GL NREE 2.2 UI13 3.Semester (HS14)
Grundlagen Nachwachsende Rohstoffe und Erneuerbare Energien 2 ZHAW Wädenswil 3. Semester (HS14) Lernziele 4-5 (Stromtransport/ Wirk-, Schein-, und Blindleistung)
Grundlagen Nachwachsende Rohstoffe und Erneuerbare Energien 2 ZHAW Wädenswil 3. Semester (HS14) Lernziele 4-5 (Stromtransport/ Wirk-, Schein-, und Blindleistung)
Erkläre, warum die Spannung für die Verteilung (Transport über weitere Distanzen) angehoben wird.
Wenn ein solcher Strom fließt, dann wird aufgrund des so genannten Ohmschen Widerstandes der Leitungen ein Teil der Energie der Elektronen in Wärme umgewandelt. Elektrische Heizöfen beruhen auf diesem Effekt. Am Ende der Leitung kommt also weniger elektrische Energie an als vorne in das System eingespeist wurde. Um diese Ohmschen Verluste so gering wie möglich zu halten, wird der Strom mit hohen Spannungen transportiert.
Das so genannte Joulesche Gesetz besagt, dass die Wärme, die der Strom erzeugt, proportional ist zum Quadrat der Stromstärke, dem elektrischen Widerstand und der Zeit, während der er fließt. Die Wärmeverluste gehen also mit dem Quadrat der abnehmenden Stromstärke zurück. Dem steht aber entgegen, dass die elektrische Energie, die transportiert werden soll, proportional zum Produkt aus Stromstärke, Spannung und Zeit ist. Würde die Stromstärke gesenkt, um die Wärmeverluste zu reduzieren, würde automatisch die transportierte Energie sinken. Um das zu vermeiden, muss man die Reduzierung der Stromstärke durch eine Erhöhung der Spannung derart kompensieren, dass im Endeffekt das Produkt aus Spannung mal Stromstärke konstant bleibt.
\(P=I^2 \cdot R = \frac{U^2}{R}\)
Diese physikalischen Zusammenhänge gelten im Grundsatz sowohl für Gleich- als auch für Wechselstrom.
Erläutere das Prinzip eines Transformators skizzenhaft.
x
Erkläre, wie die vier Ebenen im Spannungsnetz der Schweiz organisiert sind
Höchstspannung: 220 oder 380kV
Hochspannung: 110kV
Mittelspannung: 1 - 5- kV
Niederspannung: 400/230V
Erkläre, wie die vier Ebenen im Spannungsnetz der Schweiz organisiert sind
Höchstspannung: 220 oder 380kV
Hochspannung: 110kV
Mittelspannung: 1 - 5- kV
Niederspannung: 400/230V
Erläutere die Eigenschaften des Höchstspannungsnetzes.
Alle grösseren Kraftwerke der Schweiz sind mit einem Transformator direkt an dieses Netz angeschlossen.
Nur über dieses Netz ist ein Stromaustausch mit dem Ausland möglich, ist die Schweiz mit dem europäischen Verbundnetz verbunden.
Es bildet die Grundlage für die Feinverteilung an die einzelnen Verbraucher über spannungsmässig tieferliegende Netze in der Schweiz.
Erkläre an folgendem Beispiel die Verlustleistungen bei verschiedenen Spannungsniveaus.
Verbraucher: 100W
Leitung 1: 100V / 1A
Leitung 2: 50V / 2A
Leitungswiederstand: 2 Ohm
Grundsätzlich gilt : P = U x I
Man kann eine Spannung von 100 V und einen Strom von 1 A verwenden oder eine Spannung von 50 V und einen Strom von 2 A.
Die Uebertragungsleitung hat einen Widerstand von beispielweise 2 Ohm.
Bei der Uebertragung im ersten Fall entstehen folgende Verluste:
Grundsätzlich gilt: U = R x I -> eingesetzt in obige Gleichung -> P = R x I2
Somit ist die Verlustleistung auf dieser Leitung P = 4 Ohm x (1A) 2 =4 W
Im zweiten Fall sind es P = 4 Ohm x (2A) 2 = 16W
Nenne einige Auswirkungen der Verlustleistung
-
Die Verlustleistung heizt die Uebertragungsleitung auf.
-
Bei der Erwärmung der Leitung dehnt sich diese aus und beginnt zwischen den Uebertragungs-Masten stärker durchzuhängen.
-
Dies ist nur bis zu einem gewissen Mass zulässig.
-> Die Uebertragungsleitung hat eine gewisse maximale Uebertragungskapazität (beispielsweise 500MW)
Warum macht ein grenzüberschreitender Stromtransport Sinn?
x
Nenne einige Besonderheiten des Stromtransportes
x
Definiere den Begriff "Scheinleistung"
Die Scheinleistung, auch Anschlusswert oder Anschlussleistung, kennzeichnet die einem elektrischen Verbraucher zugeführte oder zuzuführende elektrische Leistung; diese stimmt nicht notwendig mit der vom Verbraucher in Form thermischer, mechanischer oder anderer Energie weitergegebenen Leistung überein. Die Scheinleistung S ergibt sich aus den Effektivwerten von elektrischer Stromstärke I und elektrischer Spannung U und setzt sich zusammen aus der tatsächlich umgesetzten Wirkleistung P und einer zusätzlichen Blindleistung Qtot.
Einheitszeichen: VA
\(S = U \cdot I = \sqrt{P^2 + Q^2}\\ (P = U \cdot I \cdot \cos{\varphi})\\ (Q= U \cdot I \cdot \sin{\varphi})\)
Definiere den Begriff "Blindleistung"
Im elektrischen Energieversorgungsnetz soll Energie vom Erzeuger zum Verbraucher übertragen werden. In mit Einphasen- bzw.Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) betriebenen Netzen fließt häufig mehr Energie zwischen dem Erzeuger (Kraftwerk) und einem elektrischen Verbraucher (beispielsweise elektrische Maschine), als in derselben Anzahl von Perioden im Verbraucher umgesetzt wird. Diese zusätzliche Energie pro Zeit, die nichts zur Wirkleistung („tatsächlichen Leistung“) beiträgt, ist im Allgemeinen unerwünscht und wird als Blindleistung bezeichnet.
Einheitszeichen VAr (r = reaktiv)
\(Q_{tot}= U \cdot I \cdot \sin \varphi =\sqrt{S^2 - P^2}\)
Definiere den Begriff "Wirkleistung"
Dieser Wert in Watt wird vollständig im Verbraucher umgewandelt.
\(P = U \cdot I \cdot \cos{\varphi}\)
Erkläre die Ursache von Blindleistung
Bei ohmscher Belastung haben Spannung und Strom einen phasengleichen Verlauf, der Phasenverschiebungswinkel ist φ = 0. Die gesamte vom Erzeuger gelieferte Energie wird beim Verbraucher umgesetzt (z. B. als thermische oder chemische Energie.).
Bei einem induktiven Verbraucher (z. B. Drosselspule, Transformator, Asynchronmotor) wird vom Erzeuger gelieferte Energie verwendet, um das magnetische Feld aufbauen zu können. Die Energie wird zunächst im Magnetfeld gespeichert, jedoch mit dem periodischen Wechsel im Vorzeichen der Spannung wird das Feld wieder abgebaut und die Energie ins Netz zurückgespeist. Bei rein induktiver Belastung läuft der Strom der Spannung um eine Viertelperiode nach, der Phasenverschiebungswinkel beträgt 90°. Das Produkt aus U und I befindet sich abwechselnd im positiven und negativen Bereich, wobei die Frequenz der Leistung die doppelte der Grundfrequenz ist. Wenn sich die Leistung p im negativen Bereich befindet, bedeutet das, dass Energie in das Netz zurückgeliefert wird. Im Mittelwert summiert sich diese Leistung zu null; sie erzeugt aber „blinden“ Stromfluss, der im versorgenden Netz nur hin- und herpendelt.
Für diesen Fall ergibt sich P = U x I x cos(j) = 0 -> Q = S
Nenne einige Folgen der Blindleistungsbelastung
Die Blindleistung tritt in der Regel bei allen am Netz angekoppelten Komponenten und auch beim Leitungsnetz selbst auf. Da in einem Stromkreis im Prinzip immer die drei passiven linearen Eigenschaften Kapazität, Induktivität und ohmscher Widerstand entweder in diskreten Bauelementen oder „parasitär“ vorhanden sind, liegt in einem Wechselstrom-Versorgungsnetz praktisch immer eine Blindleistungsbelastung vor.
Die Leistung p wird über das Versorgungsnetz bezogen. Die Rückspeisung bewirkt Blindleistung und einen Blindstrom, der bei steigendem Blindleistungsbedarf der Verbraucher ansteigt. Um der Erwärmung der Leitung entgegenzuwirken, werden größere Leiterquerschnitte in den Versorgungsleitungen sowie größere Generatoren und Transformatoren nötig. Elektrische Großverbraucher in der Industrie müssen neben der bezogenen Wirkenergie auch für ihren Blindenergiebezug bezahlen. Privat- und Kleinverbraucher, die im Gegensatz zur Industrie überwiegend Strom für Wärmegeräte (Herd, Glühlampen, Heizgeräte) verbrauchen, verursachen geringe Blindleistungsbelastung und werden deswegen und wegen des hohen Aufwandes für deren Erfassung von den Kosten freigestellt, bzw. finden sich letztere im Preis der Wirkarbeit (angegeben in kWh) wieder. Außerdem bewirken Blindlaständerungen wesentlich größere Spannungsänderungen im Netz, da der Innenwiderstand von Generatoren und Transformatoren überwiegend induktiv ist.
Erkläre, wie die Blindleistung am Entstehungsort vermieden werden kann.
Durch geeignete Maßnahmen versuchen daher die großen Energieverbraucher, den Blindleistungsbedarf möglichst gering zu halten. Der induktive Blindleistungsbedarf einer Asynchronmaschine kann durch eine Kondensatorbatterie, Synchronmaschine oder einem speziellen Stromrichter (Leistungsfaktorkorrektur) kompensiert werden, das wird als Blindleistungskompensation bezeichnet. Die für die Erzeugung des magnetischen Feldes erforderliche Energie pendelt dann nicht mehr in das versorgende Netz bis zum Generator, sondern nur zwischen Asynchronmaschine und Kondensatorbatterie bzw. Synchronmaschine. Damit sinkt der resultierende Strom, den der Antrieb aus dem Netz entnimmt.
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Erkläre, warum die Spannung für die Verteilung (Transport über weitere Distanzen) angehoben wird.
Wenn ein solcher Strom fließt, dann wird aufgrund des so genannten Ohmschen Widerstandes der Leitungen ein Teil der Energie der Elektronen in Wärme umgewandelt. Elektrische Heizöfen beruhen auf diesem Effekt. Am Ende der Leitung kommt also weniger elektrische Energie an als vorne in das System eingespeist wurde. Um diese Ohmschen Verluste so gering wie möglich zu halten, wird der Strom mit hohen Spannungen transportiert.
Das so genannte Joulesche Gesetz besagt, dass die Wärme, die der Strom erzeugt, proportional ist zum Quadrat der Stromstärke, dem elektrischen Widerstand und der Zeit, während der er fließt. Die Wärmeverluste gehen also mit dem Quadrat der abnehmenden Stromstärke zurück. Dem steht aber entgegen, dass die elektrische Energie, die transportiert werden soll, proportional zum Produkt aus Stromstärke, Spannung und Zeit ist. Würde die Stromstärke gesenkt, um die Wärmeverluste zu reduzieren, würde automatisch die transportierte Energie sinken. Um das zu vermeiden, muss man die Reduzierung der Stromstärke durch eine Erhöhung der Spannung derart kompensieren, dass im Endeffekt das Produkt aus Spannung mal Stromstärke konstant bleibt.
\(P=I^2 \cdot R = \frac{U^2}{R}\)
Diese physikalischen Zusammenhänge gelten im Grundsatz sowohl für Gleich- als auch für Wechselstrom.
Erläutere das Prinzip eines Transformators skizzenhaft.
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Erkläre, wie die vier Ebenen im Spannungsnetz der Schweiz organisiert sind
Höchstspannung: 220 oder 380kV
Hochspannung: 110kV
Mittelspannung: 1 - 5- kV
Niederspannung: 400/230V
Erkläre, wie die vier Ebenen im Spannungsnetz der Schweiz organisiert sind
Höchstspannung: 220 oder 380kV
Hochspannung: 110kV
Mittelspannung: 1 - 5- kV
Niederspannung: 400/230V
Erläutere die Eigenschaften des Höchstspannungsnetzes.
Alle grösseren Kraftwerke der Schweiz sind mit einem Transformator direkt an dieses Netz angeschlossen.
Nur über dieses Netz ist ein Stromaustausch mit dem Ausland möglich, ist die Schweiz mit dem europäischen Verbundnetz verbunden.
Es bildet die Grundlage für die Feinverteilung an die einzelnen Verbraucher über spannungsmässig tieferliegende Netze in der Schweiz.
Erkläre an folgendem Beispiel die Verlustleistungen bei verschiedenen Spannungsniveaus.
Verbraucher: 100W
Leitung 1: 100V / 1A
Leitung 2: 50V / 2A
Leitungswiederstand: 2 Ohm
Grundsätzlich gilt : P = U x I
Man kann eine Spannung von 100 V und einen Strom von 1 A verwenden oder eine Spannung von 50 V und einen Strom von 2 A.
Die Uebertragungsleitung hat einen Widerstand von beispielweise 2 Ohm.
Bei der Uebertragung im ersten Fall entstehen folgende Verluste:
Grundsätzlich gilt: U = R x I -> eingesetzt in obige Gleichung -> P = R x I2
Somit ist die Verlustleistung auf dieser Leitung P = 4 Ohm x (1A) 2 =4 W
Im zweiten Fall sind es P = 4 Ohm x (2A) 2 = 16W
Nenne einige Auswirkungen der Verlustleistung
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Die Verlustleistung heizt die Uebertragungsleitung auf.
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Bei der Erwärmung der Leitung dehnt sich diese aus und beginnt zwischen den Uebertragungs-Masten stärker durchzuhängen.
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Dies ist nur bis zu einem gewissen Mass zulässig.
-> Die Uebertragungsleitung hat eine gewisse maximale Uebertragungskapazität (beispielsweise 500MW)
Warum macht ein grenzüberschreitender Stromtransport Sinn?
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Nenne einige Besonderheiten des Stromtransportes
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Definiere den Begriff "Scheinleistung"
Die Scheinleistung, auch Anschlusswert oder Anschlussleistung, kennzeichnet die einem elektrischen Verbraucher zugeführte oder zuzuführende elektrische Leistung; diese stimmt nicht notwendig mit der vom Verbraucher in Form thermischer, mechanischer oder anderer Energie weitergegebenen Leistung überein. Die Scheinleistung S ergibt sich aus den Effektivwerten von elektrischer Stromstärke I und elektrischer Spannung U und setzt sich zusammen aus der tatsächlich umgesetzten Wirkleistung P und einer zusätzlichen Blindleistung Qtot.
Einheitszeichen: VA
\(S = U \cdot I = \sqrt{P^2 + Q^2}\\ (P = U \cdot I \cdot \cos{\varphi})\\ (Q= U \cdot I \cdot \sin{\varphi})\)
Definiere den Begriff "Blindleistung"
Im elektrischen Energieversorgungsnetz soll Energie vom Erzeuger zum Verbraucher übertragen werden. In mit Einphasen- bzw.Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) betriebenen Netzen fließt häufig mehr Energie zwischen dem Erzeuger (Kraftwerk) und einem elektrischen Verbraucher (beispielsweise elektrische Maschine), als in derselben Anzahl von Perioden im Verbraucher umgesetzt wird. Diese zusätzliche Energie pro Zeit, die nichts zur Wirkleistung („tatsächlichen Leistung“) beiträgt, ist im Allgemeinen unerwünscht und wird als Blindleistung bezeichnet.
Einheitszeichen VAr (r = reaktiv)
\(Q_{tot}= U \cdot I \cdot \sin \varphi =\sqrt{S^2 - P^2}\)
Definiere den Begriff "Wirkleistung"
Dieser Wert in Watt wird vollständig im Verbraucher umgewandelt.
\(P = U \cdot I \cdot \cos{\varphi}\)
Erkläre die Ursache von Blindleistung
Bei ohmscher Belastung haben Spannung und Strom einen phasengleichen Verlauf, der Phasenverschiebungswinkel ist φ = 0. Die gesamte vom Erzeuger gelieferte Energie wird beim Verbraucher umgesetzt (z. B. als thermische oder chemische Energie.).
Bei einem induktiven Verbraucher (z. B. Drosselspule, Transformator, Asynchronmotor) wird vom Erzeuger gelieferte Energie verwendet, um das magnetische Feld aufbauen zu können. Die Energie wird zunächst im Magnetfeld gespeichert, jedoch mit dem periodischen Wechsel im Vorzeichen der Spannung wird das Feld wieder abgebaut und die Energie ins Netz zurückgespeist. Bei rein induktiver Belastung läuft der Strom der Spannung um eine Viertelperiode nach, der Phasenverschiebungswinkel beträgt 90°. Das Produkt aus U und I befindet sich abwechselnd im positiven und negativen Bereich, wobei die Frequenz der Leistung die doppelte der Grundfrequenz ist. Wenn sich die Leistung p im negativen Bereich befindet, bedeutet das, dass Energie in das Netz zurückgeliefert wird. Im Mittelwert summiert sich diese Leistung zu null; sie erzeugt aber „blinden“ Stromfluss, der im versorgenden Netz nur hin- und herpendelt.
Für diesen Fall ergibt sich P = U x I x cos(j) = 0 -> Q = S
Nenne einige Folgen der Blindleistungsbelastung
Die Blindleistung tritt in der Regel bei allen am Netz angekoppelten Komponenten und auch beim Leitungsnetz selbst auf. Da in einem Stromkreis im Prinzip immer die drei passiven linearen Eigenschaften Kapazität, Induktivität und ohmscher Widerstand entweder in diskreten Bauelementen oder „parasitär“ vorhanden sind, liegt in einem Wechselstrom-Versorgungsnetz praktisch immer eine Blindleistungsbelastung vor.
Die Leistung p wird über das Versorgungsnetz bezogen. Die Rückspeisung bewirkt Blindleistung und einen Blindstrom, der bei steigendem Blindleistungsbedarf der Verbraucher ansteigt. Um der Erwärmung der Leitung entgegenzuwirken, werden größere Leiterquerschnitte in den Versorgungsleitungen sowie größere Generatoren und Transformatoren nötig. Elektrische Großverbraucher in der Industrie müssen neben der bezogenen Wirkenergie auch für ihren Blindenergiebezug bezahlen. Privat- und Kleinverbraucher, die im Gegensatz zur Industrie überwiegend Strom für Wärmegeräte (Herd, Glühlampen, Heizgeräte) verbrauchen, verursachen geringe Blindleistungsbelastung und werden deswegen und wegen des hohen Aufwandes für deren Erfassung von den Kosten freigestellt, bzw. finden sich letztere im Preis der Wirkarbeit (angegeben in kWh) wieder. Außerdem bewirken Blindlaständerungen wesentlich größere Spannungsänderungen im Netz, da der Innenwiderstand von Generatoren und Transformatoren überwiegend induktiv ist.
Erkläre, wie die Blindleistung am Entstehungsort vermieden werden kann.
Durch geeignete Maßnahmen versuchen daher die großen Energieverbraucher, den Blindleistungsbedarf möglichst gering zu halten. Der induktive Blindleistungsbedarf einer Asynchronmaschine kann durch eine Kondensatorbatterie, Synchronmaschine oder einem speziellen Stromrichter (Leistungsfaktorkorrektur) kompensiert werden, das wird als Blindleistungskompensation bezeichnet. Die für die Erzeugung des magnetischen Feldes erforderliche Energie pendelt dann nicht mehr in das versorgende Netz bis zum Generator, sondern nur zwischen Asynchronmaschine und Kondensatorbatterie bzw. Synchronmaschine. Damit sinkt der resultierende Strom, den der Antrieb aus dem Netz entnimmt.
