Eletu

Porzellan, Silikon, Glas

Glas in Südlichen länder, können zerbrechen.

Silikon mit Glasfaserversterkt. Gute Oberfläche (hydrophob) und guter Isolator. Kein durchgehender Wasserfilm. Kann von Moosen und Flechten besidelt werden. Vögel essen das was zu schäden führt.

Die Form ist absichtlich so gemacht das jeder Regentropfe nicht hinter den Isolator kommt.

Für die Isolatoren von Freileitungen kommen entweder Langstabisolato-

ren aus Porzellan oder Kunststo (glasfaserverstärktes Silikon), oder Ket-

ten von Glas- oder Porzellankappen zum Einsatz. Eine genormte Länge für

Langstabisolatoren ist 1'270 mm. Je nach Spannungsebene werden mehrere

solcher Isolatoren verbunden um die notwendige Distanz in Luft herzustellen.

Als Grössenordnung für die Isolierfähigkeit von Luft gilt die bereits erwähnte

Grössenordnung 1 kV/cm.

Tragmast: Auf den Auslegern von Tragmasten werden die Leiterseile an

vertikal angeordneten Isolatoren (I- oder V-Ketten) aufgehängt. Ab-

bildung 5.15 zeigt einen Tragmast.

Abspannmast: Auf Abspannmasten werden die Leiterseile mit Isolatoren

in nahezu horizontaler Lage in Längsrichtung abgespannt. Abspann

maste werden vor allem dann eingesetzt, wenn die Leitung ihre Rich-

tung ändert. Man spricht dann vom Winkelabspannmast. Ebenso muss

die Leitung abgespannt werden, bevor die Leiterseile in eine Schaltan-

lage oder in Kabelendverschlüsse geführt wird (Kabelendmast ). Abbil-

dung 5.17 zeigt einen mächtigen Winkelabspannmast.

Leitungen verschiedener Netzbetreiber auf selben Masten

Im Höchstspannungsnetz kommen Bündelleiter zum Einsatz. Anstatt ei-

nes Seils mit grossen Querschnitt teilt man den gesamten Leitequerschnitt

auf mehrere Seile auf und führt diese als Zweier-, Dreier- oder Viererbün-

del in einem Abstand von 40 bis 50 cm. Dies hat den Vorteil, dass leichtere,

genormte Seile zum Einsatz kommen können. Zudem sind die elektrischen Ei-

genschaften von Bündelleitern vorteilhaft gegenüber einem Leiter. Das elek-

trische Feld an der Leiteroberäche wird reduziert und der Skineekt hat

geringere Auswirkungen. Abbildung 5.15 zeigt eine Leitung mit Dreierbün-

delleiter. In Japan is seit 1999 eine Drehstromleitung mit einer Nennspan-

nung von 1 MV in Betrieb, welche mit 8-fachen Bündelleitern ausgeführt ist

(siehe Abbildung 5.16).

Bezüglich ihrere mechanischen Funktion unterscheidet man zwischen Trag-

und Abspannmasten:

Kabel werden auf Kabelrollen transportiert. Dies begrenzt die maximale,

transportierbare Länge eines Kabelstückes auf einige 100 m. Für längere

Strecken müssen die Kabelstücke mit Muen verbunden werden. Am Anfang

und Ende eines Kabels werden sogenannte Endverschlüsse angebracht. Eine

Kabelverbindung besteht deshalb grundsätzlich aus Kabelstücken, Muen

und Endverschlüssen.

Abbildung 5.12 zeigt den Aufbau eines Kabels anhand eines Beispiels.

Der grundsätzliche Aufbau ist immer ähnlich:

Leiter: Der Leiter hat die Aufgabe, den Betriebsstrom zu führen. Als

Leitermaterial kommt Kupfer oder Aluminium zum Einsatz. Die Leiter

werden als mehrdrähtige Rund- oder Sektorleiter ausgeführt, in Son-

derfällen auch als Hohlleiter.

Isolierung: Die Isolierung hat die Aufgabe, den unter Hochspannung

stehenden Leiter gegenüber dem Mantel elektrisch zu isolieren. Für

die Isolierung kommt im Hoch- und Mittelspannungsbereich heute fast

ausschliesslich vernetztes Polyethylen zum Einsatz, kurz VPE (cross-

linked polyethylene, XLPE). Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE),

sowie Natur- oder Kunstgummi werden in niedrigeren Spannungsebe-

nen verwendet. Ältere Kabel sind mit ölgetränktem Papier isoliert.

Schirmung: Bei Hochspannungskabeln ab 30 kV wird jeder Leiter von

einem eigenen Schirm umgeben. Die Aufgabe des geerdeten Schirms be-

steht darin, das elektrische Feld zwischen Leiteroberäche und Aussen-

hülle der Isolation möglichst homogen und radialsymmetrisch verlaufen

zu lassen.

Bewehrung: Als mechanischer Schutz kann eine Bewehrung aus Me-

talldrähten oder -bändern aufgebracht werden.

Aussenmantel: Eine dichte Aussenhülle, typischerweise aus Polyethy-

len, schützt das Kabel vor äusseren Einüssen wie z.B. Feuchtigkeit.

Zur Optimierung der Feldverläufe im Kabel sowie zur Verbesserung der

mechanischen Eigenschaften können noch weitere Schichten im Kabe-

laufbau vorkommen. So dient beispielsweise die halbleitende Schicht

Nr. 2 in Abbildung 5.12 zur Homogenisierung des elektrischen Feldes

an der Leiteroberäch

1. Leitet Strom

2. Macht das alle Elektromagnetische Feldlinie Radial austreten und nicht konzentriert.

Kapazität zwischen Leiter ist links grösser

PVC, PE, VPE oder Natur und Kunstgummi oder Öl mit getränktem Papier.

Die Schwäche der Kabel:

Nicht beliebig lang. muss auf Kabelrollen transportiert werden. Benötigt Kabelmufffen. Muffen können durch eussere Einflüsse nicht optimal montiert werden, dadurch geht Muffe über längere Zeit kaput. 

NV = UH * UD

1/h wie häufig unterprochen * Unterbrechungsdauer

Bei Freihleitung ist häufigkeit höher jedoch bei Leitungen unter boden Unterbrechungsdauer höher

Orte mit Einegeschränkter Nutzung

Entsteht durch Leitungslänge usw. Widerstand mit verlust

Verseilfaktor: Bedeutet Drähte ist länger als Seil

-Skineffekt

-Proximityeffekt

-Spiraliteyeffekt

Einen Verlust über die Isolatoren und den Mast in den Boden. Korona Entladung über Luft = knistern. Sehr klein, kann daher meist vernachlässigt werden.

Während die Leiterseile einer Freileitung über den Grossteil der Länge durch

Luft isoliert sind, sind die Leiter eines Kabels über die gesamte Länge von

einem kompakten Dielektrikum umgeben. Bei Freileitungen repräsentiert der

Ableitbelag G′ in nS/km die Querströme durch Koronaentladungen im Iso-

liermedium Luft und Leckströme an den Isolatorketten. Im Kabeln führen

Polarisations- und Leitfähigkeitsverluste im Isoliermedium zu einem höheren

Ableitbelag. Im Vergleich zu Freileitungen kann dieser um den Faktor 5 bis

20 höher sein

Jeder Leiter verursacht eine Elektromagnetisches Feld. Dies Indusziert eine Spannung in den anderen Leitern. Je näher die Leiter desto weniger einfangen von Elektrischen Feld, desto geringere Störung. Bei Freileitungen grösser als bei Kabel

Der Induktivitätsbelag L′in mH/km einer Leitung entsteht durch die Verket-

tung der magnetischen Flüsse der verschiedenen Leiterschleifen. Massgebend

für die Höhe des Induktivitätsbelags ist das Verhältnis aus mittlerem Lei-

terabstand und wirksamen Leiterradius. Je grösser dieses Verhältnis, desto

grösser der Induktivitätsbelag. Während bei Freileitungen die Phasenleiter

im Abstand von einigen Metern geführt werden, sind die Abstände bei Ka-

beln deutlich geringer. Hinzu kommt, dass durch den höheren Leiterquer-

schnitt von Kabeln der Leiterradius im Vergleich zu Freileitungen grösser

ist. Kabel haben deshalb im Vergleich zur Freileitung eine um den Faktor 2

bis 3 geringere Betriebsinduktivität.

Verhält sich genau umgekehrt wie die Induktivität. Wenn grosser Abstand dann klein, bei kleinem Abstand gross. Bei Freileitungen gering, bei Kabeln gross.

Der Kapazitätsbelag C′in nF/km einer Leitung wird durch die Ausprägung

der elektrischen Felder bestimmt. Der Kapazitätsbelag einer Leitung ist ab-

hängig von den Abständen der Phasenleiter gegeneinander und gegenüber

Erde (oder Schirm), vom Leiterradius und vom Isoliermedium. Freileitungen

weisen hohe Leiterabstände auf, das Isoliermedium Luft hat eine relative

Dielektrizitätszahl von 1. Im Vergleich dazu haben Kabel geringere Abstän-

de zu den anderen Phasenleitern und zum geerdeten Kabelschirm. Zudem

haben die Isoliermaterialien höhere relative Dielektrizitätszahlen, VPE liegt

beispielsweise bei 2.4. Daraus wird klar, dass Kabel eine weitaus höhere Ka-

pazität aufweisen als Freileitungen. Tatsächlich unterscheiden sich die beiden

Technologien in dieser Hinsicht am stärksten. Der Unterschied beim Kapa-

zitätsbelag liegt bei Faktor 15 bis 20.

Die Wellenimpedanz in Ω ist eine Funktion der Leitungsbeläge und der Kreisfrequenz ω= 2πf.

Wellenimpedanz = Wurzel aus(Ohmsche und Induktive verluste / Kapizative und Ableitsbelag)

Mit den Grössenordnungen der Leitungsbeläge im Hinterkopf wird beim

Anblick von Gleichung (5.2) klar, dass Kabel geringere Wellenimpedanzen

aufweisen als Freileitungen. Für die Werte in Tabelle 5.4 und 5.5 erhalten

wir die Wellenimpedanzen in Tabelle 5.6.

Wenn von den Querelementen gleich viel Blindleistung abgegeben wird, wie von der Längselementen Blindleistung aufgenommen werden kann, spricht man von Natürliche Leistung. Sie tritt auf wenn der Kreis mit der Wellenimpedanz geschlossen wird.

Kabel haben eine geringere Wellenimpedanz aber dafür eine höhere natürliche Leistung.

Diese ist bei Kabeln deutlich höher als die

thermische Grenzleistung, für welche das Kabel ausgelegt ist. Kabel können

deshalb nur Leistungen übertragen, welche deutlich unter der natürlichen

Leistung liegen, typischerweise bei 0.2 bis 0.5 Snat. Freileitungen hingegen

können deutlich über ihrer natürlichen Leistung mit 2 bis 4 Snat betrieben

werden.

• Die Lastimpedanz ist höher als die Wellenimpedanz

• Die Last nimmt weniger als die natürliche Leistung auf

• Die Längsinduktivität „verbraucht“ weniger

Blindleistung als die Querkapazität „erzeugt“

• Die Spannung am Leitungsende ist höher als am

Leitungsanfang

• Freileitungen meistens unternatürlich betrieben, in seltenen

Fällen übernatürlich

• Kabel ausschliesslich unternatürlich betrieben

• Die Lastimpedanz ist niedriger als die Wellenimpedanz

• Die Last nimmt mehr als die natürliche Leistung auf

• Die Längsinduktivität „verbraucht“ mehr Blindleistung

als die Querkapazität „erzeugt“

• Die Spannung am Leitungsende ist tiefer als am

Leitungsanfang

• Freileitungen meistens unternatürlich betrieben, in seltenen

Fällen übernatürlich

• Kabel ausschliesslich unternatürlich betrieben

ie thermische Grenzleistung.

Wichtig! Die natürliche Leistung eines Kabels ist deutlich höher als

seine thermische Grenzleistung. Kabel werden deshalb immer unternatürlich

betrieben.

Die Erste Querimpendaz ist nicht relevant für die Übertragung. Wenn Querimpedanz gross dann U2 kleiner da mehr durch Längsimpedanz fliesst.

Die Längsimpedanz begrenzt den Stromfluss je höher desto geringer der Strom bei der Last.

Welches Dominiert? bei ZL = XL/R = 3/1 also ist die Induktivität dominanter.

Also sind die wichtigsten ZQ2 und ZL

Je unterschiedlicher U1 und U2 sind also U1 grösser als U2 und je grösser der Winkel zwischen den zwei Spannung desto höher die Blinleistung. Je grösser der winkel zwischen der Spannunung je grösse der Wirkungsgrad

U1 und U2 sind in der Realität immer etwa gleich.

cos(klein) = immer 1

sin(klein) = Linear also x

Der Winkel zwischen U1 und U2 ist etwa kleiner gleich 30 Grad.

Frequenz:

-Zu tief: Drehzahl von Maschinen zu gering. Turbinenfrequenz unter 50 Hz füren zu schwingungen der Schaufeln.

Digitaluhren wie bei Backofen zählen Zeit nach Frequenz aus Sinusfunktion. Wenn hier diskrepanz dann Uhr hinten nach.

-Zu hoch: Motoren drehen zu schnell, kann zu Schäden führen. Drehgeschw. propotional zu Frequenz.

Querimpedanz wird geringer als Längsimpedanz deshalb mehr Leitungsverluste.

Spannung:

-zu hoch dann Geräteschäden

-zu tiefe Spannung Geräte laufen nicht richtig da wenig Versorgungsstrom. Geräte benötigen gewisse Spannung.

Nicht mehr stabilisierbar, wahrscheinlich Black Out

Hoch und Niedertarif wird durch Synchronzeit definiert.

Grundsätzlich ja, aber leichte verschiebungen über distanzen. Aber über mehrere Sinusperioden gesehen immer gleich.

Beschreibt das ein Kraftwerk nicht volle Leistung ausschöpfen kann sondern im Teilbetrieb ist um Leistung höher oder Tiefer zu betreiben

Frequenz: Bei zu hoher oder zu niedriger Frequenz können Anlagen Scha-

den nehmen. Bereits ab 1% Abweichung von der Nennfrequenz treten

bei Dampfturbinen starke Vibrationen auf, welche zu beschleunigter

Materialermüdung und in der Folge zu Schäden führen können. We-

niger dramatisch aber unangenehm ist die Zeitabweichung von Syn-

chronuhren, welche sich bei dauerhaften Frequenzabweichungen ein-

stellt. Solche Uhren nutzen die Netzfrequenz als Zeitreferenz und wer-

den beispielsweise für Haushaltsgeräte wie Backöfen, Mikrowellen etc.

verwendet. Aufgrund einer lang andauernden Frequenzabweichung im

kontinentaleuropäischen Netz kam es im März 2018 zu einer Synchron-

zeitabweichung von sechs Minuten.

Spannung: Bei zu hohen Spannungen wird die Isolation der Betriebsmit-

tel stark beansprucht und im schlimmsten Fall zerstört. Zu niedrige

Spannungen können für die Stabilität der Übertragung gefährlich sein

(Phänomen des Spannungskollaps). Ausserdem leidet die Ezienz

der Energieübertragung bei niedrigen Spannungen, weil bei gleicher

Leistung mehr Strom iesst und die Verluste zunehmen. Zu tiefe Span-

nungen sind weltweit gesehen die häugste Ursache für Blackouts.

Strom: Zu hohe Ströme in Betriebsmitteln führen zu starken thermischen

und mechanischen Beanspruchungen. Deshalb schalten Schutzgeräte

bei zu hohen Strömen automatisch ab. Wird eine Leitung abgeschaltet,

verteilt sich der Strom entsprechend den Impedanzverhältnissen auf an-

dere Netzelemente, wodurch diese wiederum stärker belastet werden.

In ungünstigen Konstellationen kann so ein gefährlicher Dominoeekt

entstehen, der dazu führen kann, dass sich das Synchronnetz in Teil-

netze auftrennt. So ein Dominoeekt hat 2003 zum Italien-Blackout

geführt. Ströme werden betrieblich überwacht und mit verschiedenen

Massnahmen unter Kontrolle gehalten.

Im Unterschied zur Spannung und zur Frequenz hat man bei Leitungs-

überlastungen dank der grossen thermischen Trägheit der Netzelemente ver-

gleichsweise lange Zeit, um ein Problem zu beheben (typischerweise 10 bis

20 Minuten). Deshalb wird die Belastung der Betriebsmittel manuell gesteu-

ert. Frequenz und Spannung müssen jedoch in Echtzeit automatisch geregelt

werden. In den nächsten Abschnitten behandeln wir die Regelung von Fre-

quenz und Spannung im kontinentaleuropäischen Verbundnetz (Continental

Europe, CE).

Alle Generatoren und Motoren haben die gleiche Frequenz welche genutzt wird alle drehen gleich schnell.

Zu einer Änderung der Drehzahl kommt es, wenn das Leistungs-

gleichgewicht an einem Maschinensatz nicht mehr gegeben ist. Die Turbine

bringt eine mechanische Leistung Pm auf die Welle, der Generator gibt eine

elektrische Leistung Pe ans Netz ab. Solange die beiden sich die Waage hal-

ten (Verluste im Generator vernachlässigt), dreht die Welle mit konstanter

Drehzahl. Stimmen die beiden Leistungen nicht überein, verändert sich die

Drehzahl ω proportional zur Leistungsdierenz:

Im Faktor k stecken maschinenspezische Parameter, darin enthalten ist

auch die mechanische Trägheit des Maschinensatzes. Je träger dieser ist, de-

sto langsamer ändert sich ω bei gleicher Leistungsdierenz. Das Vorzeichen

der Leistungsdierenz bestimmt auch das Vorzeichen der Drehzahländerung.