Energietechnik/-Anwendungen

Energie umwandeln und transportieren - Teil 3

luk4/2008, 2 Seiten

Elektrische Energie ist die Energieform, die am günstigsten über kürzere und größere Entfernungen transportiert werden kann. Systeme zur Energieübertragung und -verteilung werden dabei vorwiegend nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten bemessen. Diese schließen eine möglichst hohe Versorgungssicherheit ein.

Wirtschaftliche Übertragung Aus einer Anzahl technisch möglicher Lösungen wird diejenige ausgewählt, bei der Kostenaufwand und Nutzen ein optimales Verhältnis bilden. In der Kostenstruktur unterscheidet man zwischen den festen und veränderlichen Kosten. Die festen Kosten umfassen diejenigen Beträge, die allein für die Erstellung der Netze und die Erhaltung ihrer Betriebsbereitschaft erforderlich sind. Demgegenüber enthalten die veränderlichen Kosten alle Aufwendungen, die sich aus dem Betrieb der Netze ergeben. Nur diese interessieren hier. Bestandteile des Netzes. Die Schwierigkeit bei der Bewertung einer effizienten Energieübertragung besteht unter anderem darin, dass das System „Netz“ aus folgenden Bestandteilen besteht: · Strecken mit unterschiedlichen Funktionen: - Übertragungsstrecken mit Höchstspannungen > 150 kV - Verteilungsstrecken mit Hochspannungen > 60 kV... 150 kV Mittelspannungen > 1 kV ... 60 kV Niederspannungen 1000 V · unterschiedlichen Netzformen: - einseitig gespeiste Leitungen - Strahlennetze - zweiseitig gespeiste Leitungen - Ringleitungen - vermaschte Netze · unterschiedlichen Übertragungsmitteln: - Kabelstrecken - Freileitungsstrecken. Neben den Strecken besteht das „Netz“ auch aus Transformatoren, die einzelne Netzknotenpunkte mit elektrischer Energie einspeisen. Belastungsgrad. Der Bedarf an elektrischer Energie ist mehr oder weniger großen zeitlichen Schwankungen unterworfen. Es ergeben sich Tagesbelastungskurven, die für verschiedene Verbrauchergruppen sowie jahreszeitlich unterschiedlich sind. Das Netz muss für die höchste Leistungsspitze Pmax ausgelegt sein, obwohl diese nur kurzzeitig auftritt. Wird diese Höchstleistung über eine entsprechende Zeitspanne - für den Tag beträgt die Nennzeit tn = 24 h und für das Jahr tn 8760 h - mit der im gleichen Zeitraum übertragenen Energie W ins Verhältnis gesetzt, ergibt sich die so genannte mittlere Benutzungsdauer: (15) Der größtmögliche Energiebetrag Wmax ergibt sich dann, wenn die Höchstleistung Pmax über die gesamte Nennzeit tn von 24 h bzw. 8760 h übertragen wird. Die schwankende Last kann dann quantifiziert werden, indem die übertragene Energie W auf den größtmöglichen Energiebetrag Wmax bezogen wird. Der Belastungsgrad (16) ist damit als Quotient von mittlerer Belastungsdauer zur Nennzeit definiert (Tafel Die Belastbarkeit von Kabelnetzen wird zum Beispiel mit m = 0,7 als so genannte VNB-Last ermittelt. Transformatorenverluste Auch in Transformatoren, die elektrische Energie über die magnetische wieder in elektrische Energie mit anderen Spannungs- und Stromwerten bei gleicher Frequenz umwandeln, entstehen in Abhängigkeit von der Qualität der Eisen- und Kupferwerkstoffe Verluste. Nach DIN VDE 0532 Teil 1 werden zwischen den Leerlaufverlusten P0 und den Kurzschlussverlusten PK unterschieden. Sie bestimmen den Wirkungsgrad der Transformatoren (17). Leerlaufverluste. Eisenverluste entstehen nahezu ausschließlich im Eisenkern. Sie sind abhängig von der Verlustziffer der Transformatorenbleche, von der Masse des Eisenkerns und dem Quadrat der Magnetflussdichte. Ihr Betrag wird durch die primär anliegende Spannung bestimmt. Damit können sie unabhängig von der Höhe der Belastung als konstant angesehen werden. Kurzschlussverluste. Kupferverluste entstehen durch den ohmschen Widerstand der Wicklungen und sind vom Quadrat der Belastungsströme abhängig. Aus den ausgewählten Richtwerten der Tafel ist zu erkennen, dass die Wirkungsgrade der Transformatoren insbesondere durch das Fehlen der Reibungsverluste wesentlich höher als die bei den rotierenden elektrischen Maschinen sind. Verlustoptimierung. Von den beiden genannten Verlustarten kommen im Bereich der elektrischen Verteilungsnetze den Leerlaufverlusten eine wesentlich höhere Bedeutung zu, da sie während der gesamten Betriebsdauer entstehen. Während die Leerlaufverluste einfach wie hinreichend genau berechnet werden können, ist dies bei den last- und zeitabhängigen Kurzschlussverlusten nur durch empirisch gefundene Näherungsverfahren möglich. Für einen Verteilungsnetzbetreiber (VNB) stellt sich häufig unter dem Gesichtspunkt der Verlustoptimierung die Frage, ab welcher Auslastung eines Transformators Pab Pzu Pab Pab + P0 + PK m = m = Pmax tm Pmax tn m = Wmax tm = Pmax Elektrische Energie ist die Energieform, die am günstigsten über kürzere und größere Entfernungen transportiert werden kann. Systeme zur Energieübertragung und - verteilung werden dabei vorwiegend nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten bemessen. Diese schließen eine möglichst hohe Versorgungssicherheit ein. Energietechnik Energie umwandeln und transportieren (3) G r u n d w i s s e n L e r n f e l d e r 1 - 5 4 LERNEN KÖNNEN 4/08 Beispiel m Abnehmer mit Beleuchtungsanlagen 0,1 bis 0,2 Industriebetriebe 0,5 bis 0,7 Haushalte 0,2 Tafel Richtwerte des Belastungsgrades 160 120 100 Verlustleistung 20 40 60 100 Belastung ein Transformator zwei parallele Transformatoren Verlustoptimierung bei der Parallelschaltung von Transformatoren ein weiterer parallel dazu geschaltet werden sollte. Die Antwort auf diese Frage ergibt sich aus dem Bild . Darin sind in Abhängigkeit von der prozentualen Belastung die Verlustleistungen von einem und von zwei parallel geschalteten 40-MVA-Transformatoren; 110kV/11kV; = 20 kW; PK = 140 kW dargestellt. Neben den vom Quadrat der Stromstärken abhängigen Kurzschlussverlusten sind auch die konstanten Leerlaufverluste zu berücksichtigen, die sich bei Parallelbetrieb zweier Transformatoren natürlich im Vergleich zu einem verdoppeln. Folgende Regel zur Verlustoptimierung kann abgelesen werden: Bei Erreichen der annähernd halben Bemessungsleistung eines oder mehrerer Transformatoren sollte ein weiterer parallel geschaltet werden. Der genaue Wert der Teillast hängt exakt vom Verhältnis der Leerlaufverluste zu den Kurzschlussverlusten ab, die - wie aus der Tafel zu erkennen ist - auch durch die Bemessungsleistungen bestimmt werden. Verluste der Übertragungsstrecken Da die elektrische Energie drahtgebunden übertragen wird, treten durch die materialbedingten Widerstände der Übertragungsstrecken Stromwärmeverluste auf. Aus dem Grundstromkreis entsteht ein einfacher Stromkreis (Bild ) mit den Stromkreiselementen Stromquelle, Zuleitung und Verbraucher. Durch die übereinstimmenden Querschnitte von Hin- und Rückleiter sind ihre Widerstandswerte in einem als Ersatzwiderstand anzusehenden Leiterwiderstand konzentriert. Über diesen entstehen · ein Spannungsfall, so dass die Betriebsspannung UB des Verbrauchers kleiner als die Klemmenspannung U der Stromquelle ist und · Stromwärmeverluste, die an die Umgebung der Übertragungsstrecken abgegeben werden. Der Leitungswiderstand beträgt für ein Zweileiternetz und für ein Dreileiternetz Vierleiternetze werden als symmetrisch belastet angesehen, so dass über den N-bzw. PEN-Leiter kein Spannungsfall und kein Leistungsverlust entstehen. Da die spezifische Leitfähigkeit durch die Leiterwerkstoffe Kupfer oder Aluminium und der Abstand l zwischen Einspeisung und Verbraucher festgelegt sind, kann der Leitungswiderstand nur über den Querschnitt A beeinflusst werden. In Abhängigkeit von der mechanischen Beanspruchung und der normativ festgelegten Strombelastbarkeit ist die Verringerung des Leitungswiderstandes nur durch höheren Materialaufwand möglich. Aus den folgenden Berechnungsgleichungen wird sichtbar, dass die Leistungsverluste der Übertragungsstrecken vom Quadrat des Belastungsstromes I abhängen. Leistungsverlust, allgemein (18) Leistungsverlust des Zweileiternetzes (19) Leistungsverlust des Drei- oder Vierleiternetzes (20) Unter gleichen Bedingungen führt eine Verdoppelung des Belastungsstromes zu einer Vervierfachung der Stromwärmeverluste. In Wechselstrom- und Drehstromnetzen beeinflusst ein weiterer Faktor die Wirtschaftlichkeit der Energieübertragung. Da in diesen Netzen nur die Wirkleistung als Nutzleistung zu bewerten ist, der Wirkungsgrad also als Verhältnis von Wirkleistungen definiert ist, ist die Lastgröße „Stromstärke“ durch die Wirkleistung des Wechselstromes P = U · I · cos oder durch die Wirkleistung des Drehstromes zu ersetzen. Mit diesen Leistungsgrößen gehen die Gleichungen (19) und (20) in folgende Formen über: Leistungsverlust des Wechselstromnetzes (21) Leistungsverlust des Drehstromnetzes (22). Zu beachten ist, dass in der Gleichung (21) das Formelzeichen U für die Wechsel-bzw. Leiter-Erde-Spannung und in der Gleichung (22) für die verkettete bzw. Leiterspannung steht. Netze, die mit hoher Blindleistung belastet werden, deren Leistungsfaktor cos mithin klein ist, übertragen die Nutzenergie durch die relativ hohen Stromwärmeverluste wenig effizient. Würde in einem gegebenen Netz bei gleicher Spannung und Last der Leistungsfaktor cos = 0,6 auf cos´ = 0,9 verbessert werden, würden nach die Stromwärmeverluste um 55,6 % sinken. Fazit In der vorstehenden Betrachtung wurde die Wirtschaftlichkeit der Energieübertragung jeweils auf die Elemente Transformator und Übertragungsstrecken beschränkt. Meist reicht eine solche begrenzte Betrachtungsweise nicht aus. Nur dann, wenn alle Elemente in ihrem Zusammenwirken untersucht werden, kann ein optimales Verhältnis von Aufwand und Nutzen bestimmt werden. H. Spanneberg Pv = 0,444Pv cos2 co s 2 0,62 0,92 = 0,444 Pv = A U2 cos2 Pv = 2P2 A U2 cos2 P = 3 U I cos Pv = 3I2 Pv = 2I2 Pv = I2 RL = RL = Energietechnik LERNEN KÖNNEN 4/08 Bemessungs- Nennüber- Verluste in kW Wirkungs leistung setzung grad in MVA in kV/kV P0 in % 600 400/230 250 1525 99,6 150 220/110 90 440 99,6 40 110/11 20 140 99,5 0,63 10/0,4 0,75 6,3 98,6 0,16 10/0,4 0,3 2,3 98,0 Tafel Richtwerte von Transformatorenverlusten I · Ri abgegebene Endenergie I · RL Leitungsverluste Nutzenergie aufgenommene Primär- bzw. Sekundärenergie innere Verluste Stromquelle Zuleitung Verbraucher Ersatzschaltbild des einfachen Stromkreises G r u n d w i s s e n L e r n f e l d e r 1 - 5

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