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3. Das Elektroenergieverteilungssystem
Historisches und Einordnung
Für das im folgenden beschriebene technische Phänomen werden zwei Bezeichnungen verwendet, Drehstrom und Dreiphasenwechselstrom. Die Bezeichnung Drehstrom ist darauf zurückzuführen, dass diese Stromart mit einem Drehfeld erzeugt wird und selbst wieder Drehfelder erzeugen kann.
Auf der internationalen Elektrotechnikausstellung 1891 in Frankfurt am Main war das Drehstromübertragungssystem ebenso sensationell, wie der Drehstromgenerator und der Drehstrommotor selbst. Die Länge der Übertragungsstrecke betrug 175 km, die Spannung war auf 15 kV herauf transformiert worden, die Übertragungsleistung betrug 300 PS.
Allgemein gilt für das System folgende Darstellung.
Für das Übertragungssystem gilt: Ui Uo (Spannungsabfälle über den Leitungen)ii = io
ccccosi = coso
fi= fo
Dreh-
strom-
system
Verlustleistung Q
3Ui;3Ii,fi,cos i
(Drehstromi)
3Uo;3Io,fo,cos 0o
(Drehstromi)
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Elektroenergieversorgungsnetze
Elektroenergieversorgungsnetze sind mit dem Drehstromsystem aufgebaut.Die Führungsgrößen eines Elektroenergieversorgungsnetzes sind Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit. Die deutlich spürbaren Wirkungen von Netzausfällen und die sich ändernden Energiekosten machen uns das gegenwärtig.
Die Funktionen eines Netzes sind:
Übertragen als Energieferntransport über mehrere Spannungsebenen, die durch Umspannwerke miteinander verbunden werden.
Verteilen aus den Hochleistungsleitungen, d.h. stufenweises dezentralisieren.
Versorgen über die Ortsnetze, d.h. Heranführen an die Verbraucher.
Bestandteile von Energieversorgungsnetzen sind:Leitungen einschließlich der IsolatorenSchaltanlagenMess- und InformationstechnikUmspannerSchutzeinrichtungen.
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Das westeuropäische Verbundnetz
Vorteile: Gebietsbezogener und zeitlicher Last- und Erzeugungsausgleich und kostengünstige Reservestellung für nicht verfügbare Kraftwerke.
Nachteile: Im Havariefall können große
Netzabschnitte ausfallen.
Quelle: Elektrotechnik/EnergietechnikHeymann,Sauerwein
Das Verbundnetz bildet das Rückgrat der Stromversorgung. Heute ist fast ganz Europa in das Verbundnetz einbezogen. Die folgende Karte zeigt die arbeitenden Verbindungsleitungen.
Den Weg zum Verbundnetz der Elektro-energieversorgungsunternehmen beschritt zuerst im Jahre 1926 das Rheinisch - Westfälische Elektrizitätswerk.
Innerhalb von sechs Jahren wurde eine 800 km lange 220000-V-Leitung von den Braun-kohle - Kraftwerken im Köln - Aachener Raum bis zu den Wasserkraftwerken in den Alpen fertig gestellt und mit dazwischen liegenden Verbrauchsschwerpunkten verknüpft. Diese Leitung ermöglichte den Energieaustausch zwischen den beiden Erzeugungsschwerpunkten.
Im gesamten Netz arbeiten die Generatoren synchron.
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Das Drehstromübertragungssystem ist die Hauptform der elektrischen Energieübertragung.Gegenüber Einphasenwechsel- oder der Gleichstrom hat es folgende Vorteile.• Einfache Erzeugung magnetischer Drehfelder• Bessere Leiterausnutzung• Einfache Bereitstellung von 2 Spannungsebenen• Einfache Umformung in Gleichstrom
WirkprinzipDer DSG erzeugt die drei Spannungen
Das Wirkprinzip des Drehstromübertragungssystems beruht darauf, dass die Augenblicksspannungen und -ströme in jedem Zeitpunkt 0 sind.
Das gilt aber nur für den Fall, dass alle drei Spannungen gleiche Amplitudegleiche Frequenz und gleichen Kurvenverlauf haben.
In diesem Fall können drei Stromkreise aufgebaut werden.
0I 0U
t
+U
-U
240sinmax3 tUU
120sinmax2 tUU
tUU sinmax1 Für die drei Generatorspannungen gilt:
240sinmax3 tII
120sinmax2 tII
tII sinmax1 Analog für die Ströme:
Das Drehstromübertragungssystem
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DSG- Wicklungen Verbraucherwiderstände
Ein offenes Drehstromsystem
Verkettung ist eine spezifische Art des Zusammenschaltens, bei der drei Rückleiter entfallen. Voraussetzung: U = 0; I = 0
1. Sternschaltung
U1
U2U3
I1
I1I2
I2
I3
I3
Die verkettete Systeme
2. Dreieckschaltung
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•Strom und Spannung werden auch als Leitergrößen IL und UL bezeichnet. (Spannung zwischen den Außenleitern z.B. UL1/L3 und Strom im Außenleiter IL )
Festlegungen:
•Anfänge von Strängen, das sind Wicklungen oder Widerstände, werden mit werden mit U1, V1 und W1 bezeichnet.
U1
U1
V1
W1 V1
W1
U2
U2
V2
W2
V2
W2
•Enden von Strängen werden mit U2, V2 und W2 bezeichnet.
•Außenleiter werden mit L1, L2 und L3 und der Neutralleiter mit N bezeichnet.
L2
L3
L1
•Strom und Spannung werden als Stranggrößen IS bzw. US bezeichnet. (Spannung über einer Teilwicklung oder einem Teilwiderstand, Strom durch eine Teilwicklung oder einen Teilwiderstand)
N
US U S
IS
IS
IL
UL
1/L
3
Hinweis: In der praktischen Arbeit sind die Leitergrößen von vorherrschender Bedeutung.Berechnung von UL und US
US1
US3
US2
Aus dem Zeiger-diagramm der drei Leiterspannungen liest man ab:
1
2/1
230cosS
L
U
U
3
2
130cos;30cos2 12/1 SL UU
32
12 12/1 SL UU
312/1 SL UU
321 SSS UUU
SLSl IIundUU 3
sfaktorVerkettung:3
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Zeigerdiagramm der Dreieckschaltung
Berechnung von IL und IS
1
1
230cosS
L
I
I
11 3 SL II
Rückstrom- oder Neutralleiter sind bei Dreieckschaltung nicht anschließbar.
Merke: Die abgeleiteten Beziehungen (Leiter- und Strangwerte) für symmetrische Stern- und Dreieck-schaltung gelten unabhängig für Generator-, Übertragungs- oder Verbrauchergrößen.
Man liest man für Dreickschaltung ab: UL = US
UL US
US1
U S1
IL1
IS1
IS2
IS3
-IS3
IL1
IS1IS3
30cos211 SL II
SLSL UUundII 3
SLSl IIundUU 3
In der Praxis sind I1 I2 I3. D.h. es gilt I 0. Bei der Sternschaltung fliesst dann im Neutralleitert N ein Strom. Diese Belastung wird als unsymmetrische Belastung bezeichnet.
N
Zusammenfassung:
Sternschaltung Dreieckschaltung
SLSL UUundII 3
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Leistungen im Drehstromsystem
Merke: .Die Drehstromleistung ist die Summe aller Teilleistungen!
cos
cos
cos
33
22
11
SSW
SSV
SSU
IUP
IUP
IUPbei symmetrischer Belastung gilt cos3 SS IUP
Leiterwerte sind praktisch einfacher messbar, weil das Messen der Strangwerte oft mit einem Eingriff in die Maschine verbunden ist.Deshalb werden die Leistungsbeziehungen oft auch in folgender Schreibweise angegeben.
Sternschaltung
cos3
cos3
33
LLLS
LLL
S
IUPdamitundII
IU
PdamitundU
U
Dreieckschaltung
cos33
cos3
3
LLL
S
LLLS
IUPdamitundI
I
IUPdamitundUU
Für die Leistungsarten gilt somit analog
cos3.cos3 LLSS IUPbzwIUP Wirkleistung
Blindleistung sin3 LLIUQ
Scheinleistung LLIUS 3
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Die Netzstruktur
Quelle: Lehrerfachheft Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie
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Umspannanlage
110 kV
Quelle: Lehrerfachheft Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie
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Der Hausanschluss
Niederspannungsnetz 400/230 V
L1
L2
L3
NQuelle: Elektroinstallation, H.-J. Geist, elektor
Erdung des Sternpunktes
Körper der Betriebsmittel sind mit dem Sternpunkt direkt verbunden
PE- und N-Leiter sind ab Span- nungsquelle getrennt verlegt
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