwindigkeit, dass sie die vordere Wand des Fußballes durchschlägt, die hintere
aber nicht. Die Kugel steckt im Ball.).
Wenn nun ein Uran 235-Kern ein Neutron eingefangen hat, wird er instabil und es
entsteht ein kurzlebiges Zwischenprodukt U-236. Dieses spaltet sich in zwei
Bruchstücke (z. B. Krypton-89 oder Barium-144), die nun aufgrund der
Gleichnamigkeit ihrer Ladungen mit großer Geschwindigkeit und Energie
auseinanderfliegen. Es entstehen also erstens 2 Bruchstücke (neue Atome) und
zweitens Energie ! Dieser Energiegewinn geht mit einem winzigen Masseverlust
einher, sie wird in Wärme umgesetzt.
Mit der Bewegungsenergie werden im Kristallgitter des Uran die umliegenden Atome
angestoßen, die dadurch in Schwingungen versetzt und abgebremst werden. Diese
Schwingungen sind aber nichts weiter als Wärmeenergie. Bei der Spaltung von
einem Kilo Uran wird die ungeheuer große Menge von 2,8 Mio kWh oder 10 Billionen
Joule an Energie frei.
Seite 18
Die Wärme erwärmt das von unten nach oben vorbeiströmende Wasser bis zum
Verdampfen. Dieser Dampf treibt die Turbine an. Im Druckwasserreaktor wird
Natrium als Kühlmittel zum Wärmetransport verwendet.
Nun entstehen bei jeder Uran-Atomspaltung auch noch neue Neutronen, die wieder
zur Spaltung neuer Uran-Atomkerne benutzt werden können. Sie sind aber so
schnell (ca. 10.000 km/s), dass sie keine Spaltung bewirken können. So fliegen sie
ziellos im Reaktorkern herum und stoßen immer wieder an andere Atome. Dabei
werden sie gebremst, an meisten, wenn sie gegen Atomkerne stoßen, die ungefähr
gleich groß sind wie sie selbst: auf die Atomkerne des Wasserstoffes (H), der ein
Bestandteil des umgebenden Wassers ist. Erst wenn die Neutronen die langsame
Geschwindigkeit
von
etwa 2 km/s haben,
können sie wieder in
U235
spaltbare Uran 235+
Atome eindringen und
U235
diese spalten (z.B.
+
Neutron
A).
Die
Regulierung
der
„Trefferquote
erfolgt
durch den Moderator
als aus Graphit oder
D2O.
z. B. Krypton 89
Energie
A
U236
+
B
Ein Neutron dringt in
den Kern ein
kurzlebiges
Zwischenprodukt
Energie
z. B. Barium 144
Steuerstab
Wenn beide bei der Spaltung entstehenden Neutronen je eine weitere herbeiführten,
würde sich die Zahl der Spaltungen, die Zahl der Neutronen und die freiwerdende
Energie immer mehr erhöhen.
Um
dies
zu
vermeiden, enthält jeder Reaktor eine gewisse Menge
neutronenabsorbierender Stoffe, wie z.B. Bor oder
Kadmium, die gerade so viele Neutronen verschlucken,
dass die Zahl der Neutronen und damit die Leistung
konstant bleiben.
Jeweils 4 Brennelemente werden durch einen Steuerstab
„beschattet", so dass ein Reaktor mit 800 Brennelementen
durch etwa 200 Steuerstäbe in seiner Leistung gesteuert
werden kann.
Das Neutron B zum Beispiel könnte durch einen Steuerstab
eingefangen werden. Alle Steuerstäbe können von unten in
den Reaktor ein- oder aus ihm herausgefahren werden. Herausfahren bedeutet:
Weniger Neutronen werden absorbiert, es gibt mehr Spaltungen, der Reaktor
produziert mehr Leistung. Soll der Reaktor plötzlich abgeschaltet werden, können
alle Steuerstäbe automatisch eingeschossen werden, so dass keine Neutronen mehr
Spaltungen verursachen können.
Brennelement
Man könnte befürchten, dass die Neutronen sich durch Spaltungen vermehren ohne
einen Steuerstab zu treffen, weil die Steuerstäbe im Reaktorkern ja relativ große
Abstände voneinander haben. Diese Furcht ist unbegründet, weil der Abbremsweg
der Neutronen im Mittel länger ist als der Abstand zweier Steuerstäbe voneinander
Außerdem würde eine unbeabsichtigte Leistungserhöhung sofort eine erhöhte
Verdampfung des Wassers bewirken. In Dampf werden Neutronen aber viel
schlechter abgebremst als im Wasser, weil Dampf wesentlich weniger
Wasserstoffatome (H) enthält. Schlechtere Abbremsung von Neutronen ist aber
gleichbedeutend
mit
(Selbstregulierung!)
weniger
Spaltungen
und
Seite 19
geringerer
Leistung!
Regenerative Stromerzeugung
Wasserkraftwerke
Die Nutzung der Wasserkraft ist die älteste Form der Energieanwendung durch den
Menschen. Schon in grauer Vorzeit wurde die Kraft des Wassers in drehende
Bewegung umgewandelt (Schöpfräder 3000 v. Chr., Mühlen mit unterschlächtigen
und oberschlächtigen Wasserrädern) In der Mitte des 19. Jahrhunderts wurde daran
gearbeitet, den geringen Wirkungsgrad zu verbessern und James Francis, Lester
Pelton und Viktor Kaplan entwickelten die nach ihnen benannten Turbinen. Da zur
gleichen Zeit Werner von Siemens die Dynamomaschine erfand und kurze Zeit
später auch das Problem der Stromübertragung über weite Strecken gelöst wurde,
bot sich die Wasserkraft zur Erzeugung des elektrischen Stromes fernab der
Verbraucher an.
Die Turbine entzieht dem Wasser potentielle und kinetische Energie. Sie besteht
grundsätzlich aus einer Leitvorrichtung und einem rotierendem Laufrad auf einer
Welle, das vom Wasser angetrieben wird.
In der Bauweise zur Ausnutzung des Druckgefälles unterscheidet man Aktions- und
Reaktionsturbinen. Bei der Aktionsturbine wird die gesamte Energie des Wassers vor
dem Eintritt in das Laufrad in einer Düse in Bewegungsenergie umgewandelt. Das
Wasser gibt dann seine Energie unter gleichbleibendem Druck, aber unter Änderung
seiner Geschwindigkeit und seiner Richtung an die Laufradschaufeln ab. Der Druck
im Wasserstrahl ändert sich beim Durchgang durch das Laufrad nicht. Diese Bauart
wird daher auch als Gleichdruckturbine oder Freistrahlturbine bezeichnet.
Bei der Reaktionsturbine nimmt der Druck des Wassers von seinem Eintritt in der
Leitvorrichtung bis zum Austritt nach dem Laufrad ständig ab. Durch die Umsetzung
der Druckenergie des Wassers wird eine zusätzliche Kraft auf das Laufrad ausgeübt.
Das Wasser tritt mit Überdruck in das Laufrad ein und kommt in den sich allmählich
verengenden Raum zwischen den gekrümmten Schaufeln. Da pro Zeiteinheit nicht
weniger Wasser aus der Turbine herauskommen kann als oben hineingedrückt
wurde, bleibt das Durchflussvolumen konstant. Daher muss bei sich verengendem
Raum die Geschwindigkeit größer werden (Bernoulli-Gesetz). Vereinfacht errechnet
sich das Arbeitsvermögen des Wassers aus Druck mal Geschwindigkeit, und das
bleibt gleich. Erhöht sich die Geschwindigkeit, dann verringert sich der Druck, und
diese Druckdifferenz wirkt zusätzlich zu den Ablenkungskräften auf die
Laufradschaufeln.
Ein weiteres Kriterium bei der Konstruktion von Turbinen ist der Winkel gegen die
Umfangsrichtung des Laufrades, unter dem das Wasser in das Laufrad eintritt. Man
spricht von der Art der Beaufschlagung der Turbine und unterscheidet
Zentrifugalturbinen (mit einem Wasserdurchfluss von innen nach außen, Axial- und
Tangentialturbinen (mit einem Durchfluss von außen nach innen oder Radialturbinen,
bei denen das Wasser in Richtung der Radien des Laufrades strömt. Bei einer
vollbeaufschlagten Turbine strömt das Wasser von allen Seiten aus der
feststehenden Leitvorrichtung gegen die Laufradschaufeln. Die teilbeaufschlagte
Turbine erhält ihr Wasser aus nur wenigen Leitkanälen oder einer Düse.
Seite 20
Die Kaplanturbine ist eine Flügelradturbine, deren Laufrad sich ähnlich einer
Schiffsschraube im Wasserstrom dreht. Die Laufradflügel sind drehbar angelegt, und
das Wasser strömt über verstellbare Leitschaufeln in die Turbine ein. Die
Kaplanturbine ist als Überdruckturbine ausgelegt. Der Wirkungsgrad liegt zwischen
90 und 95 % im Nennlastbetrieb.
Die
Francisturbine
wird
als
eine
der
ältesten
Turbinenarten
im
Kleinwasserkraftwerksbereich verwendet. Sie wird bei geringen Fallhöhen und
großen Wassermengen (Volumenströmen) eingesetzt. Bei der Francisturbine lassen
sich nur die Leitschaufeln verstellen. Die Francisturbine arbeitet als Überdruckturbine
und kann als Pumpturbine im Pumpspeicherkraftwerk eingesetzt werden. Der
Wirkungsgrad bei Nennlast beträgt 90 %.
Die Peltonturbine ist für große Fallhöhen und kleine Wassermengen geeignet. Über
Düsen spritzt das Wasser mit hoher Geschwindigkeit auf halbrunde löffelartige
Becher, die auf dem Laufrad sitzen. Die Peltonturbine ist eine Freistrahlturbine. Der
Wirkungsgrad bei Nennlast beträgt 90 %.
Laufwasserkraftwerke
In Laufwasserkraftwerken wird von der Natur "laufend" dargebotenes Wasser
verwertet.
Meist werden diese Kraftwerke an einem Flusslauf als Niederdruckkraftwerke
ausgelegt und arbeiten mit wenigen Metern Fallhöhe.
Speicherkraftwerke
Beim Speicherkraftwerk wird das zufließende Wasser nicht unmittelbar genutzt. Es
kann im Speicherbecken angesammelt werden. Speicherkraftwerke dienen zur
Deckung des Spitzenbedarfs.
Speicherkraftwerke nutzen die potentielle Energie des im Speicherbecken
gesammelten Wassers bei meist größeren Fallhöhen zur elektrischen
Energieerzeugung. Die Kraftwerke arbeiten i. d. R. als Mittel- und Hochdruckanlagen.
Im Gebirge bieten sich hochgelegene natürliche und künstliche Seen an, um das
Wasser zu speichern.
Pumpspeicherkraftwerke
Eine besondere Variante des Speicherkraftwerkes ist das Pumpspeicherkraftwerk. In
lastschwachen Zeiten wird Wasser mit Hilfe elektrischer Energie in ein
höhergelegenes Speicherbecken gepumpt. Bei Spitzenbedarf kann elektrische
Energie ins Netz abgegeben werden. Das Pumpspeicherkraftwerk dient zur
Energiespeicherung und zur Deckung des Stromspitzenbedarfes.
Netze
Seite 21
Netze
Die elektrische Energie weist als maßgebendes Charakteristikum auf, dass sie an ein
Leitungsnetz gebunden ist und nicht in nennenswertem Maß gespeichert werden
kann wie Gas oder Öl. Strom muss im selben Augenblick erzeugt werden, in dem er
gebraucht wird.
Spannungsebenen
Ein Netz ist die Gesamtheit der elektrisch miteinander verbundenen Leitungen und
Anlagenteile gleicher Nennspannung. Es kann nach Aufgaben, Betriebsarten, Spannungen, nach Besitzverhältnissen oder nach den technischen Netzformen (Ringnetz,
Strahlennetz) benannt sein. Besondere Netze sind:
• Verbundnetz:
Es dient dem überregionalen, grenzüberschreitenden Austausch von
Elektroenergie auf Höchstspannungsebene im elektrischen
Verbundbetrieb. Die Nennspannung beträgt > (220) 380 kV, die
Kurzschlussleistung ca. 50 GVA.
• Transportnetz:
Dieses Übertragungsnetz dient der Übertragung zu nachgeordneten
Verteilnetzen. Die Nennspannung beträgt 110 kV - 220 kV
(Hochspannung), die Kurzschlussleistung zwischen 8 und 20 GVA.
• Verteilnetz:
Verteilt die Energie innerhalb einer begrenzten Region zur Speisung
von Transformatorstation. Die Nennspannung beträgt 10 kV - 30 kV
(Mittelspannung), in Ballungsgebieten bis 110 kV, die
Kurzschlussleistung 250 - 500 MVA.
Zur Erhöhung der Betriebssicherheit, zum ökologisch
und
ökonomischen
optimierten
Einsatz
der
Primärenergien wurde 1951 die UCPTE (Union für die
Koordination der Erzeugung und des Transports
elektrischer Energie) gegründet, der mittlerweile
nahezu alle westeuropäischen Staaten (Großbritannien,
Skandinavien und einige Länder Osteuropas über
Gleichstromkupplungen (HGÜ) angehören. Durch sie
ist der Austausch der Energie über Ländergrenzen
hinweg ohne komplizierte Formalitäten möglich.
Besonders wichtig ist dies bei der Regelung der
Kraftwerksblöcke im Verbundnetz. Bei Ausfall eines
großen Kraftwerkblocks, z.B. 2500 MW, soll die
stationäre Netzfrequenzabweichung durch Deckung der
Mehrbelastung durch die Bewegungsenergie der
rotierenden Massen der verbleibenden Generatoren auf
rund 0,150 Hz begrenzt bleiben. Die automatische
Primärregelung sorgt nun für den sofortigen Anstieg
des Dampfdurchsatzes in den Turbinen, so dass im
deutschen Verbundnetz innerhalb 30 sec die
vereinbarte
Reserveleistung
von
2,5%
der
augenblicklichen Erzeugung zur Verfügung steht (50%
der Reserveleistung innerhalb 5 sec !). Unterstützend
Freq.schwankungen im europ. Verbundnetz
<0,1 Hz, da Eingriff der Primärregelung
Netze
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wirkt hierbei auch der frequenzabhängige Rückgang der Verbraucherlast im
gesamten Verbundnetz. Da diese Sekundenreserve jedoch zeitlich begrenzt ist, wird
gleichzeitig mit der Primärregelung die Sekundärregelung veranlasst, die nach
spätestens 15 Minuten die Primärregelung ablöst. Sie regelt die durch die
Primärregelung aufgetretenen Abweichungen als proportional-integral wirkender
Regler wieder zurück und stellt das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und
Verbrauch wieder her. Ein Leistungs-Frequenz-Regler kontrolliert den Leistungsfluss
an den Kuppelstellen und vergleicht ihn mit den vereinbarten Übergabewerten. Bei
einem Leistungsdefizit steuert der Regler die Kraftwerke und führt die Netzfrequenz
wieder an den Normwert von 50 ± 0,05 Hz heran. Für die deutschen Verbundpartner
übernimmt die RWE Energie in Brauweiler bei Köln die Sekundärregelung an allen
Kuppelstellen zum UCPTE-Netz.
Frequenz (Hz)
(Ein Wort zur Niederspannung: Mit der Übernahme der internationalen Norm DIN IEC
38 im Mai 1987 wurde die Nennspannung von 220/380 V durch den neuen Wert
230/400 V ersetzt. Für die Umstellung ist eine Übergangsfrist bis zum Jahr 2003
vorgesehen. Während dieser Zeit soll die
Betriebsspannung des Netzes die Werte
230/400 V +6% -10% (244 V und 207 V)
am Hausanschluss nicht überschreiten.
Nach 2003 gilt ein Toleranzbereich von ±
10 %, d.h. 207 / 253 V).
50,00
Störungsanfang
49,98
49,96
∆f
49,94
Im allgemeinen werden Netze redundant
nach dem sogenannten n-1-Prinzip
ausgebaut.
Hiernach
gelten
die
Frequenzverlauf nach einer Störung
Übertragungs- und Verbundnetze als
hinreichend zuverlässig, wenn sie den
Ausfall eines beliebigen Betriebsmittels ohne Überlastung der verbleibenden und
ohne Inselnetzbildung verkraften. Das gleichzeitige oder unmittelbar aufeinanderfolgende Auftreten mehrere Ausfälle gemeinsamer Ursache bleibt wegen der
äußerst
geringen
Wahrscheinlichkeit
unberücksichtigt.
Vorübergehende
Spannungsgrenzwertverletzungen und Überlastungen werden dabei zugelassen,
wobei
die
Überstromanregung
der
Schutzorgane die Grenzen vorgibt.
Primärregelung
Sekundärregelung
49,92
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
Zeit (min)
Für die Netzplanung gilt es, neben der
Zuverlässigkeit, der Kostenoptimierung bei
Investitionen und Betriebskosten und der
Umweltverträglichkeit eine
Vielzahl von
Randbedingungen
zu
vereinen:
Spannungshaltung und Blindleistungsbilanz,
Lastfluss und Netzverluste sowie die flexible
Reaktion auf kurzfristige Änderungen der
Planungsvoraussetzungen
seien
hier
stellvertretend genannt.
Der
Belastungsverlauf
wird
von
den
menschlichen Lebensgewohnheiten, abhängig
vom Rhythmus von Tag und Nacht und von
den Jahreszeiten, aber auch vom Verlauf der
wirtschaftlichen Entwicklung bestimmt. Unter
Tagesbelastung eines Überlandwerkes um 1910
Netze
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Belastung versteht man die von den Abnehmern in Anspruch genommene Leistung,
die über einen Zeitraum ( z. B. eine Viertelstunde) gemittelt wird.
Netzformen
Mittelspannungsverteilnetze übertragen die elektrische Energie von den Einspeisepunkten bis zu den Mittelspannungs-Kundenstationen (Abnehmerstationen, ASt.)
und den Ortsnetzstationen (NSt.).
Typische Formen dieser Netze sind:
• Geschlossen betriebene Netze
• Offen betriebene Netze
Geschlossen betriebene Netze können sowohl in Vermaschungen als auch in
Ringstrukturen gefahren werden. Die Vorteile der Maschennetze liegen in der großen
Verfügbarkeit und Spannungsqualität sowie in den geringen Netzverlusten und in
den einfachen Erweiterungsmöglichkeiten. Als Nachteile sind der hohe Investitionsund Netzschutzaufwand zu verzeichnen. Dazu kommt die Tatsache, dass ein
Maschennetz in der Regel aus nur einem Hochspannungsnetz gespeist wird, so dass
bei Ausfall dieses Netzes eine Wiederinbetriebnahme schwierig wird. Wegen der
großen Kurzschlussleistung ist diese Netzform meist auf Niederspannungsnetze
beschränkt.
Geschlossen betriebene Ringnetze werden aus mehreren Einspeisestellen versorgt,
so dass bei Ausfall einer Anschlussleitung alle Kunden ohne Versorgungsunterbrechung weiterversorgt werden können. Auch hier wirkt sich der hohe Netzschutzaufwand nachteilig aus; gestörte Kabelabschnitte lassen sich nicht durch
Kurzschlussanzeiger feststellen.
Der einfachste Fall eines offen betrieben Netzes ist das Strahlennetz. Es zeichnet
sich durch seinen übersichtlichen Aufbau, den minimalen Schutzaufwand und seine
geringen Investitionskosten aus. Als Nachteile stehen dagegen die geringe Versorgungssicherheit, die großen Leitungsverluste und die hohen Spannungsfälle an
den Leitungsenden.
Vielfach durchgesetzt haben sich offen betriebene Ringnetze, die die Vorteile der
zuvor beschrieben Netzformen vereinen. Bei der Belastung der Halbringe muss beachtet werden, dass sie nur bis maximal 60% der Kabelnennlast ausgelastet werden
dürfen, um als Störungsreserve die andere Ringhälfte weiterversorgen zu können.
Die Wahl einer optimalen Normal-Trennstelle ist nicht nur vom Lastverlauf innerhalb
eines Ringes abhängig (Minimierung der Netzverluste), betriebliche Anforderungen
wie einfache Zugänglichkeit und Erreichbarkeit, die Qualität der Schaltanlage und die
Netzstruktur (Überschaubarkeit des Netzes) spielen hier eine große Rolle. Ebenfalls
ist an eine Optimierung bei der Fehlereingrenzung zu denken.
Neben der „reinen“ Netzform gibt es zur weiteren Erhöhung der Versorgungssicherheit auch die Möglichkeit, wichtige Stationen (z. B. Gegenstationen) mit Reservekabeln auszustatten oder Querverbindungen im Netz zu schaffen.
Die Spannungshaltung der Netze erfolgt in den speisenden Umspannwerken durch
regelbare Transformatoren. Die Ströme der aus diesen Anlagen führenden Mittelspannungsleitungen werden gemessen und ihre Höchstwerte registriert. In den
Netzstationen wird der Höchstwert der Belastung durch Bimetallmesswerke mit
Netze
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Schleppzeiger gemessen. Daneben werden zum „Qualitätsnachweis“ regelmäßige
und über das Netz verteilte Messungen von Spannung und Leistung mit beweglichen
Messeinrichtungen durchgeführt.
Die Übertragung und Verteilung elektrischer Energie ist wie jeder physikalische Vorgang mit Verlusten verbunden. Die Gesamtverluste eines Netzes setzen sich aus
den Stromwärmeverlusten, den Verlusten infolge der Magnetisierung, den Ableitverlusten und dem Eigenverbrauch der Zähler und Messwandler zusammen. Die
Stromwärmeverluste stellen den Hauptanteil dar. Sie sind von der Stromhöhe abhängig und lassen sich durch die Erhöhung der Spannung, durch größere Querschnitte und durch Blindstromkompensation verringern. Im Gegensatz dazu sind die
Magnetisierungsverluste in den Umspannern vom Energiedurchfluss praktisch unabhängig. Ableitverluste aus den Dielektrika und den Isolationen sowie Koronaverluste
an Höchstspannungsfreileitungen stellen den kleinsten Anteil dar.
Sternpunktbehandlung
Die optimale Versorgung der Kunden stellt viele Anforderungen an die Netze:
• Betriebs- und kundenabhängige Forderungen:
- praktisch unterbrechungsfreie Versorgung aller Kunden
– Verträglichkeit mit industriellen Prozessen der Kunden
– Fehlererfassung ohne betriebliche Schalthandlungen
– Wirtschaftlichkeit bei späterem Netzausbau
• Stromabhängige Forderungen:
- kleine Fehlerstromstärken
– geringe Auswirkung des Störlichtbogens, selbständiges Erlöschen
– geringe Beeinflussung anderer Leitungsnetze
– kleine Schritt- und Berührungsspannungen
• Spannungsabhängige Forderungen:
- geringe Anhebung der betriebsfrequenten Spannungen in fehlerfreien Leitern
– Vermeidung von Erdschlussfolgefehlern, z. B. Doppelerdschlüssen
– Vermeiden von Überspannungen als Folge von Zünden des
Lichtbogens oder von Schalthandlungen
– Vermeidung von Kippschwingungen
Dabei zeigt sich, dass zur Erfüllung dieser Forderungen die Behandlung des
Sternpunktes eine wesentliche Rolle spielt. Bei symmetrischem Bau und Betrieb der
Netze weisen die Sternpunkte des Generators und des Verbrauchers gleiches
Potential auf. Sie dürfen folglich beliebig miteinander
verbunden oder getrennt werden.
Weit
verbreitet
in
Deutschland
ist
die
Erdschlusskompensation. Hierbei wird der Sternpunkt des
Transformators über eine Spule mit Erde verbunden. Im
Erdschlussfall nehmen die beiden gesunden Leiter die
Außenleiterspannung an, der Erdschlussstrom wird jedoch
bis auf seine Wirkanteile kompensiert und sein Lichtbogen
erlöscht im Strom-Nulldurchgang. Ein solchermaßen
betriebenes Netz wird „gelöschtes Netz“ genannt.
Betriebsmittel
Seite 25
Betriebsmittel
Isoliermittel
Bei den Bauelementen und Geräten der Hochspannungstechnik kommt den Isolierstoffen eine zentrale Bedeutung zu, da sie oft Konstruktion und Form bestimmen.
Eine Größe zur Beschreibung der elektrischen Festigkeit ist die Durchschlagspannung Ud. Sie ist die Spannung, bei einem bestimmten zeitlichen Verlauf, bei dem das
isolierende Dielektrikum durch einen Entladungsvorgang vorübergehend oder
bleibend seine Isolierfähigkeit verliert. Wird es durch den Entladungskanal vollständig
überbrückt (niedriger elektrischer Widerstand) spricht man von einem vollkommenen
Durchschlag. Bei einer örtlich begrenzten Überbeanspruchung des Dielektrikums
spricht man von einem unvollkommenen Durchschlag. Die Spannung, bei der ein
unvollkommener Durchschlag eintritt, wird Einsetzspannung Ue genannt. Bei Erreichen dieser Spannung treten Teilentladungen auf, die durch die zunehmende
Ausbreitung zum vollkommenen Durchschlag führen können. Ein Beispiel für einen
unvollkommenen Durchschlag ist die Koronaentladung auf Hochspannungsfreileitungen.
Einfluss auf den Durchschlag haben Luftdichte, Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Bei
festen Isolierstoffen können Werte für die Durchschlagsfestigkeit von 100 kV/cm erreicht werden; in Luft unter normalen atmosphärischen Bedingungen kann ein Wert
von 1 kV/cm angenommen werden.
Für die Dimensionierung von Mindest- und Schutzabständen ist die Kenntnis der
Prüfspannung
Max. Betriebsspg.
Bei 50 Hz
Stoßspannung
min. Schlagweite
Innenraum
Freiluft
12 kV
35 kV
75 kV
110 mm
150 mm
24 kV
55 kV
125 kV
180 mm
225 mm
36 kV
75 kV
170 kV
260 mm
330 mm
123 kV
230 kV
550 kV
800 mm
1000 mm
420 kV
630 kV
1550 kV
Schlagweiten
größten Schlagweite von großer Wichtigkeit.
Die in der Hochspannung wichtigsten Isolierstoffe sind Luft, SF6, Porzellan, Mineralöle und Kunststoffe.
Unter den Naturgasen besitzen Luft und Stickstoff die höchsten Durchschlagsfeldstärken. Zur Erhöhung der Festigkeit wird Druckgas eingesetzt, häufig mit trockenem
Stickstoff gemischt zur Verhinderung von Oxidationen (Gasinnen- und -außendruckkabeln). Die elektrische Festigkeit steigt bis ca. 10 bar proportional zum Druck, danach werden Unregelmäßigkeiten der Elektrodenoberfläche zunehmend wirksam.
Als Isoliergas wird in metallgekapselten Hochspannungsschaltanlagen nur noch
Schwefelhexafluorid (SF6) verwendet. Dieses Gas hat eine hohe dielektrische
Betriebsmittel
Seite 26
Festigkeit. Sie ist bei Normaldruck etwa 3 mal so hoch wie die von Luft. Daher sind
nur geringe Drücke nötig, um das entsprechende Isolierniveau zu erhalten, wobei
quasihomogene Felder vorausgesetzt werden. Als Nennisolierdrücke in den Anlagen
werden Werte zwischen 2,5 und 5 bar gewählt. Die dielektrische Festigkeit von SF6
ist bei gleichbleibender Dichte unabhängig von der Temperatur konstant. Daher bestimmt die Dichte und nicht der Druck die elektrische Dimensionierung. Die Eigenschaften des SF6 können von seiner Molekülstruktur abgeleitet werden. Das Gas hat
durch den hexagonalen Aufbau seines Moleküls einen edelgasartigen Charakter. Es
ist farblos, geruchlos, geschmacklos, nicht brennbar, ungiftig und physiologisch ungefährlich. SF6 ist elektronegativ und etwa 5mal schwerer als Luft. Unter Atmosphärendruck. ist es bis -63°C gasförmig, seine Verflüssigungstemperatur ist druckabhängig. Das Gas ist chemisch inaktiv bis 500°C, oberhalb 2000°C tritt völlige
Dissoziation ein. Durch die große Dissoziationsenergie bei verhältnismäßig geringen
Dissoziationstemperaturen ist SF6 auch ein geeignetes Löschmittel für
Hochspannungsleistungsschalter.
Im Lichtbogen des Löschvorgangs bilden sich schwefel- und fluorhaltige, gasförmige
Verbindungen wie SOF2, SO2, F2SOF4, HF und staubförmige Verbindungen wie WF6,
CuF2. Diese Spaltprodukte sind chemisch aktiv und wirken zusammen mit Wasser
zum Teil aggressiv. Feuchtigkeit muss daher aus den Schalträumen ferngehalten
oder im Innern gebunden werden. Falls nach einem Lichtbogenkurzschluss
zersetztes SF6 austritt, müssen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden.
Porzellan ist ein Aluminiumsilikat, bestehend aus 50% Kaolin, 25% Feldspat und
25% Quarz. Die typische Durchschlagfeldstärke beträgt 20 - 40 kV/mm. Es ist
gasdicht, licht- und korrosionsbeständig gegen Säuren und Laugen (Ausnahme:
Flusssäure HF), temperaturbeständig und lichtbogenfest. Seine Unempfindlichkeit
gegen Fremdschichten lassen einen Freilufteinsatz zu. Wegen der Materialspröde
besteht eine Empfindlichkeit gegen lokale mechanische Überbeanspruchungen; ein
Bruch erfolgt spontan ohne vorheriges Fließen.
PVC ist ein harter, weißer Stoff, der zum Einsatz als Kabelisolierung mit Füllstoffen
(Kreide, Kaolin), Stabilisatoren (basische Bleiverbindungen), Weichmachern und
Gleitmitteln vermischt wird. Bedingt durch die hohen dielektrischen Verluste ist die
Anwendung von PVC-Kabeln auf den Spannungsbereich bis 5,8/10 kV begrenzt.
Aufgrund ihrer Teilentladungsbeständigkeit (Störstellen werden durch die leitfähigen
Zersetzungsprodukte bei Teilentladungen elektrisch abgekapselt) kann bis zu einer
Nennspannung von 6 kV auf Leitschichten verzichtet werden. Bei sehr hohen
Temperaturen wirkt die Entstehung von Chlorwasserstoff brandhemmend, er ist
jedoch giftig und korrosionsfördernd. Da PVC chemisch sehr beständig und
wasserunempfindlich ist, können die Kabel ohne metallischen Mantel in Erde gelegt
werden. Die zulässige Betriebstemperatur liegt je nach Nennspannung zwischen 65
bis 70°C, die Kurzschlusstemperatur bei 150°C. Bei der Herstellung wird das
granulatförmige Material geschmolzen und nahtlos auf den im Extruder
durchlaufenden Leiter aufgebracht.
Polyethylen (PE) wird als teilkristallines Material (d. h. räumlich geordnete
[=kristalline] Bereiche, unterbrochen durch ungeordnete [=amorphe] Bereiche) in
reiner Form, versehen mit Alterungsschutzmitteln, verarbeitet. Es weist gute
elektrische Eigenschaften wie niedrige dielektrische Verluste auf, ist jedoch
empfindlich gegen Teilentladungen. Weitere Nachteile sind seine Brennbarkeit, die
Wasserempfindlichkeit und die Unbeständigkeit gegen UV-Strahlung. Bei der
Herstellung mit Schneckenpressen bei 200°C muss es langsam zur Raumtemperatur
abgekühlt werden, um Schrumpflunker zu vermeiden.
Betriebsmittel
Seite 27
Zur Verbesserung des Temperaturverhaltens kann PE durch energiereiche
Bestrahlung mit γ-Strahlen oder durch chemische Reaktionen (Peroxyd) vernetzt
werden. Oberhalb der Schmelztemperatur der Kristalle verhält sich VPE mechanisch
wie weicher Gummi, daher die Bezeichnung „Thermoelast“. Da durch die Vernetzung
ein Riesenmolekül entsteht, wird die Beständigkeit gegenüber oberflächenaktiven
Flüssigkeiten verbessert. Im Vergleich zu PE ist die Fertigung komplizierter: Es wird
mit Extrudern bei ca. 130°C in ein Dampfrohr unter 16 - 20 bar Druck gepresst. Der
Werkstoff lässt Leitertemperaturen bis 90°C und Kurzschlusstemperaturen bis 250°C
zu. Bei der heute üblichen dreifachen Extrudierung werden innere Leitschicht,
Isolierung und äußere Leitschicht in einem Arbeitsgang zur Verminderung von
Störstellen fest miteinander verschweißt.
Anders als bei den papierisolierten Kabel, bei den das geschichtete Dielektrikum
Fehlerstellen mit hoher Wahrscheinlichkeit ausschließt und die Isolierflüssigkeit in
entstehende Hohlräume nachwandert, fehlt bei den extrudierten Kabeln dieser
Selbstheileffekt; der Nachteil kann nur durch äußerste Sauberkeit und hohe Präzision
bei der Fertigung ausgeglichen werden. Inhomogenitäten im mikroskopischen und
makroskopischen Bereich bleiben ortsfest und können sich zu Fehlerstellen
entwickeln. Da dieses Kabel ohne schützenden Metallmantel in Erde gelegt werden,
ist ihre Isolierung ständig der Bodenfeuchte ausgesetzt. Dabei spielt das noch nicht
hinreichend geklärte Phänomen der Bildung von Wasserbäumchen eine besondere
Rolle.
Eine Einteilung dieser „Bäumchen“ erfolgt in die Klassen
• elektrische Entladungsbäumchen (electrical tree, ET)
• Wasserbäumchen (vented tree (an den Isolieroberflächen) und bowtie-tree (im Inneren der Isolierung), VT)
• elektrochemische Bäumchen (electrochemical tree, ECT)
Ihnen ist gemeinsam, dass sie an Störstellen mit einer hohen Feldkonzentration bei
gleichzeitigem Wassereinfluss entstehen und mit der Zeit bis zum vollkommenen
elektrischen Durchschlag führen können.
Isolierpapiere: Ein wichtiges Hochspannungsisoliermittel bis 60 kV ist Ölpapier. Es
wird aus ölimprägnierter Zellulose hergestellt und kommt in Transformatoren,
Wandlern, Durchführungen und Kabeln zum Einsatz. Die Zellulose wird aus
Holzzellstoff (nicht aus Lumpen) gekocht und als Rohstoff in Wasser gelöst und
zermahlen. In der Papiermaschine entsteht durch Druck das Trafopapier in Stärken
von 0,05 bis 0,08 mm und das Kabelpapier von 0,08 bis 0,2 mm. Durch seine
hygroskopischen Eigenschaften nimmt Papier in normaler feuchter Atmosphäre
Wasser auf, wodurch sich der Durchgangswiderstand und die Alterungsbeständigkeit
rapide verschlechtert. Betriebsmittel mit Ölpapierimprägnierung werden bei der
Herstellung im Vakuum zum Erreichen einer geringen Restfeuchte bei Temperaturen
über 100°C je nach Dicke der Isolierung über Tage und Wochen getrocknet.
Ebenfalls unter Vakuum wird anschließend das aufbereitete und erwärmte Mineralöl
zugesetzt. Das Öl löst im Papier verbliebene Restgase, während das nun stark
hygroskope Papier dem Öl noch vorhandene Restfeuchtigkeit entzieht. Die Viskosität
des Öles ist für Ölkabel niedrig, bei Massekabeln wird ein eingedicktes, mit
Harzzusatz versehenes Mineralöl verwendet.
Mineralöle: Die heute als Isolier und Kühlflüssigkeiten verwendeten Öle, die man als
Isolieröle bezeichnet, werden aus dem Destillat geeigneter Erdöle mit einem
Siedebereich von 250 bis 400°C gewonnen. Sie besitzen einen tiefen Stockpunkt
sowie die von einer Isolier- und Kühlflüssigkeit geforderte Fließfähigkeit bei tiefen
Betriebsmittel
Seite 28
Temperaturen. Die wichtigsten Kriterien für die Verwendbarkeit eines Isolieröls sind:
• Niedrige Viskosität in Verbindung mit ausreichend hohem
Flammpunkt.
• Hohe chemische und dielektrische Reinheit (niedrige Säurezahl,
niedriger Verlustfaktor, hohe Durchschlagspannung) .
• Hohe Alterungsbeständigkeit, um eine lange Lebensdauer des
Isolieröls zu erreichen. Die ohnehin gute natürliche
Oxidationsbeständigkeit kann durch synthetische Zusätze, wie
Inhibitoren oder Passivatoren, über das natürliche Maß hinaus noch
erhöht werden.
Gas-in-Öl-Analyse: Viele Fehler in ölgefüllten Betriebsmitteln gehen mit einer
Freisetzung von Gasen einher, z. B. Teilentladungen, Funkenentladungen,
Lichtbögen oder lokale Überhitzungen. Diese Gase, die aus dem Abbau der
Isolierstoffe – Isolieröl, Papier, Pressspan - herrühren, lösen sich ganz oder teilweise
im Öl. Dabei ist zu beobachten, dass die Zusammensetzung der Gase für die
Fehlerart charakteristisch ist (Schlüsselgas SG und Begleitgas BG), die Menge für
die Intensität des Fehlers und die zeitliche Zunahme für die Dauer. Sie Gas-in-ÖlAnalyse führt zu einem frühzeitigen Erkennung von Schwachstellen und erleichtert
die Störaufklärung. Zum Erkennen von Alterungserscheinungen sollten regelmäßige
Untersuchungsintervalle eingehalten werden, für deren Zeitfolge aufgrund von stark
unterschiedlichen Betriebs- und Umgebungsbedingungen nur annähernde Angaben
gemacht werden können. Bei Netztransformatoren ist ein Intervall zwischen drei und
fünf Jahren sinnvoll, bei Erdschlusslöschspulen und bei Stichprobenprüfungen von
Ortsnetztransformatoren von zehn Jahren.
Kabel
Das Wort „Kabel“ stammt aus dem Arabischen und
bedeutet Seil oder Tau. Im frühen Mittelalter
übernahmen Seeleute den Begriff (vgl. Kabellänge =
185,2 m) und die ersten elektrischen Kabel wurden
von Seilmachern (Reepschlägern) hergestellt. Im
deutschen Sprachgebrauch wird (historisch bedingt)
zwischen „Kabeln“ und „Leitungen“ unterschieden.
Während
Leitungen
im
allgemeinen
für
Verdrahtungen, Installationszwecke und zum Anschluss ortsveränderlicher Geräte
benutzt werden, dienen Kabel zur Übertragung der elektrischen Energie in Netzen
der Energieversorgungsunternehmen und der Industrie mit erhöhten Anforderungen
an die Zuverlässigkeit. Als Faustregel gilt: Kabel werden in Erde verlegt, Leitungen
ausschließlich in Luft. Flexible Bauarten, z. B. Baggertrommelleitungen auch mit
Nennspannungen über 1 kV, gehören stets zu den Leitungen.
Das erste Starkstromkabel wurde 1880 von Werner von Siemens für den Betrieb von
elektrischen Bogenlampen hergestellt. Es hatte sieben mit Guttapercha isolierte
Kupferleiter von je 4 mm2, eine Umhüllung der Adern aus asphaltierter Jute sowie
galvanisierte Drähte zur Bewehrung. Die Betriebsspannung betrug 220 V, die
Stromstärke 7 A.
Die Aufbauelemente eines Kabels sollen nun näher erläutert werden.
Für die Leiter werden Kupfer (E-Cu) oder Leitaluminium (E-Al) verwendet. Kupfer
besitzt einen außerordentlich hohen Leitwert, der nur noch von Silber übertroffen
wird, sowie ein ausgezeichnetes Kontaktverhalten. Aluminium wurde erstmals im
Betriebsmittel
Seite 29
Ersten Weltkrieg wegen der Kupferknappheit verwendet und hat sich seitdem
aufgrund kostenmäßiger Überlegungen behauptet.
Bei gleicher elektrischer Leitfähigkeit
• wiegt ein Aluminiumleiter nur etwa die Hälfte eines Kupferleiters,
• beträgt der Querschnitt eines Aluminiumleiters etwa das 1,6-fache des
Kupferquerschnittes,
• ist der Leiterdurchmesser bei Aluminium etwa 1,27 mal größer als bei
Kupfer.
Bei beiden Werkstoffen kann der Leiter kreis- oder sektorförmig sowie ein- oder
mehrdrähtig sein. Damit ein Leiter größeren Querschnittes über ausreichende
Biegsamkeit verfügt, wird ein weicheres Aluminium als für mehrdrähtige Leiter
verwendet. Öl- und Gasdruckkabel haben besondere Leiter, wie Hohlleiter und ovale
Leiter. Die angegebene Querschnittsfläche bezieht sich nicht auf den geometrischen
Querschnitt, sondern auf den elektrisch wirksamen Querschnitt. Er ist neben dem
spezifischen Leiterwiderstand abhängig von der Schlaglänge und von der
Leiterverdichtung.
Der Nennquerschnitt bestimmt die maximale Strombelastbarkeit und damit die
Erwärmung eines Kabels. Zur verlustarmen Energieübertragung wählt man jedoch
den sog. wirtschaftlichen Querschnitt, der ein Optimum von Kabelkosten und
jährlicher Verlustleistung darstellt. Obwohl dieser größere Querschnitt einen erhöhten
Materialaufwand erfordert ist die damit verbundene Einsparung an Verlusten
bezogen auf eine 30jährige Betriebsdauer erheblich größer.
Auf den Leitern der Mittel- und Hochspannungskabel wird eine innere leitende
Schicht (auch Leiterglättung genannt) aufgebracht, die bei einem mehrdrähtigen
Leiter das elektrische Feld an der Oberfläche zur Vermeidung von Teilentladungen
homogenisiert. Die hierfür verwendeten Gewebebänder oder Kunststoffschichten
(aus Polymer-Compound, das durch Rußzusatz leitfähig gemacht wird) mindern bei
Kurzschlüssen die mechanische und thermische Beanspruchung des Kabels. Bei
papierisolierten Kabeln besteht sie aus mehreren Lagen von leitfähigem Papier
(Carbonpapier oder Rußpapier genannt).
Für die Isolierung werden Ölpapiere oder Kunststoffe eingesetzt. Die seit Jahrzehnten in allen Spannungsebene bewährten ölgetränkten Papiere bestehen aus
getrocknetem Isolierpapier (Restwassergehalt 0,1 %) und dem mit Alterungsschutzmitteln versehenen Isolieröl, das die Hohlräume ausfüllt und damit zu einer gleichmäßigen elektrischen Belastung der Isolierung beiträgt. Das Öl hat schwierigen Anforderungen zu genügen:
• dünnflüssig bei Imprägniertemperatur (130°C)
• dickflüssig bei Betriebstemperatur (50 - 60°C)
• kein Kristallisieren bei tiefen Temperaturen (kein brüchig werden)
Bei der Umwicklung des Leiters wird mit einem 3-5 mm breiten Spalt gewickelt, der
von der nächsten Papierlage abgedeckt wird. Damit kann das Kabel ohne Faltenbildung des Papiers gebogen werden und die Bildung von Durchschlagkanälen wird
erschwert. Die maximal zulässige Kurzschlusstemperatur beträgt 140 - 180°C.
Bei Kunststoffisolierungen werden vornehmlich Polyvinylchlorid (PVC) und Polyethylen (PE) als Thermoplaste oder als Thermoelaste vernetzte Polyethylene (VPE)
eingesetzt. Bedingt durch die hohen dielektrischen Verluste ist die Anwendung von
PVC-Kabeln auf den Spannungsbereich bis 5,8/10 kV begrenzt. Bei sehr hohen
Temperaturen wirkt die Entstehung von Chlorwasserstoff brandhemmend, er ist
Betriebsmittel
Seite 30
jedoch giftig und korrosionsfördernd. Da PVC chemisch sehr beständig und
wasserunempfindlich ist, können die Kabel ohne metallischen Mantel in Erde gelegt
werden. Die zulässige Betriebstemperatur liegt je nach Nennspannung zwischen 65
bis 70°C, die Kurzschlusstemperatur bei 150°C.
Polyethylen wird als teilkristallines Material in reiner Form, versehen mit
Alterungsschutzmitteln, verarbeitet. Es weist gute elektrische Eigenschaften wie
niedrige dielektrische Verluste auf, ist jedoch empfindlich gegen Teilentladungen.
Weitere Nachteile sind seine Brennbarkeit, die Wasserempfindlichkeit und die
Unbeständigkeit gegen UV-Strahlung.
Zur Verbesserung des Temperaturverhaltens kann PE durch energiereiche
Bestrahlung mit γ-Strahlen oder durch chemische Reaktionen (Peroxyd) vernetzt
werden.
Der
Werkstoff
lässt
Leitertemperaturen
bis
90°C
und
Kurzschlusstemperaturen bis 250°C zu.
Die äußere Leitschicht bewirkt eine gleichmäßige Belastung des Isolierstoffes, so
dass lokale Feldstärkeüberhöhungen nicht auftreten. Bei papierisolierten Kabeln
besteht sie aus metallisiertem Papier (Höchstädter Folie) oder aus einer Kombination
von Aluminiumbändern und leitfähigem Papier. Bei kunststoffisolierten Kabeln wird
sie vorzugsweise zusammen mit der Isolierung als eine leitfähige PolymerCompound-Schicht aufgebracht und vernetzt. Bei der Montage muss sie mit einem
Werkzeug abgeschält werden.
Für die Kabelmäntel stehen neben Blei und Aluminium auch die Werkstoffe PVC
und PE zur Verfügung. Kabelblei (schwachgekupfertes Blei) ist das älteste
Mantelmaterial und besitzt mit seiner chemischen Stabilität und seiner guten Biegefähigkeit viele Vorteile. Aluminiummäntel erfordern einen beständigen Korrosionsschutz, besitzen jedoch eine hohe Elastizität und eine gute elektrische Leitfähigkeit.
Kunstoffmäntel aus PVC werden vornehmlich bei Niederspannungskabeln eingesetzt. Im Mittelspannungsbereich sollen Mäntel ausschließlich aus PE bestehen, da
neben den guten mechanischen Eigenschaften auch die geringe Wasserdampfdiffusion zum tragen kommt. Zur Verbesserung der UV-Beständigkeit werden PEMäntel schwarz ausgeführt.
Die Druckschutzbandage dient dazu, bei Öl-Papier-isolierten Kabeln das Aufweiten
des Bleimantels zu verhindern. Das in der Regel wendelförmig aufgebrachte
Druckschutzband besteht bei dreiadrigen Kabeln aus unmagnetischem Werkstoff.
Der Kabelschirm, bestehend aus Kupferdrähten mit Querleitwendeln dient als
Berührungsschutz und zum Leiten der Ableit- und Fehlerströme. Wenn unter
erschwerten Bedingungen damit zu rechnen ist, dass Wasser durch
Mantelbeschädigungen in das Kabel eindringen und sich auf größere Länge
ausbreiten kann, ist der Einsatz eines längswasserdichten Schirms zweckmäßig.
Hierbei werden im Schirmbereich saugfähige Pulver oder Bänder angeordnet, die bei
Feuchtigkeitseinbrüchen aufquellen, so dass sie alle Hohlräume und Spalten
ausfüllen und eindringendes Wasser sich nur begrenzt ausdehnen kann.
Die Bewehrung schützt das Kabel gegen mechanische Schäden. Bei Papierbleikabeln besteht sie in der Regel aus einer Stahlbandbewehrung. Kunststoffkabel
werden ohne Bewehrung verwendet.
Als Schutz gegen chemische und elektrolytische Schäden erhalten Metallmantelkabel eine Schutzhülle aus getränkten Faserstoffen. Um ein Verkleben auf der
Kabeltrommel zu vermeiden wird sie mit Schlämmkreide getränkt.
Betriebsmittel
Seite 31
Als Nennspannung eines Kabels werden die Spannungen U / U0 angegeben, wobei
U die Spannung zwischen den Außenleitern eines Drehstromsystems ist und U0 die
Spannung zwischen Leiter und metallener Umhüllung bzw. Erde.
Die Kabel nach VDE-Bestimmungen werden durch bestimmte Angaben gekennzeichnet:
• Buchstabenkurzzeichen entsprechend dem Aufbau
Nach dem Anfangsbuchstaben „N“ (Norm) folgt die Reihenfolge des
Aufbaus, beginnend am Leiter, wobei ein Leiter aus Kupfer keinen
besonderen Kennbuchstaben erhält.
• Aderzahl mal Nennquerschnitt der Leiter in mm2
• Leiterform R (rund) bzw. S (sektorförmig)
• Leiteraufbau E (eindrähtig) bzw. M (mehrdrähtig)
• Nennspannung U / U0
Die wichtigsten Kurzzeichen für Kabel:
Kurzzeichen
Bedeutung
Beispiel
Kurzzeichen
Bedeutung
Beispiel
A
Äußere Schutzhülle aus
Faserstoffen
NAKBA
KLD
Gepreßter, gewellter
Aluminiummantel
NÖKLDEY
A
Leiter aus Auluminium
NAKBA
M
Mehrdrähtiger Leiter
1x95 RM
B
Bewehrung aus
Stahlband
NAKBA
N
Normenkabel nach VDE
NA2YSY
C
konzentrischer Leiter aus Kupfer
NYCY
-O
Kabel ohne grün-gelben
Schutzleiter
NAYY-O
NYCWY
Ö
Ölkabel
NÖKUDEY
P
4 x 16 RE
R
Leiter mit kreisförmigen Querschnitt
1x95 RM
NEKEBA
R
Bewehrung aus Stahlrunddrähten
NHKRA
CW
D
E
E
wellenförmig aufge-brachter Leiter
(Ceander)
Druckschutzbandage
eindrähtiger Leiter
Mehrmantelkabel
Gasaußendruck-Kabel
NÖKUDEY
NAPKDvFSt2Y
E
Schutzhülle je Ader mit
Kunststoffolien
NEKEBA
S
Schirm aus Kupfer
NA2YSY
F
Bewehrung aus Stahlflachdraht
NIVFStA
S
Leiter mit sektorförmigen
Querschnitt
3x50 SM
Gl
Gleitdrähte aus unmagnetischen
Stoffen
ÖIGLUSt2Y
St
Stahlrohr
H
Schirmung bei Höchstädter-Kabel
NHKRA
U
unmagnetisch
NÖKUDEY
I
Gasinnendruckkabel
NIVFStA
V
verdichteter Leiter
3x150 RM/V
Kabel mit grün-gelben Schutzleiter
NAYY-J
2X
Isolierung aus VPE
NA2XSY
NAKBA
Y
Isolierung aus PVC,
Mantel aus PVC
NAYY
NAKLEY
2Y
-J
K
Kl
Bleimantel
gepreßter, glatter
Aluminiummantel
Isolierung aus PE
NPKDvFSt2Y
NA2YSY
Kabelbezeichnungen
Hochspannungskabel
Im Folgenden sollen ein in städtischen Netzen vielfach gelegtes und bewährtes 110kV-Kabel kurz beschrieben werden:
Gasaußendruckkabel
Betriebsmittel
Seite 32
Die Leiter eines Gasaußendruckkabels aus Kupfer oder Aluminium sind mehrdrähtig
aufgebaut. Sie sind verdichtet und besitzen eine ovale Form.
Zur Glättung des elektrischen Feldes ist der Leiter mit schwach leitfähigem Papier
(Rußpapier) umwickelt. Die darüber liegende Isolierung von etwa 10 mm Dicke bei
110-kV-Kabeln besteht aus von innen nach außen in ihrer Dicke zunehmenden
Hochspannungspapieren. Hierdurch wird eine gute Anpassung der elektrischen
Festigkeit an die am Leiter vorliegenden hohen Feldstärken erreicht. Als äußere Abschirmung wird eine leitfähige Bewicklung aufgebracht. Die Kabelader wird mit
hochviskosem Kabelöl, heute vornehmlich synthetischem Öl, getränkt und erhält im
Anschluss einen nahtlosen Bleimantel. Danach wird eine Druckschutzbandage von
zwei unmagnetischen Stahlbändern Über die zuvor aufgebrachten Polster aus
bituminiertem Papier mit zähflüssiger Masse gewickelt. Weitere Lagen bituminierten
Papiers bilden einen schützenden äußeren Abschluss.
Jeweils drei Adern werden mit Zwickeltrensen verseilt und mit einem Jutepolster
umgeben.
Zur Aufnahme der Zugkräfte beim Einziehen in die zuvor verlegten Stahlrohre erhält
die Kabelseele noch eine Bewehrung aus Stahlflachdrähten, die mit einer offenen
Gegenwendel zusammengehalten werden . Die Gegenwendel wird vor dem Einziehen entfernt. Die hohe Festigkeit der Flachdrahtbewehrung erlaubt je nach
Durchmesser der Kabelseele und Trassenführung das Einziehen von Kabellängen
bis zu 1000 m. Mittlere Längen liegen jedoch unter 500 m.
Als Rohrleitungen werden heute nahtlose Stahlrohre nach DIN 2448 oder längsgeschweißte Stahlrohre nach DIN 2458 eingesetzt. Gegenüber früheren
Konstruktionen werden die Stahlrohre heute grundsätzlich mit Polyethylen ( PE ) Ummantelung verwendet. Die Dicke der PE-Ummantelung beträgt in der Regel 2 2,5 mm. Der gute Isolationswiderstand des PE-Mantels ist für die Anwendung eines
kathodischen Schutzes besonders vorteilhaft, da hierbei schon sehr kleine Schutzströme ausreichend sind.
Nach vollständiger Installation des Kabels im Stahlrohrsystem wird das Stahlrohr mit
Stickstoff geflutet und mit einem Druck von etwa 1,6 MPa beaufschlagt. Der hohe
Druck und die ovale Form der Ader führen bei thermischen Wechseln über die
Membranwirkung des Bleimantels zu einer starken Kompression des Dielektrikums
und verhindern damit sicher das Auftreten von Hohlräumen.
Gasaußendruckkabel sind die am weitesten verbreiteten Rohrdruckkabel in den alten
Bundesländern. Aufgrund ihrer außerordentlichen mechanischen Widerstandsfähigkeit gegenüber äußerer Beeinflussung und der Möglichkeit, in kurzen
Abschnitten Teile oder das gesamte System vor dem Einziehen der Kabel zu
verrohren, haben sich Gasaußendruckkabel vor allem in Großstädten durchgesetzt.
Gasaußendruckkabel können auch bei totalem Druckabfall
zumindest einen Teil der maximal zulässigen Last über
mehrere Stunden übertragen. Ein weiterer Vorteil ist auch
die niedrige induktive Beeinflussung z. B. auf parallel
liegende Fernmeldekabel (Reduktionsfaktor).
Mittelspannungskabel
Den Hauptanteil in den bestehenden EVU-Netzen bildeten
bisher papierisolierte Kabel, wobei sich im 10-kV-Bereich
die kostengünstigen Gürtelkabel (z. B. NKBA, NAKBA)
Feldlinien VPE
Betriebsmittel
Seite 33
bewährt haben. Die Isolierung der Leiter besteht aus
gewickelten Lagen von dünnem Isolierpapier. Die verseilten
Adern erhalten eine weiter Bewicklung mit Isolierpapier, die
sogenannte Gürtelisolierung. Diese Kabelseele wird unter
Vakuum getrocknet und mit einer zähflüssigen Masse auf
Ölbasis (Kabelmasse) getränkt. Als Schutz gegen
Feuchtigkeit und Austreten der Tränkmasse befindet sich
darüber ein Bleimantel mit Korrosionsschutz aus KreppPapier in Bitumenmasse. Als mechanischer Schutz dient
eine Bewehrung aus zwei Lagen Stahlband mit bituminierter
Feldlinien NAKBA
Jutehülle. Massekabel können Höhenunterschiede nur
bedingt überwinden; wenn die Gefahr der Masseabwanderung gegeben ist, sind
Spezialisolierungen (Haftmasse) erforderlich.
Bei Neuanlagen und dem Ausbau der Netze werden überwiegend einadrige
Kunststoffkabel mit VPE-Isolierung eingesetzt. Bei der Spannungsreihe 6/10 kV
beträgt ihr Anteil mehr als 80%, bei 12/20 kV und 18/30 kV nahezu 100% aller
Neuverlegungen. Der Aufbau besteht aus Leiter in Kupfer oder Aluminium,
Leitschicht aus Rußpapier, Isolierung aus VPE, Schirm aus Kupferdrähten mit
Kupfer-Querleitwendel, ggf. längswasserdichter Ausfüllung des Schirmbereiches mit
Quellband und dem PE-Außenmantel (z. B. NA2XS(F)2Y).
Einige Kabeldaten (Verlegung in Erde):
Type
UM
kV
125 NAPKDVFSt2Y
12 NAKBA
12
NA2XS(F)2Y
∅
mm2
3 x 500 om/v
3 x 120 SM
3 x 185 SM
3 x 240 SM
3x1x185/25 RM
3x1x240/25 RM
3x1x500/35 RM
IN
A
524
229
296
343
358
415
603
SN
MVA
99,8
3,97
5,13
5,94
6,20
7,19
10,40
R´
Ω/km
0,061
0,253
0,164
0,125
0,164
0,125
0,061
X´
Ω/km
0,1221
0,0968
0,0920
0,0892
0,1062
0,1062
0,0961
IE´
A/km
22,68
1,36
1,52
1,69
2,22
2,49
3,33
G´
kg/km
983000
6050
7900
9100
1350
1550
2550
Kabelgarnituren
Unter dem Begriff Kabelgarnituren werden Muffen und Endverschlüsse verstanden,
die an die Starkstromkabel montiert werden; sie müssen so betriebssicher wie das
Kabel selbst sein.
Muffen verbinden als sogenannte Verbindungsmuffen Kabel gleicher Bauart, als
Übergangsmuffen Kabel ungleicher Bauart (z. B. NAKBA mit NA2XS(F)2Y).
Endmuffen dienen dem Abdichten von Kabelenden in der Trasse (zeitlich begrenzter
Einsatz).
Die Leiterverbindungen in den Muffen werden für die Stromübertragung und die
thermische und dynamische Kurzschlussbeanspruchung ausgelegt. An ihre Güte
werden hohe Ansprüche gestellt, da sie weder kontrolliert noch gewartet werden
können. Die Verbindungen werden meist als mechanische Verbindungen mit
Schrauben (lösbar; ggf. Abrissschrauben zum Erzielen eines definierten
Drehmomentes) oder als Pressverbindungen (hexagonal) ausgeführt. Thermische
Verbindungen durch Löten oder Schweißen sind selten geworden, da ihre sichere
Betriebsmittel
Seite 34
Verbindung von der Geschicklichkeit des Monteurs abhängt. Besonders bei
Aluminiumleitern sind die physikalischen und chemischen Eigenschaften zu
beachten:
• Nachgeben unter Kontaktdruck (Kaltfließen)
• Oxydschichtbildung
• Wärmeausdehnung
Die Isolation und Abdichtung erfolgt durch Vergussmasse (klassische
Heißvergusstechnik), durch Schrumpfmaterialien (Heiß- und Kaltschrumpftechnik mit
Feldsteuerelementen) und durch Gießharze (Zwei-Komponenten-Verfahren). Bei
Gürtelkabel ist zusätzlich zum gusseisernen Muffengehäuse eine mit Ölmasse
gefüllte Innenmuffe als Feuchteschutz üblich. Die Verbindung der Kabelmäntel bzw.
Schirme über die Muffe hinweg muss zur Berührungssicherheit durch geeignete
Maßnahmen (Verlöten des Bleimantels, Aufbringen eines Geflechtschirmes mit
Rollfeder o.ä.) sichergestellt sein.
Die Wickeltechnik wird vorwiegend für Muffen an papierisolierten Kabeln und an
Kunststoffkabeln mit höherer Nennspannung eingesetzt. Dabei werden Wickel aus
Bändern zu Isolation (getränkte Wickelpapiere bzw. Hochspannungsisolierbänder)
und zur Feldsteuerung (metallisierte und leitfähige Wickelbänder) hergestellt. Die
Isolierbänder für Kunststoffkabel werden mit etwa 8-facher Dehnung aufgebracht und
verschweißen nach dem Wickeln zu einer hohlraumfreien Isolierung, deren Elastizität
auch bei Betriebstemperaturen erhalten bleibt.
Bei der Aufschiebetechnik werden Fertigteile verwendet, die über das vorbereitete
Kabel aufgeschoben werden und dort durch ihre Elastizität dichten. Die Fertigteile
erfüllen die Funktionen Isolierung, Feldsteuerung und mechanischer Schutz.
Endverschlüsse (EV) schließen das Ende eines Kabels ab und verbinden es mit
einem anderen Anlagenteil, z.B. der Schaltanlage. Die druckfesten Endverschlüsse
für Massekabel sind mit Kabelimprägniermasse („Kabelblut“) gefüllt und müssen
durch Schläuche abgedichtet werden. Bei Kunststoffkabel finden die gleichen
Techniken - Warm- und Kaltschrumpfen sowie Aufschiebetechnik - wie bei den
Muffen Verwendung.
Die kleinste Bauweise (z.B. an SF6-Anlagen) bietet die Steckertechnik, bei der eine
Aufschiebegarnitur mit einer lösbaren Steck- oder Schraubvorrichtung kombiniert ist.
Verwendet werden Winkel-, T- und gerade Stecker mit Innen- oder Außenkonus; je
nach Anwendungsfall können sie berührungssicher (Metallumhüllung) sein.
Gasaußendruckkabel sind für einen Betriebsdruck von 16 bar ausgelegt, d. h. das
Endverschlußdielektrikum muss gasdicht vom Stickstoff der Stahlrohrleitung getrennt
sein. Als Füllmasse des Isolators, der nach der Montage evakuiert wird, wird
hochviskoses Kabelöl verwendet. Der Volumenausgleich bei Lastwechseln zwischen
Stickstoff und Kabelöl erfolgt in einem Stahlbehälter mit einer Trennmembran.
Bei der Montage von Kabelgarnituren ist auf eine saubere, schädliche
Umwelteinflüsse ausschließende (ggf. Zelt mit Heizung) und ausreichend große
Arbeitsstelle (Muffenloch) zu achten. Bei Muffen ist eine genügende Überlappung der
Kabelenden vorzusehen. Geschnittene Kabel sind baldmöglichst zu verschließen,
um ein Eindringen von Feuchtigkeit in die Isolierung zu vermeiden. Sowohl
papierisolierte als auch kunststoffisolierte Kabel sind auf ihren Feuchtigkeitsgehalt
hin zu untersuchen (Spratzprobe). Eine mechanische (Biegeradien !) und thermische
(Löt- und Schrumpftemperatur !) Überbeanspruchung ist ebenso zu vermeiden wie
die Verletzung von untereinanderliegenden Schichten beim Absetzen der
Betriebsmittel
Seite 35
Kabelenden. Selbstverständlich müssen neben den elektrischen Sicherheitsregeln
auch die Vorschriften für Propangasgeräte (Flasche immer außerhalb des
Muffenlochs etc.) und den Verbau eingehalten werden. Da Kabelmonteur kein
Lehrberuf ist, müssen die notwendigen Fähigkeiten in Lehrgängen und
Wiederholungskursen vermittelt werden.
Kabellegung
Kabel sind so zu legen, dass ihre
Betriebseigenschaften nicht gefährdet
sind. Dazu ist zu beachten, dass die
Wärmeabfuhr auch in Bodenschichten
verschiedener
Wärmeleitfähigkeit
gewährleistet
bleibt,
dass
eine
mechanische Beschädigung, auch durch
Bodenbewegungen und Erschütterungen,
Kabelgraben
ausgeschlossen bleibt und dass die
zulässigen
Biegeradien
nicht
unterschritten werden. In der Regel besitzen im Erdreich liegende Kabel eine
Legungstiefe von 0,8 m. Bei der Grabenbreite ist die Mindestbreite nach DIN 4124
und ein eventueller Verbau zu berücksichtigen. Der Behandlung des Kabels ist eine
besondere
Sorgfalt
beizumessen,
um
später
nicht
aufwendige
Instandsetzungsarbeiten durch nicht erkannte Beschädigungen bei Transport und
Legen durchführen zu müssen.
Zum Transport sind Kabeltransportwagen zu verwenden, von dem die Kabel in
richtiger Lage (d.h. von oben) abgespult werden können. Der auf der Trommel
aufgemalte Pfeil muss gegen die Abrollrichtung zeigen.
Kabel dürfen nicht über harte und scharfe Kanten gezogen werden und die
Mindestbiegeradien sind einzuhalten. Gegebenenfalls sind Eck- und Führungsrollen
zu verwenden, die gegen die auftretenden Kräfte
verankert werden müssen. Für das Ausziehen mit
Material
zul. Zugspannung
Maschinen ist ein Ziehstrumpf (zieht sich bei Zug fest
Kupfer
50 N/mm2
um den Kabelmantel) oder ein Ziehkopf (wird an allen
Alu
30 N/mm2
Leitern befestigt, wenn der Kabelmantel die Zugkräfte
nicht aufnehmen kann) zu verwenden, um die Kräfte
Stahl
160 N/mm2
der Seilzüge auf das Kabel zu übertragen. Dabei sind
zul. Zugspannungen
zulässigen Zugkräfte durch eine stufenlos einstellbare
und
auslösende
Zugkraftbegrenzung
strikt
einzuhalten; die Messeinrichtung für die Zugkraft sollte mit einem Schreibwerk
ausgerüstet sein. Um zu vermeiden, dass beim Biegen Isolierung oder Mantel
beschädigt werden, dürfen Mindesttemperaturen nicht unterschritten werden. Sie
betragen für kunststoffisolierte Kabel -5°C, für papierisolierte Kabel +5°C. Müssen
Kabel bei niedrigen Außentemperaturen gelegt werden, so sind sie mindestens 36h
in einem Aufwärmraum bei +20°C vorzuwärmen.
Ältere Massekabel sind im Kabelgraben so wenig wie möglich zu bewegen, da die
Gefahr besteht, dass die Tränkmasse verharzt ist und die Papierlagen verklebt sind.
Besonders empfindlich sind Muffen; sie sind zugentlastet in Schalen oder auf
Brettern hochzubinden.
Zur besseren Ableitung der Verlustwärme und zum Schutz gegen mechanische
Beschädigungen (Steine !) sind Starkstromkabel in Sand zu betten. Über die
Betriebsmittel
Seite 36
eingesandeten
Kabel
können
zusätzlich
Kunststoffplatten
und/oder
Trassenwarnband (als Folie oder als Netz) gelegt werden. Maschinelle
Verdichtungsgeräte dürfen erst bei einer Mindestüberdeckung von 30 cm zum
Einsatz kommen. Selbstverständlich müssen Kabelgräben und Muffenlöcher vor dem
Verfüllen von Abfällen und Reststoffen gesäubert werden.
Damit die Kabel der einzelnen Hersteller voneinander unterschieden werden können,
ist bei Kunststoffkabeln nach VDE auf dem Mantel in Abständen von höchstens 50
cm das Firmenzeichen das VDE-Zeichen und das Herstellungsjahr angegeben. Bei
Kabeln mit einem Durchmesser ≥ 10 mm ist zusätzlich eine Längenmarkierung
vorgeschrieben. Bei papierisolierten Kabeln ist in Abständen von ca. 30 cm unter der
obersten Decklage der Isolierung der VDE-Kennstreifen aufgesponnen, der den
Ursprung erkennen lässt.
Kabelmess- und Prüftechnik
Bei der Trassenortung mit Tonfrequenz (Drallmethode) werden am fernen Ende zwei
Adern kurzgeschlossen und am Kabelanfang mit einer Tonfrequenz im 1-kHzBereich beaufschlagt. Der Stromfluss des Tonfrequenzgenerators erzeugt ein
elektromagnetisches Feld, das mit Hilfe von Auslesespulen und dem dazugehörigem
Empfänger gemessen werden kann. Dabei werden die einzelnen Kabel mit der
Kabelauslesespule umfahren, wobei sich jeweils nach 90° ein Wechsel von Minima
zu Maxima ergibt. Sollte es unmöglich sein, die Spule um das Kabel herum zu
führen, so kann sie auch dem Kabel entlang geführt werden, in Abhängigkeit der
Schlaglänge der Kabelverseilung tritt ebenfalls ein Maximum-Minimum-Verlauf ein.
Diese Erscheinung erfolgt nur am eingespeisten Kabel, an Nachbarkabeln ist nur ein
leiser Dauerton zu hören.
Vor Beginn von Kabelarbeiten ist die sichere Auslese eines Kabels eine
unverzichtbare Forderung. Zur zweifelsfreien Identifizierung eines Kabels muss es
freigeschaltet und spannungsfrei sein. Von einem Sender werden dann
Gleichspannungsimpulse auf das am Ende geerdete Kabel gegeben. Bei den
auszulesenden Kabelabschnitten muss dann die mit einem Richtungspfeil versehene
Stromzange so angelegt werden, dass der Pfeil zum geerdeten Kabelende hin zeigt.
Beim gesuchten Kabel ist dann am Empfänger ein deutlicher Ausschlag nach rechts,
an parallel liegenden Kabeln ein kleinerer Ausschlag nach links zu erkennen.
Zur Fehlerortsbestimmung wird insbesonders das Impulsechoverfahren (Vorortung)
eingesetzt. In periodischer Folge werden hierbei elektrische Impulse geeigneter Form
und Größe zur Fehlerstelle gesendet. Der Sendeimpuls wird bei jeder
Wellenwiderstandsänderung reflektiert und kehrt als Echoimpuls zum Kabelanfang
zurück. Auf der Zeitachse einer Braun´schen Röhre sind der Sendeimpuls und zeitlich verschoben- auch der Echoimpuls sichtbar. Die zeitliche Verschiebung gibt
die Laufzeit vom Kabelanfang bis zur Fehlerstelle und zurück an. Mit der Kenntnis
der Ausbreitungsgeschwindigkeit im jeweiligen Kabeltyp lässt sich dann die
Fehlerentfernung berechnen. Die punktgenaue Nachortung erfolgt dann über ein
akustisches Stoßspannungsverfahren, bei dem sich ein mit Gleichspannung
aufgeladener Kondensator über die defekte Ader zur Fehlerstelle entlädt. Die steile
Impulsstirn löst an der Fehlerstelle ein starkes Entladungsgeräusch aus, das
oberirdisch mit Hilfe eines Körperschallmikrophons gehört werden kann. Wird die
Stoßspannungsmethode im Niederspannungsnetz angewendet, sind alle
Hausanschlusssicherungen zu entfernen, um Schäden in den Hausinstallationen
vorzubeugen.
Betriebsmittel
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Zur Prüfung von Kabeln und Garnituren nach Montagen wird bei Massekabeln die
Gleichspannungsprüfung (Vermeidung von Blindleistung ⇒ kleine, transportable
Prüfeinrichtung) mit 6 x U0 durchgeführt. Dazu werden die Phasen gegeneinander
und gegen Erde für 30 Minuten mit dieser Spannung beaufschlagt und der
Ableitstrom im mA-Bereich gemessen. Nicht an die Gleichspannungsquelle
angeschlossene Adern werden geerdet.
Bei Kunststoffkabel ist diese Prüfmethode wegen der Bildung von Raumladungen im
Isolationsbereich und der Gefahr von Schädigungen nicht durchführbar. Neben der
Mantelprüfung, bei der eine mechanische Beschädigung des Kabelaußenmantels
festgestellt werden kann, werden zur Zeit zwei Messverfahren angewendet: die VLFMethode mit 0,1 Hz (Very Low Frequenzy) und die Messung des Verlustfaktors tan δ.
Daneben findet auch die Teilentladungsmessung Verwendung.
Freileitungen
Insbesonders im Hoch- und Höchstspannungsbereich dominieren Freileitungen
gegenüber den Kabeln, da die Kosten pro MW zu übertragender Leistung nur ca. 15
– 20% derjenigen Kosten einer Kabelanlage betragen. Die Auslegung einer
Freileitung ist nach Festlegung der zu übertragenden Leistung und der zur Verfügung
stehenden Trasse vornehmlich eine mechanische Aufgabe. In Deutschland werden
bevorzugt mehrere Systeme auf einen Mast gelegt (begrenzter Trassenraum); auf
der Spitze des Mastes wird zum Schutz gegen direkten Blitzeinschlag das Erdseil
geführt.
Freileitungsseile sind grundsätzlich aus mindestens sieben Einzeldrähten aufgebaut,
wobei einzelne Massivleiter nicht zulässig sind. Als Werkstoffe kommen Kupfer,
Aluminium und Aluminiumlegierungen (Aldrey) zum Einsatz. Grundsätzlich sind zu
unterscheiden:
• Einwerkstoffseile, bei denen alle Einzeldrähte aus demselben
homogenen Werkstoff bestehen.
• Bimetallseile, bei denen Metalldrähte mit einem anderen Metall
umhüllt sind, z.B. aluminium-ummantelter Stahl.
• Verbundseile, bei denen homogene Drähte aus unterschiedlichen
Metallen verwendet werden, z.B. innere Lage aus Stahl, äußere Lage
aus Alu.
Die Zahlenangaben bei den Verbundseilen geben das Querschnittsverhältnis der
unterschiedlichen Materialien an. Eine Angabe Al/St 305/40 bedeutet, dass das
Leiterseil einen Alu-Querschnitt von 305 mm2 und einen Stahlkern von 40 mm2
besitzt.
UN
110 kV
380 kV
380 kV
zum Vergleich:
Ölkabel 380 kV
Systemzahl
Querschnitt
1
1
1
2 x 435/55
4 x 275/35
4 x 805/102
therm. Grenzstrom
1800 A (343 MVA)
1790 A (1178 MVA)
3812 A (2509 MVA)
3 x 1000
536 MVA
Übertragungsleistung von Freileitungen
Bei der Bestimmung des Seilquerschnittes ist nicht allein die Stromtragfähigkeit zu
beachten, sondern bei Betriebsspannungen über 110 kV die elektrische
Randfeldstärke am Leiterseil. Überschreitet sie einen bestimmten Betrag (16 kV/m),
so kommt es zu Glimmentladungen an der Oberfläche des Leiterseils (Korona-
Betriebsmittel
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Entladung) welche hörbare Geräusche und Störfelder im Bereich bis 1,6 MHz
(Mittelwelle) verursacht. Zusätzlich erhöhen sich die Übertragungsverluste. Um nicht
zu unwirtschaftlich großen Querschnitten greifen zu müssen, verwendet man
sogenannte Bündelleiter mit zwei, vier oder mehr Teilleitern, die durch Abstandhalter
auf einen konstanten Abstand (Zweierbündel für 220 kV, Dreier- und Viererbündel für
380 kV mit einem Teilleiterabstand von 400 mm) gehalten werden. Die Überlagerung
der elektrischen Felder kann als scheinbare Vergrößerung des Radius des
Gesamtleiters interpretiert werden, so dass die Randfeldstärke vermindert wird. Das
Erdseil wird ausschließlich nach den zu erwartenden Kurzschlussströmen ausgelegt;
da hier Randfeldstärken ohne Bedeutung bleiben ist der Seildurchmesser geringer
als jener der Leiterseile (z. B. für 110 kV Al/St 50/30, 44/32 oder 95/55). Durch
Auskreuzen der Leiter wird erreicht, dass die Induktivitäten und Betriebskapazitäten
auch bei unsymmetrischer Leiteranordnung im Mittel gleich bleiben.
Die Abstände der Leiter gegeneinander und gegenüber geerdeten Teilen wie Mast
und Traverse müssen so gewählt werden, dass ein Zusammenschlagen oder eine
Annäherung bis zum Überschlag auch bei Wind nicht zu befürchten ist. Allgemein
üblich sind ff. Leiterabstände:
Die Seile werden am Mast durch Isolatoren (Stützisolatoren in der Mittelspannung,
Hängeisolatoren in der Hochspannung) und Armaturen gehalten, an die große
mechanische und elektrische Ansprüche gestellt werden. In Deutschland werden
hauptsächlich Glaskappenisolatoren (in Ketten), Vollkernisolatoren (VK) und
Langstabisolatoren (L) aus Porzellan, Kunststoff oder Silikonkautschuk mit
Nennspannung
Leiterabstand in m
110 kV
3,4 ... 4,1
220 kV
380 kV
5,0 ... 6,5
6,0 ... 9,0
Leiterabstände
Glasfaserverstärkung verwendet. Die Armaturen verbinden Mast. Seil und Isolator als
Abspannklemme (reibschlüssige Verbindung) oder als Tragklemme (pendelnde
Aufhängung). Die Lichtbogenschutzarmaturen übernehmen den Lichtbogen im
Überschlagfall und schützen so den Isolator; fernerhin tragen sie zur
Potentialsteuerung bei und vermeiden einen frühzeitigen Glimmeinsatz.
Bei den Masten unterscheidet man Tragmaste, die lediglich die Leiterseile tragen
und in gerader Strecke verwendet werden und Abspannmaste, die Festpunkte in der
Freileitung schaffen. In der Mittelspannung werden Holz-, Rohr- oder
Stahlbetonmaste verwendet, während in der Hochspannung fast ausschließlich
Stahlgittermaste aus Winkelprofilen eingesetzt werden.
Im Mittelspannungsbereich werden anstelle der Freileitungen immer mehr (isolierte)
Spannkabel verlegt. Sie bieten den Vorteil, dass es nicht zu Kurzschlüssen bei
Seiltanzen und durch Astschlag kommt.
Schaltgeräte
Schaltgeräte werden eingesetzt, um die elektrische Energie in Stromkreisen
bedarfsmäßig zu steuern, bei Störungen schnellstmöglich das fehlerbehaftete
Betriebsmittel auszuschalten und bei Wartungs- oder Reparaturarbeiten eine sichere
Arbeitsstelle sicherzustellen.
Einrichtungen, die die Schaltstücke in die Stellungen „EIN“ oder „AUS“ bewegen,
werden nach ihrem Wirkungsprinzip unterschieden. Handantriebe wirken durch die
Betriebsmittel
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menschliche Kraft, z. B. mittels Schaltkurbel, Schalthebel oder Schaltststange.
Federspeicherantriebe werden durch Hand, durch einen Hydraulikantrieb oder durch
einen Elektromotor aufgezogen und gespannt gehalten. Durch einen Magneten wird
bei einer Schaltung die Halteklinke ausgelöst und die Federenergie kann sich zur
Kontaktbewegung entladen. Beim Sprungantrieb erfolgt der Entladen des
Energiespeichers (Feder) zwangsläufig mit der Schalterstellung, wohingegen beim
Speicherantrieb eine Hilfseinrichtung (Hand, Hilfsauslöser, HH-Sicherungsschlagstift)
nötig ist.
Im Allgemeinen haben sich folgende Bezeichnungen in Stromlaufplänen und
Unterlagen durchgesetzt:
Q1; Q2:
Sammelschienentrenner
Q0:
Leistungsschalter
Q9:
Abgangstrennschalter
Q8:
einschaltfester Erder
Q51: Q52:
Arbeitserder
Physik der Kontakttrennung
Elektrische Kontakte
Die elektrischen Kontakte sollen –neben dem Öffnen und Schließen des
Stromkreises- im geschlossenen Zustand die elektrische Energie möglichst
verlustfrei übertragen
Die Oberfläche der Kontakte ist, mikroskopisch betrachtet, nicht glatt, sondern
besteht aus vielen kleinen Teilflächen, die mit mehr oder weniger dicken
Fremdschichten bedeckt sind. Wenn die Kontaktstücke mit einer ausreichenden
Kraft aufeinandergedrückt werden, wird ein großer Teil der Spitzen verformt und die
makroskopisch gesehene scheinbare Kontaktfläche wird auf die tragende
Kontaktfläche reduziert. Ein Teil dieser Kontaktfläche ist jedoch mit einer
Fremdschicht überzogen (die durch die hohe Kontaktkraft aufreißen oder in
angrenzende Vertiefen verdrängt werden kann); die Stromleitung findet nur in einem
Bruchstück dieser Fläche, der wahren Kontaktfläche, statt. Für den gesamten
Kontakt betrachtet setzt sich die wahre Kontaktfläche also aus vielen metallischen
Einzelflächen, den a-spots, zusammen.
Der elektrische Widerstand eines Kontaktes RK setzt sich aus den Anteilen
Engewiderstand RE und Fremdschichtwiderstand RF additiv zusammen. Die
Stromlinien werden in den a-spots eingeschnürt und verursachen den
Engewiderstand. Er ist von der Anzahl, der Größe und der Verteilung der SpotFlächen abhängig. Da die Anzahl von der Kontaktkraft abhängt, ist zu erwarten, daß
der Engewiderstand in der Regel nicht konstant ist. Lediglich bei hohen
Kontaktkräften wie sie beispielsweise bei Schraub- oder Klemmverbindungen
erzeugt werden, kann er als Konstante angenommen werden.
Bei einem fremdschichtfreien Kontakt unter wachsendem Stromfluß wird die
Joulsche Wärme so hoch, daß die kaltverfestigten Mikrospitzen zu fließen beginnen
und damit die tragende Kontaktfläche vergrößern. Der Kontaktwiderstand nimmt ab.
Bei weiterer Stromzunahme wird der Spannungsfall am Kontakt den Grenzwert der
Schmelzspannung des Kontaktmaterials erreichen.
Die den Umwelteinflüssen ausgesetzten Kontakte sind immer mit einer mehr oder
minder dicken Fremdschicht bedeckt. Sie kann aus Verunreinigungen (metallischer
Abrieb, Öl- und Fettrückstande), Staubpartikeln, Oxiden, Sulfiden, organischen
Schichten durch Ausgasen von Kunststoffen oder einfach aus Handschweiß
Betriebsmittel
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bestehen. Ist diese Schicht extrem dünn (d. h. < 3 nm) dann dringen die Elektronen
infolge des Tunneleffektes nahezu verlustfrei hindurch. Bei dicken Schichten wird der
gesamte Kontaktwiderstand hauptsächlich durch die Fremdschicht bestimmt (RF »
RE). Ein elektrischer Kontakt kann nur durch eine mechanische, thermische oder
elektrische Zerstörung (Fritten) der Schicht erreicht werden.
Bei
ausschaltenden
Kontakten
beansprucht
die
Bogenentladung
den
Oberflächenbereich der Kontakte thermisch, so daß diese vom festen über den
flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen. Das an einer Elektrode verdampfte
Material wird im engen Spalt zwischen den Kontakten zur Gegenseite transportiert.
Beim Schalten von Gleichstromkreisen kann es dabei zu Kraterbildung bzw.
Materialverlust kommen, wobei diese Gebilde sich mechanisch verhaken können und
die Lebensdauer des Kontaktes stark herabsetzen. In Wechselstromkreisen wird die
Lebensdauer eines Kontaktes im wesentlichen durch den Materialverlust beim
Abbrand bestimmt. Dabei verdampft oder verspritzt das Kontaktmaterial und reagiert
zum Teil mit dem Schaltmedium.
Während des Einschaltvorganges kommt es vor der ersten Kontaktberührung bereits
zu Lichtbogenvorzündungen, bei UM= 12 kV in einem Kontaktabstand von ca. 6 mm ,
bei UM = 24 KV bei ca. 12 mm. Nach der ersten Kontaktberührung stellen sich infolge
der hohen kinetischen Energie des Antriebes meistens Prellungen, d. h. Abhebungen
der Kontakte, ein. Dabei wird jedesmal ein Lichtbogen gezündet, der in seinen
Fußpunkten das Kontaktmaterial zum Aufschmelzen bringt. Ein Teil des Materials
geht an die Umgebung als Abbrand verloren; sind nach der letzten Prellung noch
flüssige Oberflächenbereiche vorhanden, dann besteht die Gefahr, daß die
Kontaktstücke miteinander verschweißen. Konstruktiv sind die Kontakte und der
Antriebsapparat mechanisch so auszuführen, daß die Rückprellungen bei Schalten
im stromlosen Zustand oder bei Schalten mit geringem Strom nicht dazu führen, daß
die Kontaktpaare geöffnet bleiben (z. B. durch Dämpfungspuffer aus Kunststoff).
Andererseits muß die Einschaltkraft so groß sein, daß die der EIN-Bewegung
entgegengerichtete Kraft des Last- oder Kurzschlußstromes überwunden wird.
Bei hohen Strömen über die geschlossene Kontaktbahn werden die oben
beschriebenen a-spots thermisch bis in den Schmelzbereich belastet; die in der
Stromenge entstehenden elektrodynamischen Kräfte heben die Kontaktbahn
kurzzeitig ab. Auch hier kann es, wie vor beschrieben, beim Schließen der Kontakte
zu Verschmelzungen kommen.
Bevor sich in Stromkreisen quasistationäre Abläufe einstellen können, sind
Schaltvorgänge von transienter Natur nötig. Dabei ist zu berücksichtigen, daß eine
Stromunterbrechung nur im Nulldurchgang des Stromes möglich ist. Dieser kann
natürlich sein oder durch eine Gegenspannung oder Lichtbogenspannung
erzwungen werden.
Während der Kontakttrennung wird die Anzahl der Kontaktstellen an den
Schaltstücken immer kleiner, so daß die Stromdichte im Gebiet der Stromenge sehr
groß wird. Es bildet sich eine Schmelzbrücke, die den Beginn des Lichtbogens
darstellt. Die thermische Gasbewegung im Bereich der sich öffnenden Kontakte
steigt durch die Aufheizung so stark an, daß eine Stoßionisation auftritt, durch die die
Atome in Ionen und in freie Elektronen zerlegt werden. Das Gas wird als Plasma bei
Temperaturen zwischen 15.000 und 40.000 K elektrisch leitfähig. Der entstehende
Lichtbogen zerfällt in drei Hauptteile, dem Kathodenfallgebiet mit dem Spannungsfall
UK, der Säule mit US und dem Anodenfallgebiet mit UA, wobei die
Betriebsmittel
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Spannungsgradienten UK und UA von den verwendeten Kontaktwerkstoffen und der
Kühlung abhängig sind.
Der Stromkreis bleibt solange geschlossen, wie der Lichtbogen brennt. Die dazu
erforderliche Lichtbogenspannung steigt mit zunehmender Schaltstückentfernung an,
so daß die Wiederzündung des Lichtbogens bei wiederkehrender Spannung durch
die Erhöhung des Spannungsbedarfs verhindert werden kann. Durch Energieentzug
von außen wird die Schaltstrecke entionisiert und elektrisch verfestigt. Da aber der
Strom vom äußeren Kreis nahezu konstant gehalten wird, muß die
Lichtbogenspannung ansteigen. Reicht die Netzspannung nicht mehr aus, um diesen
Bedarf zu decken, erlischt der Lichtbogen und der Ausschaltvorgang ist beendet.
Die klassische Methode (= Gleichstrom-Löschprinzip) zur Beherrschung der
Schaltlichtbögen ist es, den Lichtbogen während des Abschaltprozesses so in die
Länge zu ziehen, daß seine Spannung während der Abschaltzeit größer als die
treibenden Netzspannung ist. Die Folge davon ist eine ständig wachsende
Lichtbogenkühlung und Deionisation, durch die ein sofortiges Ansteigen der
Lichtbogenspannung erreicht wird. Die Kühlung wird durch Beblasung quer zur
Längsachse des Lichtbogens mit Gas oder Öl oder durch Löschbleche erreicht. Je
größer die am Leistungsschalter auftretende Spannung ist, desto schneller erfolgt die
Unterbrechung des Stromes. Dieses Löschprinzip ist mit vertretbarem Aufwand nur in
Nieder- und Mittelspannungsgleichstromkreisen anwendbar.
Während der
Abschaltung treten Überspannungen auf, die die Isolation des Schaltgerätes
erheblich beanspruchen.
Beim Wechselstromprinzip (meistens bei Hochspannungsschaltgeräten angewendet)
sorgen intensive Kühlung durch flüssige oder gasförmige Löschmittel (Öl, Druckluft,
SF6 oder ein Vakuum) für eine schnelle Entionisierung der Schaltstrecke bei
Nulldurchgang des Stromes und für eine elektrische Wiederverfestigung. Dies
bedeutet, daß der Strom nach der Kontakttrennung bis zu seinem natürlichen
Nulldurchgang unbeeinflußt fließt. Die Strömungsgeschwindigkeit der Löschmittel
muß so bemessen werden, daß einerseits auch bei großen Strömen eine sichere
Unterbrechung des Stromes stattfindet, andererseits darf die Lichtbogensäule bei
kleinen Strömen nicht so stark aufgeweitet werden, daß wie bei der GleichstromLöschung
hohe
Überspannungen
auftreten.
Konstruktiv
setzen
sich
Strömungsschalter daher aus einer stromabhängigen und einer stromunabhängigen
Löschmittelbewegung zusammen. Die wiederkehrende Spannung baut sich an der
Schaltstrecke auf, und zwar durch die stets im Netz vorhandenen Induktivitäten,
Kapazitäten und Dämpfungswiderstände als freie, gedämpfte Schwingung. Es muß
also dafür gesorgt werden, daß die Anstiegsteilheit der wiederkehrenden Spannung
unter dem Spannungsfestigkeitsanstieg der Schaltstrecke liegt. Damit liegt praktisch
ein Wettlauf zwischen der steigenden elektrischen Festigkeit und der
Wiederkehrspannung an der Schaltstrecke vor. Der Ausschaltvorgang wird um so
schwieriger, je größer der Amplitudenfaktor ûw / ûn und die Einschwingfrequenz fe =
1/(2π√LC) sind. Sind jedoch Strom und Spannung um ϕk < 90° phasenverschoben,
so schwingt die wiederkehrende Spannung nicht mehr auf den Scheitelwert ûn der
Netzspannung
ein
und
der
Ausschaltvorgang
wird
erleichtert.
Die
Spannungsüberhöhung infolge dieser Ausgleichsvorgänge liegt über der
Betriebswechselspannung der Anlage und hängt von den Netzdaten und von den
Verläufen von Strom und Spannung während der Anregung (Unterbrechung) ab.
Reißt bei kleinen Lichtbogenströmen durch Instabilität des Lichtbogens der Strom ab,
so spricht man von „Chopping“. In den Netzschwingkreisen werden dann zusätzliche
Ausgleichsvorgänge angeregt, die mit höheren Überspannungen einhergehen.
Betriebsmittel
Seite 42
Trennschalter
Trennschalter sind mechanische Schaltgeräte, die beim Ausschalten eine
Trennstrecke mit den erhöhten Isolationsbedingungen gegen Stoßspannungen
herstellen. Sie sind fähig, einen Stromkreis zu öffnen oder zu schließen, wenn
entweder ein vernachlässigbarer Strom (< 0,5 A, z. B. kap. Ladeströme von
Durchführungen, Sammelschienen, sehr kurze Kabellängen und Ströme von
Spannungswandlern) geschaltet wird oder wenn keine wesentliche Änderung der
Spannung zwischen den Anschlüssen der Pole eintritt. Im eingeschalteten Zustand
muss ein Trennschalter Betriebs- und Kurzschlussströme führen können. Das
Vorhandensein der Trennstrecke muss für den Schutz des Bedienpersonals
zuverlässig erkennbar sein. Bei SF6-Schaltern wird dies durch eine direkt mit dem
Schaltgerät verbundene (z. B. über Zahnstangen) Schaltstellungsanzeige erreicht.
Erdungsschalter
Erdungsschalter sind Schalter zum annähernd stromlosen Schalten für das Erden
und Kurzschließen von Betriebsmitteln und Anlagenteilen. Ihr Abschaltvermögen
entspricht dem der Trennschalter. Zum Einschalten auf Kurzschlüsse oder kapazitiv
aufgeladene Betriebsmittel (Kabel) werden Schnellerder (Erdungsdraufschalter)
eingesetzt, die durch ihre schnelle Kontaktbewegung (mit Sprungfederantrieb) und
besonders ausgestaltete Kontaktvorrichtungen kurzschlussfest sind.
Lasttrennschalter
Lasttrennschalter schalten Betriebsmittel im ungestörten Zustand, d. h. Ströme bis
zur Höhe ihres Bemessungsstromes bei cos ϕ ≥ 0,7 sowie kleine induktive oder
kapazitive Ströme. Sie müssen Kurzschlüsse einschalten können und den
Kurzschlussstrom im eingeschalteten Zustand führen, jedoch nicht unterbrechen
können. Beim Ausschalten stellen sie eine Trennstrecke her.
Beim Ausschalten öffnet zunächst -angetrieben über Schalterwelle und
Isoliergestänge- das Trennmesser den Hauptkontakt. Gleichzeitig kommutiert der
Strom auf das noch durch einen Haltekontakt in seiner Einschaltstellung
verbleibende Nacheilmesser, und es wird eine inzwischen gespannte Feder in
Ausschaltstellung gebracht. Der entstehende Lichtbogen zwischen Haltekontakt und
Abreißspitze des Nacheilmessers wird in der gasabgebenden Löschkammer
gelöscht. Die Ströme werden durch Ausnutzung der Wandkühlungswirkung der
großflächigen Kunststoffwandungen unterbrochen. Die Lichtbogenenergie wird durch
Zersetzung und Wärmeaufnahme der obersten Schichten des Kunststoffs gebunden.
Die Löschkammern bestehen aus Acrylharzen, Melaminharzen oder Polyacetaten
und werden entweder als Flachlöschkammer oder als Rohrkammern ausgeführt. Die
ausgeworfenen Löschgase sind so in Richtung Sammelschiene oder
Schalterdrehpunkt zu führen, dass zwischen den Schalterpolen keine Querionisation
der Isolierstrecke auftritt. Beim Einschalten erfolgen die Zündvorgänge nur zwischen
den Hauptkontakten, so dass die Löscheinrichtung auch bei hohen Strömen
unbeschädigt bleibt.
In SF6-Schaltanlagen werden sehr kompakte Dreistellungsschalter eingesetzt, bei
denen die drei Schalterpole auf einer Welle sitzen. Im vorliegenden Beispiel vereint
der Mehrkammerschalter die Funktion eines Lastrennschalters mit der eines
einschaltfesten
Erders.
Der
sich
mit
der
Schalterwelle
bewegende
Kompressionsflügel teilt die Schaltkammer in zwei veränderliche Teilkammern. Damit
Betriebsmittel
Seite 43
wird durch die Schaltbewegung eine Druckdifferenz erzeugt, die das verdichtete SF6
durch eine Düse ausströmen lässt und den Lichtbogen kühlt. Durch die gerichtete
Gasströmung werden sowohl Lastströme als auch kleine Leerlaufströme beherrscht.
Während des Einschaltvorgangs gewährleistet der Sprungfederantrieb eine schnelle
Einschaltung und einen sicheren Eingriff der Hauptstrombahnen. Die Vorzündung
des Lichtbogens erfolgt auf die Vorkontakte der feststehenden Schaltstücke, so dass
der Abbrand der Hauptstrombahn gering bleibt.
Der Schalter besitzt die Stellungen EIN – AUS – GEERDET, die gegeneinander nicht
verriegelt sein müssen, da ein Durchschalten von EIN nach GEERDET
konstruktionsbedingt nicht möglich ist. Die Überschaltung von AUS nach GEERDET
wird durch eine entsprechende Aussparung in der Schaltkulisse erreicht. Der
Schalter kann während eines Schaltspiels entweder als Lasttrennschalter oder –nach
Umstecken des Betätigungshebels- als einschaltfester Erder verwendet werden. Die
nach
dem
Ausschalten
hergestellte
Trennstrecke
muss
die
Trennstreckenbedingungen erfüllen.
Die Wartung von Trennschaltern und Lasttrennschaltern in luftisolierten
Schaltanlagen sollte in Abhängigkeit der Einsatzbedingungen und der klimatischen
und atmosphärischen Einflüsse alle 4 – 7 Jahre (VBG 4: vier Jahre) erfolgen. Dabei
sind die Geräte trocken zu reinigen, bei festsitzendem Schmutz kann ein
Sicherheitsreiniger verwendet werden. Die Anschlusskontakte, die Schaltmesser und
die beweglichen mechanischen Antriebsteile sind gründlich zu entfetten und nach
Herstellerangaben neu zu schmieren. Dabei müssen unbedingt die
Herstellerempfehlungen zur Auswahl der geeigneten Schmierstoffe beachtet werden,
anderenfalls ist eine ordnungsgemäße und leichtgängige Funktion nicht mehr
gewährleistet. Unbedingt ist eine Verbindung zwischen Paraffin und Fett zu
vermeiden, ein damit abgeschmierter Schalter mit Freiauslösung löst nach kurzer
Zeit nicht mehr aus! Die Verbindungsschrauben sind auf festen Sitz zu prüfen, Hilfsund Auslösegestänge sowie Koppelstangen dürfen keine übermäßige Lose haben.
Die Löscheinrichtung ist auf Abbrand und ordnungsgemäße Funktion zu überprüfen.
Abschließend ist der Schalter mehrmals zu schalten, wobei auf den einwandfreien
Eingriff der Löscheinrichtung zu achten ist. Die HH-Sicherungsauslösung wird mit
einer Prüfsicherung mit definierter Auslösekraft getestet.
Leistungsschalter
Leistungsschalter sind fähig, die unter normalen und abnormalen Betriebszuständen
(Kurzschlüsse) im Stromkreis auftretenden Ströme ein- und auszuschalten und sie
über eine festgelegte Zeit zu führen. Dabei kann der Antrieb auch eine Reihe von
Schaltfolgen speichern (z. B. für Kurzunterbrechung KU). Bei einer
Kurzunterbrechung mit Schnellwiedereinschaltung lautet der Schaltzyklus:
0 - 0,3 s - C0 3 min - C0
mit C = Einschaltung mit Nennkurzschlusseinschaltstrom
0 = Ausschalten mit Nennkurzschlussausschaltstrom
Bei den Druckluftschaltern wird das Löschmittel Luft in Behältern gespeichert, wobei
es vielfach zusätzlich auch als Antriebsmedium für die Schaltkontakte dient. Die
Arbeitsdrücke liegen zwischen 15 und 33 bar. Durch das überkritische
Druckverhältnis zwischen Hoch- und Niederdruck erreicht die Luft in den
Schaltdüsen während des Ausschaltvorganges Schallgeschwindigkeit; entsprechend
laut ist die Lärmemission des Schalters. Zur Erzeugung der benötigten Drücke
werden mehrstufige Kolbenverdichter mit Luftkühlung eingesetzt. Dabei wird zur
Betriebsmittel
Seite 44
Erzeugung möglichst trockener Luft der physikalische Zusammenhang ausgenutzt,
dass bei der Kompression über den Sättigungspunkt hinaus bei gleichbleibender
Temperatur Wasser ausgeschieden wird. Umgekehrt verringert sich die
Luftfeuchtigkeit, wenn bei gleichbleibender Temperatur verdichtete Luft entspannt
wird. Die Luftkühlung wird durch Kühler erreicht, die jeder Druckstufe nachgeschaltet
werden. Bei der Wahl des Entspannungsverhältnisses von 1:4 bis 1:6 ergeben sich
Erzeugerdrücke von bis zu 180 bar. In der zentralen Drucklufterzeugungsanlage wird
die Luft auf Verteilungsdruck (ca. 60 bar) reduziert und über ein
Rohrleitungsringsystem an die Verbraucher verteilt, wo eine erneute Druckreduktion
auf Betriebsdruck erfolgt.
Im Gegensatz zur Gleichstromtechnik, bei der die Luftströmung quer zum Lichtbogen
geblasen wird, wird hier in Längsrichtung des Bogens geblasen, so dass im StromNulldurchgang die dünne, langgezogene Lichtbogensäule ihre Wärmeenergie an die
vorbeiströmende Druckluft verliert. Die Löschmittelströmung ist immer vom Strom
unabhängig. Nachteilig wirkt sich der fehlende Wasserstoffeffekt aus, so dass hohe
Einschaltfrequenzen nicht gut beherrscht werden. Als Wasserstoffeffekt werden die
guten Lösch- und dielektrischen Eigenschaften des Wasserstoffes bezeichnet,
dessen Wärmeleitfähigkeit 17mal so groß wie die von Luft und dessen LichtbogenSpannungsfall 13,5mal so groß wie der von Luft ist. Daher werden oft niederohmige
Widerstände parallel zur Ausschaltstrecke angeordnet, die die Amplitude der
Einschaltfrequenzen verringert.
Der SF6-Schalter hat als Gasströmungsschalter gegenüber dem Druckluftschalter
einen geschlossenen Kreislauf. Nach der Kontakttrennung entsteht ein Gasplasma,
das das umgebende SF6-Gas weiter erhitzt und einen Überdruck erzeugt. Durch das
Magnetfeld des Stromes in einer in Reihe geschalteten Spule wird eine Rotation des
Lichtbogens hervorgerufen, die einerseits ständig kaltes Gas heranführt und
zusätzlich den spezifischen Abbrand an den Kontaktstücken reduziert. Wie im
Druckluftschalter erreicht das Gas Überschallgeschwindigkeit; die laminare Strömung
in der Düse reißt am Ende ab und expandiert. Die dadurch entstehenden
Turbulenzen mischen das Bogenplasma mit dem relativ kühlen Umgebungsgas. Die
Lichtbogenlöschung wird dann durch die guten Wärmeeigenschaften des SF6 bei
niedrigen Temperaturen (Stromnulldurchgang) und die Fähigkeit, freie Elektronen an
das Gasmolekül zu binden (elektronegatives Verhalten) erleichtert: die Schaltstrecke
wird schnell dielektrisch wiederverfestigt. Bei kleinen Strömen (~ 100 – 200 A) ist
zusätzlich ein Kompressionskolben erforderlich, um ausreichende Druckverhältnisse
zu erzielen. Die benötigte Schaltarbeit ist gering; die Gefahr des Abreißens kleiner
Ströme (Chopping) wird verringert.
Nach dem Ausschaltvorgang wird das Löschgas nicht ausgestoßen, sondern die
durch den Lichtbogen zersetzten Moleküle rekombinieren zum größten Teil. Die
Restpartikel (Metallfluoride) werden in Filtern gebunden. Zusätzlich zum Vorteil der
Unabhängigkeit von Umwelteinflüssen bringt der geschlossene Kreislauf eine große
Geräuschreduzierung mit sich.
Bei Leistungsschaltern für Hoch- und Höchstspannung wird die wiederkehrende
Spannung durch eine Mehrfach-Reihenunterbrechung beeinflusst. Durch diese
Aufteilung eines Schalterpoles entfallen auf die Schaltstrecken nur Teilbeträge der
die
wiederkehrenden
Spannung,
so
dass
sich
eine
reduzierte
Spannungsbeanspruchung ergibt. Eine gleichmäßige Aufteilung der Teilspannungen
wird über eine Parallelschaltung aus Kondensatoren und Widerständen
zur
Schaltstrecke. Als Kontaktmaterial der für die Führung der Betriebsströme
zuständigen Hauptkontakte wird in den selbstfedernden Kontakttulpen eine Mischung
Betriebsmittel
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aus Kupfer-Chrom-Zirkon (CuCrZr) oder Silberbronze (CuAg) eingesetzt. An den
Kontaktstellen wir dann eine ca. 20 µm dicke Schicht aus Silber (Ag) galvanisch
aufgebracht. Bei den heute fast ausschließlich eingesetzten SF6-Schaltern bestehen
die Abbrandkontakte aus extrem abbrandfesten Wolfram-Kupfer-Tränkwerkstoffen
(WCu). Je höher der zu beherrschende Kurzschlussstrom ist, desto fester muss das
gesinterte Wolframgerüst sein. Durch die Kühlung, die durch das Verdampfen des
Kupfers bei ca. 2200°C entsteht, wird das erst bei weitaus höheren Temperaturen
schmelzende Wolframgerüst thermisch entlastet; zusätzlich der Umgebung
Verdampfungsenergie entzogen.
Beim ölarmen Leistungsschalter befindet sich die Löschkammer in einem Ölgefäß.
Durch die hohe Temperatur des Lichtbogens verdampft das Öl und wird zersetzt: Es
bildet sich eine Gasblase aus Nassdampf (außen) und Heißdampf,
Kohlenwasserstoff, Wasserstoff in molekularer und atomarer Form (innen, 5000 –
10000 K) sowie Acetylen. Die hohe Wärmeleitfähigkeit und die hohe spezifische
Wärme des Wasserstoffs ermöglichen die guten Löscheigenschaften, d. h. die
Kühlung des Lichtbogens. Der entstehende hohe Gasdruck erzeugt durch eine
speziell gestaltete Löschkammerform (Ringkanal) eine heftige, quer auf die
Lichtbogensäule gelenkte Strömung, die dem Lichtbogen Energie entzieht und die
Plasmasäule entionisiert. Das entstandene Gas – in der Menge proportional zur
Lichtbogenarbeit – sammelt sich im Schalterkopf, wird gekühlt und entweicht über
Entlastungsventile. Da die Intensität der Löschmittelströmung von der Größe des
auszuschaltenden Stromes abhängig ist, sorgt bei kleinen Strömen eine
Pumpeinrichtung für eine ausreichende Strömung. Durch die relative sanfte
Lichtbogenbearbeitung sind die entstehenden Schaltüberspannungen gering.
Nachteilig wirkt sich aus, dass die entstehenden Schaltgase in die Umwelt abgeleitet
werden müssen und dass ein Teil des Schalteröles irreversibel verändert wird.
Gegenüber SF6- bzw. Vakuumschaltern sind die Revisionsintervalle daher kurz. Im
Störungsfall kann das austretende Schalteröl in Brand geraten.
Der Lichtbogen im Vakuum löscht völlig anders als ein Lichtbogen im Gas. Die
Schaltkammer besteht aus einem hochevakuiertem Gehäuse mit Keramikzylindern.
Darin stehen sich zwei Elektroden gegenüber, von denen eine mit Hilfe eines
außerhalb der Kammer befindlichen Antriebs bewegt werden kann. Ein
Metallfaltenbalg, einerseits fest mit dem Stempel des Kontaktes und andererseits
fest mit dem Keramikzylinder verbunden, bildet den hermetischen Abschluss
zwischen Außenluft und dem Innern der Kammer. Ein isoliert angebrachter Zylinder
bildet den Kondensationsschirm. Zur Funktion der Kammer ist ein Druck von weniger
als 10-4 mbar erforderlich (bei der Herstellung wird ein Anfangsdruck von 10-9 mbar
erzeugt; bei einer angenommenen Leckrate von 3 x 10-13 mbar mal Liter pro
Sekunde würde bei einem Schaltgefäß von einem Liter Inhalt in ca. 20 Jahren der
zur Funktion erforderliche Druck erreicht sein. Tatsächlich liegt die Leckrate von
Schaltkammern bei 10-15 mbar mal Liter pro Sekunde).
Beim Öffnen der Kontakte werden im Vakuum aus dem verdampfenden
Kontaktmaterial der Schaltstücke eine Metalldampf-Bogenentladungen eingeleitet,
über die der Strom bis zum nächsten Nulldurchgang fließt. Bei kleinen Strömen
brennt der Bogen als diffuse Entladung mit vielen Kathodenflecken; erst ab etwa 10
kA kontrahiert er zu einer konzentrierten Bogenentladung. Die hohe dielektrische
Festigkeit von Vakuum erlaubt kleine Kontaktabstände von ca. 10 mm und somit ist
die umgesetzte Energie des Lichtbogens wegen seiner geringen Länge, seiner
hohen Leitfähigkeit (Brennspannung zw. 20 - 200 V) und der Vielzahl der Teilbögen
sehr klein. In der Nähe des Stromnulldurchgangs erlöschen die Lichtbögen und
Betriebsmittel
Seite 46
kondensieren innerhalb weniger Mikrosekunden wieder zum größten Teil auf den
Metallflächen der Elektroden. Die Schaltstrecke ist somit sehr schnell
wiederverfestigt, was insbesonders beim Schalten von kapazitiven Strömen von
Vorteil ist. Durch geeignete Abschirmungen werden die schweren Partikel des
Metalldampfs von der Isolierung ferngehalten. Dadurch, durch den geringen
Schaltstückabbrand, die kurzen Lichtbogenzeiten (< 15 ms) und dem geringen
Energieumsatz ist die Schaltkammer wartungsfrei.
Bei Strömen größer als ca. 10 kA wird der Lichtbogen durch das Eigenmagnetfeld
stark komprimiert. Um beim Ausschalten solcher Strömen eine lokale Überhitzung an
den Kontakten zu vermeiden, sind diese durch Schlitze in den Kontaktträgern so
ausgebildet, dass der Lichtbogen nicht an einer einzigen Stelle stehenbleibt, sondern
durch das Eigenmagnetfeld mit einer Rotation beginnt. Eine andere Möglichkeit zur
Verhinderung von Aufschmelzungen und Kontaktbeschädigungen besteht darin,
dass axiale Magnetfelder die Bogenkontraktion erschweren.
Der Ausschaltvorgang gestaltet sich schwierig, wenn der zu schaltende Strom so
gering ist, dass die Metalldampf-Bogenentladung nicht mehr aufrechterhalten werden
kann. Jetzt reißt der Strom schon vor dem natürlichen Nulldurchgang ab und bei
Schalten von induktiven Strömen droht die Gefahr von unzulässigen
Schaltüberspannungen. Durch konstruktive Maßnahmen (z. B. voreilende
Kontaktöffnung eines Schalterpoles) und durch Verwendung von geeignetem
Kontaktmaterial ist der Abreißstrom auf möglichst kleine Werte (5 ... 10 A) zu
begrenzen.
Die im Vakuum erforderlichen Ladungsträger zum Aufbau eines Lichtbogens
(Vakuumbogen) müssen vom Kontaktmaterial gestellt werden. Der Werkstoff der
Kontakte bestimmt daher in starkem Maße das Schaltverhalten; aus diesem Grund
müssen hohe Anforderungen an die Kontaktwerkstoffe gestellt werden, z. B. geringer
Gasgehalt, hohe Reinheit der Komponenten, hohe Abbrandfestigkeit und hohe
Verschweißresistenz. Eine gute Kombination für diese Anforderungen stellen KupferChrom-Verbundwerkstoffe (CuCr) dar.
Im Hochvakuum der Leistungsschalterröhre wird der Gültigkeitsbereich des PaschenGesetzes verlassen und die Durchschlagspannung ist von der Mikrostruktur der
Elektrodenoberfläche abhängig. Das Isoliervermögen der offenen Schaltstrecke ist
nach einer Einschaltung mit einem kleinem Strom und nachfolgender stromloser
Ausschaltung herabgesetzt, da sich auf der Kontaktoberfläche winzige
Verschweißungen des Kontaktmaterials bilden. Mechanisch sind sie ohne Einfluss
und werden bei einer Ausschaltung mit höherem Strom „weggebrannt“
(Konditionierung der Kontaktflächen).
Eine physikalische Eigenschaft der Vakuumisolation ist die Möglichkeit der Emission
von Röntgenstrahlung bei geöffneter Schaltstrecke. Die Feldstärkeerhöhung kann die
vorhandenen Elektronen beschleunigen, so dass Ionisierungen erleichtert werden
und Moleküle bzw. Atome angeregt werden, kurzwellige Lichtquanten zu emittieren.
Bei
ordnungsgemäßen
Betrieb,
d.
h.
Anlegen
der
BemessungsStehwechselspannung und Nennwert des Kontaktabstandes, wird die Ortsdosis von
1µSv/h in 10 cm Abstand (Forderung bei der Typprüfung bei PTB) nicht
überschritten.
Die Wartungstätigkeiten bei Vakuum-Leistungsschaltern beschränken sich bei
gewöhnlichen Betriebsbedingungen alle vier Jahre auf die Kontrolle des äußeren
Allgemeinzustandes und einer Inspektion des Antriebes. Dabei ist eine Sichtprüfung
der Schmierstellen durchzuführen und durch mehrere Leerschaltungen (insbes. an
Betriebsmittel
Seite 47
betriebsmäßig selten geschalteten Schaltern) den ordnungsgemäßen Ablauf der
elektrischen und mechanischen Funktionen zu prüfen.
Weitergehende Wartungen des Antriebes nach den vom Hersteller vorgeschriebenen
Schaltspielzahlen umfassen den Austausch von mechanisch hochbelasteten Teilen
sowie umfangreiche elektrische Funktionsprüfungen und sind nur nach gründlicher
Schulung durch den Hersteller durchzuführen.
Die Vakuum-Schaltkammer im Schalterpol ist bis zur zulässigen Schaltspielzahl bzw.
der Summenstromgrenze wartungsfrei. Eine Kontrolle des Vakuums (mindestens
erforderlich bei äußerer mechanischer Krafteinwirkung auf einen Schalterpol) kann
durch eine Gleichspannungsprüfung über die offene Schaltstrecke erfolgen. Die
Höhe der Prüfspannung hängt von der Nennspannung des Schalters ab
(Anhaltswerte: UN = 12 kV Uprüf = 25...40 kV; UN ≥ 24 kV Uprüf = 57 kV). Eine Prüfung
mit höheren Spannungen ist unbedingt zu vermeiden, da sonst eine
Röntgenstrahlung entstehen kann. Die Isolierstrecke des Schalters wird mindestens
dreimal für eine Dauer von fünf Sekunden mit Hochspannung beaufschlagt. Vor der
Messung sind die Isolatoren und Stützer gründlich von Fremdschichten zu säubern,
um Fehlmessungen vorzubeugen (Riso>109Ω). Bei der ersten Messung können die
oben beschriebene Feldströme aus den Kontaktflächenspitzen ein schlechtes
Isoliervermögen vortäuschen. Wird bei jeder Messung ein Durchschlag festgestellt,
weist dies auf einen zu hohen Innendruck in der Schaltröhre hin; sie ist unbrauchbar
und auszutauschen.
Im Anschluss an Leistungsschalterwartungen wird im allgemeinen eine
Funktionsprüfung der angeschlossenen Netzschutzrelais durchgeführt, um
eventuelle Fehler im Schutzkreis, die durch die Schalterrevision hervorgerufen
wurden, auszuschließen.
Gelegentlich finden sich vereinzelt in älteren Schaltanlagen noch Expansin-Schalter,
deren Löschmedium aus einer Mischung von Wasser mit Glykol besteht. Die hohe
Lichtbogentemperatur erzeugt hier um den Bogenkern einen Mantel aus überhitztem
Wasserdampf. Im Nulldurchgang des Stromes wird die Lichtbogenleistung und der
Druck reduziert, so dass an der Grenzschicht zwischen Dampf und Flüssigkeit das
Gleichgewicht Druck ⇔ Temperatur gestört wird. In der explosionsartig auftretenden
Nachverdampfung entstehen Flüssigkeitstropfen, die den Lichtbogen intensiv kühlen.
Diese Erscheinung wird Expansionseffekt genannt. Der hohe konstruktive Aufwand
hat dazu geführt, dass dieser Schalter auch in den angelsächsischen Ländern, in
denen er häufig vertreten war, immer weniger anzutreffen ist.
Transformatoren
Für den Betrieb elektrischer Netze stellt der Leistungstransformator ein wichtiges
Anpassungsglied dar. Er passt Spannung und Strom an die Erfordernisse der
Erzeuger, Verbraucher und Übertragungseinrichtungen an, sorgt für die notwendige
Spannungshaltung, beeinflusst den Wirk- und Blindleistungsfluss und bestimmt
wesentlich die Kurzschluss- und Erdschlussströme im Netz. Seine wichtigsten
Kenngrößen sind die Nennleistung (Wirkleistungsbedarf und Leistungsreserve), die
Nennübersetzung und Einstellbereiche (Spannungshaltung) sowie die Impedanzen
(Kurzschluss und Erdschluss). Diejenige Wicklung, der die Energie zugeführt wird,
heißt stets die Primärwicklung (unabhängig davon, ob sie die höhere Spannung
(Oberspannung) oder die niedrigere (Unterspannung) aufweist), die Wicklung, die die
Energie abgibt, wird Sekundärwicklung genannt. Die bewickelten Teile des
Eisenkerns heißen Schenkel, sie werden durch die Joche verbunden. Zur
Betriebsmittel
Seite 48
Umspannung sind mindestens zwei Wicklungen oder Wicklungsteile erforderlich, die
i.a. ineinander gewickelt sind. Aus isolationstechnischen Gründen ist die
Unterspannungswicklung meistens innen, d.h. nahe dem Eisenkern und die
Oberspannungswicklung außen angeordnet. Die Anschlüsse an der OS-Wicklung
werden mit 1U1, 1V1, 1W1 und N bezeichnet, die der US-Wicklung mit 2U1, 2V1,
2W1 und n. Die – i.a. nicht zugänglichen - Wicklungsenden tragen an der jeweils
letzten Stelle die Ziffer 2, z. B. 1U2, 1V2 und 1W2.
Das Prinzip des Transformators beruht auf dem im Jahre 1831 von Michael Faraday
(1791-1867) und Joseph Henry (1797-1878) entdeckten Induktionsgesetz. Aber erst
1856 wurde der erste eisengeschlossene Transformator von S. Varley gebaut. Im
Jahre 1885 erhielten die Herren Károly Zipernowski, Miksa Déri und Otto Titus Bláthy
aus Ungarn ein Patent für ein Stromverteilungssystem mit Ringkerntransformator.
Nachdem Friedrich August Haselwander 1887 ein Dreiphasen-Wechselstromsystem
angab, gelang 1891 der Schritt zum heute üblichen Drehstromtransformator in
Dreischenkelbauform nach grundlegenden Veröffentlichungen von Gisbert Kapp
(1888). Der Oberingenieur von AEG, Michael von Dolivo-Dobrowolsky, entwickelte
1890
einen
Transformator,
mit
dem
es
möglich
wurde, die elektrische
Energie
mit
Hochspannung über
weite Strecken zu
transportieren (1891:
erste
Drehstromübertragun
g von Laufen am
Neckar
nach
Ringkerntrafo von Zipernowsky, Déri und Bláthy, 1885
Frankfurt mit YyTrafos, Transport von ca. 100 kW über 175 km bei 8,5 kV, η = 72,5%; Sternpunkte
niederohmig geerdet).
Faraday entdeckte, dass bei Stromänderung in einer Spule, z.B. bei Ein- oder
Ausschalten, zwischen Anfang und Ende einer zweiten Spule eine Spannung
gemessen werden kann. Der Strom baut mit der ersten Spule ein Magnetfeld auf,
welches auch die zweite Spule durchsetzt. Die Summe aller geschlossenen
Flusslinien bilden den Gesamtfluss Φ1. Aber nicht alle Flusslinien durchsetzen auch
die zweite Spule; einige schließen sich über Luft außerhalb der zweiten Spule. Man
nennt den verketteten Fluss den Nutz- oder Hauptfluss Φh , den Fluss, der nicht die
zweite Spule durchdringt, den Streufluss Φσ. Die Richtung der magnetischen
Kraftlinien merkt man sich nach der „rechten Handregel“: Legt man die rechte Hand
so um eine Spule, dass die Finger in Stromrichtung zeigen, dann zeigt der
abgespreizte Daumen die Feldlinienrichtung im Innern der Spule an.
Die induzierte Spannung ist um so höher, je größer die Windungsanzahl, die
Flussänderung und je kleiner die Zeit ist, in der die Flussänderung stattfindet.
Mathematisch wird dieses Verhalten für den idealen Transformator durch folgende
Gleichungen ausgedrückt:
U1 = n1 ∗
∆Φ
∆t
U2 = n2 ∗
∆Φ
∆t
Betriebsmittel
Seite 49
U1 n1
=
U2 n 2
Unter Vernachlässigung der inneren Verluste ist die Leistung der Ausgangswicklung
so groß wie die der Eingangswicklung. Daraus kann gefolgert werden:
U1 ∗ I1 = U 2 ∗ I 2
⇒
U1 I 2
=
U2 I1
I1 n 2
=
I 2 n1
Flußdichte B →
Als Maß für den Innenwiderstand wird die
Kurzschlussspannung angegeben. Sie ist die
ungesättigt
Eisen
Spannung,
die
bei
Nennfrequenz
und
kurzgeschlossener Ausgangswicklung an der
Eingangswicklung liegen muss, damit diese den
Bereich der Sättigung
Nennstrom IN aufnimmt und wird in der Regel nicht
in Volt, sondern als bezogene Größe uZ in % der
Nennspannung angegeben. Transformatoren mit
niedriger Kurzschlussspannung besitzen einen
Luft
kleinen Innenwiderstand, sie sind spannungssteif
Feldstärke H →
und die Ausgangsspannung sinkt bei Belastung nur
wenig ab. Umgekehrt sind Transformatoren mit Magnetisierungskurven
hoher Kurzschlussspannung spannungsweich und erhöhen den Blindleistungsbedarf.
Der sich nach einem Kurzschluss einstellende Dauerkurzschlussstrom Ikd ist bei
Transformatoren mit kleiner Kurzschlussspannung groß.
I kd = 100 ∗
I
uZ
Durch unterschiedliche Wicklungsanordnungen kann die Streuung und damit die
Höhe der Kurzschlussspannung beeinflusst werden.
Kernaufbau
Durch die Wahl von geeigneten Dynamoblechen (Vergrößerung von µr ⇒
Vergrößerung von B bei gleichem Strom) lässt sich die induzierte Spannung steigern.
Im Gegensatz zur eisenlosen Spule ist das Verhältnis von Spulenstrom und
Flussdichte nicht mehr linear, sondern bei steigendem Strom richten sich die
Elementarmagnete im Eisenkern
Dicke
Ummagnet.-verluste
bis zur magnetischen Sättigung
Bez.
bei 1,5T, 50 Hz
Anmerkung
aus. In diesem Kennlinienbereich
mm
W/kg
ist der Eisenkern als magnetischer
norm.
M097-30S
0,3
0,88
kornorientiert
Leiter vollkommen wirkungslos. Im
M105-30P
0,3
0,78
Hi-Bi
Transformatorenbau werden seit
den
fünfziger
Jahren
M090-23P
0,23
0,65
Hi-Bi
ausschließlich
kornorientierte,
M085-23P
0,23
0,62
Hi-Bi + Laser
kaltgewalzte Bleche mit einer
Kernbleche
Stärke von 0,3 mm eingesetzt
Betriebsmittel
Seite 50
100 %
(Entdeckung durch Goss in USA 1934). Zur Minimierung von Wirbelströmen
zwischen den Blechen sind sie mit einer dünnen Silikat-Phospat-Beschichtung
versehen. Gegen die Ausbildung von Wirbelströmen innerhalb der Bleche werden
hauptsächlich Zusätze aus Silizium verwendet, wodurch aber die gute magnetische
Leitfähigkeit etwas leidet. Durch die Walzrichtung erhält das Blech eine
Vorzugsrichtung, in der der Magnetisierungsstrombedarf um etwa 30% geringer ist
als in Querrichtung. Daher müssen die Bleche an den Stoßstellen von Schenkeln
und Jochen Schrägschnitte (45° bzw. 90°)
aufweisen. Ende der sechziger Jahre wurde in
Japan
Bleche
mit
einer
schärferen
Kornorientierung
und
einer
verbesserten
Oberfläche (geringere Empfindlichkeit gegenüber
mech. Beanspruchungen beim Trennen und
Ablängen)
entwickelt.
Sie
werden
in
100 %
Weiterentwicklung durch Laserstrahlbehandlung
heute als Hi-Bi-Bleche in Stärken von 0,23 - 0,3
mm eingesetzt. Eine weitere Verbesserung wird
dadurch erzielt, dass an den Stoßstellen die
Bleche nicht mehr einfach übereinander liegen,
Dreischenkelkern
sondern in fünf bis sieben Positionen gegenseitig
gestaffelt
sind
(Step-Lap-Kern).
Eine
Verlustreduktion um ca. 5%, eine Geräuschreduktion um rd. 5 dB(A) und ein deutlich
verringerter Leerlaufstrom, allerdings nur bei Induktionen zwischen 1,4 und 1,6 T, ist
die Folge. Um die notwendige mechanische Festigkeit zu erzielen, werden die
Schenkel durch Bandagen und durch Verkeilungen gegen die innenliegende
Wicklung gesichert. Die früher übliche Bolzenpressung, bei der der magnetische
Fluss eingeschnürt wird und quer zur Walzrichtung ausweichen muss, wird so
vermieden. Der Pressdruck für Schenkel und Joche ist aber relativ gering, da bei
kornorientierten Blechen die Leerlaufverluste und die Geräusche durch mechanische
Spannungen erhöht werden. Ebenso ist auf eine geringe Welligkeit der gelieferten
Bleche, eine vollkommene Isolation der Bleche untereinander, eine gleichmäßige
Pressung und auf eine verspannungsfreie Schichtung zu achten.
Um den Innendurchmesser der Transformatorwicklungen möglichst gut auszunutzen,
nähert man durch eine 5- bis 15fache Stufung der Blechbreiten den Eisenquerschnitt
an die Kreisform an.
Die nachfolgenden Zahlen verdeutlichen die Menge der verbauten Bleche:
SN= 400kVA: 4520 Stck. Bleche mit einer Gesamtlänge von 2633,9 m und einem
Nettogewicht von 497,6 kg
SN=630 kVA: 5000 Stck. Bleche mit einer Gesamtlänge von 3297 m und einem
Nettogewicht von 675 kg
Der übliche Kerntyp für dreiphasige Transformatoren aller Leistungsgrößen ist der
Dreischenkelkern. Werden bei Großtransformatoren besondere Anforderungen
hinsichtlich der Transporthöhe gestellt, kommt der Fünfschenkelkern zu Einsatz.
Dabei werden die Joche der drei Hauptsäulen durch zwei zusätzliche Rückflussjoche
verbunden. Damit werden alle Jochquerschnitte, die Jochhöhen und die
Kernbauhöhen im Vergleich zum Dreischenkelkern verringern.
Betriebsmittel
Seite 51
Wicklungsaufbau
Bei der Auslegung der Wicklungen müssen besonders berücksichtigt werden:
•
die mechanische und thermische Festigkeit muss so gewählt werden, dass die
auftretenden Kurzschlussströme sicher beherrscht werden.
•
die elektrische Festigkeit für Wechsel- und Stoßspannungsbeanspruchungen
muss so hoch sein, dass die geforderten dielektrischen Prüfungen sicher
bestanden werden.
•
die Wirbelstrom-Zusatzverluste müssen gering sein
Die Wicklungssysteme aus Kupfer oder Aluminium werden mehrfach konzentrisch zu
den Schenkelachsen angeordnet. Durch eine Presskonstruktion wird erreicht, dass
innerhalb des Wicklungsaufbaues kein freies Spiel entsteht, in dem die radialen und
axialen Kurzschlusskräfte (resultierend aus den Radialkomponenten des
magnetischen Streufeldes) zur Geltung kommen (schlagartige Beanspruchung und
Lockerung des Isolationsaufbaues). Axiale Kräfte werden durch einen möglichst
symmetrischen Wicklungsaufbau und durch sorgfältige Vortrocknung minimiert, die
Beanspruchungen durch radiale Kräfte werden durch Distanzleisten und
Isolierzylinder zwischen den Wicklungen und dem Kern aufgenommen. In diesem
Zusammenhang ist besonders der Zusammenhang zwischen Wicklungslänge und
Presskraft von Bedeutung um bei gemeinsamer Pressung von Ober- und
Unterspannungswicklung die Presskraftverteilung optimal zu gewährleisten.
Der Aufbau der Wicklungen orientiert sich an der geforderten Spannungsfestigkeit
hinsichtlich Betriebsspannung und Stoßspannungsbeanspruchung. Bei der
Betriebsspannungsbeanspruchung ist besonders die Lagenspannung zwischen zwei
benachbarten
Windungen
und
die
Windungsspannung
zwischen
aufeinanderfolgenden Windungen zu beachten. Beim Eindringen von
Stoßspannungswellen mit steiler Spannungsstirn (Blitzeinschläge) wird die Isolation
des ersten und letzten Wicklungsstranges durch hohe Windungsspannungen stark
beansprucht. Typische Wicklungsarten sind für Hochspannungswicklungen sind
Schrauben-, Scheiben- und Lagenwicklungen in Einzel- und Doppelspulen- bzw.
lagenschaltung.
Im Spannungsbereich
Schraubenwicklungen.
bis
ca.
45
kV
überwiegen
die
Lagen-
und
Bei Ortsnetztransformatoren werden auf der Unterspannungsseite Bandwicklungen
aus Kupfer oder Aluminium bevorzugt, da sie neben geringen Fertigungszeiten im
Kurzschlussfall keine Beeinträchtigung durch axiale Kontraktionskräfte erfahren. Die
Oberspannungswicklungen werden hauptsächlich als Lagenwicklung mit
lackdrahtisolierten Runddrähten ausgeführt.
Kessel
Die Öltransformatoren besitzen einen Ölkessel (Glattblechkessel, Wellblechkessel,
Harfenrohrkessel), in dem Kern und Wicklung untergebracht sind.
Das sich bei Erwärmung ausdehnende Transformatorenöl ist gegen Sauerstoffzufuhr
(Gefahr
der
Verharzung)
und
Feuchtigkeitszutritt
(Verminderung
der
Durchschlagspannung) zu schützen (der Transformator atmet). Aus diesem Grund
wird das sich oberhalb des Kessels befindende Ölausdehnungsgefäß nur teilweise
mit Öl gefüllt. Über dem Ölspiegel befindet sich getrocknete Luft, die über eine
Betriebsmittel
Seite 52
Trocknungsanlage mit der Außenluft in Verbindung steht. Traditionell wird hierbei die
statische Trocknung (Luftentfeuchter) eingesetzt, bei der die Ölfüllung über eine
Ölvorlage
(zur
Filterung
von
Staubund
Schmutzteilchen)
und
feuchtigkeitsadsorbierende Trockenperlen nach außen abgeschlossen wird. Die
regenerierbaren, porösen Trockenperlen besitzen bei einer Korngröße von 3 bis 6
mm eine sehr große spezifische Oberfläche. Nach einer Wasseraufnahme von
ungefähr 5 Gewichts-% setzt eine Verfärbung aus dem ursprünglichen Orange in
durchscheinend ein. Die Entfärbung beginnt in der unteren Schicht und setzt sich
nach oben hin fort. Tritt jedoch in der obersten Schicht eine Entfärbung ein, so liegt
eine Undichtigkeit zwischen Luftentfeuchter und Ausdehner oder am Glaszylinder
vor; sie ist umgehend zu beheben. Bei der Regenerierung in einem Trockenschrank
mit Luftumwälzung erhalten die klaren Perlen bei 120 – 150°C in einigen Stunden
ihre orange Farbe zurück1. Vor der Wiederverwendung muss das Trocknungsmittel
abgekühlt sein.
Moderne Transformatoren bis etwa 2,5 MVA ohne Ölausdehnungsgefäß besitzen
einen ausreichend elastischen Faltwellenkessel, der einen hermetischen Abschluss
des Transformators gegenüber der Außenluft erlaubt (Hermetik-Trafo).
Bei Wandlern im Hochspannungsbereich wird entweder eine Druckdose in die
Flüssigkeit eingebracht, die sich dem Druckverlauf entsprechend zusammendrückt
oder auf der Öloberfläche wird ein Gaspolster (meist N2) eingesetzt. Mit der
Ölniveauänderung steigt oder fällt auch der Druck im Gaspolster.
Zur Verringerung der Brandgefahr können (Verteil-)Transformatoren mit Silikonöl
gefüllt werden (Ersatzstoff für die verbotenen Askarele [PCB]). In Wohn- und
Geschäftshäusern
werden
oft
Trockentransformatoren,
z.B.
Gießharz
Folientransformatoren
ohne
Ölfüllung,
aufgestellt.
Bei
Gießharztransformatoren
sind die Wicklungen fest
in Gießharz eingebettet.
Sie können auch dort
verwendet werden, wo
aus Sicherheitsgründen
Öltransformatoren nicht
zulässig sind (Einzelfälle
regelt die EltBauVo der
Länder bzw. DIN VDE
Störprotokoll eines Diff-Relais bei Einschalten eines 110-kV-Trafos
0105 Anhang).
Einschalten des Transformators
Beim Einschalten eines Transformators, auch im unbelasteten Zustand, können
Einschaltstoßströme bis zum 10-fachen des Nennstromes auftreten (Einschaltrush).
1
Die früher verwendeten blauen Entfeuchterperlen sind wegen des karzinogenen Indikators Cobalt-IIChlorid CoCl2 verboten!
Betriebsmittel
Seite 53
Sie finden ihre Ursache im Restmagnetismus (remanente Flussdichte) des
Eisenkernes. Beim Einschalten muss sich der Fluss ändern, um eine Spannung zu
erzeugen. Hat der Remanzfluss dieselbe Richtung wie der entstehende magnetische
Fluss, so ist das Eisen bald gesättigt, und nur sehr große Magnetisierungsströme
können die erforderliche Spannung erzeugen. Der ungünstigste Einschaltaugenblick
ist der Nulldurchgang der Netzspannung. Die Zeit, in der der Rushstrom auf die
Hälfte seines Spitzenwertes abgeklungen ist, beträgt bei Verteiltransformatoren acht
bis zehn Perioden, bei großen Netztransformatoren bis zu 3600 Perioden (72 sec).
Verluste
Ein realer Transformator stellt leider kein ideales elektrisches Betriebsmittel dar,
sondern ist mit lastabhängigen (Kurzschluss) und lastunabhängigen (Leerlauf-)
Verlusten behaftet. Die Kurzschlussverluste PK bzw. Pcu bestehen zum größten Teil
aus Verlusten in den Wicklungen (Gleichstrom- oder ohmsche Verluste und geringe
Wirbelstromverluste) und sind abhängig von der Belastung des Transformators. Die
Leerlaufverluste P0 bzw. PFe finden ihre Ursache in der Magnetisierung des
Eisenkerns; sie sind bei nicht schwankender Betriebsspannung konstant. Für die
Berechnung der Verluste bei einer beliebigen Belastung gilt:
2
 S 
PV = 
 ∗ PCu + PFe
 S nenn 
Bei der Beschaffung der Transformatoren ist dies durch eine Verlustkapitalisierung
nach der Barwertmethode zu berücksichtigen. Derjenige Transformator, dessen
Summenwert aus Anschaffungspreis und kapitalisierten Verlusten am niedrigsten
ausfällt, ist der günstigste.
Aus den Berechnungen zum Wirkungsgrad und den Verlusten eines Transformators
lässt sich die wirtschaftlich optimale Belastung ermitteln:
S opt = S nenn ×
P0
Pk
Geräusche
Bei den von Transformatoren erzeugten Geräuschen handelt es sich in erster Linie
um magnetische Geräusche. Jedesmal, wenn die Induktion positive oder negative
Werte annimmt, werden die Eisenbleche gestreckt, bei 50 Hz also 50 mal pro
Sekunde bei den positiven Halbwellen und 50 mal bei den negativen Halbwellen. Es
entsteht das charakteristische Brummen des Transformators mit 100 Hz, dem sich
Oberwellen mit 200 Hz usw. überlagern. Die Streckung der Bleche beträgt nur
wenige µm, erzeugt aber schon erhebliche Lautstärken, die über den Kessel auf das
Fundament übertragen werden können und zu Belästigungen führen. Die Lautstärke
ist nicht von der Belastung abhängig (bei der Kurzschlussmessung mit Nennstrom
treten nahezu keine Geräusche auf, sehr wohl dagegen bei der Leerlaufmessung,
insbesonders, wenn die Spannung über ihren Nennwert gesteigert wird). Eine
Verbesserung der Geräusche lässt sich neben der Induktionssenkung im Eisenkern
auch durch konstruktive Maßnahmen erreichen: Pfeilschnitt der Eisenbleche im
Mittelschenkel und Schrägschnitt an den Außenschenkeln, bolzenlos ausgeführte
Kerne und nicht zuletzt versteifte Kessel, so dass auch Eigenresonanzen vermieden
werden. Die Körperschallübertragung vom Transformator auf sein Fundament kann
Betriebsmittel
Seite 54
durch ein Masse-Feder-System positiv beeinflusst werden, welches zusammen mit
der Masse des Transformators auf eine niedrige Resonanzfrequenz abgestimmt
wird. Für Verteiltransformatoren sind derartige Schwingungsdämpfer im Handel zu
erwerben.
Bei geräuscharmen Transformatoren mit ONAF-Kühlung spielen die Lüftergeräusche
eine entscheidende Rolle. Sie sind stark von der Drehzahl und der
Flügelradgestaltung abhängig; um bei reduzierter Drehzahl eine ausreichende
Fördermenge zu erhalten muss die Lüfteranzahl erhöht werden.
Wicklungsverschaltung
Entsprechend der Wicklungsverschaltung sind drei Schaltungsarten (Schaltgruppen)
gebräuchlich. Zur Kennzeichnung der Schaltung benutzt man Kurzzeichen, die
angeben, in welcher Art die Wicklungen zusammengeschaltet sind und welchen
Phasenwinkel die Außenleiterspannungen von Primär- und Sekundärwicklung
miteinander
bilden.
Bei
herausgeführtem
Sternpunkt
ist
in
den
Schaltungsbuchstaben ein n (US) bzw. ein N (OS) anzuhängen. Die
Phasenverschiebung zwischen Ober- und Unterspannung wird als Kennzahl
angegeben, die aus der Stundeneinteilung des Uhrenziffernblattes zu erklären ist.
Der Verschiebungswinkel berechnet sich aus der Multiplikation der Kennzahl mit 30°
(z. B. Dyn 5 : Verschiebungswinkel zwischen OS und US = 150°).
Stern-Stern-Schaltung (Bez.: Y / y ... (d)): Die Strangwicklung einer Sternschaltung
ist nur für die 1/√3-fache Außenleiterspannung zu bemessen. Sie erfordert daher
kleinste Windungszahl, die geringste Isolation und somit die niedrigsten
Herstellungskosten. Gebräuchlich sind Transformatoren dieser Schaltgruppe, wenn
zwei Hochspannungsnetze galvanisch voneinander getrennt betrieben werden
müssen. Stern-Dreieck-Schaltung (Bez.: D / y n ...): Obwohl die Isolation für die volle
Netzspannung auszulegen ist, besitzt diese Schaltgruppe den Vorteil, dass der
Strangstrom auf das 1/√3-fache des Außenleiterstroms zurückgeht. Die
Magnetisierung ist bei dieser Schaltgruppe immer natürlich, selbst bei
unsymmetrischer Lastverteilung. Das Einsatzgebiet dieser Schaltgruppe sind
Ortsnetztransformatoren.
Stern-Zickzack-Schaltung (Bez.: Y / z n ...): Bei kleinen Verteiltransformatoren, deren
niederspannungsseitiger Sternpunkt trotz Sternschaltung auf der OS belastbar sein
muss, findet man diese Schaltung. Die Bauleistung muss um rund 7,5 % höher
gegenüber einem normalen Trafo ausfallen; er wird größer. Aus diesem Grund
werden Yz-Transformatoren nur bis ca. 200 kVA gefertigt.
Die Sternpunktbelastbarkeit kennzeichnet die Fähigkeit eines Transformators, seinen
Nennstrom im zugehörigen Sternpunkt der Wicklung zu führen. Sie hängt wesentlich
vom Verhältnis der Nullreaktanz zur Mitreaktanz X0/X1 ab, welches durch den
Transformatoraufbau geprägt wird. Transformatoren der Schaltgruppe Yy und Yz in
Dreischenkelkernausführung besitzen ein X0/X1 von drei bis zehn, als
Fünfschenkelkern oder bei Transformatorbänken mit drei Einzeltrafos ein X0/X1 von
10 bis 100.
Betriebsmittel
Seite 55
Kühlung
Die Höhe der Leistung eines Transformators ist
in erster Linie durch seine therm. Grenzen (Ölund
Kupfertemperaturen)
festgelegt.
Die
Ölfüllung eines Transformators dient neben der
Isolierung auch als Kühlmedium, welches die im
Betrieb entstehende Wärme nach außen abführt.
In einem geschlossenen Kreislauf nimmt das
Isoliermittel die Wärme auf und transportiert sie
in
die
äußere
Kühlanlage
(Radiator,
Wärmetauscher). Das abgekühlte Öl strömt
dann wieder in den Transformator zurück.
Kühlmittel
Kühlmittel
bewegung
Mineralöl
O
nat.
Askarel
L
Bewegung
Gas
G
Wasser
W
erzwungene
Luft
A
Bewegung
N
F
Kühlungsarten
Die Kühlungsarten von Transformatoren werden durch Buchstaben für Kühlmittel und
für die Kühlmittelbewegung bezeichnet. Die Kurzzeichen werden dabei so
angeordnet, dass die ersten beiden Buchstaben die Kühlmittel für die Wicklung, der
dritte und vierte Buchstabe die Kühlmittel für die äußere Kühlung kennzeichnen, z. B.
OFAF für die Kühlungsart eines Öltransformators mit erzwungener Öl und
Luftkühlung. Unterschiedliche Kühlungsarten werden durch einen Schrägstrich
getrennt, z. B. ONAN / ONAF
Transformatoren tragen, entspr. den Spannungsebenen, die Namen:
Verbundkuppler
verbindet 380-kV-Ebene mit 220-kV-Ebene
Direktkuppler
verbindet 380-kV-Ebene mit 110-kV-Ebene
Netztransformator
verbindet 110kV-Ebene mit dem 10- oder 20-kV-Netz
Ortsnetztransformator
Verteiltransformator
Maschinentrafo
Blocktrafo
}
}
Eigenbedarfstrafo
verbindet das Mittelspannungsnetz mit dem
Niederspannungsnetz
transformiert die
Generatorspannung (max.
27 kV) auf eine höhere
Spannung
3
1
versorgt die Pumpen, Lüfter,
Kohlemühlen, Beleuchtung
Netztransformatoren
Der Netztransformator weist in der Regel einen
Stufenschalter auf, dessen Funktion im folgenden kurz
beschrieben werden soll.
3
5
4
5
6
4
3 14
6
10
7
11
7
8
9
12
2
Die beidem beweglichen Kontakte des Feinwählers
13
sind jeweils mit zwei benachbarten Anzapfungen der
Feinstufenwicklung verbunden (Anzapfungen 10 und Stufenschalter
11). Im Dauerbetrieb ist nur eine vom ihnen
stromführend (im dargestellten Fall Anzapfung 11). Der Lastumschalter kann nun
den stromführenden Pfad von der Anzapfung 11 auf die vorgewählte Anzapfung 10
umschalten. Bei der eingestellten Vorwählerverbindung 3-4 wird dadurch die
effektive Windungszahl der Wicklung verringert. Soll sie jedoch - ausgehend vom
Betrieb auf der Anzapfung 11 - erhöht werden, muss zunächst der stromlose
Feinwählerkontakt mit der Anzapfung 12 verbunden werden. Dann wird der
Betriebsmittel
Seite 56
Betriebsstrom durch den Lastumschalter auf diese Anzapfung umgeschaltet. Der
Vorwähler ermöglicht durch Umschaltung der gesamten Feinstufenwicklung (von
Kontakt 4 auf Kontakt 14 oder umgekehrt) eine Verdoppelung des
Anzapfungsbereiches. Die Umschaltung erfolgt, wenn der stromführende
Wählerkontakt auf dem mit dem Ende der Stammwicklung verbundenen
Feinwählerkontakt 3
Nennleistung
40 MVA
steht und somit die
Nennspannungen
OS
/
US
110.000
V / 11.000 V
gesamte
Nennstrom
OS
210 A
Feinstufenwicklung
2100 A
US
stromlos ist. Die
Schaltgruppe
YNyn6 (d)
Umschaltung
von
Leistung der Ausgleichswicklung
13,3 MVA
44 A
Feinund
Anzapfungen
1
127.550 V
181 A
10
110.000 V
210 A
Vorwähler
kann
19
92.450
V
250 A
verhältnismäßig
uZ
17 %
langsam (innerhalb
P0
16,5 kW
einiger Sekunden)
PK
135 kW
erfolgen. Somit sind
L0
72 dB(A)
die
hier
Abmessungen LxBxH
9175 x 2930 x 3820 mm
auftretenden
15.300 kg
Gewichte
Öl
43.100 kg
Aktivteil
mechanischen
17.800 kg
Kupfer
Beanspruchungen
Versandgewicht
79.800 kg
relativ gering. Da
Preis ca.
0,5 Mio €
stets
stromlos
geschaltet wird, ist Trafodaten 110 / 10 kV
die Lebensdauer der Kontakte von Fein- und Vorwähler hoch. Die Umschaltung von
der stromführenden Anzapfung m auf die vorgewählte benachbarte Anzapfung n
erfolgt in mehreren Zwischenstufen unter Verwendung der ohmschen
Überschaltwiderstände, wodurch eine Stromunterbrechung vermieden wird. Die
Energie für den Umschaltvorgang bezieht der Lastumschalter aus zuvor gespannten
Federn, die direkt an ihn angebaut sind. Dadurch ist gewährleistet, dass eine einmal
eingeleitete Lastumschaltung auch dann ordnungsgemäß zu Ende geführt wird,
wenn der Motorantrieb, z. B. infolge Spannungsausfalls, stehen bleibt. Der
Lastumschalter muss in relativ kurzer Zeit unter Strom umschalten (je nach
Schalterausführung innerhalb von 50 bis 100 ms) . Diese Schaltungen sind mit
Lichtbogenbildung und Kontaktabbrand verbunden. Der Vorteil von Lastumschaltern
mit ohmschen Überschaltwiderständen besteht nun darin, dass sowohl an den
Schaltkontakten als auch an den Widerstandskontakten der Lichtbogenstrom und die
nach der Lichtbogenlöschung auftretende Wiederkehrspannung in Phase sind. Die
Einschwingspannung am schaltenden Kontakt ist somit netzfrequent. Das erleichtert
die Lichtbogenlöschung, führt zu hohen Kontaktlebensdauern sowie langen
Wartungsintervallen und ermöglicht die Beherrschung hoher Stufenleistungen bei
relativ geringem Aufwand. Bei den Schaltzahlen, die in der elektrischen
Energieversorgung eingesetzte Transformatoren erreichen, ist die Lebensdauer der
Lastumschalterkontakte derjenigen des Transformators angepasst.
Der Lastumschalter ist in einem druckdichten Isoliergefäß (in der Regel ein
Hartpapier- oder Kunststoffrohr) eingebaut. Dadurch wird eine zuverlässige
Trennung des Isolieröls im Hauptkessel von dem Isolieröl im Lastumschaltergefäß
erreicht. Die bei den Schaltungen entstehenden Lichtbögen verunreinigen nämlich
das Isolieröl im Lastumschaltergefäß und sättigen es mit Schaltgasen. Eine
Verbindung mit dem Isolieröl des Transformatorkessels würde somit zu dessen
Verunreinigung sowie Trugschlüssen bei Analysen der im Isolieröl des
Betriebsmittel
Seite 57
Transformators gelösten Gase führen. Die vom Lichtbogen gebildeten Schaltgase
werden aus dem Lastumschaltergefäß über eine Rohrleitung zum separaten
Ausdehnungsgefäß nach außen abgeleitet. Die Erneuerung des Schaltöls ist
abhängig von Nennstrom, Nennspannung und Schaltzahl; eine allgemeine
Festlegung geht von 4 - 6 Jahren bzw. nach 40.000 bis 80.000 Lastumschaltungen
aus.
Der Regelbereich beträgt i.A. ±16% in 19 Stufen. Die Zuschaltung eines
Transformators sollte nur auf niedriger Stufenschalterstellung (max. Stellung 3)
Tieflader zum Transport
erfolgen, um die auftretenden Einschaltströme klein zu halten.
Der Transport eines Netztransformators erfolgt vorwiegend auf der Schiene. Wird
das Lademaß der DB eingehalten, kann der Transport ohne weitere Prüfung des
Transportweges auf allen Strecken im Netz der DB auf Tiefladewagen mit gekröpfter
Brücke durchgeführt werden. Transformatoren mit Leistungen größer 80 MVA
werden grundsätzlich auf Balkenwagen transportiert. Da nicht alle Umspannwerke
Gleisanschluss bis zum Trafofundament besitzen, muss der Transformator auf einen
Schwerlastwagen umgeladen werden. Hierbei wird der Straßenrollen neben das
Schienenfahrzeug gefahren, der Transformator auf Holzschwellen hochgebockt und
auf das Landfahrzeug verzogen. Der innerstädtische Transportweg ist sorgfältig
unter Berücksichtigung von Brückenhöhen und Kurvenradien in Absprache mit den
Behörden zu planen.
Zur Kupplung von 380-kV- und 220-kV-Netzen werden einphasige Transformatoren
zu einer Trafobank zusammengeschaltet. Die Bemessungsscheinleistungen liegen
dabei im europäischen Verbundnetz zwischen 660 MVA (3 x 220 MVA) und 1000
MVA (3 x 333 MVA).
Transformatoren in Kraftwerken (Blocktransformatoren) werden an die Leistung des
Generators angepasst. Ihre Schaltgruppe ist immer YNd5 mit einer
Bemessungsscheinleistung bis zu 1200 MVA bei 380 kV.
Verteiltransformatoren
Drehstromtransformatoren großer Leistung haben meist einen Ölkessel, in dem Kern
und Wicklung untergebracht sind. Das Öl kühlt besser als Luft, es isoliert besser und
verhindert Feuchtigkeitszutritt. Transformatorenöl dehnt sich bei Erwärmung aus. Es
Betriebsmittel
Seite 58
darf in warmem Zustand nicht mit Luftsauerstoff in Berührung kommen, weil es sonst
verharzt. Deshalb ist oberhalb des Kessels ein Ölausdehnungsgefäß angebracht,
das nur teilweise mit Öl gefüllt ist. Wegen der Verbindung zur Außenluft über die
Entlüftungsöffnung muss die Luft bei Freilufttransformatoren entfeuchtet werden.
Moderne Transformatoren bis etwa 2,5 MVA ohne Ölausdehnungsgefäß haben
einen elastischen Faltwellenkessel, der sich ausdehnen kann wie eine
Ziehharmonika.
In Wohn- und Geschäftshäusern werden aus Brandschutzgründen oft
Trockentransformatoren, z.B. Gießharz Folientransformatoren ohne Ölfüllung,
aufgestellt. Bei Gießharztransformatoren sind die Wicklungen fest in Gießharz
eingebettet. Sie können auch dort verwendet werden, wo aus Sicherheitsgründen
Öltransformatoren nicht zulässig sind (Einzelfälle regelt die EltBauVo der Länder
bzw. DIN VDE 0105 Anhang).
Bei Verteiltransformatoren erfolgt die Änderung der Ausgangsspannung wie bei
Netztransformatoren auf der OS, wobei die Anzapfungen meistens in der
Wicklungsröhre sitzen, und zwar meistens räumlich und elektrisch in der
Wicklungsmitte. Die gebräuchlichen Umsteller (Schiebe- oder Drehumsteller)
gestatten jedoch eine Umschaltung nur im spannungsfreien Zustand. Üblich sind
Werte von ±5 %. Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine Einstellung auf +5% eine
Spannungsabsenkung auf der US bewirkt. Da der Umsteller in aller Regel selten
betätigt wird, ist vor der Einstellung auf die neue Anzapfung ein mehrmaliges
Durchfahren aller Stellungen ratsam. Dadurch werden eventuelle Verkohlungen
beseitigt und ein einwandfreier Kontakt hergestellt. Auch bei der regelmäßigen
Wartung des Transformators sollten alle Stellungen überfahren werden, um der
Fremdschichtbildung vorzubeugen.
Technische Daten von 400- und 630-kVA-Transformatoren (DIN 42500)
400 kVA
UM
630 kVA
12 kV
24 kV
Schaltgruppe
Dyn5
UZ
4 bzw. 6 %
12 kV
Dyn5
4 bzw. 6 %
± 4%
Anzapfungen
24 kV
± 4%
P0
600 W
600 W
850 W
850 W
PK
4600 W
4600 W
6500 W
6500 W
Schalleistung
58 dB(A)
58 dB/A)
60 dB (A)
60 dB (A)
680 kg
250 kg
870 kg
250 kg
1270 kg
340 kg
1280 kg
340 kg
1150 kg
1340 kg
1920 kg
1940 kg
Gewicht
Aktivteil
Ölgewicht
Gesamtgewicht
Abmessungen LxBxH
1370 x 830 x 1420 1300 x 820 x 1630 1470 x 820 x 1550 1520 x 820 x 1600
mm
mm
mm
mm
Prüfungen an Transformatoren
Die Funktionstüchtigkeit und Betriebssicherheit sowie die Einhaltung der garantierten
Verlustwerte eines Leistungstransformators müssen vom Hersteller in elektrischen
Schlussprüfungen vor Auslieferung an den Abnehmer unter Beweis gestellt werden.
Die Prüfungen sind in Normen genau festgelegt und unterscheiden sich in
Stückprüfungen
(denen jeder Transformator unterzogen werden muss)
Betriebsmittel
Typprüfungen
(die an einem Transformator durchgeführt werden
nachweisen, dass andere gleiche Einheiten die Anforderungen erfüllen)
Sonderprüfungen
Seite 59
und
(die zwischen Hersteller und Abnehmer vereinbart werden)
Zu den Stückprüfungen gehören die Messung des Wicklungswiderstandes, der
Messung des Übersetzungsverhältnisses und der Kontrolle der Schaltgruppe, die
Messung der Kurzschlussspannung, die Messung der Kurzschluss und
Leerlaufverluste, die Fremdspannungsprüfung (Wicklungsprüfung zum Nachweis der
Hauptisolation zwischen Wicklungen und Erde), die Prüfung mit induzierter
Wechselspannung (Windungsprüfung zur Prüfung der Spannungsfestigkeit zwischen
benachbarten Windungen und Phasen; sie wird, da die Prüfspannung die zweifache
Nennspannung des Prüflings übersteigt, zur Vermeidung der Übersättigung des
Eisenkerns meist mit doppelter Nennfrequenz durchgeführt) und bei
Großtransformatoren die Teilentladungsmessung. Zu den Typen- und
Spezialprüfungen werden die Messung der Erwärmung (zum Lebensdauernachweis
bei Dauerbelastung), die Blitz- und Schaltstoßprüfung (Blitzstoß 1,2/50 µs als
Nachweis der Hauptisolation bei unlinearer Spannungsverteilung längs den
Wicklungen), die Messung der Nullimpedanz, die Messung des Oberwellengehaltes
des Leerlaufstromes, der Messung der Geräusche und die Kurzschlussprüfung
gezählt.
Bei ausgefallenen Transformatoren kann vor Ort mit wenig Aufwand eine
Schnelldiagnose durchgeführt werden.
1. Isolationsmessung mit 5 kV
Dabei wird jeweils Oberspannungswicklung gegen Erde (Kessel), die
Oberspannungswicklung gegen die Unterspannungswicklung mit 5 kV eine
Minute und die Unterspannungswicklung gegen Erde mit 2,5 kV eine Minute
beaufschlagt. Die resultierenden Isolationswiderstände müssen mindesten
10MΩ / kV betragen, d.h. bei UN = 10 kV ⇒ RISO = 100MΩ.
2. Eine Widerstandsmessung ist wegen der niedrigen und instabilen
Widerstandswerte schwierig und nur mit einer im Messbereich angepassten
Messbrücke möglich. Mit einem Ohmmeter kann lediglich eine Prüfung auf
Durchgang oder Unterbrechung durchgeführt werden.
3. Spannungs-Verhältnis-Messung
Damit ist ein Erkennen von Windungsfehlern möglich. Auf der
Niederspannungsseite wird dreiphasig mit Niederspannung eingespeist.
Aufgrund des bekannten Übersetzungsverhältnisses kann die zu messende
Spannung auf der Oberspannungsseite berechnet werden. Das
Rechenergebnis sollte vom Messergebnis um nicht mehr als ±0,5%
abweichen.
Beispiel: ü = 10 kV / 0,4 kV = 25, Usoll = 400 V / 25 = 16 V
Überlastung
Die thermische Beanspruchung ist – neben Feuchtigkeit und Teilentladungen- das
wichtigste Kriterium für den Qualitätsnachlass von festen und flüssigen Isolierstoffen.
Die thermische Auslegung für einen Transformator ist auf seine Bemessungsleistung
unter
Berücksichtigung
der
Aufstellhöhe
und
der
Kühlmittelund
Umgebungstemperatur erfolgt. Die Erfahrung zeigt, dass die normale Lebensdauer
eines Transformators einige Jahrzehnte beträgt. Sie lässt sich nicht genauer
Betriebsmittel
Seite 60
angeben, da sie selbst bei identischen Geräten durch Betriebseinflüsse, die von
einem Transformator zum anderen verschieden sein können, unterschiedlich ist. Da
die maximale Kühlmitteltemperatur jedoch selten auftritt, ist für eine wirtschaftliche
Betriebsführung durchaus ein größerer Strom als der Bemessungsstrom zulässig,
solange eine thermische Überbeanspruchung und damit ein erhöhter
Lebensdauerverbrauch nicht auftritt. Dabei sind neben der Wicklung auch die
angebauten Betriebsmittel wie Durchführungen und Stufenschalter zu beachten.
VDE 0536/3.77 nennt als thermische Belastungsgrenzwerte:
•
Die Heißpunkttemperatur der Wicklung (oben) darf 140°C nicht überschreiten
•
Die obere Öltemperatur (= max. Öltemperatur) darf nicht höher als 115°C werden.
•
Bleibt der Belastungsstrom unter dem 1,5fachen Bemessungsstrom, so ist von
einem normalen Lebensdauerverbrauch auszugehen.
Allgemein lässt sich sagen, dass im Bereich zwischen 80°C und 140°C der
Lebensdauerverbrauch sich jeweils verdoppelt, wenn die Heißpunkttemperatur in
Stufen von 6 K steigt. Als Basiswerte gelten hierbei eine Lebensdauererwartung von
25 Jahren und eine Heißpunkttemperatur von 98°C.
Für den Langzeitnotbetrieb nennt DIN VDE 0532 Teil II für viele Fälle Eckwerte für
den Lebensdauerverbrauch. Der kurzzeitige Notbetrieb, der eine ungewöhnlich
schwere Belastung für den Transformator darstellt, soll nach Möglichkeit eine halbe
Stunde nicht überschreiten. In IEC 354/1991 ist in diesem Fall für Groß- und
Mittelleistungstransformatoren eine Heißpunkttemperatur von 160°C genannt (keine
Angaben für Verteiltransformatoren). Da bereits ab 140°C mit Gasblasenbildung zu
rechnen ist, sollten ältere Transformatoren nicht dieser Betriebsart ausgesetzt
werden.
Kurzschlussströme von einigen Sekunden erzeugen eine quadratisch mit der
Stromdichte und linear mit der Zeit anwachsende Erwärmung, die zunächst im
Wicklungskupfer gespeichert wird. Durch die hohe Wärmekapazität der Wicklung
wird jedoch keine lebensdauerschädliche Temperatur für die Isolation erreicht. In den
o.a. Normen wird als Grenzwert für die Wicklungstemperatur 250°C für Kupfer bei
Öltransformatoren der thermischen Klasse A genannt.
Wird ein Transformator bei extrem niedrigen Temperaturen zugeschaltet, so sollte er,
wenn seine Öltemperatur unter –5°C gefallen ist, einige Stunden im Leerlauf
angefahren werden. Wird er nach dem Einschalten sofort mit dem vollen
Bemessungsstrom belastet, wird die Wärmeenergie zunächst gespeichert und an
das unmittelbar anliegende Öl abgegeben. Die Viskosität des Öl ist jedoch
temperaturabhängig und wirkt linear auf den Reibungswiderstand ein. Dieser ist
jedoch Null, da keine Anfangsgeschwindigkeit vorliegt. Nach ungefähr 30 Minuten
hat sich eine stabile Ölströmung eingestellt. Da die Wicklungszeitkonstanten
zwischen ca. 10 und 15 Minuten liegen, gibt es eine kurze Zeitspanne, in der die
Differenz zwischen Wicklungs- und Öltemperatur etwas über den rechnerischen
Bemessungswert hinausgehen kann (Kupfersprung).
Wandler
Die Sicherheit der Energieversorgung verlangt eine ständige messtechnische
Erfassung der im Netz wirksamen Größe von Strom und Spannung. Den Wandlern
kommen daher für die Messung, die Verrechnung und den Schutz eine besondere
Bedeutung zu. Insbesonders müssen sie die Aufgaben erfüllen:
Betriebsmittel
Seite 61
• maßstab- und winkelgetreue Abbildung der Primärwerte im
Normalbetrieb in bequem weiterverarbeitbare Sekundärwerte, wobei
genormten Primärwerten genormte Sekundärwerte gegenüberstehen.
• maßstab- und winkelgetreue Abbildung der Überströme zum Betreiben
der Schutzsysteme und Begrenzung der Sekundärströme für
Messungen
• elektrische Isolierung der Systeme gegenüber der Hochspannung
• magnetische Isolierung der Systeme gegenüber den
Hochstromanlagen
• Speisung von Hilfsanlagen wie Wandlerstromauslösungen und Aufzug
von Leistungsschaltern
Induktive Wandler teilen sich in die Gruppen Spannungswandler und Stromwandler.
Ihnen ist das transformatorische Prinzip gemeinsam. Beim Spannungswandler ist es
sofort zu erkennen, der Stromwandler benutzt die kleine Spannungsdifferenz
zwischen den beiden Primäranschlüssen.
Neue Entwicklungen in der Wandlertechnik berücksichtigen passive optische
Verfahren, wie den Faraday-Effekt, bei dem linear polarisiertes Licht in einem
optischen Medium einen stromführenden Leiter umläuft. Die dabei erfolgende
Phasendrehung des Lichtes ist proportional zum Strom. Beim Pockels-Effekt nutzt
man die Tatsache, dass die Phasendifferenz zweier Lichtwellen sich abhängig von
der angelegten Spannung ändert. Die bereits realisierte Rogowski-Spule zur
Strommessung misst die Stromänderungsgeschwindigkeit di/dt.
Wandler sollen stets sekundärseitig geerdet sein, um eine potentialmäßige
Festlegung zu garantieren und um bei Durchbruch der Wicklungsisolation eine
Gefährdung des Betriebspersonals auszuschließen. Bei Spannungswandlern sind
die Belastungen (Messgeräte, Schutzrelais etc.) parallel zu schalten, bei
Stromwandlern in Reihe. Stromwandler dürfen sekundärseitig nie offen betrieben
werden. Da dem Wandler der Primärstrom netzseitig aufgedrückt wird, wird bei
sekundärseitig offenem Betrieb der gesamte Primärstrom notgedrungen als
Magnetisierungsstrom verwendet, da kein Sekundärstrom zur Kompensierung der
Primär-Ampèrewindungen vorhanden ist. Die Folge sind hohe sekundäre
Spannungsspitzen (mehrere kV), die eine Gefährdung der Isolation und des
Menschen darstellen. Ferner wird es zu „Eisenbrand" kommen.
Bei Stromwandlern ist auf die richtige Einbaurichtung zu achten. Die Bezeichnungen
K= „Kraftwerk“ und L = „Leitung“ geben eine Möglichkeit an, wie man Stromwandler
generell einbauen kann, nämlich K in Richtung Sammelschiene und L in Richtung
Leitungsabgang. Zur richtigen Funktionsweise von Richtungsrelais ist eine Prüfung
der Einbaurichtung erforderlich. Bei den meisten Schutzrelais sind einfache Laschen
für einen Richtungswechsel am Relais vorhanden.
Stromwandler haben als sekundäre Nennstromstärke normalerweise 5 A bzw. 1 A.
Die
erstere
ist
im
Mittelspannungsbereich
vorherrschend.
Bei
Hochspannungsanlagen werden meist 1-A-Wandler verwendet, damit die langen
Zuleitungen vom Wandler zur Warte keine zu hohe Wandlerbürde ergeben
(Eigenbedarf der Zuleitung = Stromquadrat mal Widerstand). Der Leistungsbedarf
von Stromwandlermessleitungen beträgt je 10 m Doppelleitung 4 mm2 bei 5-AWandlern 2,24 VA und bei 1-A-Wandlern 0,09 VA. Die 1-A-Wandler haben jedoch
den Nachteil, dass bei sekundärseitig offenem Wandler bedeutend höhere
Spannungsspitzen entstehen als bei 5-A-Wandlern.
Betriebsmittel
Seite 62
Bei Spannungswandlern sind die Sekundärspannungen 100 V und 100/√3 Volt
genormt. An Ausführungsformen gibt es neben den induktiven Wandlern die
kapazitiven Wandler, die ab 110 kV eine wirtschaftliche Lösung darstellen und
gleichzeitig zur TFH-Ankopplung verwendet werden können. Sie sind jedoch nur
einpolig zu benutzen. Eine wichtige Größe für Wandler stellt die Nennleistung in VA
dar, in deren Belastungsbereich die Klassengenauigkeit eingehalten wird. Bei
Stromwandlern sind 30 VA, bei Spannungswandlern 180 VA üblich. Es sind
Zusammenstellungen über den Leistungsbedarf der Messgeräte und Relais
erforderlich, um eine Überlastung der Wandler zu verhindern. Für Messzwecke wird
eine Genauigkeit von Klasse 0,2 bis 1 und für Schutzzwecke von Klasse 1 bis 3
gefordert.
Schaltung von Wandlern
Bei Stromwandlern ist die einpolige Ausführung vorherrschend. Andere Ströme als
Leiterströme können daher nur durch verschiedene Schaltungen erreicht werden.
Solange keine Nullströme vorhanden sind, kann bei der Sternschaltung auch auf
einen Stromwandler verzichtet werden. Zur Gewinnung des Nullstromes wird die
Holmgreen-Schaltung angewendet, die davon ausgeht, dass im Normalfall die
Summe der Leiterströme, d. h. der Nullstrom, gleich Null ist. Zur Vermeidung von
Fehlauslösungen werden für den Erdschlussschutz jedoch üblicherweise getrennte
Schutzkerne verwendet. Bei Kabeln ist zur Gewinnung des Nullstromes dagegen
meist der sogenannte Kabelumbauwandler gebräuchlich, der eine magnetische
Summenbildung bewirkt. Es ist dabei notwendig, den Mantelstrom mit in die
Messung zu integrieren indem die Erdleitung durch den Wandler rückgeführt wird.
Ferner muss der Kabelendverschluss isoliert montiert werden, da sonst bei
Erdberührung des Kabelmantels bzw. des Endverschlusses die richtige
Summenbildung der Ströme nicht mehr gewährleistet ist.
Bei Spannungswandlern gibt es die einpolige Ausführung, bei der nur eine Seite voll
für Hochspannung isoliert ist, die zweipolige Ausführung, bei der beide Seiten voll
isoliert sind und eine Schaltung Leiter-Leiter möglich ist, sowie die dreipolige
Ausführung (Kerntype nur bei isoliertem Mittelpunkt, Manteltype universell). Die oft
gebräuchliche V-Schaltung besitzt den Vorteil niedrigerer Kosten; dem steht der
Nachteil gegenüber, dass nur die Dreieckspannungen einwandfrei gemessen werden
können. Die Sternspannungen werden nur bei gleichbelasteten Wandlern richtig
erfasst. Die Nullspannung gewinnt man mit aus der offenen Dreiecksschaltung.
Besondere Anforderungen an Stromwandler
Bei Messwandlern für Betriebsmessungen und Verrechnung besteht die Forderung,
dass die Messgrößen im Betriebsbereich, d.h. im Bereich von 0 bis Nennstrom,
möglichst exakt wiedergegeben werden. Es wird in diesem Bereich eine hohe
Klassengenauigkeit (0,2 bzw. 0,5 für Verrechnungsmessungen, 1 für
Betriebsmessungen) verlangt.
Die Genauigkeit im Überlastbereich ist nicht erforderlich; sie ist sogar zur Schonung
der Messgeräte nicht erwünscht. Für diese Wandler wurde in der VDE-Vorschrift
0414 Teil 2/12.70 festgelegt, dass bei einem Nenn-Überstromfaktor 5 oder 10, d. h.
beim 5- oder 10-fachen Nennstrom, der Gesamtfehler größer als 15% sein soll. Der
Gesamtfehler wird als Effektivwert der Differenz der Momentanwerte von Soll- und
Istwert des Stromes gemessen, wobei Stromfehler und FehIwinkel je etwa 10%
betragen. Damit entsprechen die Überstromfaktoren 5 oder 10 den in der früheren
Betriebsmittel
Seite 63
VDE-Vorschrift 0414/7.56 verwendeten Überstromziffern < 5 oder < 10, die
besagten, dass beim 5- oder 10-fachen Nennstrom der Stromfehler –10% sein
musste.
Wandler bzw. Kerne, die für Schutzzwecke verwendet werden, müssen dagegen
eine exakte Transformierung besonders bei hohen Fehlerströmen durchführen.
Zusätzlich werden diese Wandler deshalb mit einem Nenn-Überstromfaktor
gekennzeichnet, der besagt, dass bei einem Primärstrom gleich NennÜberstromfaktor x Nennstrom (primärer Nennfehlergrenzstrom) der Gesamtfehler
den durch das Klassenzeichen 5 P... bzw. 10 P... festgelegten Grenzwert von 5 bzw.
10% nicht überschreiten darf. Im normalen Betriebsbereich bis zum thermischen
Nenn-Dauerstrom entsprechen die Fehlergrenzen der Schutzwandler mit den
Klassen 5 P bzw. 10 P denen der Klassen 1 bzw. 3 der Messwandler. Für die
Überstromfaktoren werden in der VDE-Vorschrift feste Werte von 5, 10, 15, 20, 30
genannt. So lautet die vollständige Klassenangabe für einen Schutzstromwandler z.
B. 10 P 20, d.h. beim 20-fachen Nennstrom muss der Gesamtfehler kleiner als 10%
sein. Die Angaben gelten für den stationären Kurzschlussstrom ohne
Berücksichtigung des Einschaltvorganges.
Besondere Anforderungen an Spannungswandler
Spannungswandler arbeiten für Messzwecke im Bereich der Nennspannung. Nach
den Vorschriften ist demnach die für Messzwecke geforderte Genauigkeit auch nur
im Bereich der Nennspannung (0,8 bis 1,2 x Nennspannung) gefordert. Für
Schutzzwecke dagegen muss auch bei kleineren Spannungen eine genügende
Genauigkeit vorhanden sein. Diese wird von den normalen Wandlern jedoch ohne
weiteres erfüllt. Primärseitig werden Wandler bis 30 kV Betriebsspannung meist mit
HH-Sicherungen geschützt. Bei höheren Nennspannungen entfällt dieser Schutz, da
Sicherungen dann nicht mehr einwandfrei funktionieren. Ganz besondere Beachtung
verdient der weitverzweigte Niederspannungskreis des Spannungswandlers, den
man mit Sicherungen oder Schutzautomaten schützen kann. Diese werden nach der
Grenzleistung des Wandlers, die er thermisch noch dauernd verträgt, bemessen. Für
den Anschluss von Schutzeinrichtungen ist es aber wichtig, dass die Spannung nie
wegbleibt.
Hierzu
werden
die
besonderen
Schutzautomaten
der
Wandlersekundärseite mit Hilfskontakten versehen, die bei Fallen dieses Automaten
eine Meldung geben.
In Mittelspannungsanlagen (besonders bei SF6-Anlagen) wird
zum Feststellen der Spannungsfreiheit eine vereinfachte
kapazitive Wandlerausführung eingesetzt. Hierbei wird die
Hochspannung U jedes Leiters durch einen kapazitiven Teiler
geteilt und die kleinere Teilspannung den Messbuchsen
zugeführt. Dort kann ein Anzeigegerät eingesteckt werden, das
anzeigt, ob Spannung vorhanden ist oder nicht (ja/neinAussage). Wegen der kleinen
Kapazität C1 besteht an den L
C
U
2,5 µA
Messbuchsen
keine
Berührungsgefahr.
Der
Koppelteil mit den Kapazitäten U= 4 kV
C
U = 90 V
C1 und C2 (meist von der
36M
Kapazität
der
geschirmten
kap. Stützer
Verbindungsleitung
zu
den
Messbuchsen gebildet) ist oft in Rippenstützer HO-System
1
2
1
2
Betriebsmittel
Seite 64
teilentladungsfrei eingegossen. Der Stützer muss zusätzlich allen mechanischen
Umbruchkräften und thermischen Belastungen entsprechen. Als Ansprechschwelle
müssen durch das Anzeigegerät mindestens 2,5 µA bei 40% Nennspannung fließen.
Schaltanlagen
Seite 65
Schaltanlagen
Schaltanlagen müssen so gebaut werden, dass sie dem Betreiber und Bediener ein
hohes Maß an Sicherheit geben. Dazu gehören ausreichender Schutz gegen
Berühren,
Sicherheit
gegen
Fehlbedienungen,
unterbrechungsfreier
Dauernormalbetrieb und im Fehlerfall die Begrenzung auf den Entstehungsraum.
Umspannwerke
Sammelschienen
Die Sammelschiene stellt den Netzknotenpunkt dar. Sie ist als Rückgrat das
verbindende Element aller Einspeise- und Abgangsfelder einer Schaltanlage. Sie
muss daher für den größtmöglichen Betriebsstrom ausgelegt werden; ihre
mechanische Festigkeit muss auch bei Betrieb mit mehreren Transformatoren
ausreichend sein. Als Sammelschienenabschnitt kennzeichnet man Unterteilungen
von Einfach- oder Mehrfachsammelschienen, die über einen nicht mehr
auftrennbaren Teil der Schaltfelder verläuft. Die Verbindung zwischen zwei
Sammelschienensystemen wird über die Querkupplung erreicht. In großen Anlagen
finden sich auch Kombinationen aus Längs- und Querkupplung, z. B. für
Verbindungen von Netzgruppen.
In kleinen Anlagen (z. B. Ortsnetzstationen) genügen kostengünstige
Einfachsammelschienen, in der Regel ungeteilt. Bei größeren Verzweigungen mit
mehr Energiedurchsatz empfiehlt es sich, die Sammelschiene mehrfach zu
unterteilen, und zwar nach dem Prinzip: ein Abschnitt für jede Einspeisung. Die
Unterbrechungsstellen in der Sammelschiene werden dabei entweder mit einem
Lasttrennschalter (ergibt eine Längstrennung) oder mit einem Leistungsschalter
(ergibt eine Längskupplung) bestückt. Die Längstrennung bietet sich an, wenn die
Sammelschienenabschnitte normalerweise stets getrennt oder durchverbunden
werden sollen und nur zur Durchführung geplanter Arbeiten geschaltet werden. Der
Einbau des Lasttrenners auf einem Schaltwagen ermöglicht seine Wartung, ohne die
gesamte Anlage außer Betrieb zu setzen, wie es bei einem Festeinbau nötig wäre.
Die Längskupplung ist sinnvoll, wenn die Sammelschienenabschnitte häufig getrennt
oder geschlossen werden. Die Frage, ob die Kupplung im Normalfall offen oder
geschlossen betrieben werden soll kann nur durch betriebliche Belange beantwortet
werden. Dabei spielen Aspekte wie Ausfall nur von Teilnetzen im offenen Betrieb
oder der Lastausgleich bei geschlossenem Betrieb oder die eindeutige Teilung einer
Anlage in Einspeisungs- und Abnehmerteil eine Rolle.
Größere Anlagen, die ohne Betriebsunterbrechung überholt werden müssen,
erfordern mindestens Doppelsammelschienen oder Hilfsschienen. Für den Einsatz
einer Doppelsammelschiene spricht die Aufteilung der Kurzschlussleistung (z. B. zur
Begrenzung der Kurzschlussströme bei bereits installierten Betriebsmitteln), die
Aufteilung in Erzeuger- und Verbraucherschiene bei Erzeugungsanlagen und die
Aufteilung von empfindlichen Verbrauchern, z. B. bei Laststößen im Netz. Die
klassische Doppelsammelschiene besitzt eine Querkupplung, mit der ein
Sammelschienenwechsel ohne Unterbrechung des Energieflusses durchgeführt
werden kann (Achtung bei Anlagenverriegelungen: nicht nur feldintern, sondern auch
zur Kupplung erforderlich). Zusätzlich kann der Kuppelschalter als Ersatzschalter für
jeden anderen Leistungsschalter dienen kann. Voraussetzung dazu ist, dass eine
Sammelschiene betriebsmäßig für die Ersatzschaltung frei ist. Hilfssammelschienen
Schaltanlagen
Seite 66
und Umgehungsschienen, die über einen Reserveleistungsschalter angeschlossen
werden,
besitzen
den
Vorteil,
dass
jeder
Leistungsschalter
ohne
Betriebsunterbrechung
freigeschaltet
und
überholt
werden
kann
(
unterbrechungsfreier Betrieb unter allen Umständen), benötigen aber zusätzlich
einen höheren Aufwand im Netzschutz.
Die Sammelschienen und die erforderlichen Verbindungsleitungen zu den
Betriebsmitteln können als Seil, Rohr (bei Strömen über 3000 A), Vollmaterial (Cu
bzw. Al) oder als SF6-isoliertes Bauteil ausgeführt werden. Blanke Leiter werden
vielfach mit festen Isolierschicht überzogen, die zwar nicht gegen die volle
Nennspannung isoliert, die aber doch den Bereich der höchsten vorkommenden
Feldstärke
überdeckt
und
so
einer
Koronaentladung
vorbeugt.
Sammelschienenräume können so kleiner dimensioniert werden.
Bei sehr hohen Strömen werden vollisolierte, kondensatorgesteuerte Stromschienen
(Duresca) verwendet. Durch die Vollisolation sind keine Phasenkurzschlüsse
möglich, es erfolgt eine erhebliche Platzeinsparung bei hoher thermischer und
dynamischer Festigkeit und aufgrund der hohen Eigenkapazität wirkt die Schiene
dämpfend auf einlaufende Überspannungswellen (Ableitungen an Transformatoren).
Wirbelstromverluste werden durch Al-Schutzrohre und durch Glasfaser-PolyesterRohre vermieden.
Aufgrund der besseren Biegesteifigkeit werden im Mittelspannungsbereich
hauptsächlich Flachschienen eingesetzt, die horizontal oder vertikal befestigt
werden. Dabei ist eine genügende thermische Abstrahlung und die
Längenausdehnung bei Erwärmung zu berücksichtigen.
Sammelschienensysteme werden mit „SS 1“ bis „SS n“ bezeichnet; die Leiter im
System mit „L1“, „L2“ und „L3“, wobei die Anordnung der Leiter vom Bediengang aus
von vorn nach hinten bzw. von links nach rechts erfolgt. In älteren Anlagen findet
sich auch noch die Bezeichnung „U“, „V“ und „W“. Vielfach sind die
Sammelschienenleiter farblich gekennzeichnet und zwar gelb für L1, grün für L2 und
violett für L3.
Schaltanlagen im UW
In Umspannwerken werden für die 110-kV-Schaltanlage in der Regel SF6-isolierte
Anlagen eingesetzt, da sie nur einen Bruchteil des Platzes einer luftisolierten
Schaltanlage beanspruchen. Dabei gibt es zwei Konstruktionsgrundprinzipien:
Einpolige und dreipolige Kapselung.
Anlagen mit einpoliger Kapselung sind wirtschaftlich herstellbar, da die Zahl der
unterschiedlichen Behälter minimiert ist und eine automatische Fertigung ermöglicht
wird. Die Mantelströme erfordern jedoch eine Kapselung, die praktisch den
Bemessungsbetriebsstrom der Anlage führen kann. Bei den üblichen AluminiumKapselungen ist das problemlos möglich. Die Anzahl der Dichtungen ist sehr groß.
Fehler in der Anlage bleiben einpolig begrenzt und sind meist stromschwach, so
dass sie im SF6 von selbst erlöschen.
Anlagen mit dreipoliger Kapselung können wegen er geringen Mantelströme aus
Stahlblech gebaut werden. Bei einem Kurzschluss wird die dynamische
Beanspruchung der Bauteile wegen der geringen Abstände sehr hoch. Jeder Fehler
in der Anlage weitet sich fast sich zu einem dreipoligen Fehler aus.
Für die Gasüberwachung gibt es verschiedene Prinzipien:
Schaltanlagen
•
Direkte Druckmessung
•
Differenzdruckmessung
•
Indirekte Messung
Seite 67
Bei der direkten Messung zeigt ein Manometer den tatsächlichen Druck an. Dieser ist
aber Schwankungen aufgrund von Temperaturunterschieden durch die
Strombelastung der eingebauten Geräte und durch die Außentemperatur
unterworfen. Daher wird häufig eine Temperaturkompensation verwendet und man
erhält eine Gasdichtmessung. Die Differenzdruckmessung ist eigentlich nur eine
Bereitschaftsanzeige, da sie nur eine qualitative Aussage ermöglicht, ob der Druck
im zulässigen oder im unzulässigen Bereich ist. Angezeigt wird eine Druckänderung
zwischen dem Behälterdruck und einem Vergleichsdruck in der Druckdose. Die
Anzeige ist temperaturkompensiert. Die indirekte Messung überprüft die dielektrische
Festigkeit des Gases durch eine Messung der Spannungsfestigkeit zwischen zwei
Elektroden mit definiertem Abstand. Im einfachsten Fall können dazu modifizierte
Zündkerzen verwendet werden.
Einpolige Kapselung
•
Kapselungsmaterial vorwiegend Aluminium
(Kapselungsströme)
•
Anzahl der Schotträume groß; Volumina eher klein
•
dielektrische Verhältnisse im geraden Rohrleiter
Radialfeld mit konzentrischen Äquipotentialflächen
•
•
•
Dreipolige Kapselung
•
Kapselungsmaterial Aluminium oder Stahl
•
Anzahl der Schotträume klein; Volumina eher groß
•
dielektrische Verhältnisse im geraden Rohrleiter:
sich überlagernde Radialfelder
nur einpolige Erdschlüsse möglich, bei gelöschtem Netz:
länger anstehender Lichtbogen denkbar, besondere
Schutzeinrichtung erforderlich
•
einpoliger Fehler weitet sich immer zum dreipoligen
Kurzschluß aus;
Schutzabschaltung
bei Lichtbogeneinwirkung steiler Druckanstieg bei kleinen
Schottraumvolumina
•
größere Volumina führen bei Lichtbogeneinwirkung zu
weniger steilen Druckanstiegen
im Kurzschlußfall wirken praktisch keine dynamischen Kräfte
auf koaxiale Leiter
•
Beanspruchung von Leiter, Durchführungen und
Zwischenwänden durch dynamische Kurzschlußkräfte muß
konstruktiv berücksichtigt werden
Kapselungsarten
Die 10-kV-Schaltanlage wird unabhängig davon als luft- oder SF6-isolierte Anlage
ausgeführt. Der Aufbau ist aufwendig, da in der Regel eine Mehrraumschottung zur
Begrenzung von Lichtbogenschäden verwendet wird.
Bei Doppelsammelschienenanlagen bestehen mehrere Möglichkeiten der
Aufstellung:
klassisch
mit
einem
festeingebauten
Trennschalter
oder
Lasttrennschalter je Sammelschiene. Der Leistungsschalter ist entweder fest
eingebaut oder auf einem Fahrwagen oder Einschub montiert.
In einer Zweileistungsschalteranlage enthält jede der beiden Zellenreihen (jeweils mit
Sammelschienensystem) Wandler und Kabelanschlüsse, der Leistungsschalter ist
aber nur einmal je Abzweig vorhanden. Dieser Typ bietet sich an, wenn ein
Sammelschienenwechsel nicht häufig durchgeführt werden muss (der Fahrweg kann
besonders bei Rücken an Rücken-Aufstellung sehr lang sein). Auf eine
Querkupplung kann hierbei verzichtet werden, da ein vorzuhaltender
Reserveschalter diese Aufgabe übernehmen kann. Eine Fernsteuerung ist nur mit
Schaltanlagen
Seite 68
großem Aufwand möglich, da jeder Fahrwagen mit Motorantrieb ausgerüstet werden
muss.
Bei der Rücken-an-Rücken-Anordnung liegt der Vorteil in der kurzen Verbindung
zwischen den feststehenden Teilen eines Abzweiges. Er kann für höhere Ströme
auch mit einem Schienensystem ausgeführt werden. Die Kabelanschlussräume
bieten viel Platz für Parallelkabel, Ableiter usw. Ein Nachteil besteht neben der
Umständlichkeit des Sammelschienenwechsels im großen Grundflächenbedarf.
Bei einer Gegenüber-Anordnung liegt der wesentliche Vorzug in der klaren
räumlichen
Trennung
der
beiden
Sammelschienensysteme
und
der
Überschaubarkeit der Anlage. Ungünstig stellt sich die Verbindung zwischen den
zum selben Abzweig gehörenden Zellen dar. Für kleinere Ströme reicht eine
Kabelverbindung aus (mit einer großen Zahl an Endverschlüssen), bei hohen
Strömen ist eine aufwändige Schienenverbindung (entweder in Kanälen
(Kreuzungen!) oder als isolierte Schienen) notwendig. Störungen im
Verbindungsbereich werden nicht durch den Abzweigschutz erfasst, sondern durch
den Sammelschienenschutz, so dass bei einer Störung mindesten ein ganzer
Sammelschienenabschnitt ausfällt. Die Verriegelung der Erdungsschalter ist
ebenfalls aufwendig.
Zum Aufrechterhalten des Personenschutzes bei Arbeiten in der Anlage werden die
Schaltzellen
in
Schotträume
aufgeteilt.
Sind
Sammelschienensysteme,
Hauptschaltgeräte und Kabelanschlussraum in metallisch getrennten ( und
geerdeten) Zwischenräumen, so bezeichnet man die Anlage als metallgeschottet.
Bestehen die Zwischenwände aus Isolierstoff, so wird sie als geschottet bezeichnet.
Die Schaltanlage ist teilgeschottet, wenn weniger Teilräume als bei einer
Vollschottung nötig wäre vorhanden sind oder keine Unterteilung durch
Zwischenwände vorhanden ist. Besonders ist die Quer-Schottung der
Sammelschiene zu beachten. Durch sie wird die Arbeitssicherheit nicht erhöht, da
bei Arbeiten an der SS das ganze System freigeschaltet werden muss. Im
Störlichtbogenfall läuft der Störlichtbogen bei Anlagen ohne Querschottung mit ca.
100 m/sec die Schiene entlang von der Einspeisung zum Endfeld und brennt dort bis
zum Ausschalten des Fehlers. In der Regel wird dabei nur das Endfeld beschädigt,
die restliche Sammelschiene bleibt bis auf Rußspuren intakt.
Bei einer Querschottung wird der Fehler im auslösenden
Feld aufgehalten. Ein Schaden bleibt auf das Feld begrenzt
(wenn die Schottung es aushält). Bei Zellen in der Mitte einer
Anlage kann jedoch die Reparatur schwieriger werden als
bei einem Endfeld.
Für die Einspeise-, Abgangs-, Kuppel- und Messfelder hat
sich die Gerätefolge Sammelschienentrennschalter Leistungsschalter (ggf. auf Fahrwagen) - Stromwandler - ggf.
Kabelabgangstrenner durchgesetzt.
Ortsnetz- / Kundenstationen
Ortsnetzstationen (ON oder Netzstationen NSt.) versorgen
Niederspannungsnetze, wobei sie ihre Energie aus dem
Mittelspannungsnetz beziehen. Der Anschluss von Kabeln
ist gerade in städtischen Bereichen vorherrschend, in
ländlichen Gebieten findet man oft Maststationen mit
Freileitungsanschlüssen.
Schaltanlage in einer Plakatsäule, Köln 1891
Schaltanlagen
Seite 69
Die Anlagen werden in vorhanden Gebäude oder in Baukörper aus Beton,
Leichtmetall oder Kunststoff untergebracht. Das Lüftungssystem muss dabei so
ausgelegt sein, dass es die Verlustwärme des Transformators abführen kann, aber
auch die Betauung bei Temperaturschwankungen in Grenzen bleibt. Weiterhin muss
die Belüftung im Störlichtbogenfall die auftretende Druckerhöhung ableiten. Sind die
Anlagen nicht begehbar und von außen zu bedienen, spricht man von
Kompaktstationen. Aufgrund ihrer kleinen Abmessungen lassen sie sich leicht in eng
bebauten Gebieten aufstellen.
Die Zuluftöffnungen sollen in Bodennähe oder unter dem Transformator vorgesehen
werden (nicht über der Mitte des Trafos), die Abluftöffnung möglichst hoch in einer
gegenüberliegenden Wand, so dass eine Querlüftung erreicht wird. Die Wirksamkeit
der Lüftung nimmt mit größerwerdendem Höhenunterschied zwischen Zu- und Abluft
zu. Die erforderliche Größe der Abluftöffnung in m2ohne stochersicheres Gitter lässt
sich einfach Abschätzen:
A=
PV
5,8 × h
Dabei ist PV = P0 + k x PK mit k = 1,06 für Öltransformatoren und k = 1,2 für
Gießharztransformatoren und h der Höhenunterschied in m. Zu diesem errechneten
Wert sind für einfache Gitter 10%, für Gitter mit Jalousien ca. 50% hinzuzurechnen.
Die Größe der Zuluftöffnung kann etwa 10% kleiner ausfallen als die Abluftöffnung.
Gießharztransformatoren werden dann eingesetzt, wenn Sicherheit und
Umweltverträglichkeit dies erfordern oder wenn die dafür erforderlichen baulichen
Erfordernisse für Öltransfomatoren zu aufwendig sind.
Die Aufstellung der Schaltanlagen in einer abgeschlossenen elektrischen
Betriebsstätte regelt DIN VDE 0101. Dort wird die Gangbreite von 1000 mm
festgelegt, die auch durch in den Gang hineinragende Teile wie Antriebe oder
Schaltwagen nicht unterschritten werden darf. Die Schaltfeldtüren müssen in
Fluchtrichtung zuschlagen oder sich soweit öffnen lassen, dass die verbleibende
Gangbreite mindesten 500 mm beträgt. Für Montagegänge hinter der Schaltanlage
genügt eine Gangbreite von 500 mm. Die Ausgänge in einer Schaltanlage sind so zu
wählen, dass der Rettungsweg innerhalb des Raumes nicht länger als 40 m ist. Die
Mindestdurchganghöhe unter Abdeckungen beträgt 2000 mm, unter aktiven Teilen
entsprechend der Tabellen, jedoch nicht unter 2500 mm. Bei der Planung einer
Station sind neben der EltBauVO (als Anhang in DIN VDE 0105) auch weitere
Richtlinien wie AGI und WHG zu beachten. Wichtige Punkte daraus sind:
Transformatoren müssen so aufgestellt werden, dass austretendes Isolieröl keine
Umweltschäden hervorrufen kann. Dies kann durch eine ausreichend dimensionierte
Ölwanne erreicht werden. Bei SF6-Anlagen dürfen Überdrucksicherungen keine
Personen beim Bedienen gefährden. In Bodennähe soll eine natürliche Lüftung
angebracht sein. Räume unter Erdgleiche benötigen eine technische Lüftung, falls
sich dort Gase in gefährlicher Menge ansammeln können (darauf kann verzichtet
werden, wenn das Gasvolumen des größten Gasraums bei Atmosphärendruck
maximal 10% des Raumvolumens beträgt).
Eine oft gewählte Standardvariante, sowohl in Luft als auch in SF6-isolierten
Schaltanlagen ist die Einschleifung der Kabel über Lasttrennschalter. Der
Transformator wird über Lasttrenner mit Sicherungsunterteil und Freiauslösung
angeschlossen. Manchmal wird ein zusätzliches Kabel- oder Transformatorfeld
projektiert. Unter Inkaufnahme einer geringeren Selektivität kann diese Schaltung
Schaltanlagen
noch weiter vereinfacht werden, indem die Kabelschalter
Transformatorschalter einschließlich Sicherung weggelassen werden.
Seite 70
und
der
Kabelverteilerschränke für Niederspannung werden in der Regel aus
glasfaserverstärktem
Polyester
(UV-lichtbeständiges
Härtersystem)
im
Baukastensystem (Gehäuse und Sockel) hergestellt. Bei der Konstruktion wird auf
ausreichende Belüftung Wert gelegt, die labyrinthartig ausgeführt wird, um das
Eindringen von Fremdkörpern zu verhindern.
Bei Fest-/Marktplatz- und Baustromverteilern erfolgt die Kabelzuführung stets von
unten an die NH-Sicherung im EVU-Eingangsmessfeld. Zum Einführen der
Abnehmerkabelhaben die Sockel groß bemessene Einführungsschächte mit
Zugentlastungen.
Nebenanlagen
Batterieanlagen
Für die Antriebe der Leistungsschalter und für die Sekundärtechnik (Schutz,
Leittechnik, Regelung) sowie für die Notbeleuchtung ist eine Stromquelle erforderlich,
die jederzeit unabhängig von der Drehstromversorgung einsatzbereit ist. Bewährt
haben sich hierbei Bleiakkumulatoren, die im Bereitschaftsparallelbetrieb die
Hilfsnetze speisen. Hierbei deckt ein Gleichrichter den gesamten Energiebedarf der
Verbraucher und bringt zusätzlich die Ladungserhaltungsströme für die
Batterieanlage auf, die so auf vollem Füllungsgrad gehalten wird. Sie wird nur zur
Stromabgabe herangezogen, wenn das Netz oder der Gleichrichter ausfällt und
dabei auf drei Stunden bemessen. Als Batteriespannungen sind 24 V und 60 V für
die Melde- und Fernsteuerspannung und 110 V oder 220 V als Betätigungsspannung
gebräuchlich. Die Batterien selbst werden ungeerdet betrieben und mit einer
Erdschlussüberwachung ausgerüstet. Die Lebensdauer einer Batterie beträgt bei
regelmäßiger Wartung bis zu 20 Jahren. Der Stellenwert einer Batterieanlage darf
nicht unterschätzt werden; ohne sie kann ein Umspannwerk nicht betrieben werden !
Rundsteueranlage
Die Rundsteueranlage dienst zur Fernsteuerung von Verbrauchern im
Versorgungsnetz. Als Übertragungsweg wird das normale Energienetz verwendet.
Die Übertragung der Steuerbefehle erfolgt durch Impulsfolgen im Bereich von 167 ...
ca. 2000 Hz, die der 50.Hz-Spannung mit einer Amplitude von ca. 1 ... 8% der
jeweiligen Nennspannung überlagert sind. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die
Signale im Versorgungsnetz je nach Höhe der Sendefrequenz unterschiedlich stark
gedämpft werden. Die Tonfrequenz wird zur Übertragung nach einem Code
(Impulsraster) ein und ausgeschaltet, wodurch ein „Telegramm entsteht. Dem
fernzusteuernden Verbraucher ist ein spezieller Empfänger („Rundsteuerempfänger“)
vorgeschaltet, der die Impulstelegramme wieder aus dem Netz herausfiltert und
daraus die gewünschte Steuerinformation ableitet. Die Wahl der Tonfrequenz ist
stark von der Netzkonstellation abhängig; VDEW empfiehlt für Netze mit großer
Ausdehnung und mehreren Spannungsebenen Frequenzen unter 250 Hz, bei Netzen
mit begrenzter Ausdehnung Frequenzen über 250 Hz. Die Sendeanlage besteht aus
einer Sendezentrale (meist in der Netzleitstelle), der Übertragungseinrichtung zur
Einspeisestelle, einem Rundsteuersender mit Kommandogerät sowie der
Ankopplung an das Energienetz.
Schaltanlagen
Seite 71
Die Sendezentrale ist heute ein normaler PC, in dem die Schaltprogramme für die
verschiedenen Schaltprogramme verwaltet werden. Diese erzeugen aus Datum und
Uhrzeit sowie Benutzereingaben die zeitrichtigen Sendungen an die
Rundsteuersender in den Anlagen. Die Rundsteuersender bestanden früher aus
Tonfrequenzgeneratoren mit Synchron- und Asynchronmaschinen, deren
Ausgangsspannung von Tastschützen im Takt des Rundsteuertelegramm ein- und
ausgeschaltet wurde. Heute werden ausschließlich statische Umrichter mit Thyristoroder Transistortechnik verwendet. Die Ankopplungen gestatten die Überlagerung der
Tonfrequenzspannung in das 50-Hz-Netz, schützen die Sendeanlage aber auch
gegen Rückwirkungen (Oberwellen) aus dem Netz. Dabei existieren zwei
Grundvarianten:
die
Serienankopplung
(Reihenankopplung)
und
die
Parallelankopplung. Bei einer Einspeidung von der Mittelspannungsseite an aufwärts
werden nur dreiphasige Ankopplungen eingesetzt. Die Wahl des Kopplungssystems
hängt stark von der gewählten Rundsteuerfrequenz und vom Aufbau der über- und
untergelagerten Netzes ab. Im unteren Frequenzbereich bis etwa 200 Hz überwiegt
die Serienankopplung, darüber hinaus die Parallelankopplung.
Erdungsanlagen / Blitzschutz
Unter Erdung versteht man eine leitende Verbindung zwischen leitfähigen,
normalerweise spannungsfreien Teilen einer elektrischen Anlage und dem Erdreich.
Die Erdungsanlage wird dabei für die zu erwartenden Ströme ausgelegt. Dabei ist
nicht nur auf eine ausreichende thermische Auslegung zu achten, sondern es dürfen
auch die zulässigen Erder- und Berührungsspannungen nicht überschritten werden.
Die richtige Erdung bestimmt die Sicherheit von Mensch und Betrieb ! (Die VDEBestimmung VDE 0141 über Erdungsanlagen geht auf das Jahr 1924 zurück).
In der Praxis haben sich Stab- und Banderde sowie ihre Kombinationen als Strahlen, Maschen- oder Ringerder durchgesetzt. Erder bestehen aus feuerverzinktem Stahl,
Kupfer oder Edelstahl (V4A). Staberder werden als Rohr- oder Kreuzprofil soweit
senkrecht ins Erdreich getrieben, bis die Erdung den erforderlichen Wert erreicht
(Tiefenerder). Durch die Ausbringung von Banderdern in Mehrfachringen und
Maschen (Tiefe > 0,5 m) wird eine Potentialsteuerung erreicht, die die Schritt- und
Berührspannung verringert. Besonderes Augenmerk ist auf die Verbindungsstellen
der Erder zu legen, da hier Korrosion am ehesten angreift. Ursache der Korrosion ist
vielfach die Bildung eines elektrochemischen Elementes aufgrund unterschiedlicher
Erdbodenzusammensetzungen (pH-Wert, spez. Bodenleitfähigkeit).
In Gebieten mit geschlossener Bebauung kann nicht zwischen Schutzerde und
Betriebserde unterschieden werden, da sich die Erder gegenseitig beeinflussen und
keine neutrale (= unbeeinflusste) Zone mehr vorhanden ist. Hier wirken die
Fundamenterder und die Erdungen der Versorgungseinrichtungen in ihrer
Gesamtheit wie ein Maschenerder. Zur klassischen Schutzerde zählt die Verbindung
aller nicht zum Betriebsstromkreis gehörenden Metallteile; die Betriebserde definiert
das Erdpotential eines Betriebsstromkreises. Für die zulässige Erderspannung gilt:
• innerhalb einer Anlage: UEB ≤ 125 V
• außerhalb einer Anlage: UEB ≤ 50 V
Eng verbunden mit den Erdungsanlagen ist der Blitzschutz. Bewährt hat sich hierbei
das Blitzschutz-Zonenkonzept, da sich bei komplexen Anlagen herausgestellt hat,
dass die klassische Aufteilung in „Inneren und Äußeren Blitzschutz“ nicht mehr alle
Aufgaben befriedigend lösen kann. Nunmehr wird die zu schützende Anlage
Schaltanlagen
Seite 72
strukturiert und in Schutzzonen aufgeteilt, für die jeweils elektromagnetische
Verträglichkeitsbedingungen definiert werden können.
Die einzelnen Schutzzonen werden durch Schirmen des Gebäudes, der Räume und
der Geräte gebildet. Von der Feldseite (Blitzschutz-Zone BSZ 0) aus, in der direkte
Blitzeinschläge und ungedämpfte elektrische und magnetische Felder des Blitzes
(LEMP = Lightning Electromagnetic Pulse) gegeben sind, folgen Schutzzonen mit
abnehmender Gefährdung hinsichtlich leitungsgebundener Störungen und LEMPEinwirkungen. Jeweils an den Stellen, an denen Kabel und Leitungen
Blitzschutzzonen durchdringen, sind Maßnahmen zu treffen und örtliche
Potentialausgleiche einzurichten.
An der Schnittstelle zwischen Schutzzone 0 und 1 sind alle von der Feldseite
kommenden Leitungen in den Blitzschutz-Potentialausgleich einzubeziehen, und
zwar mit blitzstromtragfähigen Komponenten (Ableiter für Stoßströme bis 100 kA bei
Wellenform 10/350 µs). Für jede weitere Schnittstelle sind Überspannungsableiter
erforderlich, die die Störspannung bis unter 1000 V herunterpegeln. Zwischen den
Geräten ist auf eine Entkopplung zu achten,
die durch zusätzliche Drosseln oder
entsprechende Leitungslängen herzustellen
ist.
Klemmen
Die Anschlüsse der Wandler, Schutz- und
Messgeräte werden auf Klemmleisten
geführt, die durch ihren Aufbau als Trennoder Durchgangsklemme den sicheren
Anschluss erlauben. Stromwandlerklemmen
können den Wandler sekundärseitig kurz
schließen und gestatten so den Anschluss Klemmleiste für Stromwandler
von externen Mess- und Prüfgeräten.
Trennklemmen zum Anschluss von Spannungswandlern besitzen ein schaltbares
Brückenstück. Sie können untereinander mit Querbrücken verbunden werden.
Emissionsschutz
Störlichtbogenschutz
Die Hauptursache für die Entstehung von Störlichtbögen ist menschliches
Fehlverhalten. Daneben können Störlichtbögen auch durch Verschmutzung,
Betauung,
atmosphärische
Überspannungen, Isolationsfehler und
nicht zuletzt durch Kleintiere ausgelöst
werden. Tritt in einem Schaltfeld einer
gekapselten
Schaltanlage
ein
Lichtbogenkurzschluss auf, dann wird die
Luft innerhalb der Zelle stark erwärmt (ca.
4000°C) und es kommt rasch zu einem
hohen
Druckanstieg
(Kompressionsphase). Um den Druck
abzubauen, sprechen nach ca. 3 - 10 ms
Druckverlauf
die
Druckentlastungsklappen
oder
Schaltanlagen
Seite 73
Berstscheiben einer Schaltanlage an und die heißen Gase strömen in dieser
Expansionsphase in die Schaltanlage. Im Schaltfeld entsteht ein Unterdruck. Die
Emmisionsphase schließt sich an (20...150 ms). Der Druck im Feld ist nur wenig
höher als im Anlagengebäude; hier hat bereits ein Druckanstieg stattgefunden, so
dass ggf. Maßnahmen zum Schutz des Gebäudes zu treffen sind. In der thermischen
Phase (150...1000 ms) werden verdampfte Stromschienenmaterialien mitsamt
Isolierung aus dem Feld geworfen. Um das Bedienpersonal und Passanten in
unmittelbarer Nähe des Anlagengebäudes zu schützen sind geeignete Maßnahmen
zu ergreifen.
Um den Nachweis des Verhaltens von Mittelspannungsanlagen bei inneren Fehlern
zu erbringen, wurde 1969 in Frankfurt/Main die „Prüfstelle für elektrische
Hochleistungsapparate“ (PEHLA) gegründet. In ihrer Richtlinie Nr. 2, die im
Wesentlichen von DIN VDE 0670, Teil 601 übernommen wurde, werden sechs
Kriterien bei zwei Zugänglichkeitsgraden gefordert:
Zugänglichkeitstyp A: zugänglich nur Elektrofachleuten und unterwiesenen
Personen (Bedienerschutz)
Zugänglichkeitstyp B:
uneingeschränkte Zugänglichkeit (Passantenschutz)
Kriterium 1:
Ordnungsgemäß gesicherte
usw. dürfen sich nicht öffnen
Türen,
Abdeckungen
Kriterium 2:
Teile der metallgekapselten Schaltanlage, die eine
Gefährdung verursachen können, dürfen nicht
wegfliegen.
Kriterium 3:
Durch Lichtbogeneinwirkung dürfen keine Löcher in
den frei zugänglichen äußeren Teilen der Kapselung
infolge Durchbrennens oder aufgrund anderer Effekte
entstehen.
Kriterium 4:
Indikatoren (Stücke aus Baumwollstoff), die senkrecht
aufgebracht sind, dürfen sich nicht entzünden.
Indikatoren, dir durch brennende Farbanstriche oder
brennende Aufkleber entzündet werden, werden nicht
zur Beurteilung herangezogen.
Kriterium 5:
Indikatoren, die waagrecht angebracht sind, dürfen
sich nicht entzünden. Sollten sie während der Prüfung
zu brennen beginnen, ist das Beurteilungskriterium
dennoch als erfüllt anzusehen, falls nachweisbar
sichergestellt ist, dass die Zündung durch glühende
Partikel und nicht durch heiße Gase erfolgte.
Kriterium 6:
Alle Erdverbindungen müssen noch wirksam sein.
Diese Störlichtbogenfestigkeit ist bei allen Schaltfeldern zu erreichen. Durch die
Prüfung soll nachgewiesen werden, dass Personen in der Nähe der Schaltanlage
durch nach außen tretende dampf- oder gasförmige Zersetzungsprodukte nicht
gefährdet werden können. Konstruktive Maßnahmen wie ein ausreichend großer
Kabelendverschlussraum oder hinreichend bemessende Isolationskoordination
können die Störlichtbogenfestigkeit ebenfalls verbessern.
Die Prüfung selbst ist an einem fabrikneuen, komplett bestücktem Schaltfeld
durchzuführen, wobei die späteren Aufstellungsbedingungen (Raumnachbildung,
Schaltanlagen
Seite 74
elektr. Werte, Zeit) möglichst getreu sein sollen. Der Lichtbogen wird durch einen ca.
0,5 mm dicken Metalldraht zwischen den Leitern (oder bei Einzelschottung zwischen
Leiter und Erde) gezündet. Der Ort der Zündung muss so gewählt werden, dass die
Auswirkung des Lichtbogens die größte Beanspruchung im Schaltfeld hervorruft.
Damit sich der Fehler zu einem dreipoligen Kurzschluss entwickeln kann, muss die
Einspeisung ebenfalls dreiphasig vorgenommen werden. Die Auswirkungen des
Lichtbogens außerhalb der Schaltanlage werden mit definiert aufgestellten
Indikatoren aus schwarzem Baumwolltuch (150 x 150 mm) gemessen. Sie sind so
angeordnet, dass ihre Schnittkanten nicht zum Schaltfeld gerichtet sind. Beim
Zugänglichkeitsgrad A werden die Indikatoren (150 g/m2) an allen leicht zugänglichen
Stellen im Abstand von 30 cm senkrecht angebracht, wobei Stellen, an denen Gase
austretenden können, besonders berücksichtigt werden müssen. Können die Gase
durch Leitbleche oder Decken umgeleitet werden, sind zusätzliche Indikatoren
waagerecht in einer Höhe von 2 m über dem Fußboden in einem Abstand zwischen
30...80 cm erforderlich. Beim Zugänglichkeitsgrad B werden die Indikatoren (40 g/m2)
an allen Seiten der Schaltanlage in einem Abstand von 10 cm senkrecht angebracht.
Für die Umlenkung der Gase gelten die Maßnahmen
unter A in einem korrigierten Abstand von 10...80 cm.
Elektro-magnetische Felder
Vielfach ist eine gesundheitliche Beeinträchtigung durch
elektrische und magnetische Felder („Elektrosmog“) in
die Diskussion geraten. Deshalb soll im Folgenden eine
kurze Einführung in diese Problematik gegeben werden.
Der
Mensch
im
homogenen
elektrischen Wechselfeld
In der Physik und der Technik wird der Begriff „Feld“
generell benutzt, um Zustände
und Wirkungen im Raum zu
beschreiben. Felder können
durch schematische Darstellung
ihrer Kraftlinien anschaulich
gemacht werden. Bekannte
Felder sind das elektrische und
das magnetische Feld.
Die Ursache für das elektrische
Feld (Formelbuchstabe E, Einheit Volt/m) sind elektrische
Ladungen, also z. B. spannungsführende Leiter. Es
beschreibt die Kräfte, die zwischen den Ladungen auftreten.
Für das Feld gilt: Je höher die Spannung, desto größer ist
auch die Feldstärke, die aber stark mit der Entfernung zur
Quelle abnimmt. In der Skizze ist der Verlauf der
elektrischen Feldlinien zweier paralleler Drähte dargestellt.
Der Mensch im homogenen
Die Feldlinien führen von einer positiven zu einer negativen magn. Wechselfeld
Ladung, ihre Dichte ist ein Maß für die Feldstärke. Freie
Ladungsträger, die sich in leitenden Gegenständen oder Körpern befinden, trennen
und verschieben sich unter dem Einfluss der Feldkräfte. Diese Influenz genannte
Erscheinung polarisiert den Leiter, der zu einem Dipol wird. Die Körperoberfläche
wird dadurch aufgeladen und das Innere praktisch feldfrei. Elektrische Felder sind
demnach gut durch leitende Materialien abzuschirmen. Eine Hauswand kann ein von
außen wirkendes elektrisches Feld um ca. 70 - 90% verringern.
Schaltanlagen
Seite 75
Seit jeher gibt es natürliche elektrische Felder: durch die Luftbewegung in der
Atmosphäre wird bei normalem Wetter eine elektrostatische Feldstärke von 100...500
V/m erreicht; bei Gewitter können Werte bis zu 20.000 V/m = 20 kV/m auftreten. Die
direkten und indirekten Wirkungen eines elektrischen Feldes hat wohl jeder schon
bemerkt:
•
Haarsträuben
•
Aufladung einer Person beim Gang über einen Kunststoffteppich mit späterer
Entladung
Die Wahrnehmung und die Bewertung der elektrischen Felder ist subjektiv. Bei einer
Testserie zeigte sich, dass ca. 60% aller Probanden bei einem ungestörtem Feld bis
zu 20 kV/m ohne Empfindung blieben, nur 5% der Testpersonen erkannten ein Feld
von 8 kV/m.
Der vom elektrischen Feld durch Influenz (d. h. von außen)
erzeugte Strom in einem leitfähigen Objekt ist von der
Frequenz, von der Höhe der Feldstärke und von der Form
und Größe des Objektes, jedoch nicht von der inneren
Leitfähigkeit des Objektes abhängig. In metallischen
Körpern erfolgt der Stromfluss im wesentlichen durch freie
Elektronen, während in biologischen Geweben der
Stromfluss hauptsächlich über den Transport von Ionen (z.
B. in der Blutbahn) zustande kommt.
_
+
Da der menschliche Körper gut leitend ist (die elektrische
Leitfähigkeit ist um den Faktor 1012 größer als die von
Luft), werden die elektrischen Felder an der
elektr. Feld
Körperoberfläche geführt und dringen nicht tief ein. Dafür
wird jedoch das Feld, das einen Menschen umgibt, stark verzerrt, so dass im
Kopfbereich – bedingt durch die Körpergeometrie - eine vielfache Verstärkung
auftreten kann. Als Näherung gilt im Kopfbereich eine vierzehnfach höhere
Feldstärke als im ungestörten Feld.
Ein Beispiel für ein magnetisches (Gleich-) Feld ist das
natürliche
Magnetfeld
der
Erde,
dass
die
I
Kompassnadel in Nord-Süd-Richtung auslenkt und
Zugvögeln und Fischen zur Orientierung dient. In
unseren Breiten beträgt seine Stärke etwa 40 A/m (ca.
50 µT). Ursache des (technischen) magnetischen
Wechselfeldes sind bewegte elektrische Ladungen. Ein
Magnetfeld
entsteht
also,
sobald
Strom
Elektrisches Feld
fließt.
Als
H
Beispiel sei ein
Magnetisches
gerader
Draht
magn. Feld
Feld
gezeichnet, der
von einem Strom durchflossen wird: ihn umgibt
ein Magnetfeld, dessen Kraftlinien den Draht
als geschlossene Kreise mit dem Mittelpunkt
im Draht umgeben und in Ebenen verlaufen,
welche den Draht senkrecht schneiden. Je
Natürliche Felder
Ion os
p
häre
Schönwetter
100 - 500 V/m
Gewitter
3000 - 20000 kV/m
30 A/m
Schaltanlagen
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größer die Stromstärke ist, desto größer ist das magnetische Feld. Magnetfelder
durchdringen Hauswände, fast alle Metalle sowie organische Gewebe und den
menschlichen Körper. Sie verringern sich, sobald man sich von ihrer Quelle entfernt,
und zwar gilt im absoluten Nahbereich (0 – 0,3 m) B ∼ 1/r, im unmittelbaren
Nahbereich (0,3 m – 1 m) B ~ 1/r2 und im Fernfeld (> 1 m) B ~ 1/r3.
Die magnetische Feldstärke (Formelbuchstabe H) wird in Ampère/m gemessen. Oft
wird jedoch anstelle von H ein Maß für die Dichte der Feldlinien angegeben: die
magnetische Induktion B mit ihrer Einheit Tesla (T). Da 1 T ein sehr hoher Wert ist,
werden Felder im Haushaltsbereich in Millitesla (mT = Tausendstel Tesla), Mikrotesla
(µT = Millionstel Tesla) oder Nanotesla (nT = Milliardstel Tesla) angegeben. Dabei
gilt also: 1 mT = 10-3T = 0,001 T, 1 µT = 10-6T = 0,000 001 T und 1 nT = 0,001 µT =
0,000 001 mT = 10-9T = 0,000 000 001 T. Im Vakuum und in Luft verhalten sich beide
Größen zueinander proportional: 1 A/m = 1,257 µT.
Magnetische Felder induzieren im menschlichen Körper Wirbelströme, der Größe
von der Frequenz, von der Höhe der magn. Feldstärke, von der felddurchsetzten
Fläche und von den Materialeigenschaften abhängig ist. Aus Modellrechnungen lässt
sich für homogene Magnetfelder eine Abschätzung für die mittlere Stromdichte im
Körper ermitteln:
S ≈ 2,0 µA/m2 je µT ungestörte magnetische Flussdichte B
bzw. für den Summenstrom
I ≈ 1 µA je µT ungestörte magnetische Flussdichte B
Im niederfrequenten Bereich von 0 ... 30 kHz müssen elektrisches und magnetisches
Feld getrennt betrachtet und gemessen werden. Hier findet eine Energieabstrahlung
in Form von elektromagnetischen Wellen nicht statt. Im Hochfrequenzbereich
oberhalb 30 kHz treten die Felder gekoppelt auf; sie besitzen hier größere
Reichweiten (Rundfunksender, Mobiltelefone) und andere Wirkungsmechanismen (z.
B. Erwärmung in der Mikrowelle oder ionisierende Strahlung beim Röntgen).
Bei elektrischen Anlagen und Betriebsmitteln mit hohen Betriebsspannungen (> 110
kV = 110 000 V) ist für die Beurteilung der Auswirkungen im wesentlichen das
elektrische Feld entscheidend. Im Niederspannungsbereich spielen elektrische
Felder als Einflussgröße auf die „Normalbevölkerung“ kaum eine Rolle, hier
überwiegt im allgemeinen das magnetische Feld. Aus diesem Grund wurde auf eine
Messung des elektrischen Feldes verzichtet.
In der DIN-Norm VDE V 0848-4/A3 vom Juli 1995 sind die bei uns gültigen
Sicherheitsgrenzwerte für elektrische und magnetische Felder festgelegt Sie
empfiehlt unterschiedliche Expositionsbereiche:
Der Expositionsbereich 1 umfasst:
•
kontrollierte Bereiche, z. B. Betriebsstätten, vom Betreiber überprüfbare Bereiche
•
allgemein zugängliche Bereiche, in denen aufgrund der Betriebsweise oder
aufgrund der Aufenthaltsdauer sichergestellt ist, dass eine Exposition nur
kurzzeitig erfolgt.
Die Werte für diesen Bereich orientieren sich am Konzept der Vermeidung von
Gefährdungen
unter
Berücksichtigung
von
Sicherheitszuschlägen
(Sicherheitskonzept). Es sind Effekte berücksichtigt wie Reizung von Sinnesorganen,
Nerven- und Muskelzellen, Beeinflussung der Herzaktion. Für kurze
Schaltanlagen
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Expositionszeiten von 1 h/d und 2 h/d werden gegenüber dem Wert für
Dauerexposition höhere Werte zugelassen, wodurch lediglich der Sicherheitsfaktor
verringert wird, was wegen der Größe der beinhalteten Sicherheitsfaktoren für diese
kurzen Zeiten zulässig ist.
Der Expositionsbereich 2 umfasst alle Bereiche, in denen nicht nur mit
Kurzzeitexposition gerechnet werden kann, wie z. B.:
•
Gebiete mit Wohn- und Gesellschaftsbauten,
•
einzelne Wohngrundstücke,
•
Anlagen und Einrichtungen für Sport, Freizeit und Erholung,
•
Betriebsstätten, in denen eine Felderzeugung bestimmungsgemäß nicht
erwartet wird.
Die gegenüber Expositionsbereich 1 nochmals abgesenkten Werte für diesen
Bereich berücksichtigen die Schutzbedürftigkeit besonderer Personengruppen und
vermeiden wesentliche Belästigungen infolge von Feldeinwirkungen.
DIN VDE V 0848-4/A3, 1995
Kurzzeitexposition
Dauerexposition
50 Hz
Expositionsbereich 1
• elektrische Felder
• magnetische Felder
30 kV/m bis 2 Std. / Tag
20 kV/m
2,55 mT bis 2 Std. / Tag
1,36 mT
4,24 mT bis 1 Std. / Tag
Expositionsbereich 2
• elektrische Felder
• magnetische Felder
6,7 kV/m
0,424 mT
Daneben gibt es Grenzwerte für 50 Hz, die von der Strahlenschutzkommission (SSK)
bzw. der Internationalen Kommission für den Schutz vor nicht ionisierender Strahlung
(ICNIRP) für die allgemeine Bevölkerung empfohlen werden (Orientierung an den
IRPA/WHO-Richtwerten):
Elektrisches Feld:
< 5 kV /m
magnetische Flussdichte:
< 100 µT (80 A/m)
Diese Werte finden sich auch in der „Verordnung über elektromagnetische Felder“
vom 01. Januar 1997 (26. BImSchV) wieder. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen,
dass diese Verordnung nur für ortsfeste Anlagen mit einer Spannung von mehr als
1000 V = 1 kV zutrifft.
Im Anschluss an eine Entschließung des Europäischen Parlamentes aus dem Jahr
1994 empfiehlt der Rat ein System von Grundbeschränkungen und Referenzwerten
zur Exposition der Bevölkerung durch elektromagnetische Felder für den breiten
Frequenzbereich von 0 Hz – 300 GHz. Es entspricht weitgehend dem der 26.
BImSchV.
Schaltanlagen
Seite 78
In Feldern der Niederfrequenz ist die im menschlichen Körper auftretende
Stromdichte das bestimmende Kriterium für die Ermittlung von Grenzwerten. Von
Natur aus sind im menschlichen Körper Stromdichten zwischen 1 mA/m2 und 10
mA/m2 anzutreffen. Akute Gesundheitsgefahren durch elektrische und magnetische
Felder sind nach derzeitigen Erkenntnissen auszuschließen, wenn die felderzeugte
Körperstromdichte auf Dauer nicht größer als 2 mA/m2 ist. Dies ist bei den obigen,
fett gedruckten Werten der Fall.
Im Verordnungsentwurf vom Mai 1994 empfiehlt das Umweltministerium und das
Bundesamt für Strahlenschutz (Institut für Strahlenhygiene) einen Eingreif-Richtwert
um 2,5 kV/m und 20 µT bei 50 Hz. Hintergrund dieser Werte ist die Beeinflussbarkeit
von Herzschrittmachern, wobei jedoch zu berücksichtigen ist, dass derart niedrige
Werte experimentell gesichert nicht verlangt werden. Herzschrittmacher, die einem
europ. Normungsvorschlag entsprechend störfest sind, bleiben in Feldern unter 7
kV/m und 50 µT unbeeinflusst.
Hinsichtlich der Beeinflussung von Monitoren, z. B. Flimmern, werden in der Literatur
Werte von 0,5 µT genannt, bei deren Unterschreitung ein störungsfreier Betrieb
anzunehmen ist.
Repräsentative Werte magnetischer Flussdichten und elektrischer Felder (Abstand
30 cm) von Haushaltsgeräten:
Haarfön
Trockenrasierer
Staubsauger
Küchenherd
Kühlschrank
Fernsehgerät
PC
Monitor
0,01 – 7 (6 – 2000 in 3 cm)
0,08 – 9 (15 – 1500 in 3 cm)
2 – 20
0,15 – 7
Magn. Flussdichte [µT]
0,01 – 0,25
0,04 – 2 (0,01 – 0,15 in 1 m)
< 0,01
0,45 – 1,0
80
50
8
elektr. Feldstärke [V/m]
120
60
Netzschutz
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Netzschutz
Fehlerformen
Kurzschluss
Die elektrischen Betriebsmittel müssen den dynamischen und thermischen
Wirkungen der Kurzschlussströme grundsätzlich standhalten. Die größten
Kurzschlussströme sind dabei für die Auswahl der Betriebsmittel, die kleinsten
Kurzschlussströme für die Auswahl und Einstellung der Schutzmittel maßgebend.
Die Höhe des Kurzschlussstromes ist von vielen Faktoren abhängig, so z. B.
• vom Aufbau der Netze und dem Schaltzustand
• dem Einsatz von Generatoren und Motoren
• von der Höhe der Betriebsspannung
• vom Einfluss der Spannungsregler der Netzgeneratoren
• von der rel. Kurzschlussspannung der Transformatoren
• von der Stellung der Stufensteller der Transformatoren
An einer Kurzschlussstelle kann es also nicht nur den größten oder den kleinsten
Kurzschlussstrom geben, sondern in beiden Fällen liegt ein breites Streuband vor.
Charakteristisch für den zeitlichen Verlauf des Kurzschlussstromes bei
generatorfernen Kurzschlüssen ist das abklingende Wechselstromglied; im
Gegensatz dazu steht das wenig oder gar nicht abklingende Wechselstromglied beim
generatornahen Kurzschluss.
Wie oben bereits gesehen ändert sich der auftretende Kurzschlussstrom z. B. bei
Netzumschaltungen, so dass es im Schaltanlagenbau vielfach nicht darauf ankommt,
ihn bis zur letzten Dezimale genau zu berechnen. Für eine überschlägige
Berechnung reicht es aus, mit der Methode der Ersatzspannungsquelle an der
Kurzschlussstelle und den Widerständen in der Kurzschlussbahn eine hinreichend
genaue Abschätzung zu erreichen. Dabei ist lediglich zu berücksichtigen, dass die
Widerstände auf die jeweilige Bezugsspannung umgerechnet werden.
Erdschluss / Erdschlusslöschung
Die elektrischen Einrichtungen der Kraftwerke und Unterstationen sowie die Netze
leiden unter unangenehmen und kostspieligen Betriebsstörungen, die in der
Mehrzahl der Fälle ihren Ursprung im Durchbruch oder der Überbrückung der
Isolierung eines Leiters gegen Erde (Erdschluss) haben. Auch mehrphasige Fehler
sind oft auf Erdschlüsse zurückzuführen. Es ist daher verständlich, dass seit jeher
der Bekämpfung des Erdschlusses große Aufmerksamkeit gewidmet wurde.
Das Potential eines mit freiem Sternpunkt betriebenen Drehstromnetzes gegen Erde
besitzt bei symmetrischer Belastung und Betrieb Erdpotential (vgl. Teil 1, Kap. 10).
Tritt in einem solchen Netz ein Erdschluss auf (d. h. ein Außenleiter berührt das
Erdpotential), dann werden die beiden vom Erdschluss nicht betroffenen Leiter auf
die Dreieckspannung gegen Erde angehoben. Dabei bleibt das aus den drei
Dreieckspannungen gebildete Spannungsdreieck praktisch erhalten. Von den
gesunden Leitern fließen die beiden kapazitiven Ströme I2 und I3 zur Erde ab und
kehren geometrisch addiert über die Fehlerstelle als Erdschlussstrom l e in das Netz
zurück.
Netzschutz
Seite 80
Der Erdschlussstrom bildet an der Fehlerstelle, soweit es sich nicht um einen
metallischen Erdschluss handelt, einen äußerst beweglichen und oft bis zu größerer
Länge sich ausdehnenden Lichtbogen, der zu erheblichen Zerstörungen führen kann.
Beim Nulldurchgang des Erdschlussstromes erlischt der Lichtbogen, zündet aber
sofort wieder, da im Augenblick des Erlöschens die an der Fehlerstelle liegende
Spannung wegen des kapazitiven Charakters des Erdschlussstromes ihr Maximum
aufweist. Durch das periodische Erlöschen und Wiederzünden des Erdschlusses
(intermittierender Erdschluss) können Oberspannungen erzeugt werden. Diese
ziehen in das Netz ein und können die Isolierung auch von der Fehlerstelle weit
entfernter Anlagenteile gefährden.
Die skizzierten Auswirkungen eines Erdschlusses können vermeiden werden, wenn
man den Erdschlussstrom an der Fehlerstelle durch Überlagerung eines
Kompensationsstromes gleicher Größe, aber mit um 180° gedrehter Phasenlage zu
Null ergänzt. Das Mittel hierzu ist die E-Spule, d. h. eine Reaktanz, die zwischen
Netzsternpunkt und Erde geschaltet wird. Diese wird auch nach ihrem Erfinder, Prof.
Dr.-Ing. Petersen, AEG 1916, „Petersen-Spule“ genannt. Bei Erdschluss steht an den
Klemmen der E-Spule die (am Fehlerort verschwundene) Leitererdspannung UL1 des
fehlerhaften Leiters an, unter deren Einfluss der E-Spulenstrom Ip zur Fehlerstelle
fließt und über Erde zur E-Spule zurückkehrt. Bei genauer Kompensation, d. h.
gleicher absoluter Größe des E-Spulenstromes und des Erdschlussstromes ist die
Fehlerstelle theoretisch stromlos.
Aufbau der Erdschlusslöschspule
Eine Spule, die allen Netzbedingungen auch bei veränderten Leitererdkapazitäten,
genügen soll, muss einstellbar sein. Je nach Art und Weise der Einstellbarkeit
unterscheidet man in Stufen einstellbare E-Spulen und solche, die eine
kontinuierliche Einstellbarkeit aufweisen. Zur Änderung der Induktivität (d.h. des ESpulenstroms) werden bei der stufig einstellbaren Spule im spannungslosen Zustand
Wicklungsanzapfungen umgeschaltet. Bei einer stufenlos einstellbaren Spule besteht
der magnetische Kreis aus einem geschichteten, stabförmigen Eisenkern, der über
eine Spindel den Luftspalt zwischen den beiden Kernteilen einstellt. Der Eisenkern
wird von einer Wicklung umgeben, die ohne Anzapfung wie eine normale
Transformatorenwicklung ausgebildet ist. Bei voll herausgezogenem oberen
Eisenkern ist die Induktivität der Anordnung ein Minimum und damit der Spulenstrom
ein Maximum. Der Antrieb der Spule erfolgt durch einen Motor mit
Handkurbelnotantrieb. Grundsätzlich sind in jeder Spule Stromwandler mit 5 A
sekundär und 15 VA eingebaut, z. B. für den Anschluss von Stromschreibern.
Außerdem erhalten sie Hilfswicklungen zur Messung, 3 A und 100 V, ggf.
umschaltbar.
Für den Anschluss von E-Spulen eignen sich die Sternpunkte der Transformatoren,
vorausgesetzt. Bei Transformatoren in Yy-Schaltung mit Ausgleichswicklung
(ausgelegt für 33% der Bemessungsleistung) kann ein Sternpunkt mit dem
Bemessungsstrom des Trafos belastet werden. Bei Yy-Transformatoren ohne
Ausgleichswicklung kann der Sternpunkt nur mit 10% dieses Stromes bzw. mit 30%
bis höchstens zwei Stunden belastet werden. Steht kein geeigneter Transformator
zur Verfügung, so kann ein Sternpunktbildner oder ein Sternpunkttrafo (Kombination
aus Mittelspannungstrafo und Sternpunktbildner) eingesetzt werden.
Netzschutz
Seite 81
Einstellung der E-Spule
Voraussetzung für die Wirksamkeit einer Erdschlusskompensation ist die jederzeit
einwandfreie Abstimmung der E-Spule auf die Leiter-Erdkapazitäten des jeweils
galvanisch zusammenhängenden Netzes.
Ein einfaches Verfahren, ohne besondere Hilfsmittel die Abstimmung während des
Betriebes festzustellen, ist das Beobachten der Sternpunkt-Erdspannung bei
gesundem Netz. Man schließt dabei an die Dreieck-Erdschlußwicklung der
Spannungswandler ein Voltmeter an, dessen Messbereich man bei
Freileitungsnetzen etwa 3 bis 30 V wählt, bei Kabelnetzen etwa 0,3 bis 3 V. Stellt
man jetzt die Petersenspule der Reihe nach auf ihre verschiedenen Spulenstellungen
ein, so muss man in jedem Fall eine ausgeprägte Resonanzkurve erhalten. Aus
betrieblichen Gründen wird vielfach eine leichte Überkompensation vorgezogen.
Auch wenn man ein gelöschtes Netz mit einem Erdschluss weiterhin eingeschränkt
in Betrieb halten kann, sollte jede Erdschlussstelle schnellstens vom Netz getrennt
werden. Aufgrund der Spannungsanhebung der gesunden Phasen wird die Isolation
bei anderen Betriebsmitteln zusätzlich beansprucht, wodurch ein weiterer Erdfehler
und damit ein Doppelerdschluss entstehen kann, der den bereits entstandenen
Störungsumfang erweitert. Als Faustregel gilt, dass die Gefahr des
Doppelerdschlusses quadratisch mit der Netzgröße wächst.
Netzschutz
I>
Für die Betätigung des Relais wird entweder eine
Fremdspannungsquelle (Gleichstrombetätigung, z.
B.
Batterieanlage
im
UW)
oder
die
Stromwandlerenergie (Wandlerstrombetätigung)
benutzt. Bei Gleichspannungsauslösung muss die
Anschaltung des Auslösers über einen Hilfskontakt
des Leistungsschalters geführt werden, damit zum
einen bei einem AUS-Dauerkommando die
Auslösespule nicht verbrennt und zum anderen
damit der Auslösestrom von ca. 5 ... 15 A nicht
von
den
schwachen
Relaiskontakten
vorgenommen wird.
Hauptwandler
Der Netzschutz, oder besser der Selektivschutz, hat die Aufgabe, jeden anormalen
Betriebszustand oder jedes gestörte Element innerhalb eines Netzes selektiv und
genau zu erfassen und je nach Fehlerart einen Auslösebefehl zu geben. Eine
Störung in einem fehlerhaften Netzteil darf gesunde Netzteile nicht beeinflussen oder
sogar die Stabilität des Netzes gefährden. Zur Begrenzung der Fehlerauswirkungen
und zur Verhinderung des Fehlerwechsels (z.B. Erdschluss zu Doppelerdschluss)
muss das Schutzsystem schnell sein. Es muss einerseits gegen Überlastung
unempfindlich sein, andererseits aber empfindlich genug sein, um niedrige
Fehlerströme zu erkennen. Die Verfügbarkeit des Netzschutzsystems muss hoch
sein, da nach der Inbetriebnahme ein Schutzgerät jahrelang nicht beachtet wird und
doch im Fehlerfall im Millisekundenbereich messen und entscheiden muss. Bei allen
hohen Anforderungen ist jedoch auch zu beachten, dass die Schutzeinrichtungen in
einer richtigen, wirtschaftlichen Relation zu den zu schützenden Anlagen stehen
müssen.
Auslöser
Wandlerstromauslösung
Zwischenwandler
Netzschutz
Seite 82
In kleinen Stationen im Mittelspannungsnetz ohne Batterieanlage bietet sich die
Wandlerstromauslösung an. Hier wird die nötige Energie dem Stromwandler über
einen Zwischenwandler mit Sättigungscharakteristik entnommen, der so bemessen
sein muss, dass er bei offener Sekundärwicklung betrieben werden kann. Als
Voraussetzung für diese Auslösung muss der Kurzschlussstrom immer über dem
Nennstrom liegen.
Zeitstaffelschutz
Sicherungen
HH-Sicherungen werden im Zeitalter der digitalen Schutzes vielfach als einfaches
und zu vernachlässigendes Bauteil in der Energieversorgung angesehen. Sie sind
jedoch hochwirksame und sowohl technisch als auch physikalisch aufwendige
Bauelemente. Aus diesem Grund soll im nachfolgenden ausführlich auf
Schmelzsicherungen eingegangen werden.
Unter einer Sicherung versteht man in der Elektrotechnik eine Schutzvorrichtung, die
einen Stromkreis bei Auftreten eines Fehlerstromes selbsttätig abschaltet.
Kennzeichnende Merkmale sind:
• das Ansprechen nur im Fehlerfall,
• das irreversible Abschalten, d.h. es besteht keine
Wiedereinschaltmöglichkeit.
Der Aufbau der heutigen Sicherungen ist prinzipiell noch so wie bereits 1880 von Th.
A. Edison angegeben. Im Zuge einer Leitung wird eine „Sollbruchstelle" eingebaut,
die den Stromkreis durch Abschmelzen vor unzulässig hohen Fehlerströmen schützt.
Das Material für diese Sicherungen und die erforderlichen Abmessungen wurden in
den Anfängen rein empirisch ermittelt. Blei und Blei/Zinn-Legierungen wurden zu
dieser Zeit als Schmelzleitermaterial bevorzugt. In den Anfangsjahren standen die
Probleme des Aufheizens der Sicherungsdrähte bis zum Schmelzen im Vordergrund.
Grundlegende physikalische und mathematische Erkenntnisse brachten die
Untersuchungen von G. J. Meyer aus dem Jahre 1906. Bereits damals wurde
erkannt, dass bei adiabatischer Erwärmung das Schmelzintegral eine reine
Materialkonstante ist. In dieser Zeit wurden die noch heute gültigen Begriffe geprägt,
Berechnungsunterlagen
angegeben
und
das
Verhalten
verschiedener
Schmelzleiterwerkstoffe untersucht.
Mit
steigender
Leistungsfähigkeit
der
Versorgungsnetze
nahm
die
Kurzschlussleistung stark zu, so dass an das Abschaltvermögen der Sicherungen
immer höhere Anforderungen gestellt wurden. Dieses führte zur Entwicklung der
Hochleistungssicherungen zunächst im Niederspannungsbereich (NH) und sehr bald
darauf
auch im Hochspannungsbereich
(HH).
Die
Entwicklung
der
Hochspannungssicherungen mit großer Schaltleistung fällt etwa in die Zeit von 1927
bis 1937.
Die Sicherungen werden allgemein nach verschiedenen Kriterien klassifiziert:
• nach ihrem Einsatzgebiet: Geräteschutz, Halbleiter, NH-Sicherungen,
HH-Sicherungen
• nach der Wirkungsweise der Sicherung: Lotsicherungen,
Ausblassicherungen, gekapselte Sicherungen, strombegrenzende
Sicherungen
Netzschutz
Seite 83
Das Anforderungsprofil für die Hoch- und Niederspannungs- Hochleistungssicherungen wie folgt definiert werden;
• Schutz vor thermischen Auswirkungen von Überlast- und
Kurzschlussströmen,
• Schutz vor dynamischen Auswirkungen von Netzkurzschlussströmen,
• beim Abschalten dürfen keine gefährlichen Überspannungen
auftreten,
• die Ausschaltcharakteristik darf sich während des Betriebes nicht
verändern,
• Personen oder andere Anlagenteile dürfen durch den
Abschaltvorgang der Sicherung nicht beeinträchtigt werden.
Prinzipiell sind alle strombegrenzenden Sicherungen folgendermaßen aufgebaut:
Die Schaltaufgabe übernimmt im Inneren der Sicherung ein Schmelzleiter, der beim
Überschreiten einer bestimmten zugeführten Energie verdampft und dadurch den
Strom unterbricht. Die Schmelzleiter werden auf einen keramischen Wickelkörper
spiralförmig aufgewickelt und an den Enden mit Anschlussbändern verschweißt. Als
Werkstoffe hierfür haben sich Keramiken mit hoher Temperaturfestigkeit und hohen
elektrischen Festigkeiten bewährt. Die Wickelkörper werden vorwiegend sternförmig
ausgebildet. Das gesamte System ist innerhalb eines äußeren Hüllrohres befestigt
und in reinem Quarzsand eingebettet, der als Kühlmittel für die Lichtbogenenergie
dient. Er wird in speziell abgestufter Körnung sehr sorgfältig eingefüllt und verdichtet.
Um absolute Trockenheit zu erreichen, wird er unmittelbar vor dem Einfüllen auf
hohe Temperaturen aufgeheizt.
Die elektrischen Anschlüsse erfolgen über Kappen auf beiden Seiten des Körpers,
mit denen der Schmelzleiter innen elektrisch verbunden ist. Da alle elektrischen
Verbindungen üblicherweise durch Schweißen hergestellt werden, ergibt sich
dadurch eine völlig alterungsfreie Konstruktion der Sicherung, sofern keine
Lotauftrag-Sicherungen verwendet werden.
Bei den meisten HH-Sicherungen ist für die Anzeige des Schaltzustandes und für die
mechanische Auslösung eines zugehörigen Lastschalters ein Schlagstiftsystem mit
eingebaut, das im wesentlichen aus einer Antriebsfeder und einem Stift besteht. Die
Feder wird über einen Haltedraht gespannt. Der Haltedraht ist mit der einen Kappe
elektrisch verbunden und auf der anderen Seite über einen Parallelschmelzleiter im
Inneren des Isolierkörpers mit der gegenüberliegenden Kappe der Sicherung
ebenfalls kontaktiert. Nach Abschmelzen des Hauptschmelzleiters kommutiert der
Strom auf den Nebenschmelzleiter und fließt damit über den Haltedraht, der sehr
schnell ebenfalls schmilzt und dadurch die Feder freigibt. Die Öffnung für den
Schlagstift wird zusätzlich mit einer speziellen Folie abgedeckt.
UMZ-Schutz
Für einen einfachen Kurzschlussschutz von Netzen und Anlagen wird in Deutschland
hauptsächlich eine Relaiskombination aus Überstromrelais und Zeitrelais benutzt.
Daraus wird das „Unabhängige-Maximalstrom-Zeitrelais“, kurz UMZ-Relais, gebildet
(im englischen Sprachgebrauch D.T.Relay = Definite Time Relay).
Prinzipiell
besteht
der
Relaisaufbau
aus
drei
einstellbaren
Überstromanregesystemen und einem Zeitwerk (mechanisch, elektrisch,
elektronisch) als Hemmzeitwerk. Ggf. sind drei weitere unverzögert arbeitende
Überstromrelais vorhanden, die die Schnellauslösung bewirken (auch
Netzschutz
Seite 84
„Hochstromstufe“,
„Kurzschluss-Schnellauslösung“
oder
„GrenzstromSofortauslösung“ genannt). Als weiteres Kriterium kann die Richtung der
Kurzschlussleistung hinzugenommen werden, so dass ein gerichteter UMZ-Schutz
entsteht.
Die Selektivität wird bei Zeitstaffelschutzeinrichtungen dadurch erreicht, dass die
Kommandozeit der hintereinander in der Kurzschlussbahn liegenden Relais so
gestaffelt wird, dass das der Kurzschlussstelle am nächsten liegende Relais die
kürzeste Auslösezeit hat und so die Fehlerabschaltung veranlasst. Die Reichweite
des Überstromzeitschutzes wird nur durch den Widerstand in der Kurzschlussbahn
bestimmt, so dass ggf. der Schutz sich auch in andere Spannungsebenen erstrecken
kann. Der Nachteil ist sofort ersichtlich: Bei mehreren Stationen hintereinander
ergeben sich hohe Abschaltzeiten, wobei die längste Zeit an der Einspeisestelle, also
am Ort des größten Kurzschlussstromes, benötigt wird. In geringfügig verwickelten
Netzen, z. B. mit Doppelleitungen, ist eine selektive Staffelung auch mit gerichteten
Relais nicht mehr möglich. Die grundlegenden Forderungen nach Selektivität und
Schnelligkeit können nicht erfüllt werden. Eine Verbesserung in Strahlennetzen kann
durch die „rückwärtige Verriegelung“ erreicht werden. Dabei wird die Auslösung von
vorgeordneten Leistungsschaltern verhindert. Nachteilig wirkt sich hierbei zum einen
die Erfordernis von Signaladern und deren Überwachung aus und zum anderen die
Notwendigkeit, die Schutzzeiten aus Sicherheitsgründen etwas zu überhöhen.
AMZ
Neben den UMZ-Relais gibt es auch Relais, deren Auslösezeit von der Höhe des
Stromes abhängig ist. Sie werden als „Abhängige Maximalstrom-Zeit-Relais“ (AMZ)
bezeichnet (eng. I.T.Relais = Inverse Time Relay) und werden in Deutschland – im
Gegensatz zum Ausland – selten zum Leitungsschutz eingesetzt, sondern dienen gut
dem Überlastschutz von Motoren und Transformatoren.
Distanzschutz
Der
Distanzsc
hutz
ist
seinem
Prinzip
nach ein
widerstan
dsabhängi
ger
Zeitstaffel
schutz, d.
h.
die
Auslöseze
it
des
Distanzrel
ais
ist
nicht
konstant,
sondern
nimmt mit
A
B
1
D
C
2
3
51
4
0,5"
6
7
8
9
1
10
0,5"
0,5"
1,0"
A
E
2
2"
1"
3
1
2
1"
2"
Distanzschutzkennlinien
7
5
4
6
9
8
10
Netzschutz
Seite 85
wachsender Fehlerentfernung zu, und zwar mit stufenförmigen Kennlinien
sprungweise. Die Fehlerentfernung wird vom Relais durch Messung des
Widerstandes zwischen Relaisort und Fehlerstelle bestimmt. Bei dem Distanzschutz
sprechen also sämtliche Relais, die im Zuge der Kurzschlussbahn liegen, an und
führen die Widerstandsmessung durch. Dasjenige Relais, das dem Fehlerort am
nächsten liegt, misst die kürzeste Fehlerentfernung, hat dadurch die kürzeste
Kommandozeit und löst deshalb vor allen anderen Relais aus. Nach Abschaltung des
Fehlers fallen alle übrigen Relais sofort wieder in ihre Ruhelage zurück. Dieses
Schutzprinzip
hat
einerseits
den
großen
Vorteil,
dass
auch
Sammelschienenkurzschlüsse selektiv mit erfasst werden und andererseits bei
einem Versagen der Auslösung an der dem Fehler zunächst gelegenen Schaltstelle
das nächstfolgende Distanzrelais die Abschaltung automatisch übernimmt. Damit in
einer im Zuge der Kurzschlussbahn liegenden Station nur das Relais in dem zur
Kurzschlussstelle gerichteten Abgang auslöst bzw. als Reserverelais eingreift,
müssen die Relais mit Richtungsgliedern versehen sein.
Die Arbeitsweise der Distanzrelais im Netzbetrieb soll an Hand von einigen
Netzbeispielen noch etwas näher erläutert werden. Das Bild zeigt ein an einer Stelle
eingespeistes Ringnetz. Die einzelnen Strecken sind absichtlich verschieden lang
angenommen, wie dies in der Praxis fast stets der Fall ist.
Es ist weiter angenommen, dass in den Stationen B, C, D und E noch Stichleitungen
abgehen, die durch Überstromzeitrelais mit festen Zeiten von 0,5 bzw. 1,0 s
geschützt sind. Im Zuge der eigentlichen Ringleitung sind in allen Abgängen
Distanzrelais eingebaut. Die Einstellung dieser Distanzrelais hinsichtlich der
Impedanz- und Zeitwerte der einzelnen Stufen wird am einfachsten graphisch mit
Hilfe eines Staffelplanes übersehen, wie er unter dem Netzplan gezeichnet ist. Darin
sind in Abhängigkeit von der Kurzschlussentfernung die Auslösezeiten der
Distanzrelais dargestellt. Der Einfachheit halber ist angenommen, dass die
Leitungsquerschnitte im ganzen Ring die gleichen sind. Dann entsprechen den
Leitungslängen im anderen Maßstab auch ihre Leiterimpedanzen. Der Staffelplan
wird durch seine Abszisse in eine obere und eine untere Hälfte unterteilt.
Über der Abszisse sind in üblicher Weise die Auslösezeiten der Relais in Richtung AB-C-D-E-A, also der Distanzrelais 1, 3, 5, 7 und 9, unter der Abszisse die
Auslösezeiten der in der anderen Richtung A-E-D-C-B-A wirkenden Distanzrelais 2,
4, 6, 8 und 10 gezeichnet. Man erkennt, dass die stufenförmigen Zeitlmpedanzkennlinien der Relais so gelegt sind, dass sich nirgends zwei Kennlinien
schneiden. Dies ist nötig, damit im Falle des Versagens der Abschaltung der der
Kurzschlussstelle am nächsten liegenden Schaltstelle nur das nächstfolgende Relais
als Reserve-Relais eingreift, also kein weiter zurückliegendes Distanzrelais diesem
vorgreift. Tritt z. B. an der Stelle 1 ein zwei- oder dreipoliger Kurzschluss auf, so
werden sämtliche Distanzrelais durch die von beiden Seiten des Rings zufließenden
Kurzschlussströme angeregt. Die Auslösung der Relais 2, 4, 7 und 9 wird durch die
sperrenden Richtungsglieder verhindert. Bei ordnungsgemäßem Arbeiten des
Schutzes lösen die beiden Relais 5 und 6 mit Schnellzeit aus. Unterbleibt jedoch aus
irgendeinem Grunde (Hängenbleiben des Schalters, Unterbrechung im
Auslösestromkreis usw.) die Abschaltung durch das Relais 5, so würde das Relais 3
abschalten, und zwar mit 1,5 s. Versagte auch diese Abschaltung, so würde als
letztes Netz-Reserverelais das Distanzrelais 1 eingreifen und die Abschaltung, und
zwar wiederum mit höherer Kommandozeit nämlich 2 s - durchführen. Im gleichen
Sinne wirken auf der anderen Seite der Kurzschlussstelle als Reserve für das Relais
6 die Relais 8 und 10.
Netzschutz
Seite 86
Differentialschutz
Als Transformatorschutz gegen äußere Kurzschlüsse und Doppelerdschlüsse wie
auch gegen Kurz- und Windungsschlüsse innerhalb des Kessels, also als
Reserveschutz für das Buchholzrelais, hat sich der Stromdifferentialschutz
durchgesetzt und bewährt. Er wird heute in der Regel bei allen größeren
Transformatoren von etwa 2...5 MVA an vorgesehen, oft aber auch schon bei
kleineren, wenn die Wichtigkeit der Anlage es z. B. nicht erlaubt, dass äußere
Transformatorenfehler als Sammelschienenfehler behandelt und parallellaufende
gesunde Transformatoren mit abgeschaltet werden.
Bei dem Strom-Differentialschutz werden die Ströme beiderseits des Schützlings
nach Größe und Phasenlage miteinander verglichen. Dazu werden die Stromwandler
beiderseits des Transformators so miteinander verbunden, dass sich im gesunden
Betrieb, bei dem die Ströme auf beiden Seiten gleich groß und gleichgerichtet sind,
die beiderseitigen Ströme „absaugen“, also kein Strom über das in der Brücke
liegende Differentialrelais fließt. Dabei ist vorausgesetzt, dass die primären
Nennströme der beiderseitigen Stromwandler umgekehrt proportional dem
Spannungs-Übersetzungsverhältnis des Transformators sind.
Bei einem Fehler innerhalb des von den beiderseitigen Stromwandlergruppen
begrenzten Schutzbereiches, z. B. bei einem mehrpoligen Kurzschluss, fließt von der
Speiseseite, bei zweiseitiger Speisung entgegengerichtet von beiden Seiten,
Kurzschlussstrom zu, der seinen Ausgleich nur über das Differentialrelais finden
kann und dieses zum Ansprechen bringt.
Theoretisch müsste man bei einem Stromvergleichsschutz als Differentialrelais ein
Stromrelais mit beliebig hoher Empfindlichkeit verwenden können. Praktisch treten
aber bereits im ungestörten Betrieb Differenzströme (Fehlströme) auf, deren Größe
durch den Leerlaufstrom des Transformators und die individuellen Stromfehler und
Fehlwinkel der auf den Ober- und Unterspannungsseiten des Transformators
verwendeten Stromwandler, deren magnetisches Verhalten u. U. stark voneinander
abweicht, gegeben ist. Diese Fehlströme steigen im allgemeinen mit zunehmender
Belastung des Transformators an und erreichen besonders große Werte, wenn die
Stromwandler bei stromstarken Kurzschlüssen außerhalb des Schutzbereiches in
das Sättigungsgebiet kommen. Zusätzliche Fehlströme entstehen weiterhin bereits
im gesunden Betrieb bei Stelltransformatoren, bei denen die StromwandlerÜbersetzungsverhältnisse dem sich ändernden Spannungsübersetzungsverhältnis
bei Umstellung nicht angepasst werden, weil dies zu aufwendig und auch störanfällig
wäre.
Gegen Fehlansprechen infolge dieser Fehlströme muss das Differentialrelais
stabilisiert werden. Diese Stabilisierung erfolgt üblicherweise durch ein Haltesystem,
das vom Durchgangsstrom durchflossen wird und dem Auslösesystem
entgegenwirkt. Der Vergleich der Stromsumme I1 + I2 mit dem Differenzstrom Id
erfolgte bei den früheren Differentialrelais durch ein mechanisches
Waagebalkensystem, bei dem Halte- und Auslösesystem in Form von
Elektromagneten an einem Waagebalken gegensinnig angreifen. Mit einer derartigen
Anordnung erhält man einen praktisch proportionalen Verlauf zwischen dem zum
Ansprechen des Relais erforderlichen Differenzstrom Id und dem Durchgangsstrom
ID .
Der Strom-Differentialschutz eines Transformators muss gegen eine Störgröße
stabilisiert werden, nämlich gegen den Einschaltstrom des unbelasteten
Netzschutz
Seite 87
Transformators.
Ein
Transformator
nimmt
beim
Einschalten
einen
Magnetisierungsstrom auf, der beim Zuschalten in einem besonders ungünstigen
Momentanwert der Spannung, z. B. im Nulldurchgang, erhebliche Werte annehmen
kann und erst nach einer gewissen Zeit auf seinen kleinen stationären Wert abklingt.
Besonders bei modernen Transformatoren mit kornorientierten Blechen kann der
Einschaltstrom Werte annehmen, die den Transformator-Nennstrom um ein
Mehrfaches übersteigen. Diese hohen, einseitig zufließenden Einschaltströme wirken
auf das Differentialrelais in voller Größe auslösend, falls es nicht dagegen besonders
stabilisiert wird.
Das Prinzip des Differentialschutzes ist ebenso anwendbar auf Leitungen und
Generatoren. Da beim Leitungsdifferentialschutz die Ströme am Eingang und am
Ausgang des Kabels miteinander verglichen werden müssen, sind zwischen den
beiden Stellen zu überwachende Hilfsadern erforderlich. Große Entfernungen
zwischen den beiden Stellen verbieten den unmittelbaren Vergleich der
Wandlerströme über die Hilfsleitungen (Bürde). Aus diesem Grund werden die
Ströme in Spannungen oder eingeprägte Ströme umgesetzt, die dann über die
Hilfsleitungen verglichen werden.
Erdschlussschutz
Erdschlusswischer-Relais
Der Erdschlussstrom beginnt stets mit einem
mittelfrequenten Stromstoß, der durch das
Aufladen der gesunden Leiter auf die erhöhte
Leiter-Erdspannung hervorgerufen wird. Dieser
Stromstoß wird ausgewertet und das Relais
meldet jedes Entstehen eines Erdschlusses,
unabhängig davon, ob es sich um einen E-Wischer Anzeige
Dauerfehler oder nur um einen kurzzeitigen
Isolationsdurchbruch handelt. Es misst dazu die Richtung der Stromwelle gegenüber
der auftretenden Sternpunkt-Spannung an einem Brücken-Richtungsrelais.
Vorteile der Erdschlusswischer-Relais sind:
• keine Stomwandlerprobleme (großer Stromstoß der Zündschwingung)
• Erfassung der Wischer als Vorläufer eines Dauererdschlusses
• Einsatz des Relais unabhängig von der Sternpunktbehandlung
Als Nachteile müssen aufgeführt werden:
• keine Kontrolle ob ein Dauererdschluss ansteht
• für jeden Abgang ist ein eigenes Relais erforderlich
• bei Erdschlusseintritt in der Nähe des Spannungsnulldurchgangs nur
kleiner Signalpegel
• keine eindeutige Anzeige bei Doppelerdschlüssen; es wird immer die
Richtung des ersten Wischer erfasst.
Die Einstellung des Ansprechwertes für die Verlagerungsspannung muss mit
Sicherheit größer sein als die Verlagerungsspannung im nicht gestörten Netz.
Allgemein ist eine Einstellung auf 25-30% der Nennspannung ausreichend. Der
Ansprechwert des Stromes wird in Abhängigkeit von der Größe des Netzes, d. h. von
dem kapazitiven Erdschlussstrom, auf ca. 5 ... 10 % des Nennstromes eingestellt.
Netzschutz
Seite 88
Die Rücksetzung der vom Relais gespeicherten Erdschlussrichtung ist vor Ort, von
fern (z. B. NLS), nach einer im Relais eingestellten Zeit oder bei Eintritt eines neuen
Fehlers möglich. Wichtig ist, dass alle Wischerrelais zeitgleich zurückgesetzt werden.
Transformatorschutz
Der Transformator ist eines der wichtigste Betriebsmittel für den Aufbau und das
Betrieben eines Netzes. Daher kann sein Schutzsystem für innere und äußere Fehler
recht aufwendig werden. Es ist bestimmt durch die Größe des Transformators und
seine Bedeutung im Netzverband, wobei Technik und Wirtschaftlichkeit natürlich in
einem günstigen Verhältnis stehen müssen.
Verteiltransformatoren im Ortsnetz bis 1000 kVA werden in der Regel lediglich durch
HH- und NH-Sicherungen bzw. einem Niederspannungsleistungsschalter geschützt.
Wird ein größerer Transformator eingesetzt, erfolgt der Schutz meist durch einen
Leistungsschalter mit einem UMZ-Relais auf der OS, da die Nennausschaltleistung
einer HH-Sicherung nicht mehr ausreicht. Bei ölgekühlten Transformatoren mit
Ausdehnungsgefäß kann das weiter unten beschriebene Buchholzrelais zusätzlich
zum Einsatz kommen.
Netztransformatoren werden durch ein Schutzsystem geschützt, das in der Regel wie
folgt aufgebaut ist:
Spannungsebene
Relaistyp
Ausschaltung
Bemerkung
AUSAnregung
OS
UMZ
Diff-Relais
Distanz-Relais
oder UMZ
OS und US
OS und US
US
x
x
x
OS
Buchholzschutz
OS und US
x
OS
Lastumschalterschutz
Temperaturüberwachung
OS und US
x
Temperaturüberwachung
Lüftersteuerung
US
US
Meldung
bzw.
Warnung
x
Reserveschutz
Hauptschutz
x
Vorwärts und rückwärts
gestaffelt; Reserveschutz
für Abgänge
x
Für Kessel, Ausdehner
und Durchführungen
Stauklappenrelais
x
z. B. bei 70°C und 80°C
für Kessel und
Ausdehner
z. B. bei 90°C
x
z. B. 1. Stufe der
Ventilatoren bei 60°C
EIN, bei 40°C AUS
2. Stufe bei 70°C EIN,
bei 40°C AUS
x
Transformatorschutz
Zusätzlich wird die Drehrichtung des Motorantriebes und die Stufenschalterlaufzeit
überwacht.
Das Buchholzrelais ist ein mechanisches Schutzrelais für flüssigkeitsisolierte bzw. gekühlte elektrische Betriebsmittel, die mit einem Ausdehnungsgefäß versehen sind.
Die Funktion beruht auf einem Schwimmerprinzip und einem Stauklappenprinzip.
Durch langsame Gasentwicklung oder bei Flüssigkeitsverlust im zu schützenden
Netzschutz
Seite 89
Betriebsmittel sinkt der Flüssigkeitsspiegel im Relais. Die Schwimmer werden dabei
in die Ansprechlage bewegt. Bei stürmischer Gasentwicklung bzw. durch die bei
einem Lichtbogenfehler im Transformator entstehende Druckwelle wird die
Flüssigkeit in das Ausdehnungsgefäß gedrückt. Der Flüssigkeitsstrom bewegt dabei
eine Stauklappe in die Ansprechlage. Die obere Grenze der Wirksamkeit des
Buchholzschutzes ist abhängig von der Laufzeit der Druckwelle bzw. der Gasblase,
von der Kesselkonstruktion und von der Eigenzeit des Buchholzrelais. Die untere
Grenze kann nur unsicher bestimmt werden. Sie ist abhängig vom Alter und von der
Gasaufnahmefähigkeit des Öles, die wiederum von der Öltemperatur abhängig ist.
Hauptanwendungsgebiet des Buchholzrelais ist der Transformator. Das
Buchholzrelais erfasst hier Lichtbogenfehler, Undichtheiten oder Lufteintritt. Einen
Kesselschutz kann es jedoch nicht bilden, da die bei einem Fehler auftretende
Druckwelle sich nach allen Seiten mit gleicher Geschwindigkeit ausbreitet und dabei
das Relais nicht früher von der Druckwelle erreicht wird als die Kesselwandungen.
Die Spitze der Druckwelle wird vorher sogar noch reflektiert. Der Druck am
Transformatordeckel entspricht etwa dem Druck, der sich zum Ausdehnungsgefäß
ausbreitet.
Die Funktion des Buchholzschutzes hat Fehler im Transformator zur Voraussetzung.
Dieser Schutz arbeitet sozusagen im Nachlauf des Fehlers. Trotzdem ist
nachgewiesen, dass der Buchholzschutz in vielen Fällen schneller arbeitet als der
Differentialschutz.
Die zum Schutz von Transformatoren meist verwendeten ZweischwimmerBuchholzrelais unterscheiden zwischen zwei Signalen. Das Stauklappensystem und
der untere Schwimmer erfassen die schweren Fehler und lösen die Leistungsschalter
aus. Der obere Schwimmer erfasst leichte Fehler und dient der Warnung. In
unbesetzten und nicht überwachten Stationen kann allerdings auch der Warnkontakt
eine Auslösung herbeiführen.
Der Stufenschalter, der in einem separaten Ölgefäß untergebracht ist, benötigt ein
eigenes spezielles Überwachungsrelais, das ebenso wie das Buchholzrelais auf
Ölströmungen reagiert. Es besitzt jedoch nur eine Stauklappe mit wählbaren
Ansprechwerten der Strömungsgeschwindigkeit von 0,9 bis 2,5 m/s. Ein Ansprechen
dieses Relais führt ohne Warnung direkt zur Auslösung.
Die Temperaturüberwachung von Transformatoren und Spulen übernimmt der
Thermoschutz. Hierbei wird ein Kontaktthermometer in die obere Isoliermittelschicht
eingetaucht. Die Warntemperatur wird auf 80°C, die Auslösung auf 90°C eingestellt.
Weitere Kontaktthermometer mit unterschiedlichen Ein- und Ausschaltkontakten
können zur Lüftersteuerung erforderlich sein.
Netzschutzprüfungen
Die Besonderheit der Schutzsysteme, nämlich als selbst vorwiegend inaktive
Betriebsmittel aktive Betriebsmittel schützen zu müssen, bedingt eine spezielle
Prüftechnik. Im wesentlichen unterscheidet man drei Arten der Prüfung:
• Inbetriebsetzungsprüfung
• Hauptprüfung
• Funktionsprüfung
Die Inbetriebsetzungsprüfung schließt die beiden anderen Prüfungen mit ein und ist
als umfangreichste Prüfung Quelle aller späteren Vergleichswerte. Zu ihr gehören die
Überprüfung der Spannungs- und Stromwandler mit ihren Sekundärverdrahtungen,
Netzschutz
Seite 90
die Funktionsprüfung der Melde- und Steuerstromkreise, die Einstellung und die
Prüfung de Schutzrelais, der messtechnische Nachweis der Betriebswerte nach
Einschaltung und Belastung (Richtungsprüfung unter Last) sowie die Erstellung eines
Prüfprotokolls.
Die Hauptprüfung schließt die Funktionsprüfung ein und umfasst die elektrische
Prüfung der vorgegebenen Ansprechwerte (Anregung/ Abfall, Kommandozeit,
Empfindlichkeit, Impedanzkippstufen), einschließlich der Protokollerstellung.
Die Funktionsprüfung ist lediglich eine Bewegungsprüfung aller Geräte und Bauteile
von der Anregung bis zur Auslösung. Sie wird in der Regel nur statistisch erfasst.
Sämtliche Prüfverfahren werden heute als Sekundärprüfungen bevorzugt
(Ausnahme: Wandlerüberprüfung während der Inbetriebnahme), da diese genauer
und nicht so aufwendig in Bezug auf Personal und Geräte ist. Die turnusmäßigen
Hauptprüfungen können mit einer Außerbetriebsetzung des zu schützenden
Betriebsmittels durchgeführt werden (bei EVU bevorzugt); der dabei auftretende
Nachteil für die Versorgungssicherheit wird dabei in Kauf genommen. Der Prüfturnus
zwischen zwei Hauptprüfungen wird unternehmensspezifisch festgelegt und kann
auch statistisch begründet werden. Im Regelfall beträgt er:
Prüffristen
elektromechanische Relais
1... 2 Jahre
Distanzschutz
2 Jahre
Vergleichsschutz
2 Jahre
UMZ- Schutz
2 Jahre
kompletter Transformatorschutz
3 ... 4 Jahre
Leittechnik
Seite 91
Leittechnik
Netzleittechnik
Die Netzleitstellen haben sich von der einfachen Fernsteuerstelle kontinuierlich zu
zentralen Führungsstelle entwickelt, in der auch große und laststarke Netze sicher
geführt werden können. Für die Mitarbeiter der Leitstellen, die überwiegend im
Schichtdienst eingesetzt werden, hat sich noch kein einheitlicher Name durchgesetzt
(der früher übliche Begriff des „Schalttafelwärters“ wird der erforderlichen
Mitarbeiterqualifikation nicht gerecht). Gebräuchlich, wenn auch nicht optimal, ist der
Begriff „Netzführer“. An ihn werden besondere Anforderungen gestellt:
•
Der reguläre Betrieb mit den vielen planmäßigen Schaltungen muss effizient,
d.h. ohne unnötige Wartezeiten für die Arbeitsausführenden, durchgeführt
werden.
•
Die Versorgungssicherheit der Kunden muss sichergestellt bleiben
•
Bei Annäherung an die Höchstleistung müssen eine Reihe von Maßnahmen
eingeleitet werden, um diese möglichst nicht zu überschreiten.
•
Bei einer Störung müssen in kürzester Zeit aus den vorliegenden
Informationen Ursache und Umfang festgestellt werden und die ersten
Maßnahmen zur Wiederaufnahme der Versorgung eingeleitet werden.
•
Oft werden in großer Zahl Berichte und Statistiken erstellt
•
Der oft erforderliche Schichtdienst bedeutet eine hohe gesundheitliche
Belastung.
Die
erforderliche
Qualifikation,
insbesonders
Verantwortungsgefühl,
Betriebserfahrung, Netzkenntnisse und Belastbarkeit wird in der Regel durch
Techniker oder Meister, in größeren Leitstellen auch Ingenieure, erreicht.
Aus den Übertragungsnetzen werden alle wichtigen Meldungen und Messwerte
übertragen. Wichtige Schaltgeräte, insbesonders in Umspannwerken sind
fernsteuerbar, bei Schalthandlungen in Ortsnetzstationen wird der Netzzustand
vielfach handnachgeführt. Niederspannungsnetze werden kaum fernwirktechnisch
erfasst und in der Leitstelle geführt.
Stationsleittechnik
Sowohl die konventionelle Nahsteuerung als auch die digitale Leittechnik werden zur
zentralen Überwachung und Steuerung von Schaltanlagen eingesetzt. Sie
übernehmen dabei ff. Aufgaben:
•
Steuern von Schaltgeräten
•
Rückmelden der Schaltzustände
•
Messung und Zählung
•
Erfassen von Warn- und Gefahrenmeldungen
•
Trafosteuerung und –regelung
Leittechnik
Seite 92
Darüber hinaus ermöglicht die digitale Leittechnik automatische Abläufe wie
Lastabwurf und Wiederzuschaltung oder Sammelschienenwechsel sowie die
Massenspeicherung von Daten und ihre Auswertung.
Herkömmliche Systeme basierten auf Direktsteuerungen mit Steuerquittungsschalter
(der Schaltbefehl muss durch Drehen eines Leuchtknebels in die Endstellung
(Blinklicht) aufrechterhalten werden, bis eine Ruhiglicht-Rückmeldung die
Endstellung des Schalters anzeigt) oder der Relaissteuerung aus MosaikSteuertafeln, einschließlich der dazu erforderlichen Rangierverteiler.
Nachdem die inzwischen bereits sehr ausgereifte Mikroprozessortechnik sowohl in
der Fernwirk-, Steuerungs- und Regeltechnik als auch im digitalen Netzschutz
eingeführt worden ist, besteht der Wunsch, für die verschiedenen Aufgaben eine
einheitliche Systemstruktur der Leittechnik zu finden. „Integrierte Leittechnik"
bedeutet aber nicht, dass alle Funktionen der digitalen Sekundärtechnik in einem
Gerät kombiniert werden. Letzteres wäre schon aus Sicherheitsgründen nur sehr
eingeschränkt vertretbar, außerdem würde jede nicht vorher berücksichtigte
Änderung auch nur einer Komponente den gesamten einwandfreien Funktionsablauf
in Frage stellen. Vielmehr werden für unterschiedliche Aufgaben wie Schutz,
Messung, Regelung, Steuerung, Schaltfehlerschutz (Verriegelung) usw. jeweils
autarke Komponenten verwendet, die durch Verwendung einheitlicher
Hardwaresysteme
und
Standardsoftwaremodule
einen
abgestimmten
Informationsaustausch ermöglichen. Wesentlich ist hierbei, dass die Autonomie und
Redundanz erhalten bleibt, also Fehler in einem Bereich keinen Einfluss auf die
Funktionsweise anderer Komponenten nach sich ziehen. Da die gleichen
Eingangsdaten für Schutz, Messung, Regelung usw. benötigt werden, liegt es nahe,
die Sekundärtechnik zusammenzufassen. Der Vorteil der so integrierten Leittechnik
liegt im Ersatz der aufwendigen Parallelverdrahtung zwischen den einzelnen Geräten
oder Komponenten durch serielle Datenverbindungen (Bus-Ankopplung). Hierbei
müssen
mitunter
in
bestehenden
Anlagen
bereits
vorhandene
Sekundäreinrichtungen mit der neuen Technik kombinierbar sein.
Die Stationsleitebene übernimmt mit ihren Einrichtungen alle zentralen, die ganze
Schaltanlage betreffenden Aufgaben der Leittechnik, die Feldleitebene beinhaltet die
dem jeweiligen Hochspannungsfeld zugeordneten Komponenten wie Schutz,
Steuerung, Überwachung und Bedienung.
In der Feldleitebene sind dem jeweiligen Hochspannungsfeld eine FeIdeinheit
"Steuerung/Überwachung" sowie eine oder mehrere Feldeinheiten "Schutz"
zugeordnet.
Die AbriegeIung dient zur Ankopplung an die Hochspannungsanlage, sorgt für
PotentiaItrennung und riegelt die Elektronik gegen Störbeeinflussung ab. In der
Eingabe-/Ausgabe werden Messwerte erfasst und über einen Analog-Digital-Wandler
digitalisiert; außerdem werden Meldungen eingegeben und Befehle ausgegeben. In
der
Mikroprozessoreinheit
des
Datenverarbeitungsteiles
laufen
die
Anwenderprogramme ab. Der Kommunikationsprozessor steuert den seriellen
Datenaustausch auf der Verbindungsleitung zwischen der jeweiligen Feldeinheit und
der übergeordneten Stationseinheit; ein Buskoppler dient zur physikalischen
Ankopplung
an
diese
Verbindungsleitung,
die
vorzugsweise
ein
Lichtwellenleiterkabel ist. Die Feldeinheiten „Schutz" übernehmen außer den
eigentlichen Schutzfunktionen auch Fehlerortung, Betriebsmesswerterfassung und
Störwerterfassung mit Echtzeit.
Leittechnik
Seite 93
Um auch bei Netzspannungsausfall noch eine funktionierende Leittechnik
aufrechterhalten zu können werden USV-Anlagen eingesetzt. Dabei speist der vom
öffentlichen
Netz
versorgte
Gleichrichter
im
Dauerbetrieb
den
Gleichstromzwischenkreis, dem der Wechselrichter seine Energie entnimmt und von
dem aus die Batterie geladen und erhaltungsgeladen wird. Der Wechselrichter
erzeugt ein neues Drehstromsystem, welches die sichere Schiene und die daran
angeschlossenen Verbraucher versorgt. Bei kurzen Netzeinbrüchen und bei
Netzausfall gibt die Batterie gespeicherte Energie ab, so dass die Verbraucher nicht
unterbrochen werden.
Dokumentation
Die zeichnerische Darstellung einer Schaltanlage erfolgt durch den
Übersichtsschaltplan, der in vereinfachter, einpoliger Darstellung die Primärtechnik
abbildet. Er enthält Angaben über Spannung, Stromart und Frequenz, über die
Anzahl, Art und die technischen Daten aller Betriebsmittel sowie die Kennzeichnung
mit Kennbuchstaben und einer Zählnummer. Diese Kennzeichnung zieht sch über
alle weiten Schaltpläne fort. In großen, unübersichtlichen Anlagen (mehr als vier
Abgänge) muss der stets aktuelle Übersichtsplan aushängen.
Der Stromlaufplan zeigt die Funktionen für Steuerung, Meldung, Schutz und
Messung. Die verwendeten Schaltzeichen entsprechen DIN 40719. Die örtliche Lage
der Bauteile oder ihre Zusammengehörigkeit hat keinen Vorrang in der Darstellung;
wichtig ist die Funktion. Die Schaltzeichen selber sind immer im spannungs- oder
stromlosen Zustand gezeichnet. Mechanisch betätigte Bauteile sind in der Null- oder
Aus-Stellung dargestellt.
Weitere Pläne in Starkstromanlagen sind:
•
Verdrahtungspläne
(Anschlussplan
für
Bauschaltplan für die interne Verdrahtung)
•
Installationspläne für die räumliche Lage der Geräte und Betriebsmittel
•
Kabel- und Leitungspläne mit genauen örtlichen Angaben der Legung
externe
Anschlüsse
C
Kondensatoren
Q
Schaltgeräte
F
Sicherungen, Schutzrelais
R
Widerstände
G
Generatoren, Batterien
T
Schalter, Steuergeräte
H
Opti. u. akk. Meldesysteme, Anzeigeelemente
T
Transformatoren, Wandler, Drosseln
K
Schaltschütze, Relais
V
Dioden
M
Motoren
X
Klemmleisten
P
Messgeräte, Anzeigegeräte
A
Baugruppen
oder
Neben den technischen Plänen ist die Nachweisführung ein wesentlicher Bestandteil
der Dokumentation. Ein ordnungsgemäßer Nachweis aller Ereignisse dient nicht nur
der Sicherung des Betriebsablaufes, sondern auch juristische oder
versicherungstechnische Erfordernisse bedingen eine ausführliche Aufzeichnung.
Dazu gehören u.a.:
Leittechnik
Seite 94
•
Verzeichnis der schaltberechtigten Personen
Nur dieser Personenkreis, der sorgfältig ausgewählt und geschult sein muss,
darf Schalthandlungen im Netz durchführen.
•
Verzeichnis der schlüsselberechtigten Personen
Nicht jede Schlüsselberechtigte Person ist auch schaltberechtigt!
Unterwiesene Personen haben zur Ablesung der Zählerstände ebenfalls
Zutritt zu den abgeschlossenen elektrischen Betriebsstätten.
•
Stationsbuch
In kleinen Stationen braucht kein aufwendiges Betriebstagebuch geführt zu
werden. Das Stationsbuch dient als Besucher- und Mängelbuch. Die Einträge
sind mit Datum und Uhrzeit, Namen und Grund des Besuches anzugeben.
•
Betriebstagebuch
alle zu Betrieb eines Netzes notwendigen Ereignisse werden in zeitlicher
Reihenfolge dokumentiert. Die Einträge enthalten Datum und Uhrzeit, Name,
Schaltbefehle, Veränderungen des Schaltzustandes, Name der vor Ort
schaltenden Person, Schutzanregungen, Stufenstellungen usw. Die Dauer der
Aufbewahrung ist betrieblich zu regeln, zwei Jahre scheinen jedoch
empfehlenswert. Einträge sind dokumentenecht nur mit Kugelschreiber oder in
Tinte durchzuführen, gelöschte Einträge sind nur durchzustreichen, so dass
sie noch lesbar bleiben.
Arbeitssicherheit
Seite 95
Arbeitssicherheit
Bedingt durch die hohen Spannungen und großen Ströme wird der Arbeitssicherheit
ein hoher Stellenwert eingeräumt. Sie wird durch die strikte Einhaltung der „Fünf
Sicherheitsregeln“ gewährleistet.
1. Freischalten
2. Gegen Wiedereinschalten sichern
3. Spannungsfreiheit feststellen
4. Erden und Kurzschließen
5. Benachbarte, unter Spannung stehende Teile abdecken oder
abschranken
Die Einhaltung dieser Regeln ist lebenserhaltend, so dass nicht akzeptiert werden
kann, dass sie abgelesen werden; Schaltberechtigte müssen sie auswendig können !
Die Durchführung der fünf Sicherheitsregeln geschieht selbstverständlich mit der
dazu vorgesehenen Persönlichen Schutzausrüstung (PSA).
Genaue Festlegungen sind in den Unfallverhütungsvorschriften VBG 1 und VBG 4
(Vorschriftenwerk der Berufsgenossenschaften) sowie in DIN VDE 0105 Teil 1
(Betrieb von Starkstromanlagen) nachzulesen. Durch die Aufnahme wichtiger VDEBestimmungen (u.a. DIN VDE 0100, DIN VDE 0101, DIN VDE 0105) als
elektrotechnische Regel ins VBG werden diese anerkannten Regeln der Technik zur
Unfallverhütungsvorschrift erhoben und besitzen quasi Gesetzescharakter.
Zu 1: Im Mittel- und Hochspannungsbereich werden die erforderlichen Trennstrecken
durch die Trenner oder Lasttrenner bzw. den Fahrwagen des Leistungsschalter
hergestellt. Dabei ist zu beachten, dass das Fehlen der Spannung kein Zeichen der
Freischaltung ist ! Auch die Vereinbarung eines Zeitpunktes, an dem die Anlage als
freigeschaltet angesehen werden kann, ist unzulässig. Die eindeutige mündliche,
fernmündliche oder schriftliche Bestätigung bleibt immer abzuwarten.
In der Niederspannung reicht es nicht aus, bei einer Beleuchtungsanlage lediglich
den Schalter auszuschalten, sondern der Leitungsschutzschalter ist auszuschalten
oder die Sicherungseinsätze herauszuschrauben. Kondensatoren müssen nach der
Freischaltung mit geeigneten Entladevorrichtungen entladen werden (nicht
kurzschließen!).
Zu 2: Alle Betätigungsvorrichtungen, mit denen freigeschaltet wurde, sind
irrtümliches Wiedereinschalten zu sichern. Stets ist ein Schaltverbotsschild so zu
befestigen, dass es nicht abfallen kann. Antriebe mit Kraftantrieb sind zu entspannen
(Steuerspannung ausschalten, Feder entlasten, Druckluftzufuhr sperren, Druckkessel
entlüften). In ferngesteuerten Anlagen kann in der Regel die Fernwirkeinrichtung auf
Lokal gestellt werden, so dass keine Schaltungen aus der Ferne mehr möglich sind.
Gegebenenfalls sind in der Leitstelle Befehlssperren einzulegen.
Zu 3: Oft wird vergessen, dass auch von der Einspeiseseite her freigeschaltete
Anlagenteile durch unbekannte Verbindungen Rückspannungen aufweisen können.
Daher ist vor Arbeitsbeginn unbedingt die Spannungsfreiheit festzustellen. Das
Arbeitssicherheit
Seite 96
Feststellen der Spannungsfreiheit darf nur durch eine Elektrofachkraft oder durch
eine elektrotechnisch unterwiesene Person durchgeführt werden. Dabei muss immer
allpolig, d. h. an jedem einzelnen Leiter geprüft werden. Vor und ggf. nach der
Benutzung des Spannungsprüfers ist dieser auf einwandfrei Funktion zu testen.
In der Niederspannung werden in der Regel zweipolige Spannungsprüfer mit
Glimmlampe, Tauspulmesswerk oder Leuchtdioden verwendet. Hiermit lässt sich
auch die Höher der anstehenden Spannung ermitteln. Es gibt auch einpolige Geräte
bis 250 Volt, meist mit Schraubendreherklinge, bei den durch ungünstige
Umgebungsbedingungen (Helligkeit, isolierender Standort) die Ablesung nahezu
unmöglich sein kann. Ein zweipoliger Prüfer ist immer vorzuziehen.
Spannungsprüfer in Hochspannungsanlagen sind immer einpolig. Eine vorhandene
Spannung wird optisch oder akustisch angezeigt. Sie dürfen nur im
Nennspannungsbereich
und
unter
den
Umgebungsbedingungen
(Innenraum/Niederschläge) eingesetzt werden, die am Gerät angegeben sind. Damit
an jeder Arbeitsstelle die Funktionsfähigkeit des Prüfgerätes festgestellt werden
kann,
besitzen
moderne
Spannungsprüfer
Eigenprüfvorrichtungen.
Die
Spannungsfreiheit darf auch durch Beobachten der Veränderung eines
Messgeräteausschlages oder durch Einlegen fest eingebauter Erdungsvorrichtungen
geprüft werden.
Bei Arbeiten an Kabeln lässt sich an der Arbeitstelle in der Regel das Feststellen der
Spannungsfreiheit durch Spannungsprüfer nicht feststellen. Daher ist vor Beginn der
Arbeiten das ausgelesene Kabel durch ein geerdetes hydraulisches
Kabelschneidegerät mit Sicherheitsschlauch zu durchtrennen.
Zu 4: Vor der Aufnahme der Arbeiten sind alle Anlagenteile, an denen gearbeitet
werden soll, zu erden. Eine dazu verwendete, frei geführte Einrichtung (EuK) ist
zuerst mit der Erde und dann erst mit dem Anlagenteil zu verbinden. Dabei reicht es
nicht aus, die EuK-Vorrichtung lediglich auf die Kugelanschlussbolzen lose
aufzulegen, sind stets fest anzuziehen, um einer dynamischen Belastung bei
Kurzschluss standzuhalten. Kabel sollten wegen der Ladungsspeicherung vor dem
festen Anschluss „abgetippt“ werden. Die EuK-Vorrichtung ist mit einer geeigneten
Erdungsstangen an die Leiter heranzuführen.
Die Arbeitsstelle muss so abgesichert werden, dass zum einen ein Schutz bei
versehentlichem Wiedereinschalten und zum anderen ein Schutz gegen unzulässig
Beeinflussungsspannung (durch Induktion, Influenz oder Restspannungen (lange,
parallel geführte Sammelschienen !)) erreicht wird. Die EuK-Vorrichtung muss den zu
erwartenden Kurzschlussströmen standhalten, daher ist ein ausreichender
Querschnitt zu wählen (Beispiele: bei max. Kurzschlussdauer von 1sec: IK ≤ 13,8 kA
∅ = 70 mm2 Cu, IK ≤ 18,7 kA ∅ = 95 mm2 Cu). Erdung und Kurzschließung müssen
von der Arbeitsstelle aus sichtbar sein. Bei Arbeiten an einer Unterbrechungsstelle
sind beide Seiten zu erden und kurzzuschließen.
An Freileitungen über 30 kV muss zusätzlich zu den Arbeitsstellen an jeder
Ausschaltstelle, an Freileitungen über 1 bis 30 kV mindestens an einer
Ausschaltstelle geerdet und kurzgeschlossen werden.
Zu 5: Gefahrenbereiche müssen ausreichend und eindeutig gekennzeichnet werden.
In offenen Innenraumanlagen sind benachbarte, unter Spannung stehende Felder
Arbeitssicherheit
Seite 97
durch ausreichend isolierende und mechanisch standfeste Abdeckungen zu sichern.
Bei Trennschaltern, bei denen auf der einen Seite noch Spannung ansteht, sind oft in
der Schaltzelle Führungsschienen für isolierende Trennplatten angebracht. Damit
wird gewährleistet, dass die Platten nicht auf spannungsführenden Metallteilen des
Trenners aufliegen. Diese Maßnahme gilt nicht als Schutz gegen Wiedereinschalten.
Arbeitsgrenzen sind deutlich durch Gitter, Ketten oder Flatterleinen kenntlich zu
machen. Auf verschlossene, unter Spannung stehende Schaltfelder neben der
Arbeitsstelle sollte deutlich durch eingehängte Warnkreuze oder Ketten hingewiesen
werden.
In Anlagen bis 1000 V kann eine Abdeckung der unter Spannung stehenden Teile
durch Gummitücher oder isolierende Formstücke erreicht werden.
Das Anbringen der Abdeckungen gilt als Arbeiten unter Spannung. Daher muss hier
die entsprechende persönliche Schutzausrüstung getragen werden.
Begrifflichkeiten
Elektrofachkraft: Eine Elektrofachkraft ist, wer die fachliche Qualifikation für das
Errichten, Ändern und Instandsetzen elektrischer Anlagen und Betriebsmittel besitzt.
Die Qualifikation wird in der Regel durch den erfolgreichen Abschluss einer
Fachausbildung als Geselle, Meister , Techniker oder Ingenieur erworben. Eine
mehrjährige Tätigkeit in einem bestimmten Arbeitsgebiet der Elektrotechnik
begründet die Qualifikation zur Elektrofachkraft für begrenzte Aufgabengebiete. Die
Elektrofachkraft muss mögliche Gefahren erkennen und die ihr übertragenen
Aufgaben eigenverantwortlich beurteilen können, sie trägt Fachverantwortung.
Elektrotechnisch unterwiesene Person: Dieser Personenkreis gilt als ausreichend
qualifiziert, wenn er über die ihm übertragenen Aufgaben und die möglichen
Gefahren
bei unsachgemäßen
Handeln und über die notwendigen
Schutzeinrichtungen und Schutzmaßnahmen unterwiesen wurde. Änderungen und
Instandsetzungen elektrischer Anlagen dürfen nur unter Aufsicht von
Elektrofachkräften durchgeführt werden.
Elektrotechnische Laien: sie dürfen nicht verantwortlich eingesetzt werden. Ihre
Tätigkeiten beschränken sich auf das bestimmungsgemäße Verwenden elektrischer
Anlagen und Betriebsmittel mit vollständigem Berührungsschutz und dem Mitwirken
bei der Errichtung, dem Ändern und dem Instandhalten unter Leitung und Aufsicht
einer Elektrofachkraft.
Schaltungen in Netzen
Seite 98
Schalthandlungen dienen dazu, den Schaltzustand von elektrischen Anlagen
aufgrund Neubau-, Umbau-, Erweiterungs- und Instandhaltungsmaßnahmen gewollt
zu ändern. Sie können von verschiedenen Orten wie z. B. der Netzleitstelle
(Fernsteuerung), einer Nahsteuerstelle (Ortswarte, Nahsteuerung) oder am
Betriebsmittel bzw. seinem Steuerschrank (Vor-Ort-Steuerung) durchgeführt werden.
Welcher Ort für die jeweilige Schaltung gewählt wird richtet sich nach den
Unternehmens-Betriebsanweisungen und den örtliche Gegebenheiten. Grundsätzlich
sollte jedoch folgende Reihenfolge gewählt werden:
1. Fernsteuerung
2. Nahsteuerung
3. Vor-Ort-Schaltung
Eine Schaltung muss nicht unbedingt durch zwei Personen vorgenommen werden.
Wenn allerdings das Schalten als „Gefährliches Arbeiten“ im Sinne BGV A1 §362
angesehen wird, sind alte Schaltungen von zwei Personen durchzuführen. Die zweite
Person hält sich sinnvollerweise in Sichtweite, jedoch außerhalb der unmittelbaren
Gefahrenzone auf.
Schaltreihenfolgen
Um Bedienpersonal und Anlagen vor den Folgen von Fehlschaltungen zu schützen,
ist es notwendig, Schaltgeräte nur in logischer Reihenfolge zu betätigen. Dazu trägt
in erster Linie ein gut ausgebildetes Schaltpersonal bei, das durch
Schaltfehlerschutzgeräte unterstützt werden kann. Zur richtigen und sicheren
Funktionsweise muss die Rückmeldung der Schaltgerätestellungen (Hilfsschalter)
sichergestellt sein. Der Meldeschalter darf die Stellung „EIN“ erst dann rückmelden,
wenn die Hauptkontakte zu 50% im Eingriff sind; entsprechend darf die „AUS“Meldung erst kommen, wenn 4/5 des Schaltweges zurückgelegt ist. Bei nicht
eindeutiger Stellungsmeldung ist ein weiteres Schalten zu blockieren. Diese
Forderungen sind, besonders in Freiluftanlagen, wegen Reibung und Lose in den
mechanischen Antrieben nicht leicht zu erfüllen.
Durch
die
technologische
Leistungsschalter/Lasttrennschalter
Schaltreihenfolge:
Einteilung
der
und
Trennschalter
Schaltgeräte
ergibt
sich
in
die
- Stromunterbrechung durch Leistungsschalter bzw. Lasttrennschalter
- Herstellung der elektr. Festigkeit durch Trennschalter (bei Lasttrennschalter autom.
gegeben)
Die wichtigsten Bedingungen für den Schaltfehlerschutz sind:
• Trennschalter dürfen nicht unter Last gezogen werden (I< 0,5 A)
2
„Gefährliche Arbeiten sind zum Beispiel solche, bei denen eine erhöhte oder besondere Gefährdung
aus dem Arbeitsverfahren, der Art der Tätigkeit, den verwendeten Stoffen sowie aus der Umgebung
gegeben sein.“
Seite 99
• Leistungsschalter dürfen nicht eingeschaltet werden, wenn im
gleichen Stromkreis ein Trennschalter in Störstellung steht.
• Leistungsschalter, die eine parallele Stromschleife zu einem anderen
Trennschalter bilden (Sammelschienenkupplung), dürfen nicht
ausgeschaltet werden, wenn in einem anderen Abzweigfeld mehr als
ein Sammelschienentrenner eingeschaltet ist oder in Störstellung
steht.
• Erdungsschalter dürfen nur eingeschaltet werden, wenn das zu
erdende Anlagenteil spannungsfrei ist
Davon abweichende Schalthandlungen dürfen nur unter Verantwortung eines
Schaltberechtigten
vor
Ort
mit
Hilfe
von
Entriegelungseinrichtungen
(Schlüsselschaltern) ausgeführt werden.
Der klassische Schaltfehlerschutz bildet seine Verriegelungsbedingungen aus der
Bool´schen Algebra. Bei großen Anlagen mit vielen Abgängen über mehrere
Spannungsebenen ist es nicht mehr möglich, alle zulässigen Schalthandlungen
nachzubilden. Aus diesem Grund ist hier eine topologische Verriegelung notwendig,
bei der, von den Einspeisestellen ausgehend, Stromschleifen gebildet werden, die
dem Schalterstellungsabbild entsprechen.
Für den Betrieb sollte trotz Schaltfehlerschutz immer gelten:
Schalte so, als ob keine Verriegelung vorhanden wäre !
Kontrolliere den Eingriff von Trenn- und Lasttrennschaltern !
Nachfolgend einige Beispiel zur richtigen Reihenfolge von Schalthandlungen:
1. Schalten von Kabeln bzw. Leitungen
Zum Ausschalten werden zunächst die Leistungsschalter bzw. die
Lastrennschalter ausgeschaltet. Die Wahl des ersten Ausschaltortes ist
grundsätzlich egal und kann nach Netzgegebenheiten gewählt werden. Eventuell
vorhandene Ladestrom-Spulen sind vorher auszuschalten.
Das Freischalten erfolgt durch alle Trennschalter (bei Lasttrennschalter von
Hause aus gegeben) in der Strombahn. Eine empfehlenswerte Reihenfolge
hierbei ist von der spannungsführenden Sammelschiene zu Kabeltrenner.
Das Wiedereinschalten erfolgt in umgekehrter Reihenfolge.
2. Schalten von Transformatoren
Die Leistungsschalter der Unter- und Oberspannungsseite werden nacheinander
ausgeschaltet. Durch diese Reihenfolge werden eventuell auftretende
Spannungsspitzen auf das nachgeschaltete Netz vermieden. Vor dem
Ausschalten sind Ladestromspulen und Erdschlusslöschspulen (nur im
erdschlussfreiem Zustand!) auszuschalten.
Die Reihenfolge der Trenner orientiert sich am Ausschaltvorgang eines Kabels,
d.h. zunächst die Sammelschienentrenner und danach alle anderen
Trennschalter.
Zur Vermeidung der durch den Rush-Strom hervorgerufenen
Spannungseinbrüche auf der Unterspannungsseite sollte der Transformator von
der einspeisenden Seite (i. d. R. die OS, jedoch Vorsicht bei
Kraftwerkseinspeisungen: hier ist es die US) eingeschaltet werden. Danach wird
der zweite LS eingeschaltet.
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3. Schalten von Kupplungen
Für das Schalten von Längs- und Querkupplungen gelten die üblichen
Reihenfolgen von Trennschaltern und Leistungsschaltern. Werden beim Kuppeln
verschiedene Netze verbunden, so sind die Bedingungen zu erfüllen:
- Spannungsdifferenzen max. ± 10% UM
- Frequenzdifferenz < ± 0,1 Hz
- Phasenwinkeldifferenz < ± 15°
Synchronisiereinrichtungen und Parallelschaltgeräte verwenden !
Freischalten einer Ortsnetzstation
An einem Beispiel soll die Freischaltung einer Ortsnetzstation gezeigt werden: Zur
Stationswartung ist die Netzstation (NSt.) Juistweg 33 im Stadtteil Isselhorst
freizuschalten. Dazu sind Schaltgespräche, in denen Einzelschaltungen aber auch
ganze Schaltsequenzen beauftragt werden, notwendig. Zur Vermeidung von
Missverständnissen sind sie kurz, sachlich und exakt zu führen. Die Schaltungen
sind exakt in der im Schaltgespräch festgelegten Reihenfolge durchzuführen; ist dies
nicht möglich, ist die Schaltung abzubrechen und die Leitstelle zu verständigen. Aus
Sicherheitsgründen ist es notwendig, einen einheitlichen Sprachgebrauch zu
verwenden.
Zu Beginn der Arbeitszeit wird die Freischaltung von der Arbeitsgruppe mit ihren
Einzelheiten in der Netzleitstelle (NLS) angemeldet und durchgesprochen. Aufgrund
der Steckenquerschnitte, der Kabellängen und der momentanen Belastung der
zugehörigen Abgänge in der Einspeisestation „Übergabe Isselhorst“ ist nicht mit
einer Überlastung von Betriebsmitteln zu rechnen. Daher kann die Freischaltung mit
der 0,4-kV-seitigen Vermaschung beginnen. Im Anschluss daran wird der 630-kVATransformator unter- und oberspannungsseitig im Juistweg 33 ausgeschaltet und
gegen Wiedereinschalten gesichert. Die Meldung über Funk an die NLS lautet:
„Umspanner in Station 509 Juistweg ausgeschaltet.“ Die NLS wiederholt zur
Bestätigung. Danach kann zur Trennstelle in der Station Postdamm / Haller Str.
gefahren werden: „In der Station 534 Postdamm / Haller Str. wird die Trennstrecke
1048 in Richtung NSt. Zum Brinkhof 16-18 eingeschaltet.“ Nach Wiederholung und
Bestätigung durch die NLS wird die Schalthandlung durchgeführt. Der bislang offen
betriebene Ring ist nun geschlossen. Um die Vermaschungszeit möglichst kurz zu
halten, wird nun die Station Helgolandweg 9 angefahren. Die Schaltmeldung über
Funk lautet: „In der Station 508 Helgolandweg 9 wird die Strecke 1009 in Richtung
NSt. Juistweg 9 ausgeschaltet.“ Auch jetzt wird die Meldung von der NLS wörtlich
wiederholt, die Schalthandlung dann durchgeführt und der Schalter gegen
Wiedereinschalten gesichert. Die Fahrt führt weiter zur Station Haverkamp /
Niehorster Str.: In der Station 519 wird die Strecke 1044 in Richtung NSt. Juistweg
33 ausgeschaltet und gegen Wiedereinschalten gesichert.“ Die Station ist nun
mittelspannungsseitig ausgeschaltet; nach Feststellen der Spannungsfreiheit und
Meldung an die NLS wird die Strecke 1044 geerdet. Anschließend wird die Strecke
1009 in der NSt. Helgolandweg auf Spannungsfreiheit geprüft und nach Meldung in
der NLS geerdet. In der zu wartenden Station können jetzt vor Aufnahme der
Arbeiten die Arbeitserden vor Ort eingelegt werden. Selbstverständlich ist hier die
Messung der Spannungsfreiheit und die Rückmeldung an die NLS.
Parallelschalten von Transformatoren
Bei der Parallelschaltung von Transformatoren ist zu beachten:
Seite 101
•
•
•
•
gleiche Netzspannung
gleiche Schaltgruppenkennzahl (sonst: Ausgleichsstrom im Leerlauf)
Gleiches Übersetzungsverhältnis
Abweichen der Kurzschlussspannungen um nicht mehr als 10% vom
Mittelwert der parallel zu betreibenden Einheiten (sonst:
ungleichmäßige Leistungsaufteilung)
• Nennleistungsverhältnis kleiner 3:1
Die Leistungsaufteilung berechnet sich zu:
SI
S IN u ZII
=
S II
u ZI
S IIN
Werden Transformatoren mit ungleichem Übersetzungsverhältnis (oder mit
ungleicher Stufenstellungszahl) im Parallelbetrieb eingesetzt, so treibt die der
Übersetzungsabweichung proportionale Spannungsdifferenz ∆u einen Kreisstrom
(Ungleichheit der Kurzschlussphasenwinkel vernachlässigt). Er berechnet sich zu:
Ia =
∆u
u ZI u ZII
+
I NI I NII
Dieser Ausgleichsstrom überlagert sich den Transformatornennströmen; er addiert
sich zu dem Strom, dessen Transformator die größere sekundäre Leerlaufspannung
hat.
Werden in Ortsnetzstationen Transformatoren parallel geschaltet, sind bei
Schaltgruppen gleicher Kennzahl gleichnamige Klemmen auf der OS und der US
miteinander zu verbinden. Transformatoren mit Kennzahl 5 können mit solchen der
Kennzahl 11 nach einem bestimmten Schema zusammengeschaltet werden.
Bei der Parallelschaltung von Netztransformatoren sind ggf. die Traforegler auf
Handbetrieb zu schalten und die Spannungen manuell anzugleichen, so dass nur ein
geringer Ausgleichsstrom fließen kann.
Werden mehrere Transformatoren nacheinander eingeschaltet, so sollten wegen des
Ruh-Stromes zwischen den Schaltungen einige Sekunden vergehen. Nach dem
Einschalten ist die Belastung der Transformatoren zu kontrollieren.
Fehlerbehebung
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Fehlerbehebung
Entstörungsdienstorganisation
Der Netzbetrieb erfordert eine ununterbrochene Präsenz von qualifiziertem
Fachpersonal. Um außerhalb der Regelarbeitszeit Schäden unmittelbar zu beheben,
sind Fachinstandhaltungstrupps mit Werkstattwagen erforderlich. Bei Eintritt einer
Störung werden sie durch den Schaltdienst oder durch den diensthabenden Meister
eingesetzt. Außer dem im Rufdienst arbeitenden Mitarbeitern ist es ratsam, weiteres
Personal in Arbeitsbereitschaft zu haben. Bei der Zusammensetzung der Gruppen
sollten die Fachbereiche der Monteure berücksichtigt werden (z. B. Kabelmonteur
zusammen mit Anlagenmonteur). Daneben ist es notwendig, auch Personal aus den
Fachbereichen Fernmeldetechnik, Materialwirtschaft und Fuhrpark in einem
Entstörungsdienst organisiert zu haben. Erforderliche Sonderfahrzeuge wie
Hubsteiger bei Freileitungstörungen, Kabelmesswagen zum Einmessen der
Fehlerstelle oder Notstromaggregate zur Versorgung ausgefallener Netzbezirke oder
sensibler Kunden müssen mit eingewiesenem Personal vorgehalten werden.
Bei Störungen sollte das eingesetzte Personal in regelmäßigen Abständen (max. 60
min) Rückmeldungen bzw. Anweisungen aus der Leitstelle einholen.
Strategien zu Fehlerbehebung
Jede ungewollte Änderung des normalen Betriebszustandes ist eine Störung. Der
normale Betriebszustand ist gekennzeichnet durch eine ausreichende Spannung,
einen intakten Isolationszustand, von intakten Betriebsmitteln und von einem
Schaltzustand, der von der betriebsführenden StelIe gewollt ist. Als Störung wird der
gesamte Vorgang bezeichnet, der mit einem Fehler beginnt und mit der
Wiederherstellung des normalen Betriebszustandes bzw. der normalen
Versorgungsverhältnisse endet. Da jede Störung unterschiedlich ist, lassen sich nur
grobe Richtlinien geben.
• Es ist sich ein möglichst vollständiger Überblick über das
Störungsausmaß zu verschaffen (,,Erst notieren, dann quittieren !")
• Die eingegangenen Informationen durch Kunden, Polizei, Feuerwehr,
Tiefbauunternehmen sowie aus den Netzzustandsänderungen sind zu
bewerten.
• Eine Stelle koordiniert die Maßnahmen zur Entstörung (Prioritäts- und
Zuständigkeitsliste).
• Die Behebung einer Störung hat zur Begrenzung des Umfangs sofort
zu beginnen. Dabei darf der Entstörende sich selbst nicht in Gefahr
bringen.
• Nach einem Netzzusammenbruch wird es von der höheren
Spannungsebene wieder aufgebaut.
• Nach Beendigung der Störung sind Anlagenkontrollen im betreffenden
Netz unerlässlich.
• Zur Auswertung der Störereignisse alle Schutzanregungen,
Schreiberstreifen etc. notieren bzw. einsammeln
Unabhängig vom Umfang und vom Ausmaß einer Störung muss Ruhe bewahrt
werden und es dürfen keine übereilten, unbedachten Handlungen durchgeführt
werden.
Fehlerbehebung
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In vielen Fällen ist der Kunde ein wichtiges Informationssystem. Daher ist es wichtig,
Name, Anschrift und Uhrzeit zu notieren. Aus der Lage des Wohnortes lassen sich
Rückschlüsse auf den Fehlerort ziehen. Meldet sich nur ein Kunde, ist anzunehmen,
dass der Fehler in seiner Anlage liegt, oder – bei einem Einfamilienhaus- in der
Hauszuleitung. Bei mehreren Kundenanrufen ist dagegen von einem Netzfehler
auszugehen.
Bei einem Kurzschluss ist der auslösende Leistungsschalter in der speisenden
Station in der Regel ferngemeldet. Ist dies nicht der Fall, so erfährt die
betriebsführende
Stelle
erst
durch
Kundenanrufe
von
der
Versorgungsunterbrechung. Nach Auswertung aller ferngemeldeten Informationen ist
das Anfahren der Netzstationen und Ablesen der Kurzschlussanzeiger durch einen
oder mehrere Entstörtrupps erforderlich, um die Fehlerrichtung zu ermitteln. In der
Regel ist der Fehler nur durch sukzessives Verkleinern des möglichen
Fehlerbereiches auf einen Leitungsabschnitt oder eine Station. Nach Freischaltung
der Fehlerstelle erfolgt die Wiederversorgung durch Schließen der Trennstelle im
Ring. Bei Fehlern in Stichkabeln und bei Stationsfehlern ist eine weitere Versorgung
nur durch Niederspannung oder durch ein mobiles Notstromaggregat möglich.
Es ist einleuchtend, dass die Reihenfolge, in der die Stationen angefahren werden,
großen Einfluss auf die Wiederversorgungszeit hat. Dabei werden im Regelfall zwei
Grundstrategien angewendet:
• sequentielle Suche
• binäre Suche
Bei der sequentiellen Suche wird von der Einspeisestelle aus die jeweils folgende
Station zum Ablesen der Kurzschlussanzeiger angefahren. Dies hat den Vorteil, dass
eventuelle Folgeschäden durch den Kurzschlussstrom sofort erkannt werden. Bei der
sequentiellen Suche wird der betroffene Halbring aufgeteilt, diese Station angefahren
und kontrolliert, der vom Kurzschluss betroffene nächste ,,Viertelring" gebildet und so
fort. In der Praxis besitzen Netze jedoch nicht immer diesen Modellcharakter,
sondern weisen Verzweigungen und Quereinspeisungen auf. Es ist sinnvoll, diese
Stationen ("Dreibeine"") bevorzugt anzufahren, da von hier aus der Fehler in mehrere
Richtungen eingegrenzt werden kann bzw. ein fehlerfreies Teilnetz kann
wiederversorgt werden. Ein weiteres Kriterium zur bevorzugten Kontrolle und
Wiederversorgung sind wichtige Kunden wie z. B. Krankenhäuser. Nach grober
Fehlereingrenzung ist es möglich, gewisse Teilnetze vom Restnetz abzutrennen und
wieder zu versorgen, bevor der Fehler exakt lokalisiert ist.
Die
Erkennung
eines
Erdschlusses
erfolgt
durch
ferngemeldete
Erdschlusswischerrelais oder durch wattmetrische Relais. Zusätzlich sind die
meistens ebenfalls überwachten Phasenspannungen der Sammelschiene zu
beachten. Nach der Ermittlung des betroffenen Abgangs erfolgt die
Fehlerlokalisierung ähnlich der Kurzschlusssuche. Da hier jedoch kein Pendant zum
Kurzschlussanzeiger zur Verfügung steht, sind in den Netzstationen
Schalthandlungen zur Ermittlung der Fehlerrichtung notwendig. Auch hier stehen
zwei Strategien zur Verfügung:
• Kurzzeitunterbrechung
• Kurzzeitkupplung
Bei der Kurzzeitunterbrechung wird die Fehlerrichtung durch kurzzeitiges Öffnen
(mind. 1 Min.) des Schalters zur nachfolgenden Station hin ermittelt. Wenn damit der
Fehler abgeschaltet wird, kehren die Phasenspannungen wieder in die Normallage
zurück. Der Nachteil liegt in der ggf. mehrmaligen Abschaltung von Netzstationen.
Fehlerbehebung
Seite 104
Bei der Kurzzeitkupplung wird zusätzlich vor dem kurzzeitigen Öffnen zunächst die
Trennstelle geschlossen. Eine Versorgungsunterbrechung wird vermieden und die
Erdschlussrichtung wird durch die Beobachtung der Erdschlussanzeige in beiden
Einspeisepunkten ermittelt. Der Nachteil besteht in der Gefahr der Fehlerausweitung
zum Doppelerdschluss oder zum Kurzschluss.
Welche Strategie gewählt wird, hängt jeweils von der Gewichtung einer kurzzeitigen
Versorgungsunterbrechung gegenüber der Gefahr der Fehlerausweitung ab.
Schaltungen im Netz sind zum Schutz des Bedienpersonals nur in PEHLA-geprüften
Schaltanlagen vorzunehmen; ist dies nicht möglich, wird durch den vorgelagerten
Leistungsschalter zuerst ausgeschaltet.
Kundenanlagen
Seite 105
Kundenanlagen
Systemformen
In DIN VDE 0100 werden drei sicherheitstechnisch unterschiedliche Systemformen
genannt:
•
TN-System
•
TT-System
•
IT System
Der erste Buchstabe bezieht sich dabei auf die Erdungsverhältnisse der Stromquelle.
„T“ bedeutet eine direkte Erdung eines Betriebspunktes (Betriebserde), „I“ für die
Isolierung aller aktiven Teile von Erde oder die Verbindung eines Punktes mit Erde
über eine Impedanz (z. B. Isolationswächter).
Der zweite Buchstabe kennzeichnet die Erdungsverhältnisse der Körper der
elektrischen Anlage. Werden die Körper direkt geerdet, so steht hierfür das „T“, und
zwar unabhängig von der eventuell bestehenden Erdung eines Punktes der
Stromquelle. Werden die Körper direkt mit dem Betriebserder verbunden, so dient
der Buchstabe „N“ zur Kennzeichnung des Systems.
In TN-Systemen ist in der Regel der Sternpunkt direkt geerdet. Die Körper der
elektrischen Anlage sind über den Schutzleiter bzw. PEN-Leiter mit dieser
Betriebserde verbunden. Entsprechend der Anordnung von Neutral- und Schutzleiter
findet man drei Arten des TN-Systems: Im TN-S-System sind Neutralleiter und
Schutzleiter vollständig getrennt. Diese Netzform wurde früher als moderne Nullung
bezeichnet und hat den Vorteil, dass eine Unterbrechung des Schutzleiters keine
Gefahr bringt. Es müssen zwei Fehler, die Unterbrechung und ein Körperschluß
eintreten, bevor ein Unfall geschieht. Da der N-Leiter gegen Erde isoliert ist, kann der
Betriebsstrom seinen Rückweg nicht über Erde wählen und die Brandsicherheit wird
erhöht. Nach DIN VDE 0108 ist diese Systemform in feuer- und
explosionsgefährdeten Betriebsstätten sowie in medizinisch genutzten Räumen
vorgeschrieben. Als Leitungsfarbe ist für den PEN- und den Schutzleiter grüngelb zu
wählen, für den Neutralleiter die Farbe hellblau. Im TN-C-System ist der PEN-Leiter
gleichzeitig Schutzleiter. Daher ist es sehr einfach aufzubauen. Es genügt, an der
Steckdose ein kurzes Drahtstück an den Schutzleiter zu führen (sog. klassische
Nullung). Der gravierende Nachteil besteht jedoch in der Gefahr, dass ein
Metallgehäuse im Fehlerfall unter der vollen Spannung gegen Erde steht. Daher ist
ein TN-C-System nur zulässig bei fest verlegten Leitungen von mindestens 10 mm2
Cu oder 16 mm2 Al. Ausgenommen sind lediglich bewegliche Leitungen ab 16 mm2
Cu für Einspeiseleitungen von Notstromaggregaten oder für das Überbrücken von
herausgetrennten Netzteilen in Niederspannungsnetzen. In allen anderen Fällen ist
nur das TN-S-System zulässig. Die Mischform TN-C-S-System ist die wohl in der
Praxis am häufigsten vorkommende Netzform. Dabei sind in dem Teil des Netzes,
die die obige Querschnittsform erfüllen, Neutral- und Schutzleiter zu einem PENLeiter zusammengefasst, bei den übrigen kleineren Querschnitten sind sie aufgeteilt.
Der PEN-Leiter ist hinsichtlich seiner Verlegung wie ein Außenleiter zu behandeln
und mit diesem in einer gemeinsamen Umhüllung zu führen. Er darf unter keinen
Umständen unterbrochen werden, nicht gesichert werden und nicht für sich allein
schaltbar sein. Die Klemmstellen sind mit großer Sorgfalt herzustellen, wobei
Kundenanlagen
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unbedingt vermieden werden sollte, viele Kabel in eine Klemmstelle
unterzuklemmen. Nach der Aufteilung des PEN in N- und PE-Leiter darf der
Neutralleiter (N) weder mit dem PE, noch mit geerdeten Teilen in Verbindung
kommen. Der Querschnitt des N-Leiters ist wie ein Außenleiter zu bemessen.
Als Schutzeinrichtungen können in TN-Systemen Überstromschutzeinrichtungen
oder Fehlerstromschutzeinrichtungen (nur in TN-S-Systemen) verwendet werden.
Die Schutzeinrichtungen müssen im Fehlerfall innerhalb von 5 sec., bei Stromkreisen
bis 35 A Nennstrom mit Steckdosen oder solche, bei denen ortsveränderliche
Betriebsmittel angeschlossen werden, in 0,2 sec., abschalten.
Das TT-System wird von vielen EVU, gerade im außerstädtischen Bereich,
vorgegeben. Ein Punkt der Stromquelle, in der Regel der Sternpunkt des
Transformators, ist direkt geerdet. Der Erdungswiderstand sollte 2 Ω nicht
überschreiten, um bei einem Erdschluss eines Außenleiters den Spannungsanstieg
in den gesunden Leitern gegen Erde zu begrenzen. Die Körper der elektrischen
Anlage sind mit dem Schutzerder RA verbunden, der vom Betriebserder getrennt ist.
Der Ausbreitungswiderstand der Schutzerde muss so klein sein, dass ein
Fehlerstrom die automatische Abschaltung der Schutzeinrichtung bewirkt, bevor die
Berührungsspannung den zulässigen Wert (50 V) überschreitet.
IT-Systeme können gegen Erde isoliert oder über eine ausreichend hohe Impedanz
geerdet sein. Der Fehlerstrom bei Auftreten nur eines Körper- oder Erdschlusses ist
gering und hat keinen Einfluss auf die Funktion der angeschlossenen Betriebsmittel.
Daher findet man IT-System meist in der Grossindustrie mit 500- oder 600-V-Netzen.
Im 230/400-V-Netzen werden sie mit Isolationsüberwachung dort eingesetzt, wo
erhöhte Anforderungen an die Versorgungssicherheit gestellt werden, z. B. in
Krankenhäuser für die OP-Einrichtung oder für die Sicherheitsbeleuchtung.
Elektrizitätszähler
Die Zähler werden zum Messen der von einem Erzeuger abgegebenen oder von
einem Verbraucher aufgenommenen Arbeit eingesetzt. Sie lassen sich nach ihrem
Messprinzip in zwei Gruppen unterteilen, in Induktions-Motorzähler und statische
Zähler für Dreh- und Wechselstrom.
Am häufigsten werden Induktions-Motorzähler nach dem Ferraris-Prinzip eingesetzt.
Dabei liegt ein wicklungsloser Läufer (eine Aluminiumscheibe) im Wechselfeld zweier
Elektromagneten (Strom- und Spannungsseite) und wird durch das erzeugte
Drehmoment angetrieben. Ein als Permanentmagnet ausgelegter Bremsmagnet
dämpft die Bewegung der Läuferscheibe und erlaubt die Eichung. Drehstromzähler
besitzen zwei oder drei Triebsysteme, die räumlich versetzt angeordnet sind und auf
zwei Läuferachsen wirken. Die Integration der Leistung über die Zeit, d. h. die
Bildung der elektrischen Arbeit, erfolgt durch Addition der Läuferumdrehungen durch
ein Zählwerk. Dieses Rollenzählwerk ist mit sechs bis sieben Ziffernrollen
ausgerüstet; die rechte Rolle wird über eine Schnecke und Übersetzungsräder vom
Läufer angetrieben. Gegebenenfalls muss die vom Zählwerk angezeigte
Ableseeinheit mit einem auf dem Ziffernblatt angegebenen Faktor multipliziert
werden. Im Haushaltsbereich werden die Zähler üblicherweise direkt in den zu
messenden Stromkreis geschaltet. Bei höheren Strömen oder Spannungen sind
Messwandler erforderlich. Wird das Übersetzungsverhältnis der Wandler im Zählwerk
berücksichtigt, so nennt man dies ein Primärzählwerk. Bei Sekundärzählwerken
Kundenanlagen
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muss die jeweilige Spannungs- und Stromübersetzung berücksichtigt werden, um die
primäre Messgröße zu ermitteln.
Der Verbrauch eines Elektrogerätes kann auch mit Hilfe der Zählerkonstanten c, die
auf dem Leistungsschild aufgedruckt ist, ermittelt werden. Sie gibt an, wie viel
Umdrehungen des Läufers (messbar durch die rote Markierung) einer Kilowattstunde
entspricht. Bei einer Zählerkonstanten von c= 75/kWh führt der Läufer 75
Umdrehungen aus damit das Zählwerk 1 kWh notiert. In der Praxis kann so die
Leistung eines (größeren) Verbraucher ermittelt werden (dabei darf natürlich nur der
zu ermittelnde Verbraucher eingeschaltet sein !). Mit der Stopuhr werden mehrere
Umdrehungen des Läufers gemessen und daraus die Zeit für eine Umdrehung
gemittelt. Mit der Formel
P=
1000 × 3600
[kW ] mit t s = Zeit für eineUmdrehung
ts × c
kann nun die Leistung des eingeschalteten Verbraucher errechnet werden.
Statische Zähler sind elektronisch arbeitende Geräte, die hochpräzise sind und eine
große Unabhängigkeit von Umgebungsbedingungen besitzen. Im Gegensatz zu
Ferraris-Zählern können sie auch Messdaten (Lastprofile) speichern. Neben den
visuellen Ausgängen (LC-Display) besitzen sie in der Regel auch Schnittstellen für
optische Ausgänge (LED) und Impulsausgänge für die Weitergabe an
Fernzähleinrichtungen.
Die Zähler werden überwiegend von staatlich anerkannten Prüfstellen beglaubigt –
ein Vorgang, der der Eichung rechtlich gleichwertig ist. Sie arbeiten mit PTBgeprüften Messeinrichtungen und werden regelmäßig von den Eichämtern
überwacht. Die Eichgültigkeitsdauer beträgt für
- Zähler mit Induktionsmesswerk
16 Jahre
- Zähler mit Induktionsmesswerk mit Messwandlern 12 Jahre
- Zähler mit elektronischem Messwerk
8 Jahre
Jedes Messgerät altert oder wird im Laufe der Zeit durch Verschleiß ungenauer. Aus
diesem Grund ist die Eichgültigkeit für Messgeräte begrenzt. Um die
Eichgültigkeitsdauer zu verlängern genügt eine Stichprobenprüfung. Die
Verlängerung der Eichgültigkeitsdauer beträgt dadurch
- bei Induktionszählern
4 Jahre
- bei elektronischen Zählern
5 Jahre
Literatur- und Quellenverzeichnis
Quellen- und Literaturnachweis:
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Ameling: Grundlagen der Elektrotechnik I, Bertelsmann Universitätsverlag, 1974,
ISBN 3-571-19149-8
Kind, Kärner: Hochspannungsisoliertechnik, Vieweg Verlag, Braunschweig, 1982,
ISBN 3-528-03812-8
AEG Hilfsbuch der Elektrotechnik Bd. 2, AEG Verlag, 11. Aufl. 1979, ISBN 3-87087115-6
Hütte: Elektrische Energietechnik, Springer Verlag Berlin, 29. Aufl. 1988, ISBN 3540-15359-4
Flosdorff, Hilgarth: Elektrische Energieverteilung, Teubner Verlag, Stuttgart, 4. Aufl.
1982, ISBN 3-519-36411-5
Schwickardi: Elektroenergietechnik Bd. 1 - 3, AT-Verlag, Aarau,1979, ISBN ...; 3
85502 032 9; 3 85502 083 3
Gremmel (Hrsg.): ABB Schaltanlagen, Cornelsen
Düsseldorf, 10. Aufl. 1999, ISBN 3-464-48235-9
Verlag
Schwann-Giradet,
Heinold et. al.: Kabel und Leitungen für Starkstrom, Teil 1 und 2, Siemens Verlag,
München, 4. Aufl. 1987-89, ISBN 3-8009-1472-7, 3-8009-1524-3
Siemens, Günther Seip: Elektrische Installationstechnik, Teil 1 und Teil 2,Siemens
Verlag, München, 3. Aufl. 1993, ISBN 3-8009-4138-4, 3-8009-1420-4
Siemens
Fachwörterbuch
industrielle
Elektrotechnik,
Energie
und
Automatisierungstechnik,
Deutsch/Englisch Bd. 1, 4. Auflage 1998, Publicis MCD-Verlag, ISBN 3-89578-077-4
English/German Bd. 2, 4. Auflage 1998, Publicis MCD-Verlag, ISBN 3-89578-079-0
VDEW: Kabelhandbuch, VWEW-Verlag, Frankfurt/Main, 4. Aufl. 1986, ISBN 3-80220000-4
Friedrich: Tabellenbuch Elektrotechnik, Elektronik, Dümmler-Verlag, Bonn, 579. Aufl.
1998, ISBN 3-427-53025-6
Metz,
Naundorf,
Schlabbach:
Kleine
Formelsammelung
Fachbuchverlag Leipzig, München, 1996, ISBN 3-446-18626-3
Elektrotechnik,
Rose (Hrsg.): Basiswissen für Fachkräfte energietechnischer Berufe, VDE-Verlag,
2002, ISBN 3-8007-2594-0
Kiwitt, Wanser, Laarmann: Hochspannungs- und Hochleistungskabel, VWEW-Verlag,
Frankfurt/Main, 1985, ISBN 3-8022-0075-6
Fleck, Kulik: Hochspannungs- und Niederspannungs-Schaltanlagen, Giradet Verlag,
Essen, 4. und 6. Aufl. 1974, ISBN 3-7736-0262-6
Dietrich: Transformatoren, Stand der Technik und Tendenzen, VDE-Verlag, 1986,
ISBN 3-8007-1365-9
Kraaij, Schemel, Wegscheider: Die
Buchverlag Elektrotechnik, Aarau (CH)
Prüfung
von
Leistungstransformatoren,
Vosen: Kühlung und Belastbarkeit von Transformatoren, VDE-Schriftenreihe 72, VDE
Verlag, Berlin 1997 ISBN 3-8007-2225-9
Ölbuch Teil 2: Isolierflüssigkeiten, 6. Aufl. 1983, VDEW-Verlag, Frankfurt/M, ISBN 38022-0063-2
VDEW-Ringbuch „Schutztechnik“, VWEW-Verlag, 1987, ISBN 3-8022-0054-3
Maßnahmen in Betriebsgebäuden von Hochspannungsanlagen zur Reduzierung
transienter Überspannungen in Sekundäreinrichtungen, RWE Energie AG
Böhme: Mittelspannungstechnik, Verlag Technik, Berlin, 1. Aufl. 1992, ISBN 3-34100973-6
Doemeland: Handbuch Schutztechnik, VDE-Verlag, Berlin, 7. Aufl. 2003, ISBN 38007-2713-7
Zobel / Markgraf: Der Netzmeister, VDE-Verlag, Berlin 1995, ISBN 3-8007-2138-4
Pusch: Schaltberechtigung für Starkstromanlagen und Netze, VDE-Verlag, Berlin,
ISBN 3-8007-1873-1
Hösl / Ayx: Die neuzeitliche und vorschriftsmäßige Elektro-Installation, Hüthig-Verlag,
Heidelberg, 15. Auflage 1992, ISBN 3-7785-2134-9
G. Kiefer: VDE 0100 und die Praxis, VDE-Verlag, Berlin, 6. Auflage 1994, ISBN 38007-2001-9
Klimpke/Güttler: Fehlerortung, Bd. 7 Anlagentechnik für elektrische Verteilungsnetze,
VWEW-Verlag Frankfurt/Main, 1996, ISBN 3-8022-0495-6
Altmann, Jühling et. al.: Elektrounfälle in Deutschland, FB 941, Schriftenreihe der
Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, 2. Aufl. 2002, Wirtschaftsverlag
NW, ISBN 3-89701-798-9
Lipmann: Schalten im Vakuum, VDE-Verlag, Berlin, 2003, ISBN 3-8007-2317-4
Karger et. al.: Messen und Regeln in Starkstromnetzen, Firmenpublikation a-eberle,
2003
Niemand, Sieper, Dürschner: Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen
über 1 kV, VDE-Schriftenreihe Bd. 11, VDE-Verlag, Berlin, 8. Aufl. 2000, ISBN 38007-2537-1
DKE: Betrieb von elektrischen Anlagen, VDE-Schriftenreihe Bd. 13, VDE-Verlag,
Berlin, 8. Aufl. 2001, ISBN 3-8007-2556-8
Hochbaum: Schadenverhütung in elektrischen Anlagen, VDE-Schriftenreihe Bd. 85,
VDE-Verlag, Berlin, 2. Aufl. 2002, ISBN 3-8007-2635-1
Vogt: Potentialausgleich, Fundamenterder, Korrosionsgefährdung, VDESchriftenreihe Bd. 35, VDE-Verlag, Berlin, 2. Aufl. 1987, ISBN 3-8007-1512-0
Schlabbach: Elektroenergieversorgung, VDE-Verlag, Berlin, 1995, ISBN 3-80071999-1
Knies, Schierack: Elektrische Anlagentechnik, Hanser-Verlag, München, 4. Aufl.
2003, ISBN 3-446-22378-9
Spring: Elektrische Energienetze, VDE-Verlag, Berlin, 2003, ISBN 3-8007-2523-1
Heuck, Dettmann: Elektrische Energieversorgung, Vieweg Verlag, Braunschweig,
2002, ISBN 3-528-48547-7
// Alber: Verteiltransformatoren und EMV, etz Bd. 115 (1994) Heft 20
// Alber / Pfeiffer: Das Geräuschverhalten von Verteiltransformatoren,
Elektrizitätswirtschaft 71 (Jg. 1972), Heft 8
// Thörner / Siekmann: Untersuchung niederfrequenter Felder an ortsfesten
Netzstationen nach 26. BImSchV, Diplomarbeit FH Bielefeld, 1997
// Dr. Pigler: Druckbeanspruchung der Schaltanlagenräume durch Störlichtbögen,
Energiewirtschaftliche Tagesfragen 26.Jg. (1976), Heft 3
// Hollmann / Beese: Begrenzung von Störlichtbögen in elektrischen Schaltanlagen,
etz Heft 7-8, 1998
// Vinaricky: Elektrische Kontakte, EVU-Betriebspraxis 10/95, 11/95
// Sander: Verhalten von Aluminium-Massivleiter-Kabeln in Schraubklemmen, etz-A,
Heft 8 1972
// Kindler / Schels: Systematische Untersuchungen zur Störlichtbogensicherheit von
Schaltfeldern und Schaltanlagen, Technische Mitteilungen AEG-Telefunken, 65
(1975), S. 24 ff
// Kox, Fehlerortung und Wiederversorgung in Mittelspannungsnetzen, Aachener
Beiträge zur Energieversorgung, Jahresbericht 1997
// Sandner, Handys – Wegbegleiter mit Störpotential, de 14/98
// Script TAR-Seminar Elektromagnetische Felder und Strahlungen am Arbeitsplatz
und in der Umwelt, Köln, 1996
// Elektrische und magnetische 50-Hz-Felder, Forschungsstelle für Elektropathologie
der Universität Witten – Herdecke, 1991
//
Stegmüller,
Schaltprinzipien
der
Elektrizitätswirtschaft Jg. 81 (1982), Heft 22
Mittelspannungsleistungsschalter,
// VDE-Tagungsband Fachtagung Mittelspannungsanlagen 1983
// VDE-Tagungsband
Schaltanlagen 1999
Planung
und
Betrieb
gasisolierter
Mittelspannungs-
// H. J. Müller: Anleitung zum nachträglichen Feststellen der Störungsursache im
Niederspannungsnetz durch Diagnose des Schmelzverhaltens des abgeschalteten
Sicherungseinsatzes
VDE- und DIN- Regelwerk:
DIN VDE 0100
Bestimmungen für das Errichten von Starkstromanlagen bis 1000 V
DIN VDE 0101
Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen über 1 kV
DIN VDE 0102
Berechnung von Kurzschlussströmen in Drehstromnetzen
DIN VDE 0103
Bemessung von Starkstromanlagen
thermische Kurzschlussfestigkeit
DIN VDE 0105
Betrieb von elektrischen Anlagen
DIN VDE 0111
Isolationskoordination für Betriebsmittel in Drehstromnetzen über 1
kV
DIN VDE 0141
Erdungen für Starkstromanlagen
DIN VDE 0185
Blitzschutzanlagen
auf
mechanische
und
Der Autor dankt vielen Firmen, die ihm Druckschriften und Fotografien
freundlicherweise zur Verfügung gestellt haben. Insbesonders gilt der Dank
folgenden Firmen:
ABB, Mannheim und Bad Honnef
Alstom, Regensburg und Frankfurt
Driescher, Wegberg
Siemens, Erlangen und Kirchheim
Felten & Guilleaume, Köln
îD-Technik, Kastellaun
Vetter GmbH, Lottstetten
Haag Messtechnik, Waldbrunn
F. Huseman GmbH, Gütersloh
VATech Elin, Graz
SGB, Neumark
May Elektronik, Bohl-Iggelheim
Gesellschaft für elektrische Anlagen
Leitungsbau Nord GmbH, Dortmund
Heinrich Georg GmbH, Kreuztal
KEMA, Arnheim (NL)
Peter Vollborth, BSE-Seminare, Berlin
Mein rein persönlicher, subjektiver Vorschlag für eine kleine elektrotechnische
Buchsammlung (Preisangaben von Februar 2005, www.amazon.de):
a. Energieversorgung, allgemein:
Gremmel (Hrsg.): ABB Schaltanlagen, Cornelsen Verlag Schwann-Giradet,
Düsseldorf, 10. Aufl. 1999, ISBN 3-464-48235-9
45,00 €
b. Kabel:
Heinold / Stubbe: Kabel und Leitungen für Starkstrom, Teil 1, Wiley VCH Verlag,
Berlin, 1999, ISBN 389578088X
99,-- €
CD-ROM, Publicis Mcd, ASIN: 3895781118
79.-- €
c. Übersichtsbücher, Formelsammelung:
Rose (Hrsg.): Basiswissen für Fachkräfte energietechnischer Berufe, VDE-Verlag,
2002, ISBN 3-8007-2594-0
41,90 €
Metz / Naundorf / Schlabbach: Kleine Formelsammelung Elektrotechnik, Hanser
Fachbuchverlag Leipzig, 2003, ISBN 3-446-225455
12,90 €
d. Hausinstallation:
Hösl / Ayx / Busch: Die vorschriftsmäßige Elektro-Installation, Hüthig-Verlag,
Heidelberg, 18. Auflage 2003, ISBN 3-7785-29099
39.-- €
e. für weitergehende Studien:
Hosemann (Hrsg.): Elektrische Energietechnik, Springer Verlag Berlin, 2000,
ISBN 3-540-67343-1
279.-- €
Heuck, Dettmann: Elektrische Energieversorgung, Vieweg Verlag, Braunschweig,
2002, ISBN 3-528-48547-7
43,90 €
f. über techn. Entdeckungen allgemein:
Segré, Emilio: Die großen Physiker und ihre Entdeckungen
1. Band: Von Galilei bis Boltzmann, ISBN 3-492-21174-7
2. Band: Von Röntgen bis Weinberg, ISBN 3-492-21175-5
jeweils Piper-Verlag, München, 2. Auflage 2002
je 12,90 €

Grundlagen der Stromversorgung für spartenfremde Fachkräfte

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