Klaus Heuck

Grundzüge der elektrischen Energieerzeugung

Zur Erzeugung elektrischer Energie werden heute im wesentlichen Wasser, fossile Brennstoffe und Kernenergie herangezogen. Die in diesen naturlichen Energietragern enthaltene Energie wird, wie bereits erwahnt, als Primarenergie bezeichnet. Die Umwandlung dieser Primarenergie in elektrische Energie erfolgt vorwiegend in fossil befeuerten Kraftwerken, Wasser- und Kernkraftwerken [136]. Das Ziel dieses Kapitels besteht darin, die Grundzuge dieser Energieumwandlung zu vermitteln. Dies erfolgt jedoch nur in dem Umfang, wie es als Hintergrundwissen fur das Verstandnis der Probleme bei der elektrischen Energieverteilung erforderlich ist.

8 Grundzüge der Betriebsführung und Planung von elektrischen Energieanlagen

Zunachst seien einige Begriffe erlautert. Unter der Bezeichnung Betriebsfuhrung sollen alle Masnahmen verstanden werden, die zum Betreiben einer Energieanlage notwendig sind. Dazu gehoren der bedarfsgerechte Einsatz von Kraftwerken, die Netzfuhrung, die Instandsetzung und Wartung der Anlagen sowie die Zahlung aller erbrachten Leistungen fur die Netznutzer. Der Ausdruck Netzfuhrung beinhaltet nur die Masnahmen, die zur Steuerung des Netzes notwendig sind wie z. B. Schalthandlungen.

Aufbau von Energieversorgungsnetzen

In der elektrischen Energietechnik werden fur die Effektivwerte der Wechselstrome und Wechselspannungen die grosen Buchstaben I und U verwendet. Sollen mit diesen Grosen spezielle Betriebszustande gekennzeichnet werden, so ist eine Indizierung mit kleinen Buchstaben vorzusehen. Gilt es dagegen, einen Ort bzw. ein Betriebsmittel innerhalb eines Netzes zu lokalisieren oder sogar eine ganze Netzebene zu kennzeichnen, so wird fur den Index ein groser Buchstabe gewahlt. Im Falle einer Mehrfachindizierung ist die Reihenfolge vorgeschrieben. Zuerst kommt der Betriebszustand, danach wird der ortliche Bereich charakterisiert. Dabei gilt der Grundsatz, dass erst der umfassendere und dann der speziellere Index auftreten soll (DIN EN 60027-7 und DIN 40108).

7 Auslegung von Netzen gegen Kurzschlusswirkungen und Auslegung von Schaltern

Ein dreipoliger Kurzschluss bewirkt eine sehr extreme Zustandsanderung. Die dadurch ausgelosten Wirkungen auf das Strom-Spannungs-Verhalten stellen daher sowohl fur das einzelne Betriebsmittel als auch fur die gesamte Netzanlage eine harte Beanspruchung dar. Halt ein Netz unabhangig vom Fehlerort diesen Belastungen stand, so wird es als kurzschlussfest bezeichnet. Ein Netz muss allerdings nicht nur kurzschlussfest sein, sondern auch die Auslegungskriterien fur die Spannungsfestigkeit (s. Abschnitt 4.12) erfullen sowie die Bedingungen des Normalbetriebs einhalten, die in Kapitel 5 beschrieben sind. Dort sind noch keine Dimensionierungskriterien fur Schalter angegeben; sie werden im Weiteren zusammen mit den Auslegungskriterien fur die Kurzschlussfestigkeit erlautert. Zunachst wird jedoch auf eine unmittelbare Kurzschlusswirkung an der Fehlerstelle – den Lichtbogen – eingegangen

6 Dreipoliger Kurzschluss

Bei Kurzschlussen handelt es sich um spezielle Fehler. Sie liegen dann vor, wenn ein spannungsfuhrender Leiter mit mindestens einem weiteren Leiter niederohmig verbunden wird. Die niederohmige Verbindung kann in der Praxis sehr unterschiedlich beschaffen sein; fur zwei spezielle Falle haben sich eigenstandige Bezeichnungen ausgebildet. So spricht man von einem satten Kurzschluss, wenn zwischen den kurzgeschlossenen Leitern ein direkter metallischer Kontakt vorliegt, also ein Ubergangswiderstand praktisch nicht vorhanden ist. Zum anderen wird der Ausdruck Lichtbogenkurzschluss verwendet. Darunter versteht man solche Kurzschlusse, bei denen die Leiter uber einen Lichtbogen leitend verbunden sind. Lichtbogen stellen, wie in Abschnitt 7.1 noch erlautert wird, nichtlineare Widerstande dar, die im Bereich von wenigen Ohm liegen. Besonders auffallige Lichtbogenkurzschlusse bilden sich aufgrund der relativ grosen Leiterabstande in Freileitungsnetzen aus.

Wichtige Maßnahmen zum Schutz von Menschen und Tieren

In den Abschnitten 4.12 und 4.13 sind bereits die wesentlichen Einrichtungen zum Schutz von Betriebsmitteln beschrieben worden. Nun werden die Masnahmen erlautert, die vornehmlich zum Schutz von Menschen und Tieren dienen.

13 Investitionsrechnung und Wirtschaftlichkeitsberechnung für elektrische Anlagen

In dem Energiewirtschaftsgesetz fordert der Gesetzgeber, dass die Allgemeinheit moglichst sicher, preisgunstig, verbraucherfreundlich, effizient und umweltfreundlich mit Elektrizitat versorgt wird [1]. In der nachgeschalteten Netzentgeltverordnung wird weiterhin festgelegt, dass die Netzkosten verursachungsgerecht aufzuschlusseln sind. Damit korrespondierend sind dann nachvollziehbar die Netzentgelte zu bilden, die auch als Netznutzungsentgelte bezeichnet werden. In Anlehnung an diese Forderungen werden ebenfalls die Preise bei den Erzeugern bzw. die Entgelte bei den Lieferanten ermittelt; allerdings erfolgt dort keine behordliche Prufung, da auf diesen Markten der Wettbewerb regulierend wirkt. Zunachst gilt es, die Basisgrose – die Kosten – zu betrachten.

Auslegung von Netzen gegen Kurzschlusswirkungen und Auslegung von Schaltern

Ein dreipoliger Kurzschluss bewirkt eine sehr extreme Zustandsanderung. Die dadurch ausgelosten Wirkungen auf das Strom-Spannungs-Verhalten stellen daher sowohl fur das einzelne Betriebsmittel als auch fur die gesamte Netzanlage eine harte Beanspruchung dar. Halt ein Netz unabhangig vom Fehlerort diesen Belastungen stand, so wird es als kurzschlussfest bezeichnet. Ein Netz muss allerdings nicht nur kurzschlussfest sein, sondern auch die Auslegungskriterien fur die Spannungsfestigkeit (s. Abschnitt 4.12) erfullen sowie die Bedingungen des Normalbetriebs einhalten, die in Kapitel 5 beschrieben sind. Dort sind noch keine Dimensionierungskriterien fur Schalter angegeben; sie werden im Weiteren zusammen mit den Auslegungskriterien fur die Kurzschlussfestigkeit erlautert.

Sternpunktbehandlung in Energieversorgungsnetzen

Sehr wesentlich wird die Nullimpedanz eines Netzes davon beeinflusst, auf welche Art die Sternpunkte der zugehorigen Transformatoren geerdet sind. Dadurch liegt auch weitgehend fest, wie das Netz auf Fehler mit Erdberuhrung reagiert. Dieses Netzverhalten wird im Folgenden anhand eines Erdschlusses dargestellt, da dieser einpolige Fehler am haufigsten auftritt und somit am starksten interessiert. Zunachst wird das stationare Netzverhalten beschrieben, das sich bei dieser Fehlerart einstellt. Anschliesend wird auf wichtige transiente Uberspannungseffekte eingegangen, die durch Erdschlusse ausgelost werden. Ihr Verlauf hangt ebenfalls sehr stark von der gewahlten Sternpunktbehandlung ab. In Abschnitt 11.3 werden dann auch Ferroresonanzerscheinungen ausfuhrlicher behandelt, die im Abschnitt 4.12.1.1 bereits erwahnt worden sind.

Investitionsrechnung und Wirtschaftlichkeitsberechnung für Netzanlagen

Fur die Elektrizitatswirtschaft ist in Deutschland das Energiewirtschaftsgesetz masgebend. Dadurch sind die Energieversorgungsunternehmen (EVU) innerhalb ihres Versorgungsgebietes verpflichtet, in den Niederspannungsnetzen jeden Verbraucher, der es wunscht, mit Strom zu beliefern, solange die Versorgung wirtschaftlich vertretbar ist. Eine solche Versorgungspflicht besteht dagegen nicht fur Stromkunden, die ihre Elektrizitat aus dem Mittelspannungsnetz beziehen. Zu beachten ist, dass die Verbraucher in allen Spannungsebenen das Recht besitzen, sich auch von anderen, selbst von weit entfernten EVU versorgen zu lassen. Es konnen auch Stromhandler gewahlt werden, die ihrerseits den Strom von in- bzw. auslandischen Unternehmen beziehen und diesen anbieten [141]. Die dabei erhobenen Strompreise orientieren sich im Wesentlichen an den Kosten. So richten sich die Energiepreise nach den Kosten, die bei der Erzeugung entstehen; die Netznutzungsentgelte werden wiederum von den Kosten fur den Transport und die Verteilung der elektrischen Energie bestimmt. Auf die Ermittlung dieser Kostenkomponenten wird im Weiteren eingegangen.