Palic / Papailiou / Schultz Freileitungen und Kabel in Hoch- und Höchstspannungsnetzen kompakt

1. Auflage 2023
ISBN: 978-3-381-10483-3
Verlag: expert verlag
Format: EPUB
Kopierschutz: 6 - ePub Watermark

E-Book, Deutsch, 242 Seiten

Das Buch enthält alle wesentlichen Grundlagen der Freileitungs- und Kabeltechnik im Hoch- und Höchstspannungsbereich in allgemein verständlicher Form.

Markus Palic: Netzbauingenieur im Bereich Hoch- und Höchstspannungsleitungsbau. Danach Vorstand der Westdeutschen Licht- und Kraftwerke AG, Geschäftsführer der NEW-Netz und der Westenergie und Verkehr sowie Lehrbeauftragter an den Hochschulen Mannheim und Aachen/Jülich. Konstantin O. Papailiou: Promotion an der ETH Zürich, Habilitation und Honorarprofessur an der TU Dresden. Lehraufträge an den Universitäten Stuttgart und Dresden. Vorm. Vorstandsvorsitzender der Pfisterer Holding AG und past Chairman des CIGRE- Studienkomitees B2 für Freileitungen. Guntram Schultz: Planungsingenieur im Bereich Netzplanung und -entwicklung. Professor an der Hochschule Karlsruhe. Lehrbeauftragter und Gutachter für Netztechnik und regenerative Energieversorgung an verschiedenen Bildungs- und Ausbildungseinrichtungen. Die Autoren sind seit vielen Jahren in der Aus- und Fortbildung des Ingenieurnachwuchses tätig.

Autoren/Hrsg.

Palic, Markus

Papailiou, Konstantin O.

Schultz, Guntram

Leseproben

1 Geschichte und Grundlagen der elektrischen Energieübertragung
1.1 Historie der Stromübertragung
Wie so oft in der Geschichte, beginnen bedeutende Entwicklungen mit einem Streit unter Experten. So auch bei der grundlegenden Entscheidung über die Spannungsart- und höhe bei der Fernübertragung elektrischer Energie. Die beiden Protagonisten Thomas Alva Edison und Nikola Tesla stritten im ausgehenden 19ten Jahrhundert unerbittlich darüber. Während sich Edison als Verfechter des Gleichstroms (DC, aus dem Englischen: direct current) vehement für die Gleichstromübertragung einsetzte, bewies Tesla den größeren Weitblick, indem er eine Wechselstromübertragung bzw. mit deren Erweiterung auf drei Leiter eine Drehstromübertragung (AC, aus dem Englischen: alternating current) forderte, die wir heute auf unterschiedlichen Spannungsebenen in der öffentlichen Elektrizitätsversorgung europaweit mit einer Frequenz von 50 Hertz (Hz) einsetzen. Weshalb sich die Wechsel- bzw. Drehstromtechnik für die Fernübertragung elektrischer Energie besser eignet, wird in den folgenden Kapiteln eingehend behandelt. Dass wir uns heute erneut mit der Gleichstromübertragung in der Höchstspannungsebene befassen, hat mit dieser Entscheidung erst einmal nichts zu tun. Davon später. Nikola Tesla (links) und Thomas Alva Edison (rechts) – zwei Protagonisten im Stromkrieg [1] Nicola Tesla war ein serbischer Ingenieur, der sein Studium an der technischen Hochschule in Graz unvollendet abbrach. Danach folgten mehreren Stationen als Konstrukteur und Erfinder. Schließlich landete er 1882 bei „Continental Edison“ in Paris und arbeitete an der elektrischen Straßenbeleuchtung der Stadt. Der dortige Vorsteher Edisons kontinentaler Zweigstelle ermunterte ihn, der besseren Karrierechancen wegen, an den Hauptsitz der Firma nach New York zu wechseln. Dem Vernehmen nach begann dessen Empfehlungsschreiben an den Chef in den USA mit folgendem Wortlaut: „Mein lieber Edison: ich kenne zwei großartige Männer und sie sind einer von ihnen. Der andere ist der junge Mann.“   Der Autodidakt Edison begann seine Karriere ohne eine besondere Ausbildung bei der mit Gleichstrom betriebenen Telegrafie und war der festen Überzeugung, dass auch die Starkstromübertragung mit Gleichstrom erfolgen müsste. Er erkannte Teslas Genialität und beauftragte ihn, mit Aussicht auf eine erkleckliche Prämie, seine Gleichstrommotoren zu verbessern, um sich nicht weiter mit der vermeintlich untauglichen Wechselstromtechnik zu befassen. Als die versprochene Prämie trotz erfolgreicher Bewältigung der Aufgabe ausblieb, kündigte Tesla. Anschließend entwickelte er gemeinsam mit dem Großindustrielle George Westinghouse die Wechselstromtechnik weiter und begann, sie auch zur Fernübertragung von Elektrizität einzusetzen. So gerieten Edison und Westinghouse, der Teslas Wechselstromforschung unterstützte und deren Ergebnisse vermarktete, heftig aneinander. In dem Streit beschwor Edison stets die Gefahr, die von Wechselstrom ausgehe und verwies immer wieder auf den mit Wechselstrom betriebenen elektrischen Stuhl, der 1890 im Bundesstaat New York erstmals zum Einsatz kam. Edison unternahm einige Versuche, Wechselstrom wegen dessen Gefährlichkeit behördlich verbieten zu lassen. Ohne Erfolg. Für die Elektrizitätsübertragung über weite Strecken erwies sich Gleichstrom als weniger geeignet. Die erste Gleichstrom-Überland-Freileitung, die Oskar von Miller (Abb. 2), der spätere Gründer des Deutschen Museums, anlässlich der „Münchner Elektrizitätsausstellung“ 1881 bauen ließ, zeigte es überdeutlich. Der von einer 1,5-PS-Dampfmaschine angetriebene Gleichstromgenerator im 57 km entfernten Miesbach erzeugte die nötige elektrische Energie mit einer Anfangsspannung von etwa 2 kV. Am Leitungsende, auf dem Münchner Ausstellungsgelände, wo sie eine Pumpe für einen kleinen Wasserfall antrieb, betrug sie lediglich noch rund 1,5 kV. Die zur Hochspannungsleitung missbrauchte Telegrafenleitung hatte einen Leitungswiderstand von 3.000 Ohm (O) und brachte es gerade einmal auf einen Wirkungsgrad von rund 25 % [1]. Die Wahl eines größeren Querschnitts hätte das Ergebnis sicher verbessert, zufriedenstellend wäre es dennoch nicht gewesen. Da sich die übertragene elektrische Leistung aus dem Produkt aus Strom und Spannung ergibt, wären für die Übertragung höherer Leistungen über längere Strecken, wegen der damals begrenzten Spannungshöhe, große Querschnitte aus teurem Kupfer notwendig gewesen. Obendrein führte das Schalten hoher Gleichströme durch Lichtbögen an den Schaltkontakten fortwährend zu einem unerwünschten Abbrand. Oskar von Miller [2] Internationale Frankfurter Elektrizitätsausstellung 1891 [3] Rund zehn Jahre später war es erneut Oskar von Miller, der sich als Pionier hervortat. Für die 1891 in Frankfurt am Main stattfindende „Internationale Elektrotechnische Ausstellung“, die er organisierte, ließ er wieder eine Überlandleitung bauen (Abb. 3). Diesmal mit Drehstrom betrieben, einer Wechselstromvariante für die Übertragung höherer Leistungen, und in einem Design, welches sich für spätere Hochspannungs-Freileitungen als maßstäblich erweisen sollte. Die Einspeisung erfolgte in Lauffen am Neckar und die Leitungslänge betrug stattliche 175 km. Der Clou war diesmal die niedrige Generator-Spannung von 55 V, die über einen Transformator auf 15 000 V hochtransformiert und über die Freileitung nach Frankfurt weitergeleitet wurde, um im dortigen Ausstellungsgelände auf die Betriebsspannung der dort befindlichen Motoren und Glühlampen heruntertransformiert zu werden.   Wie aber ist es möglich, Übertragungsspannungen in dieser atemberaubenden Höhe am Leitungsanfang herauf- und am Ende herunterzutransformieren? Das wollen wir uns im Folgenden genauer betrachten. Die Entdeckung der, dieses Phänomen beschreibenden Elektrodynamik reicht in die erste Hälfte des 19. Jahrhunderts zurück. Seither wurden deren Anwendungen weiterentwickelt und perfektioniert. Jeder, der in der Schule die Mittelstufe durchlief, kennt den Versuch, bei dem die Lehrerin oder der Lehrer einen Dauermagneten in eine mit Kupferdrähten umwickelte Spule tauchte. Der an den beiden Enden der Kupferwicklung angeschlossene Spannungsmesser schlug aus. D. h., eine Spannung wurde erzeugt. Sobald der Dauermagnet zur Ruhe kam, zeigte der Spannungsmesser keine Spannung mehr an. Das bedeutet, dass eine Spannung, die einen Stromfluss ermöglicht, nur dann erzeugt wird, wenn der Dauermagnet im Ringspalt der Spule ständig hin und her bewegt wird. Hierbei handelt es sich um das sogenannte Dynamo-Prinzip, als eine der Möglichkeiten der Stromerzeugung, wie sie beispielsweise im Fahrrad-Dynamo und in Generatoren zur Stromerzeugung genutzt wird. Taucht man in die Spule einen Eisenkern und legt eine Spannung an, entwickelt sich der Eisenkern zu einem Magneten, der wie ein Permanentmagnet eiserne Gegenstände anzieht. Das Prinzip ist also umkehrbar. Einerseits lässt sich durch Bewegung mit einem Permanentmagneten in einer Spule eine Spannung erzeugen, und andererseits erzeugt eine stromdurchflossene Spule in einem Eisenkern ein Magnetfeld. Der nächste Gedankenschritt führt uns zu einer Anordnung, bei der eine Spule mit einem Eisenkern an eine Wechselspannung angeschlossen wird, die die Bewegung des Permanentmagneten aus der ersten Betrachtung ersetzt. Führt man den Eisenkern so weit aus der Spule heraus, dass eine zweite Spule aufgeschoben werden kann, so erzeugt die Wechselspannung in der ersten Spule über die magnetische Kopplung in der zweiten Spule ebenfalls eine Wechselspannung mit derselben Frequenz. Dies ist die Grundlage der Transformation. Entsprechend dem Verhältnis der Windungsanzahl in der einen Spule zur Windungsanzahl in der zweiten, ergeben sich nämlich die jeweiligen Höhen der Wechselspannungen in den Spulen. So induziert man beispielsweise (Abb. 4) von einer Spule mit der Windungszahl von N1=50 und einer angelegten Wechselspannung von U1=220 V in einer zweiten Spule mit einer Windungszahl von N2=25, eine Spannung von U2=110 V. Da sich die übertragene Leistung aus dem Produkt von Strom und Spannung ergibt, verhalten sich die Ströme auf der Primär- und Sekundärseite umgekehrt proportional zu den Spannungen. Das bedeutet in unserem Beispiel, dass bei einem Wechselstrom von I1=50 A auf der Primärseite, auf der Sekundärseite ein Strom von annähernd I2˜100 A erzeugt wird. Annähernd deshalb, weil diese Anordnung, wie alle in der Technik, nicht verlustfrei arbeitet. Zur Optimierung des magnetischen Flusses innerhalb des Eisenkerns werden die Spulen wie in Abb. 4 gezeigt angebracht. In dieser Anordnung erreichen die Wirkungsgrade von Transformatoren 95-98 %. Bei dem als Drehstrom bezeichneten Dreiphasenwechselstrom werden alle drei Phasen in den drei Leitern über denselben Mechanismus transformiert. Über dieses physikalische Prinzip konnte in den Drehstromnetzen zwischen den Übertragungsspannungen und den Strömen nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimiert werden. Das Trafoprinzip   In der Ausstellung präsentierten die Pioniere der Elektrizitätsübertragung das Projekt als...