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Grundlagen der elektrischen Energieversorgung - HAAG ...

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Strom ist nicht alles, aber ohne Strom ist nichts<br />

EUROPA<br />

bei<br />

Nacht<br />

Fachbibliothek von <strong>HAAG</strong><br />

Die Firma <strong>HAAG</strong> Elektronische Messgeräte GmbH ist Hersteller<br />

hochpräziser Messgeräte zur Erfassung und Analyse aller<br />

qualitätsbeschreibenden Eigenschaften <strong>der</strong> Elektroenergie.<br />

Zu den <strong>HAAG</strong>-Kompetenzfel<strong>der</strong>n gehören u. a.<br />

► Netzqualitätsmessgeräte und -schreiber<br />

► Netzanalysatoren und Leistungsmessgeräte<br />

<strong>HAAG</strong> veröffentlicht regelmäßig eigene Fachbeiträge und und stellt<br />

Seminarunterlagen namhafter Fachspezialisten ins Netz.<br />

Zur Auswahl: www.haag-messgeraete.de -> Bibliothek<br />

<strong>Grundlagen</strong> <strong>der</strong> <strong>elektrischen</strong> <strong>Energieversorgung</strong><br />

<strong>HAAG</strong> stellt anschaulich gestaltete Seminarunterlagen über die <strong>Grundlagen</strong><br />

<strong>der</strong> <strong>elektrischen</strong> <strong>Energieversorgung</strong> zum Download bereit.<br />

Die Seminare werden regelmäßig von Dipl.-Ing. Walter Castor, Stadtwerke<br />

Erlangen, veranstaltet und unterliegen seinem Copyright. Die Vervielfältigung<br />

und <strong>der</strong> Druck dieser Unterlagen ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung des<br />

Autors zulässig.<br />

Dem Leser wird umfassendes Wissen über <strong>Grundlagen</strong>, Basistechnologien,<br />

Fachausdrücke und Wirkungsprinzipien aus dem Fachgebiet <strong>der</strong> <strong>Energieversorgung</strong><br />

vermittelt.<br />

Die Seminare richten sich hauptsächlich an Einsteiger in das Fachgebiet, aber<br />

auch Profis finden viele neue Informationen. Diese Unterlagen eignen sich<br />

hervorragend zur Auffrischung des <strong>Grundlagen</strong>wissens.<br />

Viele interessante Beispiele beleben den Blick in die Praxis.<br />

► Textband - <strong>Grundlagen</strong> und Theorie (ca. 120 Seiten - 1,2 MB)<br />

► Seminar 1 - <strong>Grundlagen</strong> (ca. 2.2 MB)<br />

► Seminar 1a - Kraftwerke (ca. 1,5 MB)<br />

► Seminar 2 - Netze (ca. 1,3 MB)<br />

► Seminar 3 - Kabel (ca. 3,4 MB)<br />

► Seminar 4 - Schaltgeräte (ca. 1,7 MB)<br />

► Seminar 5 - Trafo (ca. 2,2 MB)<br />

► Seminar 6 - Schaltanlagen (ca. 7,6 MB)<br />

► Seminar 7 - Fehler (ca. 1,3 MB)<br />

► Seminar 8 - Netzschutz (ca. 1 MB)<br />

► Seminar 9 - Arbeitssicherheit (ca. 1,8 MB)<br />

► Seminar 10 - Störungen, Schaltungen, Kundenanschluss (ca. 2 MB)<br />

► Seminar 11 - Zusammenfassungen (ca. 0,2 MB)


05 1<br />

05 2<br />

L1<br />

L2<br />

L3<br />

Dreipoliger Kurzschluß<br />

(three-phase short circuit)<br />

(faults)<br />

Liefert den größten Kurzschlußstrom<br />

An <strong>der</strong> Fehlerstelle sind alle Spannungen = 0<br />

Symmetrische Belastung <strong>der</strong> Bauelemente<br />

I<br />

"<br />

K 3<br />

Anlagen und Bauelemente müssen dynamisch<br />

"<br />

und thermisch für I bzw. IS ausgelegt sein<br />

L1<br />

L2<br />

L3<br />

K 3<br />

Is<br />

Ein- bzw. zweipoliger Kurzschluß<br />

mit Erdberührung<br />

Einpoliger Fehler ist die häufigste Fehlerart<br />

(phase-to-earth fault)<br />

Erfor<strong>der</strong>lich für die Ermittlung <strong>der</strong><br />

Berührungsspannung und <strong>der</strong><br />

Bemessung von Erdungsanlagen<br />

Fehlerarten I<br />

Fehlerarten II<br />

L1<br />

L2<br />

L3<br />

L1<br />

L2<br />

L3<br />

Zweipoliger Kurzschluß<br />

(phase-to-phase fault)<br />

(ohne Erdberührung)<br />

Unsymmetrischer Fehler,<br />

nicht alle Spannungen an<br />

<strong>der</strong><br />

Fehlerstelle werden 0<br />

" 3<br />

I K 2 = × I<br />

2<br />

"<br />

K 3<br />

Doppelerdschluß<br />

(phase-earth-phase fault)<br />

Tritt nur in Netzen mit freiem<br />

Sternpunkt o<strong>der</strong> mit Erdschlußkompensation<br />

auf<br />

" "<br />

I KEE > I K 2<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


05 3<br />

05 4<br />

"<br />

2× 2 × I k<br />

I<br />

k<br />

I b<br />

I<br />

U<br />

I P<br />

Strom<br />

A<br />

Kurzschlußverlauf<br />

I” K = Anfangs-Kurzschlußwechselstrom (für Netzschutzberechnung)<br />

i P = Stoßkurzschlußstrom<br />

(für mechan. Festigkeit)<br />

I K = Dauerkurzschlußstrom<br />

i DC= abklingende Gleichstromkomponente<br />

obere Hüllkurve<br />

abklingende Gleichstromkomponente<br />

untere Hüllkurve<br />

= κ × 2 × I′′<br />

k<br />

mitκ = 1, 02 + 0, 98 × e<br />

Verlauf von Strom und Spannung im Fehlerfall<br />

R<br />

−3,0301<br />

X<br />

2×<br />

2 × I k<br />

Spannung und<br />

Betriebsstrom<br />

am Betriebsmittel<br />

ZL ZT ZL Z<br />

Erzeuger Trafo<br />

Verbraucher<br />

M<br />

Zeit<br />

© W. Castor, 2007<br />

Spannung und<br />

Kurzschlußstrom<br />

am Betriebsmittel<br />

© W. Castor, 2007


05 5<br />

05 6<br />

Kabelbündelungen<br />

Kurzschlußleistung<br />

Produkt aus Anfangs-Kurzschlußwechselstrom und Nennspannung<br />

fiktive Größe<br />

Die Kurzschlußleistung wird benötigt zur<br />

• Erhaltung <strong>der</strong> Ansprechsicherheit des Haupt- und Reserveschutzes<br />

• Verbesserung <strong>der</strong> Versorgungsqualität (Spannungskonstanz,<br />

Oberschwingungen)<br />

• Sicherung <strong>der</strong> Anlaufvorgänge großer Antriebe<br />

Die Kurzschlußleistung wird gemin<strong>der</strong>t durch<br />

1. Dezentrale Erzeugung in BHKW<br />

2. Vergrößerung <strong>der</strong> Windkrafterzeugung (IK ~ 1,1 x IN )<br />

3. Minimierung <strong>der</strong> Grundlasterzeugung in Kraftwerken<br />

4. Netzvereinfachung zur Minimierung <strong>der</strong> Netzverluste<br />

5. HGÜ-Übertragung (keine Kurzschluß- und Blindleistungsübertragung)<br />

6. Freier Strommarkt mit entfernten Erzeugern großer Leistung<br />

Bän<strong>der</strong><br />

Schellen<br />

Dämpfung des Kurzschlußstromes<br />

im Verlauf <strong>der</strong> Kabelstrecke<br />

NAKBA 240 mm 2<br />

Auswirkung von Kurzschlußströmen<br />

kA<br />

14<br />

12<br />

10<br />

8<br />

6<br />

4<br />

2<br />

0<br />

0 1 2 3 4 5 6 km 7<br />

Auswirkungen des Kurzschlußstromes auf Kabelbefestigungen<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


05 7<br />

05 8<br />

Sternpunktbehandlung<br />

(starpoint connection)<br />

Er<strong>der</strong>verbindung von Transformatorsternpunkten<br />

Im Normalbetrieb <strong>der</strong> Netze nahezu ohne jeden Einfluß !<br />

Die Art <strong>der</strong> Sternpunktbehandlung bestimmt das Betriebsverhalten<br />

bei unsymmetrischen Fehlern<br />

Isolierter Sternpunkt (OSP)<br />

(insulated neutral)<br />

10 ... 60 A kap. Erdschlußstrom<br />

Spannungsanhebung im gesamten Netz<br />

� kap. Erdschlußstrom<br />

� selbstlöschend nur bis wenige A<br />

� Doppelerdschlußgefahr<br />

Erdfehlerfaktor δ = √3 ( > 1,4 ⇒ nicht wirksam geerdet)<br />

Anwendung:<br />

Netze geringer Ausdehnung<br />

Industrienetze<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


05 9<br />

05 10<br />

Stromverteilung: Sternpunkt isoliert<br />

10 ... 60 A<br />

Direkte Sternpunkterdung<br />

(solid earthing)<br />

Höchstwert <strong>der</strong> Spannung an <strong>der</strong> Fehlerstelle<br />

� Erdkurzschlußstrom I“ k1pol<br />

� stehen<strong>der</strong> Lichtbogen<br />

Erdfehlerfaktor δ ≤ 1 (wirksam geerdet)<br />

Anwendung:<br />

ausgedehnte Freileitungsnetze<br />

Hochspannungsnetze<br />

teilstarre Erdung: nicht alle wi<strong>der</strong>standslos geerdet<br />

... 2000 A kap. Erdschlußstrom<br />

(I K1 ≤ I K3 )<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


05 11<br />

05 12<br />

Z<br />

Stromverteilung: Sternpunkt starr geerdet<br />

Ansprechen des Netzschutzes<br />

... 2000 A<br />

Nie<strong>der</strong>ohmige Sternpunkterdung (NOSPE)<br />

(low-resistance earthing)<br />

700 ... 1500 A kap. Erdschlußstrom<br />

Höchstwert <strong>der</strong> Spannung an <strong>der</strong> Fehlerstelle<br />

� Erdkurzschlußstrom I“ k1pol<br />

� meist stehen<strong>der</strong> Lichtbogen<br />

Erdfehlerfaktor δ ≤ 1,4 (wirksam geerdet)<br />

Anwendung:<br />

Kabelnetze<br />

Anwendung: Verteilnetze mit hohem Kabelanteil<br />

Kurzzeit-Nie<strong>der</strong>ohmige<br />

Sternpunkterdung (KNOSPE):<br />

Z<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


05 13<br />

05 14<br />

Erdschlußkompensation (RESPE)<br />

(ground fault compensation)<br />

� Spannungsanhebung im gesamten Netz<br />

� Doppelerdschlußgefahr<br />

� Erdschlußreststrom<br />

� langsamer Anstieg <strong>der</strong> wie<strong>der</strong>kehrenden Spannung<br />

� selbstlöschend bis Löschgrenze<br />

(ca. 60 A bis 20 kV, 130 A bis 110 kV))<br />

Erdfehlerfaktor δ = √3 ( > 1,4 ⇒ nicht wirksam geerdet)<br />

Anwendung Resonanzsternpunkterdung:<br />

Freileitungsnetze, Mittelspannungs-Verteilnetze<br />

... 300 A kap. Erdschlußstrom<br />

Nicht kompensierbarer ohmscher Anteil (Wattreststrom):<br />

in Hochspannungsnetzen: 3 ... 5 %<br />

in Mittelspannungsnetzen: 5 ... 8 %<br />

Auch in Verbindung mit Kurzzeiterdung (< 100 ms) zur Fehlerortermittlung<br />

(Ansprechen, aber nicht Auslösen des Netzschutzes)<br />

Erdfehlerfaktor δ < 1,4 (wirksam geerdet)<br />

Spannungsverteilung im Erdschlußfall im gelöschten Netz<br />

Schritt- und<br />

Berührungsspannung<br />

Beeinflußung von<br />

Fremdanlagen<br />

L3<br />

U L1-L3<br />

U L3<br />

L1<br />

U L1<br />

N Sternpunkt<br />

U L3-L2<br />

Gesundes Netz<br />

U L2<br />

U L2-L1<br />

Spannungsüberhöhung <strong>der</strong> gesunden Leiter auf<br />

max. Außenleiterspannung<br />

Zus. Einschwingüberhöhung<br />

Erhöhte Isolationsbeanspruchung<br />

L2<br />

Z<br />

Fehlerstrom belastet therm. und<br />

mechan. die Erdungsanlagen<br />

3 x U L1<br />

L3 Sternpunkt<br />

L1<br />

3 xU L2<br />

© W. Castor, 2007<br />

Erdschlußbehaftetes Netz<br />

(earth faulted system)<br />

L2<br />

© W. Castor, 2007


05 15<br />

05 16<br />

Stromverteilung: Sternpunkt induktiv geerdet = gelöschtes Netz<br />

„ Der Gesunde muß den Kranken speisen “<br />

Erdschlußlöschspule<br />

(Petersen-Spule)<br />

Ansprechen des Netzschutzes<br />

Wattreststrom<br />

10 ... 60 A<br />

(nicht kompensierbar)<br />

Stromverteilung: Doppelerdschluß<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


05 17<br />

05 18<br />

10<br />

9<br />

8<br />

7<br />

6<br />

5<br />

4<br />

3<br />

2<br />

1<br />

UM (V)<br />

Freiltg. Kabel<br />

Einstellung <strong>der</strong> Petersenspule<br />

(arc suppression coil)<br />

Netz: schwingfähiges Gebilde (Schwingkreis)<br />

Parallelresonanz<br />

Freileitungsnetz:<br />

korrekte Einstellung<br />

ca. 10% überkompensiert<br />

Kabelnetz:<br />

korrekte Einstellung<br />

Resonanzpunkt<br />

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Spulenstrom (A)<br />

Erfassen <strong>der</strong> Verlagerungsspannung<br />

an <strong>der</strong> offenen Dreieckswicklung<br />

des Spannungswandlers<br />

L1 L2 L3<br />

L1 L2 L3 N<br />

T1 T2<br />

Tauchkernspule<br />

Anschaltung <strong>der</strong> Erdschlußlöschspulen<br />

Einstellbereich ca. 1: 12,5<br />

i.d.R. Mit Leistungshilfswicklung<br />

TK1 TK2<br />

Festspule<br />

Stufenspule<br />

(6-7 Stufen)<br />

Einstellbereich ca. 1:2,5<br />

e<br />

n<br />

U M<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


05 19<br />

05 20<br />

Tauchkernspule<br />

110 kV<br />

20 kV<br />

Aufbau <strong>der</strong> Erdschlußlöschspule<br />

Anschluß <strong>der</strong> Sternpunktmaßnahmen<br />

YD<br />

Schnitt durch Tauchkernspule<br />

Sternpunkbildner stets in <strong>der</strong> Nähe<br />

des speisenden Trafos !<br />

Sternpunktbildner<br />

bzw. Sternpunkttrafo<br />

Z<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


05 21<br />

05 22<br />

Fehlerbil<strong>der</strong>: stehen<strong>der</strong> Erdschluß<br />

Fehlerbil<strong>der</strong>: intermittieren<strong>der</strong> Erdschluß<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


05 23<br />

05 24<br />

Fehlerbil<strong>der</strong>: Kurzschluß (3-phasig, mit Erdberührung)<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Hochspannung)<br />

Trafo-Diff<br />

löste<br />

ordnungsgemäß aus !<br />

Fußpunkte<br />

Überschlag an einem Überspannungsableiter durch Wildwuchs<br />

© W. Castor, 2007<br />

Porzellan-Reste<br />

Gewicht: ca 10 kg<br />

Flugweite: ca. 15 m<br />

© W. Castor, 2007


05 25<br />

05 26<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Trafo und Wandler)<br />

Windungsschluß auf <strong>der</strong> OS<br />

eines 400-kVA-Transformators<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Trafo I)<br />

Nicht ordnungsgemäß<br />

festgezogenes<br />

Trafoanschlußkabel<br />

Windungsschluß (interturn fault)<br />

auf <strong>der</strong> US<br />

eines 630-kVA-Transformators<br />

Beschädigung <strong>der</strong> OS und des Kerns<br />

Aufplatzen des Kessels<br />

Schadeneintritt ca. 1 h nach IBN<br />

Spannungswandler<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


05 27<br />

05 28<br />

Kessel: 6%<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Trafo II)<br />

Fehler an einem Umsteller in einem 8-MVA-Maschinentrafo 6 / 20 kV Bj.1961<br />

Zusatzeinrichtungen: 5%<br />

Durchführung: 14%<br />

Stufenschalter: 40%<br />

Wicklung + Kern: 35%<br />

stat. Fehlerhäufigkeit an Trafos<br />

Beschädigung VPE-Kabel durch<br />

Baggereinwirkung<br />

Blitzeinschlag in ein<br />

Lampenkabel<br />

Starke Ölkohleablagerungen<br />

Umsteller bei Wartungsarbeiten betätigen !<br />

Durch Kurzschlußströme besteht die Gefahr,<br />

dass gealterte Papierisolationen aufreißen:<br />

Teilentladungen,<br />

Durchschläge<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Kabel) I<br />

Beschädigung Masse-Kabel durch<br />

Trennschnei<strong>der</strong><br />

Erdschluß an einem VPE-Kabel<br />

(unsachgemäße Verlegung)<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


05 29<br />

L1<br />

L3<br />

05 30<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Kabel) II<br />

Fluchtstange in einem Massekabel<br />

Das sollte den Zaun<br />

stützen...<br />

(NSpg.)<br />

Wurzelverwachsung<br />

an einem<br />

Steuerkabel<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Freileitung) V<br />

Wie<strong>der</strong>zuschaltung einer Sammelschiene<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


05 31<br />

05 32<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Freileitung) VI<br />

Wie<strong>der</strong>zuschaltung einer Sammelschiene auf Last<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Schaltgeräte) I<br />

Vorher...<br />

Sicherungslasttrenner 400 A<br />

I K ca. 15 kA, t ~ 1,5 sec.<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


05 33<br />

05 34<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Schaltgeräte) II<br />

Lasttrennschalter (Längskupplung)<br />

2500 A<br />

I K ca. 30 kA, t ~ 1,3 sec.<br />

Materialfehler im mechan. Antriebssystem<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Schaltgeräte) III<br />

Kabeltrenner<br />

Kontakte nicht einwandfrei eingeschaltet<br />

Folge: Totalausfall Umspannwerk<br />

Sicherungslasttrenner<br />

HH-Sicherung durch<br />

Schaltüberspannung zerstört<br />

Feststoffisolierte Kompaktanlage<br />

Nicht erkannte TE<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Schaltanlage)<br />

05 35<br />

05 36<br />

Wassereinbruch<br />

durch<br />

geborstene<br />

Revisionsklappe<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Schaltanlagen)<br />

undichte Durchführungen<br />

(„Trafo schwitzt“)<br />

bei geringen Mengen vernachlässigbar<br />

auf Dauer wirkungslos bleiben:<br />

- nachziehen <strong>der</strong> Durchführungen<br />

- nachziehen des Deckels<br />

Wassereinbruch in Kompaktstation<br />

© W. Castor, 2007<br />

Schaltanlage SF 6 – isoliert: Betrieb problemlos<br />

möglich<br />

Station trotz Winter nicht hoch belastet<br />

Im Sommer ist ein Ausfall wahrscheinlich !<br />

© W. Castor, 2007


05 37<br />

05 38<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Nie<strong>der</strong>spannungsnetz)<br />

Nach dem Freischalten:<br />

Vorsichtiges Aufrichten <strong>der</strong> Verteilung<br />

Berührungssicher abdecken !<br />

Auswechseln des Schrankes<br />

schnellstmöglich.<br />

Angefahrener Kabelverteilerschrank<br />

Schrank steht noch unter Spannung !<br />

Gefährdung von Passanten<br />

Versorgungsausfall nur teilweise.<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Nie<strong>der</strong>spannung) I<br />

NSpg.-Leistungsschalter<br />

Kontaktvermin<strong>der</strong>ung durch<br />

Kaltfließen des Al-Leiters<br />

Ausgebrannte NSpg.-Verteilung<br />

Ursache: ??<br />

© W. Castor, 2007<br />

© W. Castor, 2007


05 39<br />

05 40<br />

Auswirkungen <strong>der</strong> Fehler (Nie<strong>der</strong>spannung) II<br />

Kurzschluß durch unvorsichtiges<br />

Einsetzen einer NH-Sicherung<br />

Kurzschluß durch<br />

unvorschriftsmäßige<br />

Montage (Nichtbeachten <strong>der</strong><br />

5-Sicherheitsregeln)<br />

Interessantes aus <strong>der</strong> Haustechnik…<br />

Netzseitiger PEN am RCD angeschlossen<br />

Aufteilung erst hinter RCD<br />

© W. Castor, 2007<br />

Zuleitung von oben statt von unten,<br />

zwei Leiter unter einer Klemme,<br />

mehrdrähtiger Leiter nicht vor<br />

Aufspleißen geschützt<br />

Dazu fällt nichts mehr ein …<br />

© W. Castor, 2007

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