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WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung 1 3. Das Elektroenergieverteilungssystem Historisches und Einordnung.

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1 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung 1 3. Das Elektroenergieverteilungssystem Historisches und Einordnung Für das im folgenden beschriebene technische Phänomen werden zwei Bezeichnungen verwendet, Drehstrom und Dreiphasenwechselstrom. Die Bezeichnung Drehstrom ist darauf zurückzuführen, dass diese Stromart mit einem Drehfeld erzeugt wird und selbst wieder Drehfelder erzeugen kann. Auf der internationalen Elektrotechnikausstellung 1891 in Frankfurt am Main war das Drehstromübertragungssystem ebenso sensationell, wie der Drehstromgenerator und der Drehstrommotor selbst. Die Länge der Übertragungsstrecke betrug 175 km, die Spannung war auf 15 kV herauf transformiert worden, die Übertragungsleistung betrug 300 PS. Allgemein gilt für das System folgende Darstellung. Für das Übertragungssystem gilt: U i U o (Spannungsabfälle über den Leitungen) i i = i o ccccos i = cos o f i = f o Dreh- strom- system Verlustleistung Q 3U i ;3I i,f i,cos i (Drehstrom i ) 3U o ;3I o,f o,cos 0o (Drehstrom i )

2 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung 2 Elektroenergieversorgungsnetze Elektroenergieversorgungsnetze sind mit dem Drehstromsystem aufgebaut. Die Führungsgrößen eines Elektroenergieversorgungsnetzes sind Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit. Die deutlich spürbaren Wirkungen von Netzausfällen und die sich ändernden Energiekosten machen uns das gegenwärtig. Die Funktionen eines Netzes sind: Übertragen als Energieferntransport über mehrere Spannungsebenen, die durch Umspannwerke miteinander verbunden werden. Verteilen aus den Hochleistungsleitungen, d.h. stufenweises dezentralisieren. Versorgen über die Ortsnetze, d.h. Heranführen an die Verbraucher. Bestandteile von Energieversorgungsnetzen sind: Leitungen einschließlich der Isolatoren Schaltanlagen Mess- und Informationstechnik Umspanner Schutzeinrichtungen.

3 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung 3 Das westeuropäische Verbundnetz Vorteile: Gebietsbezogener und zeitlicher Last- und Erzeugungsausgleich und kostengünstige Reservestellung für nicht verfügbare Kraftwerke. Nachteile: Im Havariefall können große Netzabschnitte ausfallen. Quelle: Elektrotechnik/Energietechnik Heymann,Sauerwein Das Verbundnetz bildet das Rückgrat der Stromversorgung. Heute ist fast ganz Europa in das Verbundnetz einbezogen. Die folgende Karte zeigt die arbeitenden Verbindungsleitungen. Den Weg zum Verbundnetz der Elektro- energieversorgungsunternehmen beschritt zuerst im Jahre 1926 das Rheinisch - Westfälische Elektrizitätswerk. Innerhalb von sechs Jahren wurde eine 800 km lange V-Leitung von den Braun- kohle - Kraftwerken im Köln - Aachener Raum bis zu den Wasserkraftwerken in den Alpen fertig gestellt und mit dazwischen liegenden Verbrauchsschwerpunkten verknüpft. Diese Leitung ermöglichte den Energieaustausch zwischen den beiden Erzeugungsschwerpunkten. Im gesamten Netz arbeiten die Generatoren synchron.

4 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung 4 Das Drehstromübertragungssystem ist die Hauptform der elektrischen Energieübertragung. Gegenüber Einphasenwechsel- oder der Gleichstrom hat es folgende Vorteile. Einfache Erzeugung magnetischer Drehfelder Bessere Leiterausnutzung Einfache Bereitstellung von 2 Spannungsebenen Einfache Umformung in Gleichstrom Wirkprinzip Der DSG erzeugt die drei Spannungen Das Wirkprinzip des Drehstromübertragungssystems beruht darauf, dass die Augenblicksspannungen und -ströme in jedem Zeitpunkt 0 sind. Das gilt aber nur für den Fall, dass alle drei Spannungen gleiche Amplitude gleiche Frequenz und gleichen Kurvenverlauf haben. In diesem Fall können drei Stromkreise aufgebaut werden. t +U+U -U-U Für die drei Generatorspannungen gilt: Analog für die Ströme: Das Drehstromübertragungssystem

5 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung 5 DSG- Wicklungen Verbraucherwiderstände Ein offenes Drehstromsystem Verkettung ist eine spezifische Art des Zusammenschaltens, bei der drei Rückleiter entfallen. Voraussetzung: U = 0; I = 0 1. Sternschaltung U1U1 U2U2 U3U3 I1I1 I1I1 I2I2 I2I2 I3I3 I3I3 Die verkettete Systeme 2. Dreieckschaltung

6 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung 6 Strom und Spannung werden auch als Leitergrößen I L und U L bezeichnet. (Spannung zwischen den Außenleitern z.B. U L1/L3 und Strom im Außenleiter I L ) Festlegungen: Anfänge von Strängen, das sind Wicklungen oder Widerstände, werden mit werden mit U 1, V 1 und W 1 bezeichnet. U1U1 U1U1 V1V1 W1W1 V1V1 W1W1 U2U2 U2U2 V2V2 W2W2 V2V2 W2W2 Enden von Strängen werden mit U 2, V 2 und W 2 bezeichnet. Außenleiter werden mit L 1, L 2 und L 3 und der Neutralleiter mit N bezeichnet. L2L2 L3L3 L1L1 Strom und Spannung werden als Stranggrößen I S bzw. U S bezeichnet. (Spannung über einer Teilwicklung oder einem Teilwiderstand, Strom durch eine Teilwicklung oder einen Teilwiderstand) N USUS USUS ISIS ISIS ILIL U L1/L3 Hinweis: In der praktischen Arbeit sind die Leitergrößen von vorherrschender Bedeutung. Berechnung von U L und U S U S1 U S3 U S2 Aus dem Zeiger- diagramm der drei Leiterspannungen liest man ab:

7 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung 7 Zeigerdiagramm der Dreieckschaltung Berechnung von I L und I S Rückstrom- oder Neutralleiter sind bei Dreieckschaltung nicht anschließbar. Merke: Die abgeleiteten Beziehungen (Leiter- und Strangwerte) für symmetrische Stern- und Dreieck- schaltung gelten unabhängig für Generator-, Übertragungs- oder Verbrauchergrößen. Man liest man für Dreickschaltung ab: U L = U S ULUL USUS U S1 I L1 I S1 I S2 I S3 -I S3 I L1 I S1 I S3 In der Praxis sind I 1 I 2 I 3. D.h. es gilt I 0. Bei der Sternschaltung fliesst dann im Neutralleitert N ein Strom. Diese Belastung wird als unsymmetrische Belastung bezeichnet. N Zusammenfassung: SternschaltungDreieckschaltung

8 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung 8 Leistungen im Drehstromsystem Merke:.Die Drehstromleistung ist die Summe aller Teilleistungen! bei symmetrischer Belastung gilt Leiterwerte sind praktisch einfacher messbar, weil das Messen der Strangwerte oft mit einem Eingriff in die Maschine verbunden ist. Deshalb werden die Leistungsbeziehungen oft auch in folgender Schreibweise angegeben. SternschaltungDreieckschaltung Für die Leistungsarten gilt somit analog Wirkleistung Blindleistung Scheinleistung

9 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung 9 Die Netzstruktur Quelle: Lehrerfachheft Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie

10 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung 10 Umspannanlage 110 kV Quelle: Lehrerfachheft Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie

11 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung 11 Der Hausanschluss Niederspannungsnetz 400/230 V L1L1 L2L2 L3L3 N Quelle: Elektroinstallation, H.-J. Geist, elektor Erdung des Sternpunktes Körper der Betriebsmittel sind mit dem Sternpunkt direkt verbunden PE- und N-Leiter sind ab Span- nungsquelle getrennt verlegt

12 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Energietechnik – 3. Energieverteilung 12


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