Warum nutzt man Hochspannung zur Übertragung großer Leistungen und wie lässt sich dies mathematisch zeigen?
Wie lauten die Gleichungen für mechanische Arbeit und elektrische Arbeit und wie lässt sich daraus die elektrische Leistung herleiten?
In welchen Bereichen liegen die gängigen Spannungen eines Drehstromsystems und wie lautet die Faustformel für die Spannungshöhe einer Übertragungsstrecke?
Erzeugung: 1 kV - 30 kV
Übertragung: 123 kV - 420 kV
Verteilung: 12 kV - 36 kV
Verbraucher: 400 V
Faustformel: Übertragungsstrecke in km = Spannungshöhe in kV
Wofür stehen die Bezeichner Un, Us und Um im Kontext von Spannungen der Energieverteilung?
Ab welchen Spannungen spricht man von Nieder-, Mittel-, Hoch-, Höchst- und Ultrahochspannung?
Welche Besonderheiten gibt es bei Wanddurchführungen für hohe Spannungen?
Außen liegende Seite der Durchführung länger als die innere aufgrund von Feuchtigkeit
Schirmelektroden als Toroide ausgeführt, um Teilentladungen (Koronaentladungen), die z. B. an spitzen Kanten auftreten, zu vermeiden und damit Verluste zu reduzieren
Welche Überspannung treten im Netz auf und was sind die Ursachen dafür?
In welcher Einheit werden Überspannungen angegeben und wie berechnet sich diese?
Wie hoch fallen die im Netz möglichen Überspannungen aus?
Was passiert bei einem einpoligen Erdschluss bei einem Netz mit isoliertem Sternpunkt?
kleine Erdstreukapazitäten -> geringe kapazitive Ströme im Fehlerfall
Was passiert bei einem einpoligen Erdschluss bei einem gelöschten Netz?
Was passiert bei einem einpoligen Erdschluss bei einem starr geerdeten Netz?
Wie entstehen Schaltüberspannungen?
Wie sieht die genormte Schaltstoßspannung 250/2500 aus?
Was passiert bei einem Blitzeinschlag in ein Erdleiterseil eines Hochspannungsmasts?
Was passiert bei einem Blitzeinschlag in ein Leiterseil eines Hochspannungsmasts?
Wie lässt sich anhand eines Blitzstoßspannungsdiagramms die Stirnzeit sowie die Rückenhalbwertszeit bestimmen?
Wie ist die genormte Blitzstoßspannung 1,2/50 nach der IEC 60060-1 definiert?
Was ist eine Wanderwelle und warum tritt diese auf?
Steigt die Spannung bei einem Blitzeinschlag in eine Freileitung überall gleichzeitig an?
Nein, die Spannungswanderwelle breitet sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit aus, wobei die Entfernung der Masten dazu führt, sodass diese zu unterschiedlichen Zeiten einen Spannungsanstieg sehen
Wann müssen Wanderwellenvorgänge nicht berücksichtigt werden?
Betrachtete Leitungslänge zmax deutlich kleiner als die Strecke, die während der Anstiegszeit Ta bzw. der Periodendauer T zurückgelegt wird.
Wie lässt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit auf einer Leitung mathematisch beschreiben? Nennen sie Beispiele für Ausbreitungsgeschwindigkeiten.
Wann sind Wanderwellenvorgänge zu berücksichtigen? Nennen sie Beispiele.
Zeichnen sie das allgemeine ESB einer Freileitung?
Zeichnen sie das ESB einer verlustlosen Freileitung?
Vernachlässigung der Widerstände (im Längs- und Querzweig)
Wie berechnet man die Geschwindigkeit einer Welle auf einer verlustlosen Leitung?
Wie berechnet man die Impedanz einer verlustlosen Leitung?
Wie können Wanderwellen nach einer allgemeinen Lösung für Spannung und Strom beschrieben werden?
Nennen sie die Leitungs-/Wellengleichung für verlustlose Leitungen.
Welches Vorzeichen haben Spannung und Strom bei Wanderwellen in hin und zurücklaufenden Richtungen und wie hängt ihr Betrag zusammen?
Wie berechnet man die Leitungsbeläge einer Freileitung?
Wie berechnet man die Leitungsbeläge eines Koaxialkabels?
Wie definiert man Brechung und Reflexion?
Wie berechnen sich die Brechungsfaktoren für Strom und Spannung?
Wie berechnen sich die Reflexionsfaktoren für Strom und Spannung?
Was passiert, wenn eine Spannungs- und Stromwelle auf eine kurzgeschlossene Leitung trifft?
Was passiert, wenn eine Spannungs- und Stromwelle auf eine leerlaufende Leitung trifft?
Was passiert, wenn eine Spannungs- und Stromwelle auf eine mit einem angepassten ohmschen Widerstand abgeschlossene Leitung trifft?
Was passiert, wenn eine Spannungs- und Stromwelle auf eine mit einer Kapazität abgeschlossene Leitung trifft?
Was passiert, wenn eine Spannungs- und Stromwelle auf eine mit einer Induktivität abgeschlossenen Leitung trifft?
Wie lassen sich Überspannungen nach IEC 60071 einkategorisieren?
niederfrequent
dauernd
zeitweilig
transient
langsamer Anstieg (Schaltüberspannung, innere Überspannungen)
schneller Anstieg (Blitzüberspannungen, äußere Überspannungen)
sehr schneller Anstieg (VFT, very fast transients)
Wie erfolgt die Isolationskoordination nach EN 60071-1?
„Auswahl der dielektrischen Festigkeit von Betriebsmitteln, die für ein bestimmtes Netz vorgesehen sind, in Abhängigkeit von Spannungen, die in diesem Netz unter Berücksichtigung der betrieblichen Umgebungsbedingungen und der Eigenschaften der verfügbaren Überspannungs-Schutzeinrichtungen auftreten können.“
Wie erfolgt die Auswahl der Isolationspegel?
Was sind Überspannungsableiter, Schutzpegel und Pegelsicherheit?
Wie hoch können Überspannungen ohne den Einsatz von Ableitern ausfallen? Wie hoch sind im Vergleich dazu die Stehspannung der Geräteisolationen und die Ableiterschutzpegel?
Warum vergrößert man nicht einfach die Stehspannung der Geräteisolation?
Die Dimensionierung der Geräteisolation, sodass alle Überspannungen gehalten werden, wäre nicht möglich oder zu kostenintensiv.
Warum kann ein Ableiter keine zeitweiligen Überspannungen begrenzen?
Ableiter können zeitweilige Überspannungen nicht begrenzen, da sie zu lang andauern und die Ableiter thermisch zerstört werden würden. Deshalb muss der Schutzpegel höher liegen.
Was passiert, wenn eine Wanderwelle auf einen idealen Überspannungsableiter trifft und wie berechnet sich der Schutzbereich Lp?
Welche Typen von Überspannungsableitern sind geläufig und wie unterscheiden sich diese?
Schutzfunkenstrecken:
Grobschutz zum Schutz des Isolators beispielsweise
Lichtbogen erlischt nicht selbstständig
Abschaltung notwendig
Ventil- bzw. Funkenstreckenableiter:
Kombination aus Funkenstrecke und nachgeschaltetem Varistor (SiC), da Strom bei Nennspannung für Varistor zu hoch
nach Ableitung über Varistor geringe Spannung anliegend, sodass Funkenstrecke im Stromnulldurchgang erlischt
Metalloxidableiter:
spannungsabhängiger Widerstand
sperrt bei Nennspannung fast vollständig
geringe Überspannung führt zum Ansprechen des Ableiters und zu hohem Stromfluss
Was sind Schutzfunkenstrecken, wo sind diese verbaut und wie funktionieren diese?
Welche Arten von Varistoren werden üblicherweise eingesetzt und wie unterscheiden sich diese?
Wie sind Ventil- bzw. Funkenstreckenableiter aufgebaut und wie funktionieren diese?
Wie sieht der ungefähre Verlauf eines MO- oder SiC-Ableiters aus?
Was sind wichtige Kenndaten von MO-Ableitern?
Wie gestaltet sich das thermische Energieaufnahmevermögen eines MO-Ableiters?
Wie werden MO-Widerstände hergestellt und wie gestaltet sich der Leitungsmechanismus prinzipiell?
Wie ist ein MO-Ableiter für Hochspannung grundlegend aufgebaut?
Ausblasöffnung für den Fall, dass thermische Belastbarkeit des Ableiters erreicht -> Druck steigt an und öffnet, sodass Lichtbogen außerhalb des Ableiters überschlagen kann
kapazitive Steuerung hilft, die Spannung gleichmäßiger zu verteilen, indem kapazitive Elemente entlang des Ableiters eingesetzt werden. Diese Kapazitäten wirken als Spannungsteiler, der die Spannung gleichmäßiger entlang des Ableiters verteilt.
Was sind in Deutschland gebräuchliche Spannungsebenen für HVAC-Systeme?
Übertragungsnetze (subtransmission systems): 123 kV, 245 kV (Um)
Transportnetze (transmission systems): 245 kV, 420 kV (Um)
Wie lautet die Faustformel zur Bestimmung der optimalen Übertragungspannung?
Was ist die natürliche Leistung und wie lässt sich diese berechnen?
Die natürliche Leistung bei Hochspannungswechselstrom-Übertragungssystemen (HVAC) bezeichnet die maximale Leistung, die über eine Wechselstromleitung übertragen werden kann, ohne dass zusätzliche reaktive Kompensationsmaßnahmen erforderlich sind. Dieser Begriff bezieht sich auf den Punkt, an dem die übertragene Wirkleistung (P) und die reaktive Leistung (Q) im Gleichgewicht sind, sodass die Spannung am Ende der Leitung nicht signifikant absinkt oder ansteigt.
Die Übertragung bei oder unterhalb der natürlichen Leistung ist effizienter, da keine zusätzlichen Verluste durch reaktive Leistung auftreten. Wenn die übertragene Leistung die natürliche Leistung überschreitet, steigt der Bedarf an reaktiver Kompensation, um Spannungsabfälle zu vermeiden, was zusätzliche Verluste und Kosten verursacht.
Welche Faktoren begrenzen die Übertragungsfähigkeit einer Leitung (HVAC-System)?
Welche Aufgaben muss eine Schaltanlage im Höchstspannungsbereich erfüllen?
Wie werden Last-, Trenn- und Leistungsschalter unterschieden und wie sehen die zugehörigen Schaltsymbole aus?
Beschreiben Sie das unten stehende einphasige ESB einer typischen Höchstspannungsschaltanlage und nennen Sie die nummerierten Bauteile.
Abzweig (Einspeisung oder Abgang) zur Verbindung mit
Kraftwerk
weiträumigem Übertragungsnetz
Umspannstation zur Einspeisung in das unterlagerte Netz
Trennschalter
Leistungsschalter
Sammelschienenschalter
Doppelsammelschienensystem: Erhöhung der Schaltungsvarianten
zum Betrieb des Netzes
zur Revision der Anlage
Umgehungssammelschiene zur Freischaltung der Trenn- und Leistungsschalter eines Abzweigs
Spannungswandler
Längstrennung
Querkupplung:
variable Verschaltung des Doppelsammelschienensystems
Kupplung der Umgehungssammelschiene
Welche Bauteile kommen bei dem unten aufgeführten Abzweig einer Schaltanlage im Höchstspannungsbereich zum Einsatz?
Sammelschienen
Sammelschienentrennschalter
Stromwandler
Erdungsschalter (Arbeitserder)
Einspeisung oder Abgang
Wie läuft ein Sammelschienenwechsel von Sammelschiene 2 auf Sammelschiene 1 bei Abzweig 1 bei einer Schaltanlage im Höchstspannungsbereich nach der unten stehenden Abbildung ab?
Beide Trenner der Querkupplung Q schließen
Leistungsschalter von Q schließt
Trenner T1 des Abzweigs 1 schließt
Trenner T2 des Abzweigs 1 öffnet und schaltet Kommutierungsstrom
Leistungsschalter von Q öffnet
Beide Trenner von Q öffnen
Was sind besondere Funktionen von Trennschaltern in Schaltanlagen im Höchstspannungsbereich?
Bereitstellung einer sicheren und sichtbaren Längstrennung
Schalten kleiner kapazitiver Ströme (< 0,5 A) bei Nennspannung
Schalten von Kommutierungsströmen beim Sammelschienenwechsel:
Strom bis 80 % des Nennstroms
Spannung bis ca. 300 V
Beschreiben Sie die nummerierten Elemente eines 420/123 kV Freiluft-Umspannwerks.
Sammelschiene
Scherentrennschalter, diagonal angeordnet (Diagonalbauweise)
Kombiwandler (Strom- und Spannungswandler)
Trenn- und Erdungsschalter
Filterdrossel zur Sperrung der Trägerfrequenzübertragung (TFH)
Kapazitiver Teiler zur Ein- und Auskopplung des TFH-Signals
Überspannungsableiter
Transformator
Fahrwege
Umzäunung
Benennen Sie die wichtigsten Eigenschaften des Isoliergases SF6.
farblos, geruchlos, ungiftig, nicht brennbar
chemisch sehr stabil, fast inert
5-mal schwerer als Luft
hoch klimawirksam -> Verbot in der EU auch in Schaltanlagen beschlossen
Durchschlagfestigkeit 3-mal höher im Vergleich zu Luft; weitere Erhöhung um den Faktor 3-4 durch Druckerhöhung
Isolierabstände auf ca. 1/10 gegenüber Luft reduziert
Flächenbedarf von Schaltanlagen auf ca. 1/100 gegenüber Luft reduziert
Wie werden die unten dargestellten Elemente einer gasisolierten Schaltanlage bis 170 kV genannt?
Sammelschiene mit kombiniertem Trenn- und Erdungsschalter
Kombinierter Leitungstrenn- und Erdungsschalter
Einschaltfester Erdungsschalter
Kabelendverschluss
Steuerschrank
Worin besteht der Unterschied von gasisolierten Schaltanlagen bis 170 kV und darüber?
Was sind die Vorteile einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HVDC) gegenüber eines HVAC-Systems?
keine kapazitive Blindleistung im Leerlauf bzw. bei Schwachlast
Kabel im AC-Betrieb ab ca. 50 – 70 km: kapazitive Ladeleistung in der Größenordnung der Nennleistung
Freileitung im AC-Betrieb ab ca. 500 – 700 km: Spannungserhöhung am Leitungsende zu groß
keine induktive Blindleistung im Nennbetrieb oberhalb der natürlichen Leistung bei Freileitungen
kleinere Übertragungsverluste
keine dielektrischen Verluste (Bild 1)
keine Wirbelstromverluste
kein Skin-Effekt (Bild 2)
bei gleicher maximaler Leiter-Erd-Spannung größere Wirkleistungsübertragung pro Leiter
insgesamt geringerer Platzbedarf der Trasse bei Kabel und Freileitung
keine Stabilitätsprobleme im Nennbetrieb
Spannungsstabilität
Wirkleitungsstabilität (abhängig vom Leitungswinkel)
Wofür kann HGÜ eingesetzt werden?
Kopplung von HDÜ-Netzen
bei unterschiedlichen Frequenzen (50 / 60 Hz)
bei unterschiedlicher Qualität der Frequenzhaltung
zur Begrenzung der Kurzschlussströme im Fehlerfall
zum einfachen Steuern des Lastflusses
Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
Wie ist eine monopolare HGÜ-Verbindung mit Erdrückleitung prinzipiell aufgebaut und welche Probleme gehen damit einher?
Probleme der Erdrückleitung im Meer:
Elektrolyse des Wassers bzw. der darin enthaltenen Salze
Anode: Produktion von Chlor
Kathode: Produktion von Wasserstoff und Natriumhydroxid (Natronlauge)
Beispiel: Baltic Cable, 450 kV, 600 MW, 1340 A
Anode: 41 kg Chlor täglich
Kathode: 47,5 kg Natriumhydroxid täglich
Größere Erdungssysteme führen nur zu einer besseren Verteilung (Verdünnung) der Elektrolyseprodukte
Korrosion der Elektroden
Wie ist eine monopolare HGÜ-Verbindung mit metallischem Rückleiter prinzipiell aufgebaut?
Wie ist eine bipolare HGÜ-Verbindung prinzipiell aufgebaut?
Wie sieht das ESB eines E1-Gleichrichters und der resultierende Spannungsverlauf bei einer Wechselspannung am Eingang aus?
Wie sieht das ESB eines B2-Gleichrichters und der resultierende Spannungsverlauf bei einer Wechselspannung am Eingang aus?
Wie sieht das ESB eines M3-Gleichrichters und der resultierende Spannungsverlauf bei einer Wechselspannung am Eingang aus?
Wie gestaltet sich die Funktionsweise eines Thyristors?
Wie lassen sich Thyristoren in Gleichrichtern für HGÜ-Systeme nutzen und welche Vor- bzw. Nachteile bringen sie mit sich?
12-Puls-Gleichrichterschaltung: durch die Reduktion der Oberschwingungen Verbesserung der Netzqualität, höhere Effizienz, geringere Filteranforderungen, reduzierte Spannungswelligkeit und höhere Stromtragfähigkeit
Yd5: 5 * 30° = 150° Phasenverschiebung
Nachteile: großer Filteraufwand auf Drehstromseite, große Anlagen und Platzbedarf
Vorteile: große Leistungen übertragbar, mit vergleichsweise geringen (Schalt-)Verlusten
Für welchen Bereich wird das unten stehende Schaltungslayout eingesetzt? Nennen Sie wichtige Elemente des Schaltungslayouts.
Konverterstationen für HGÜ-Systeme (netzgeführt, Wechsel der Spannungspolarität)
Was sind die Kerneigenschaften von IGBTs?
Ein- und Ausschalten durch Steuerung der Gate-Spannung möglich
höhere Strombelastbarkeit und Spannungsfestigkeit durch Multi-Chip-Design möglich (Parallelschaltung)
Schaltfrequenz bis 2 kHz
Wie lassen sich IGBTs in Gleichrichtern für HGÜ-Zwecke nutzen?
Weswegen nutzt man für große HGÜ-Leistungen (insbesondere früher) eher Thyristor-basierte Systeme (HVDC Classic) anstatt IGBT-basierte Systeme (HVDC Light / HVDC Plus)?
Entwicklung von IGBTs für Hochspannungsanwendungen und große Leistungen
frühe Generationen oft höhere Schaltverluste
Wie unterscheiden sich die HGÜ-Systeme HVDC Classic und HVDC Light bzw. HVDC Plus im Wesentlichen?
Inwiefern sind die verschiedenen Arten von Kabelstrecken limitierende Faktoren von HVDC-Systemen?
VPE-Kabel (vernetzes Polyethylen als Isolierung):
verfügbar bis 525 kV (keine Langzeiterfahrungen)
Bildung von Raumladungen bei DC-Anwendungen
erhöhte elektrische Feldstärke nach Wechsel der Spannungspolarität
Verwendung zurzeit nur mit IGBT-basierten Konvertern (VSC-Konverter) bis 500 kV (kein Wechsel der Spannungspolarität)
Massekabel (Papierisolierung mit Öl-Harz-Gemisch):
verfügbar bis 525 kV DC
geeignet für Umpolung
Maximaltemperatur 60 °C, begrenzt Übertragungsleistung auf ca. 1 GW
Ölkabel (Papierisolierung mit Ölkanal unter Druck):
verfügbar bis 600 kV DC
Öldruck und Ölversorgungssystem notwendig
Länge auf ca. 100 km begrenzt
Wassertiefe auf ca. 2000 m begrenzt
geringes Risiko einer Öl-Undichtigkeit
GIL (gas-insulated line):
verfügbar bis 550 kV DC
hohe Kosten
große Übertragungsleistungen
maximale Länge bisher ca. 100 km
Verlegung oberirdisch oder im Erdreich
Inwiefern sind DC-Netze mit Schwierigkeiten im Betrieb verbunden?
Wie erfolgt prinzipiell dargestellt jede Stromunterbrechung?
Wie sieht das ESB eines sich öffnenden Schalters bzw. eines Lichtbogens aus und die zugehörige Lichtbogenkennlinie aus?
Wie berechnet sich die Lichtbogenspannung (im hohen kA-Bereich) und wie ergibt sich daraus die Lichtbogenlänge, die zum Löschen des Lichtbogens benötigt wird?
UA, UK: Anoden-/Kathodenfall: Spannungsabfall durch Aus-/Eintrittsarbeit des Materials
Wie erfolgt die Lichtbogenlöschung bei DC und bei AC?
Welche Ströme muss ein Leistungsschalter für AC führen können?
Welche Typen von AC-Leistungsschaltern sind derzeit im Einsatz?
veraltet, aber noch im Netz zu finden:
Ölschalter
ölarme Schalter
Hartgasschalter
Druckluftschalter
aktueller Stand der Technik:
SF6-Druckgasschalter für Um = 72,5 kV bis 1200 kV
Vakuumschalter für Um = 3,6 kV bis 145 kV
Was sind die Vorteile von SF6 in einem Druckgasschalter?
sehr gute Isolationseigenschaften aufgrund Elektronegativität
Isolation der wiederkehrenden Spannung
sehr gute Löscheigenschaften, sehr schnelle Wiederverfestigung
hohe Energieaufnahme zur Bildung des Lichtbogenplasmas
große Wärmekapazität
kleinerer Radius des Lichtbogens im Vergleich zur Luft
schnelle Rekombination der Spaltprodukte zu SF6 nach Verlöschen
Wie ist ein SF6-Blaskolbenschalter (Puffer-Interrupter) aufgebaut und wie funktioniert dieser?
geöffneter Zustand:
Schaltstrecke wird weiter gekühlt zur Wiederverfestigung.
Wiederkehrende Spannung u(t) muss gehalten werden.
Wiederzündungen bis 5 ms bzw. Rückzündungen nach 5 ms sind erlaubt, wenn der Schalter im nächsten Stromnulldurchgang löscht.
Wie ist ein SF6-Selbastblasschalter (Auto-Puffer-Interrupter) aufgebaut und wie funktioniert dieser?
Druckaufbau durch die thermische Expansion im Lichtbogen und den Abbrand der Düse
bei niedrigen Strömen zusätzliches Puffervolumen notwendig
Wie kann in einem Vakuum ein Durchschlag entstehen?
Wovon ist die Festigkeit einer Vakuumisolierung abhängig, wie lässt sich näherungsweise die effektive Durchschlagwechselspannung Ud,eff bestimmen und wie verhält sich die Spannungsfestigkeit im Vergleich zu SF6 und Luft?
Wie erfolgt die Bildung eines Metalldampflichtbogens in einem vakuumisolierten Leistungsschalter und wie sieht der resultierende Spannungsverlauf aus?
Wie unterscheidet man die beiden Arten eines Metalldampflichtbogens und wie entstehen diese?
Wie lassen sich die beiden Arten von Metalldampflichtbögen beeinflussen und damit reduzieren?
Wie funktionieren mechanische Leistungsschalter für DC prinzipiell und für welche Anwendungsgebiete können diese benutzt werden?
Wie gestaltet sich die Funktionsweise eines Hybrid-Leistungsschalters für HGÜ-Systeme (ABB)?
Dimensionierung des Hauptleistungsschalters kleiner als Hauptstromzweig, da dauerhafte Stromführung nicht durchgeführt wird
Wo liegt ca. der Break-Even-Point der Investitionskosten von HDÜ- und HGÜ-Systemen und welche Kosten müssen dabei berücksichtigt werden?
Wie lassen sich supraleitende Materialien einkategorisieren und welche davon sind aktuell oder in Zukunft für die Energitechnik relevant?
Für die Anwendung in der Energietechnik zurzeit geeignet und gebräuchlich (Kühlung mit LN2 - flüssigem N2):
Bi2212 / BSCCO-2212 (Bi2Sr2CaCu2O8), Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid, Tc = 84 K
Bi2223 / BSCCO-2223 (Bi2Sr2Ca2Cu3O10), Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid, Tc = 110 K
YBCO-123 (YBa2Cu3O7-x), Yttrium-Barium-Kupferoxid, Tc = 92 K
ReBCO, Rare-earth Barium Copper Oxide (Y durch anderes Seltenerdelement ersetzt)
-> alles keramische Werkstoffe, die normalerweise nicht leitfähig sind
-> schwierige Herstellung
Für die Anwendung in der Energietechnik möglicherweise in Zukunft geeignet:
MgB2, Magnesiumdiborid, Tc = 39 K – Kühlung mit flüssigem He
-> Vorteil: leichtere Herstellung
Was ist die BCS-Theorie zur Supraleitung?
-> bei höheren Temperaturen: äußere magnetische Felder bringen Schwingungen im Gitter hervor, die den supraleitenden Effekt überlagern
Welche kritischen Größen bringen eine Supraleitung zum Zusammenbrechen und wie lässt sich dies grafisch darstellen?
Supraleitender Zustand bricht zusammen, wenn
Cooper-Paare durch thermische Energie getrennt werden -> kritische Temperatur TC
Magnetfeld zu groß ist -> kritisches äußeres Magnetfeld HC bzw. magnetische Induktion/Flussdichte BC
kritische Stromdichte jC -> Strom erzeugt Eigenfeld
Quench = plötzlicher Übergang in den normalleitenden Zustand, wenn eine der kritischen Größen überschritten wird
Wie lassen sich HTS in der Energietechnik nutzen?
Energiekabel und Stromschienen
effizienter, leistungsfähiger und / oder kompakter
Strombegrenzer
Begrenzung des Kurzschlussstroms im Netz
Generator bzw. Motor
effizienter, zusätzliche Strombegrenzung möglich
Wie sind supraleitende Energiekabel aufgebaut und welche Vorteile bringen diese mit sich?
Sehr hohe Leistungen auch bei niedrigeren Spannungen übertragbar
Deutlich größere Leistung bei gleicher Spannungsebene
Gleiche Leistung bei deutlich geringerer Spannungsebene
Kleinere Querschnitte bzw. weniger Kabel notwendig, geringere Trassenbreite
Keine Wärmeentwicklung, keine Bodenerwärmung, keine Bodenaustrocknung
Keine äußeren Magnetfelder
Fast keine Verlustleistung des Kabels
Notwendige Kühlleistung bei ausreichender Auslastung geringer als Verlustleistung konventioneller Kabelstrecken
Wie werden Kurzschlussströme konventionell begrenzt?
Schutz vor erhöhten Kurzschlussströmen aufgrund steigender Anzahl an Erzeugern
Konventionelle Maßnahmen:
Netzausbau, Aufspaltung in Teilnetze, Sammelschienentrennung
Schalter für höhere Kurzschlussausschaltströme (max. 80 kA)
Einsatz von Drosseln (Spulen) zur Strombegrenzung
Pyroelektrische Strombegrenzer (Is-Begrenzer) -> nur für Mittelspannung!
Wo lassen sich supraleitende Strombegrenzer prinzipiell sinnvoll einsetzen?
Welche Funktionsweisen von supraleitenden Strombegrenzern unterscheidet man?
Ausnutzung des Quench bei hohem B
Induktiver supraleitender Strombegrenzer
Ausnutzung des Quench bei hohem j
Resistiver supraleitender Strombegrenzer
Wie funktioniert ein induktiver supraleitender Strombegrenzer?
Normalbetrieb: Abschirmung des Magnetfeldes und des Eisenkerns durch den Supraleiter -> geringe Induktivität
Begrenzerbetrieb/Kurzschlussfall: Supraleiter normalleitend, Magnetfeld koppelt mit Eisenkern -> hohe Induktivität (Faktor 4)
Wie funktioniert ein resistiver supraleitender Strombegrenzer?
Welche Vorteile bringen supraleitende Strombegrenzer allgemein mit sich und welche Vor- bzw. Nachteile haben die beiden Bauweisen jeweils?
Allgemeine Vorteile:
Strombegrenzung ist Materialeigenschaft
eigensicher, kein Triggersignal notwendig
schnelle Begrenzung schon im ersten Stromanstieg
keine Überspannungen
selbstregenerierend
sehr geringe Impedanz im Normalbetrieb
Vorteile induktiver SSB (gegenüber resistiven SSB):
keine Stromzuführung in den flüssigen Stickstoff -> geringere Kühlverluste
keine Rückkühlung notwendig, da keine Erwärmung des Supraleiters
notwendige Kühlleistung geringer
Vorteile resistiver SSB (gegenüber induktiven SSB):
im Normalbetrieb deutlich kleinerer Widerstand/Induktivität
kein Eisenkern -> deutlich kompakter und leichter
einfachere „Einstellung“ des begrenzten Kurzschlussstroms
Wie lassen sich HTS in Generatoren/Motoren beispielsweise nutzen und welche Vorteile bringt dies mit sich?
Wie lassen sich HTS in Transformatoren beispielsweise nutzen und welche Vorteile bringt dies mit sich?
Mit welcher Schaltung lassen sich Stoßspannungen (z. B. Blitzstoßspannungen) erzeugen?
Die genormten Blitz- und Schaltstoßspannungen werden üblicherweise in kapazitiven Stoßkreisen durch Aufladung einer Belastungskapazität Cb aus einem kapazitiven Energiespeicher CS (Stoßkapazität) erzeugt. Dabei zählen zur gesamten Belastungskapazität die Kapazität des Prüflings, die Kapazität des Stoßspannungsteilers und ggf. eine zusätzliche Belastungskapazität.
Aus der auf U0 geladenen Stoßkapazität CS wird nach Zünden der Funkenstrecke F (die Funkenstrecke wirkt wie ein Schalter) die Belastungskapazität Cb über den Dämpfungswiderstand Rd geladen. Dabei ergibt sich ein exponentieller Spannungsanstieg, dessen Zeitkonstante τ2 im Wesentlichen durch Rd und die Serienschaltung von Cb und CS bestimmt wird. Gleichzeitig erfolgt eine langsamere exponentielle Entladung der Kapazitäten Cb und CS über den Entladewiderstand Re mit der Zeitkonstanten τ1. Cb und CS sind dabei durch die Funkenstrecke parallel geschaltet.
Durch Lösung der das Netzwerk beschreibenden Differenzialgleichung ergibt sich für die Spannung ein doppelt exponentieller Verlauf:
Wie lassen sich hohe Blitzstoßspannungen (über 300 kV) erzeugen und wie sieht das Ersatzschaltbild einer solchen Schaltung aus?
Die Spannung eines einstufigen Stoßkreises ist durch die Funkenstrecke und die Belastbarkeit der Bauelemente meist auf ca. 100 bis 300 kV begrenzt. Für höhere Stoßspannungen werden mehrstufige Kaskadenschaltungen, sogenannte Stoßspannungsgeneratoren (kurz: Stoßgenerator) oder Marx-Generatoren, eingesetzt. Durch parallele Aufladung der Stoßkapazitäten Cs’ der einzelnen Stufen und serielle Entladung erfolgt kurzzeitig eine Vervielfachung der Spannung.
Warum ergeben sich unterschiedliche Überschlagspannungen (z. B. an einem Stützer), wenn eine Blitzstoßspannungsprüfung mit positiver oder negativer Spannung durchgeführt wird?
Der im stark inhomogenen Feld zu beobachtende Unterschied zwischen Koronaeinsetzspannung und Durchschlagspannung wirkt sich bei positiver und bei negativer Spitze unterschiedlich aus: D. h. bei negativer Spitze ist der Entladungseinsatz begünstigt, der Durchschlag findet aber erst bei vergleichsweise hohen Spannungen statt. Bei positiver Spitze ist der Einsatz von Entladungen erschwert, der Durchschlag findet aber bei relativ niedrigen Spannungen statt (Polaritätseffekt). Die Ursache für dieses scheinbar widersprüchliche Verhalten ist die Ausbildung positiver Raumladungen vor der Spitze.
Mit welcher Schaltung lassen sich hohe Gleichspannungen erzeugen, die zu Prüfzwecken eingesetzt wird?
Die Greinacher-Verdopplungsschaltung löst das Problem der nicht zu glättenden Spannung der Villard-Schaltung, indem ein Glättungskondensator C2 über einen weiteren Hochspannungsgleichrichter V2 angeschlossen wird. Über dem Hochspannungsgleichrichter V1 liegt die pulsierende Gleichspannung der Villard-Schaltung mit dem maximalen Scheitelwert ûV1 = 2·ûT an. Auf diesen Wert wird im Leerlauf auch der Glättungskondensator C2 aufgeladen, sodass im Leerlauf gilt:
Scheitelwert der Gleichspannung: û = 2·ûT
Arithmetischer Mittelwert der Gleichspannung: U = 2·ûT
Maximale Sperrspannung der Hochspannungsgleichrichter: ûV1 = ûV2 = 2·ûT
Wie lässt sich eine Prüfgleichspannung vervielfachen?
Aufbauend auf der Greinacher-Verdopplungsschaltung lässt die Greinacher-Kaskadenschaltung Gleichspannungen bis zu mehreren MV bei Strombelastbarkeiten bis zu einigen 100 mA zu.
Der untere, grün gestrichelte Bereich stellt die bekannte Greinacher-Verdopplungsschaltung dar. Die pulsierende Spannung über dem Hochspannungsgleichrichter V2 wird dazu genutzt, mit dem Hochspannungsgleichrichter V3 und einem weiteren Schubkondensator C1 das Potential am Punkt c' um einen Betrag von 2·ûT gegenüber dem Punkt b' zu erhöhen.
Der pulsierende Anteil der Gleichspannung an Punkt c' wird mit dem Hochspannungsgleichrichter V4 und zwischen den Punkten b und c angeordneten Glättungskondensator C2 geglättet. Dieser Kondensator ist somit auf eine reine Gleichspannung der Höhe 2·ûT aufgeladen. Da über dem Hochspannungsgleichrichter V4 wiederum eine pulsierende Spannung liegt, lässt sich dieser Prozess fast beliebig fortsetzen.
Die Potentiale der Punkte a, b, c und d der rechten Kondensatorsäule – der sogenannten Glättungssäule – sind im Leerlauf zeitlich konstant und liefern am Punkt d eine reine Gleichspannung der Höhe 6·ûT. Die Potentiale der Punkte a', b', c' und d' pulsieren dagegen mit einem Hub von ûT am untersten Punkt und 2·ûT an den übrigen Punkten. Die linke Säule wird Schubsäule genannt. Die Kondensatoren C1 und C2 werden in der Regel gleich groß gewählt. Nur der Kondensator C0, der auf die Hälfte der Spannung der übrigen Schubkondensatoren aufgeladen ist, wird mit der doppelten Kapazität ausgelegt, sodass in sämtlichen Kondensatoren der Schaltung die gleichen Ladungsmengen gespeichert
sind (Q = C·U).
Wird die Kaskadenschaltung belastet, treten Spannungsfälle nicht nur durch die Durchlassspannung und den Durchlasswiderstand der Gleichrichterelemente, sondern auch durch Umladevorgänge zwischen der Glättungs- und der Schubsäule auf. Abbildung 1.2.5b zeigt den grundsätzlichen Verlauf der Gleichspannung. Die ideale Gleichspannung n·2·ûT vermindert sich um einen Spannungsfall ∆U. Die Überlagerungsspannung mit der Welligkeit δU weist einen von dem der Verdopplungsschaltung abweichenden Verlauf auf, da sich die Glättungssäule außer über den äußeren Belastungswiderstand zusätzlich noch in die Schubsäule entlädt.
Wie funktioniert nach Townsend das Modell der Entladungszündung?
Inelastische Stöße (erst dann, wenn Energie ausreichend für Anregung oder Ionisation) der Elektronen mit den Gasmolekülen führen zur Anregung oder Ionisation.
Elastische Stöße (kaum Energieabgabe, nur Richtungsänderung) der Elektronen mit den Gasmolekülen führen nur zu einer Richtungsänderung.
Was sagt die Paschenkurve bzw. das Paschengesetz aus?
Paschengesetz: Die Durchschlagspannung einer homogenen Elektrodenanordnung ist nur eine Funktion des Produkts aus Druck p und Schlagweite s.
Paschenkurve: Experimentell ermittelte oder näherungsweise berechnete Funktion des Paschengesetzes
Was besagt der Streamer- oder Kanalmechanismus?
Welche Schritte geschehen bei einer Entladungsentwicklung ohne Strombegrenzung?
Gasstrecke zunächst durch Streamer überbrückt
Funkenentladung
intensive Stoß- und Photoionisation im Gasraum
Abnahme des Funkenwiderstands
Temperaturerhöhung im Funken und erster Einsatz von Thermoionisation
Zusammenbruch der Quellenspannung -> Funke verlöscht wieder!
stationäre Quellenspannung -> Übergang in Lichtbogen!
Lichtbogenentladung
hohe Stromdichte
sehr hohe Temperatur, typischerweise 4000 K bis 10000 K
Thermoionisation in der Entladung
Feld- und Glühemission an der Kathode
fallende U/I-Kennlinie
Spannungsabfall proportional zur Lichtbogenlänge
sehr geringer Spannungsabfall über der Entladung (typisch 10 bis 100 V)
Welche Polarisationsmechanismen gibt es?
Wie entsteht ein elektrischer Durchschlag an einem Festkörper?
Welche Vorteile bietet eine Hochspannungsdrehstromübertragung (HDÜ) gegenüber einer Hochspannungsgleichtromübertragung (HGÜ)?
Einfache bzw. kostengünstige Transformation zwischen Spannungsebenen
Relativ kostengünstige mechanische Leistungsschalter realisierbar
Bei kurzen Übertragungsstrecken geringere Verluste
Keine Leistungselektronik notwendig
Warum ist bei Kabelstrecken größer 70 km eine HGÜ-Verbindung sinnvoller als eine HDÜ-Verbindung?
Die kapazitiven Blindströme sind bei HDÜ zu groß
Die Ladeströme sind bei Wechselspannung schon im Leerlauf in der Größenordnung des Nennstroms des Kabels
Was sind die Vorteile der HGÜ mit IGBTs (selbstgeführt) gegenüber der HGÜ mit Thyristoren (netzgeführt)?
geringerer Glättungs- und Filteraufwand
kompaktere und kostengünstigere Konverterstationen
Schwarzstart-Fähigkeit
Leistungsumkehr durch Stromrichtungsumkehr
Wie groß ist etwa der Gesamtverlust einer 2000 km langen Hochspannungsübertragungsstrecke in Prozent?
Zwischen 4 und 8 % liegen die Gesamtverluste
Welche Typen von Leistungsschaltern sind Stand der Technik und werden aktuell verbaut?
Vakuumschalter
SF6-Druckgasschalter
Welche Eigenschaften machen SF6 für den Einsatz im Leistungsschalter so geeignet?
Elektronegativität
hohe Spannungsfestigkeit
hohes Energieaufnahmevermögen
schnelle Wiederverfestigung
keine Bildung von Kohlenstoff
Warum eignen sich Vakuumschalter bisher nur für den Mittelspannungs- oder niedrigen Hochspannungsbereich?
Die elektrische Festigkeit der Vakuumstrecke nimmt mit dem Abstand ab
Die elektrische Mikrofeldstärke an den Kontakten im Vakuum ist vom Abstand relativ unabhängig
Welche Möglichkeiten gibt es, einen Gleichstrom im Hochspannungsbereich abzuschalten?
Man erzeugt einen „künstlichen“ Stromnulldurchgang
Man schaltet den Gleichstrom mit einem Halbleiterschalter ab
Werden Schutzfunkenstrecken in der Norm als Überspannungsableiter empfohlen?
Nein
Welche Probleme treten auf, wenn Schutzfunkenstrecken vor Überspannungen schützen sollen?
Die Ansprechspannung hängt sehr stark von der Steilheit der Überspannung ab
Das Hochspannungsnetz muss abgeschaltet werden, wenn Schutzfunkenstrecken durchschlagen
Der schnelle Spannungszusammenbruch kann zur Zerstörung von Betriebsmitteln führen
Warum muss die Blitzstoßspannungsfestigkeit von Betriebsmitteln deutlich über dem Schutzpegel eines MO-Ableiters liegen?
Durch Wanderwellenvorgänge kann die Überspannung am Betriebsmittel deutlich größer sein
Der Schutzbereich des Ableiters ist zu beachten
Induktive Spannungsabfälle an Verbindungsleitungen führen zu einer zusätzlichen Überspannung
Der abzuleitende Blitzstrom kann größer sein als der Nenn-Ableitstrom
Warum fallen Ableiter in Mittelspannungsnetzen häufiger aus?
Es treten mehr ableiternahe Blitzeinschläge auf
In Mittelspannungsnetzen sind Ableiter direkt an der Freileitung angebracht
Der Erdseilschutz in Hochspannungsnetzen ist besser als bei Mittelspannungsnetzen
Warum werden metallische Füllstücke im MO-Ableiter verwendet?
Zum Längenausgleich
Als Wärmesenken
Warum besitzt der MO-Ableiter zwei Ausblasöffnungen?
Damit im Außenraum ein Lichtbogen entsteht
Wie werden die repräsentativen Spannungen bestimmt und was ist zu beachten?
Analyse der Betriebs- und Überspannungen
Verhalten von Überspannungsableitern
Sind die Koordinations-Stehspannungen so gewählt, dass es im Betrieb praktisch nie zum Ausfall kommen kann?
Nein, eine gewisse statistische Fehlerrate wird zugelassen
Warum unterscheiden sich die erforderlichen Stehspannungen von den Koordinations-Stehspannungen?
Um die unterschiedlichen Bedingungen bei Prüfung und Betrieb zu berücksichtigen
Um Qualitätsschwankungen bei Produktion und Installation zu berücksichtigen
Um die Alterung der Betriebsmittel zu berücksichtigen
Was versteht man unter dem genormten Isolationspegel?
Eine sinnvolle Kombination von Bemessungsspannungen
Bereich I (Um <= 245 kV):
Bemessungs-Blitstoßspannung
Bemessungs-Kurzzeit-Wechselspannung
Bereich II (Um >245 kV):
Bemessungs-Schaltstoßspannung
Was versteht man unter Isolationskoordination?
Da die Betriebssicherheit von hochspannungstechnischen Betriebsmitteln durch Hochspannungsprüfungen nachgewiesen werden muss, müssen dafür die erforderlichen Prüfungen und Prüfspannungspegel mittels Isolationskoordination festgelegt werden. Dazu gehören:
Analyse von Betriebs- und Überspannungen
Auswahl der dielektrischen Festigkeit von Betriebsmitteln
Festlegung von Schutzpegeln
Was sind repräsentative Spannungen Urp und wie werden diese ermittelt?
Durch die Analyse der realen Betriebs- und Überspannungen im Netz (Art und Dauer):
betriebsfrequent: Dauerspannung, zeitweilige Überspannung
transient: langsam, schnell, sehr schnell
kombiniert
Außerdem muss auch das Verhalten der Überspannungsableiter mitberücksichtigt werden
Begrenzung, aber nicht Beseitigung der Überspannung
Einfluss auf Höhe der repräsentativen Spannungen
Was ist mit Koordinationsstehspannungen Ucw im Rahmen von Isolationskoordination gemeint und wie werden diese bestimmt?
Festlegung der elektrischen Festigkeit der Isolierung, sodass sich gerade die im Netz noch akzeptablen Fehlerraten ergeben
technisch-wirtschaftliche Optimierung
sind niedrigste Stehspannungswerte, bei denen das Isoliervermögen gerade noch gegeben ist
repräsentative Spannungen Urp über Koordinationsfaktoren in Koordinationsstehspannungen Ucw umgerechnet
Was sind die erforderlichen Stehspannungen Urw bezogen auf die Isolationskoordination?
Koordinationsstehspannungen werden mit Sicherheitsfaktor (atmosphärische Unterschiede, Produktqualität, Installationsqualität, Alterungseinflüsse) beaufschlagt, sodass sich daraus die erforderlichen Stehspannungen ergeben
Wie ergeben sich die einzelnen Bemessungsspannungen Uw für die Isolationskoordination?
aus erforderlichen Stehspannungswerten Urw werden die genormten Prüfspannungswerte ermittelt und mithilfe von Prüfumrechnungsfaktoren die einzelnen Bemessungsspannungen Uw ausgewählt, sodass alle erforderlichen Stehspannungen abgedeckt sind
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