Abschnitt 3.2.2 - MODUL 2
Aufbau des elektrischen Energieversorgungsnetzes
Folie 24
Im Modul 2 wird der prinzipielle Aufbau des elektrischen Versorgungsnetzes mit den einzelnen Komponenten erläutert.
Kraftwerk
Freileitung
Umspannanlage
Transformatorstation
Ortsnetz
Spannungsebenen
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Als Niederspannung bezeichnet man alle Spannungen bis 1 000 Volt ("Volt" ist die Einheit für die elektrische Spannung).
1 000 V = 1 kV (gesprochen Kilovolt)
Alle Spannungen ab 1 000 V aufwärts bezeichnet man als "Hochspannung".
In der Fachwelt der Elektrotechnik wird der Begriff "Hochspannung" weiter unterteilt:
Spannungen ab 1 kV bis ca. 30 kV werden als Mittelspannung,
Spannungen ab 65 kV bis 123 kV als Hochspannung und
alle Spannungen darüber, also 220 kV und 380 kV als Höchstspannung bezeichnet.
Ausgehend von den Kraftwerken, in denen aus Primärenergieträgern Kohle, Öl, Gas und Kernbrennstoff oder aus regenerativen Energien wie Wasser, Solarenergie, Geothermie sowie Wind elektrische Energie gewonnen wird, spannt sich das elektrische Netz der Elektroenergieversorgung über verschiedene Zwischenstationen bis zum Verbrauchsgerät des Endverbrauchers. Dabei ist das gesamte elektrische Netz von der Erzeugung bis zum Verbraucher quasi miteinander verbunden. Die Energie, die verbraucht wird, muss zeitgleich auch erzeugt und transportiert werden. Dies stellt eine Besonderheit des Produktes Elektroenergie dar.
Die Energie-Erzeugung findet industriell in Kraftwerken statt.
Das 380 kV-Höchstspannungsnetz stellt den Verbund zwischen den Gebieten mit großer Kraftwerkseinspeiseleistung und Gebieten mit hohem Leistungsbedarf auf nationaler und europäischer Ebene dar. Es verbindet die Kraftwerke mit den Ballungsräumen Deutschlands und Europas.
Diesem Netz nachgegliedert sind eine Vielzahl von 110 kV-Netzen, über die die Verteilung der Elektroenergie auf regionaler Ebene erfolgt.
Schematische Darstellung
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Diese 110 kV-Netze werden aus dem Höchstspannungsnetz gespeist. Dazu wird die Spannung von 380 kV bzw. 220 kV heruntertransformiert. Die räumliche Ausdehnung der einzelnen 110 kV-Netze liegt durchschnittlich bei ca. 100 km bis 150 km. Diese einzelnen Netze können über Leitungen miteinander verbunden sein, um im Störungsfall die Versorgung sicherstellen zu können.
Alle Hoch- und Höchstspannungsnetze werden vermascht betrieben, d.h. der größte Teil der Leitungen ist an den Anfangsund Endpunkten jeweils mit anderen Leitungen verknüpft. An den einzelnen Verknüpfungspunkten der Leitungen befinden sich Umspannanlagen.
Eine Umspannanlage umfasst neben den Schaltanlagen mit Leistungsschaltern und dem oder den Tranformator(en) auch elektronische oder elektromechanische Schutz- und Steuerungstechnik zum Schutz aller Leitungen und der Transformatoren. Der Leistungsbereich der Transformatoren geht bis zu einigen hundert MVA (Mega-Volt-Ampere, Einheit für die elektrische Leistung gleich 1 000 kW gleich 1 Million Watt).
Komponenten
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Transformatorenstationen versorgen im Vergleich zu einer Umspannanlage ein wesentlich kleineres Gebiet. Der durchschnittliche Leistungsbereich der Transformatoren liegt bei 0,05 bis 1,0 MVA. In den Stationen befinden sich neben den Schaltanlagen mit Lasttrennschaltern und dem oder den Transformator(en) noch Schmelzsicherungen zum Schutz des Transformators. Bei einem Ausfall einer Transformatorenstation ist eine überschaubar kleine Anzahl von Endverbrauchern betroffen. Hier kann in einer angemessenen Zeit reagiert werden. In diesen Anlagen findet immer eine Umwandlung von Mittelspannung in Niederspannung statt. Im innerstädtischen Bereich wird die elektrische Energie üblicherweise durch Kabel übertragen; bei größeren Entfernungen nutzt man dazu Freileitungen.
Aus den Umspannanlagen, die in ein 110 kV-Netz eingebunden sind, wird in die unterlagerten Mittelspannungsnetze auf 10 kV, 20 kV oder 30 kV heruntertransformiert. Aus einer Anlage werden zwischen 10 und 16 Mittelspannungsleitungen gespeist, in die jeweils wiederum bis zu 30 einzelne Transformatorenstationen oder direkt größere Industriebetriebe eingebunden sind. Die einzelnen Leitungen sind bis zu 30 km lang. Diese Netze werden als offene Ringe betrieben, d.h. zwei oder mehrere Leitungen treffen sich an ihren Enden in einer Transformatorenstation. Die räumliche Ausdehnung der einzelnen Mittelspannungsnetze, gespeist aus einer Umspannanlage, liegt durchschnittlich bei ca. 10 km bis 25 km.
Die Mittelspannung wird wiederum in Transformatorenstationen auf die haushaltsübliche Spannung von 230/400 V (Niederspannung) heruntertransformiert. Von diesen Transformatorenstationen verlaufen Kabel oder Freileitungen entlang der einzelnen Straßenzüge, von denen Abzweige zu den einzelnen Häusern gehen.
Erzeugung - Kraftwerke
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Die Erzeugung elektrischer Energie findet in Kraftwerken verschiedener Baugrößen nach unterschiedlichen Prinzipien und Energieträgern statt (Kohle, Kernkraft, Gas, Wind, Wasser, Photovoltaik).
Die Erzeugungsleistung reicht von einigen Kilowatt bis zu mehreren tausend Megawatt.
Bei den größeren Kraftwerken (Kohle, Kernkraft), mit Leistungen von mehreren Megawatt bis hin zu den größten Kraftwerken, wird die Kraftwerksleistung in mehreren so genannten Blöcken erzeugt.
Ein Block besteht dabei z.B. aus einer Kesselanlage (Kohlekraftwerk), einer Turbine, Nebenanlagen und einem Generator mit einer bestimmten Erzeugungsleistung.
Mehrere dieser Blöcke bilden dann ein Kraftwerk.
Erzeugung - Kraftwerke - Wasserkraftwerk
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Innenansicht eines Wasserkraftwerks
Bei den hellgrünen Anlagenteilen (links im Bild) handelt es sich um den Turbinenbereich (Peltonturbine).
Die dunkelgrünen Anlagenteile sind die Generatoren, die in diesem Wasserkraftwerk jeweils eine Spannung von ca. 10 kV erzeugen.
Umspannanlagen
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In Umspannanlagen befinden sich:
Schaltanlagen
Transformatoren
Gebäude
Zum reibungslosen Betrieb dieser Anlagen sind eine Vielzahl weiterer technischer Einrichtungen notwendig:
Hilfsenergieversorgung incl. Batterieanlage,
Fernwirkgerät, z.B. zur Einschaltung der Straßenbeleuchtung,
Mess- und Zähleinrichtungen, Fortsetzung siehe folgende Seiten
Steuer- und Überwachungseinrichtungen,
Schutzeinrichtungen,
Brandmeldeanlagen,
Ölauffangeinrichtungen und Ölabscheider,
Wasser- und Abwasseranlagen.
Umspannanlagen - abgeschlossene elektrische Betriebsstätte
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Eine übliche Freiluft-Umspannanlage von 110 kV auf 20 kV ist als so genannte abgeschlossene elektrische Betriebsstätte komplett von einem Zaun umgeben.
Die Zugangstüren und -tore werden immer verschlossen gehalten. Zutritt haben nur Elektrofachkräfte oder elektrotechnisch unterwiesene Personen.
Elektrotechnische Laien dürfen nur unter Aufsicht von Elektrofachkräften oder elektrotechnisch unterwiesenen Personen die Anlagen betreten.
Einsatzkräfte, auch wenn sie eine elektrotechnische Ausbildung abgeschlossen haben, dürfen die Anlagen nur nach Freigabe durch den Beauftragten des Betreibers betreten.
Die 110 kV-Schaltanlage ist hier wie üblich als Freiluftanlage ausgeführt. Zwei Transformatoren für die Umwandlung der Spannung von 110 kV in 20 kV und das Gebäude für die 20 kV-Innenraum-Schaltanlage sind zu erkennen.
Umspannanlagen - Freiluftschaltanlage
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Schaltanlagen werden unterschieden nach Innenraum- und Freiluftaufstellung, nach der Isolationsart, der Art der Kapselung und der Spannungsebene.
Im Bereich von Umspannanlagen sind die Schaltanlagen mit Trennern, Leistungsschaltern, Wandlern und Schutz- und Steuergeräten bestückt.
Umspannanlagen - Schaltanlagen (SF6- isoliert)
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Moderne Innenraumschaltanlagen werden als so genannte SF6-Schaltanlagen ausgeführt. Das Gas SF6 stellt dabei das Isoliermedium dar und ist in reiner Form ungiftig. Strömt an defekten Anlagen SF6-Gas aus, verdrängt dieses schwerere Gas die leichtere Atemluft - was gefährlich werden kann. Weitere Informationen dazu bietet die BG-Information "SF6-Anlagen und -Betriebsmittel" (BGI 753).
Die BGI 753 ist auf der Internetseite der Berufsgenossenschaft Energie Textil Elektro Medienerzeugnisse als Download verfügbar.
Umspannanlagen - Sekundärtechnik
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Die Schutztechnik hat die Aufgabe, bei einem Kurzschluss oder einer thermischen Überlastung die elektrischen Betriebsmittel und Anlagen sowie auch das Netz vor einem Schaden zu bewahren oder bereits aufgetretene Schäden auf ein Minimum zu begrenzen.
In einigen Fällen besteht die Aufgabe der Schutztechnik auch darin, Menschen und Nutztiere vor Schaden zu bewahren.
Umspannanlagen - Großtransformatoren
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Transformatoren haben die Aufgabe, Elektroenergie bei gegebener Spannung und Frequenz auf ein oder mehrere Drehstrom-Systeme gleicher Frequenz höherer oder niedrigerer Spannungen zu übertragen.
Die Hauptbauteile eines Öl-Transformators sind der Kessel, der Kern aus geschichtetem Trafoblech, die Ober- und Unterspannungswicklungen, die Ölfüllung zur Isolation und Kühlung, Durchführungsisolatoren und ggf. verschiedene Überwachungsgeräte.
Die Transformatoren sind in der Regel mit Ölauffangeinrichtungen ausgerüstet, um Gewässerschäden durch austretendes Öl zu vermeiden.
Ein Transformator kann sich durch einen technischen Defekt (z.B. Kurzschluss) entzünden. Das brennenende Transformatorenöl sowie das zur Isolation verwendete ölgetränkte Papier in den Wicklungen lassen sich schwer löschen.
Umspannanlagen - Einsatzbeispiel
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Durch Kurzschluss ausgelöster Brand eines Transformators, der wegen der Einhausung nicht erkennbar ist.
Transformatoren, die in der Nähe von Wohnhäusern aufgestellt sind, werden aus Lärmschutzgründen eingehaust. Der Lärm entsteht sowohl durch den Trafo selbst als auch durch die notwendigen Kühlaggregate.
Hier wird gezeigt, wie ein Brand an einem Transformator in einer Freiluftschaltanlage bekämpft wird. Die Feuerwehr wurde vom Betreiber eingewiesen. Der Einsatzleiter hat dann unter Wahrung der einzuhaltenden Sicherheitsabstände die Fahrzeugaufstellung festgelegt und den Einsatzbefehl zum erfolgreichen Löschangriff gegeben.
Hierzu konnte, nach Freischaltung der Anlage durch den Betreiber, auch Schaum als Löschmittel eingesetzt werden.
Im Modul 3 wird darauf genauer eingegangen!
Ortsnetztransformatorenstationen
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Schaltanlagen in Ortsnetzstationen sind Nieder- und Mittelspannungsschaltanlagen (0,4 kV, 10 - 30 kV). Die Schaltanlage stellt im Netzaufbau einen Netzknotenpunkt dar und ermöglicht die schnelle Anpassung des Schaltzustandes und die günstige Auslastung der Betriebsmittel.
Ortsnetztransformatorenstationen
Folie 38
Das Aussehen einer Ortsnetzstation hängt vom Gebäudetyp ab, in dem sie untergebracht ist. Dies können ein oder mehrere Räume eines größeren Bürokomplexes, ein Turm, ein garagenähnliches Gebäude, eine Kompaktstation oder nur ein Mast sein.
Eine übliche Ortsnetzstation ist als so genannte abgeschlossene elektrische Betriebsstätte rundum geschlossen. Die Zugangstüren werden immer verschlossen gehalten.
Solche Stationen findet man auch in großen Gebäuden und Fabriken. Sie befinden sich dort ganz unscheinbar hinter einer Stahltür, die mit einem Warnschild gekennzeichnet ist.
Zutritt haben nur Elektrofachkräfte oder elektrotechnisch unterwiesene Personen.
Elektrotechnische Laien dürfen nur unter Aufsicht von Elektrofachkräften oder elektrotechnisch unterwiesenen Personen diese Anlagen betreten bzw. öffnen.
Einsatzkräfte, auch wenn sie eine elektrotechnische Ausbildung abgeschlossen haben, dürfen die Anlagen nur nach Freigabe durch den Beauftragten des Betreibers betreten.
Ortsnetz
Folien 39 - 42
Die Folien 39 bis 42 zeigen aufeinanderfolgend den Aufbau einer Elektroenergierversorgung in einem Ortsnetz.
Die Ortsnetze verfügen über zwei verschiedene Spannungsnetze, das Mittelspannungsnetz und das Niederspannungsnetz. Die Mittelspannung wird dabei in Transformatorenstationen auf die haushaltsübliche Spannung von 230/400 V (Niederspannung) heruntertransformiert.
Sie versorgen im Vergleich zu einer Umspannanlage ein wesentlich kleineres Gebiet.
Der durchschnittliche Leistungsbereich der Transformatoren liegt bei 50 bis 1 000 kVA.
In den Stationen befinden sich neben den Schaltanlagen mit Lasttrennschaltern und dem oder den Transformator(en) noch Schmelzsicherungen zum Schutz des Transformators.
Von diesen Transformatorstationen verlaufen Kabel oder Freileitungen entlang der einzelnen Straßenzüge, von denen Abzweige zu den einzelnen Häusern führen.
Leitungen - Freileitungen
Folie 43
Man kann die Betriebsspannung einer Freileitung durch bloßes Betrachten nicht erkennen. Anhand der Isolatoren ist es jedoch möglich, zu erkennen, wie hoch die maximale Bemessungsspannung sein kann.
Die tatsächliche Betriebsspannung kann niedriger als die Bemessungsspannung sein und "passt" dann nicht zu der Länge der Isolatoren.
Die tatsächliche Betriebsspannung ist nur dem Netzbetreiber bekannt.
Hochspannungsfreileitungen - Isolatoren
Folie 44
Das Bild zeigt einen Größenvergleich der Isolationsstrecken und damit der Isolatorenlängen der Spannungsebenen 110 kV bis 380 kV (von links nach rechts).
Länge der Isolatoren (Keramikteil ohne Metall-Armaturen) ca.:
| 110 kV | 1,10 m | eine Kette |
|---|---|---|
| 220 kV | 2,30 m | zwei Ketten |
| 380 kV | 3,50 m | drei Ketten |
Die Isolatoren können als Einfach- oder als Doppelkette ausgeführt sein.
Hochspannungsfreileitungen - Masthöhen
Folie 45
Durchschnittliche Masthöhen:
| 110 kV | 25 m bis 30 m |
|---|---|
| 220 kV | 35 m bis 75 m |
| 380 kV | 35 m bis 75 m |
Die Höhen einzelner Masten können in Abhängigkeit von der Spannfeldlänge (= Abstand zwischen zwei Masten), der Anzahl der Traversen und dem Gelände (Acker, Hügel, Fluss) stark von diesen Angaben abweichen.
Als Leiterseil kommen Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium und Aluminum-Stahl-Seile zum Einsatz; Aluminiumseile hauptsächlich im Niederspannungsnetz.
Bei einem Aluminum-Stahl-Seil werden durch den Stahlseil-Anteil die mechanische Zugfestigkeit und über den Aluminium-Anteil die gute elektrische Leitfähigkeit realisiert.
Moderne Freileitungen werden nicht mehr mit Kupferseilen ausgestattet, da Kupfer zu teuer und zu schwer ist.
Die Leitungen bis 110 kV bestehen in der Regel aus einem Einfachseil. 220 kV- oder 380 kV-Leitungen werden in der Regel als Bündelleiter (Zweier-, Dreier-, Vierer-Bündel) ausgeführt.
Nieder- und Mittelspannungsfreileitungen - Isolatoren
Folie 46
Leitungen und Isolatoren im Nieder- und Mittelspannungsnetz
Isolatorlänge:
| 0,4 kV | 0,10 m |
|---|---|
| 20 kV | 0,25 m |
Nieder- und Mittelspannungsfreileitungen - Masthöhen
Folie 47
Masthöhen:
| 0,4 kV | 8 m bis 12 m |
|---|---|
| 20 kV | 10 m bis 16 m |
Nieder- und Mittelspannungsfreileitungen - isoliert
Folie 48
Wenn in Ortsnetzen isolierte Freileitungen verwendet werden, kann man auf Isolatoren verzichten.
Leitungen - Erdkabel
Folie 49
Neben Freileitungen werden auch Kabel zur Übertragung elektrischer Energie eingesetzt. Im Bereich der Mittel- und Niederspannung werden heute fast ausschließlich nur noch Kabelanlagen neu gebaut.
Aufbau des Kabels von innen nach außen:
Leiter (Kupfer oder Aluminium meist verseilt)
Innere Leitschicht (Leiterglättungsschicht zur Feldsteuerung)
Isolationsschicht aus vernetztem Polyethylen (VPE)
Äußere Leitschicht
Leitfähiges Band
Kupferschirmdrähte
Kupferband
Außenmantel
Kabel sind im Vergleich zu Freileitungen gegenüber Witterungseinflüssen weniger anfällig.
Von freigelegten, schadhaften Kabeln gehen die gleichen Gefahren aus wie von herabgefallenen Freileitungsseilen.
Die Höhe der Betriebsspannung kann man an einem verlegten Kabel durch bloßes Betrachten kaum feststellen.
Folie 50
