System Requirements and Components in High Voltage Technology

Systemanforderungen

Inhaltsverzeichnis

• Systemanforderungen

• Feldtheoretische Grundlagen

• E-Feld – Optimierung

• Gasfestigkeit und Lichtbogen

• Grenzschichtteilentladung

• Feststoff/Flüssigkeits-Festigkeit

• Stofftechnologie

• Ausführung von Netzkomponenten

• Prüfquellen

• Messeinrichtungen

System-Anforderungen: Quellen – Senken – Netzwerk

• Energieerhaltung: Summe der Energien ist gleich.

• Quellen (Kraftwerke):

  • Kleine Anzahl

  • Große Leistung

  • Primärenergie, Kühlung

• Senken (Verbraucher):

  • Große Anzahl

  • Kleine Leistung

  • Nichtenergie-Einflüsse

• Totale Transportlänge: Quellen-Ort ≠ Senken-Ort

• 1. Hauptsatz: N0P0 = NSPS, wobei:

  • N_0 = Anzahl der Quellen

  • P_0 = Leistung der Quellen

  • N_S = Anzahl der Senken

  • P_S = Leistung der Senken

System-Anforderungen: Verluste und Umwelt

• Entropiesatz der Thermodynamik: Richtung der Energieumwandlung.

• Tendenz zur Leistungsbündelung.

• 2. Hauptsatz: P_V > 0, d.h. Verluste sind positiv.

• Umwelt-Belastung durch:

  • Wärme (P_V)

  • E – H – Felder

  • Geräusche

  • Veränderung des Landschaftsbildes

System-Anforderungen: Beispiel Landschaftsbild

• Lösung: “the hidden tower” in Kapstadt, Südafrika.

  • Abspannen der Phasen von zwei Bergspitzen ausgehend.

  • Nutzung von Langstabisolatoren zur Minimierung der Stahlkonstruktion.

  • Verstecken der Masten hinter einem Bergrücken und Vegetation.

  • Aufgabe: Führen zweier Systeme über einen Berg zum Wasser-kraftwerk.

System-Anforderungen: Raumbedarf

• Gesamte Transportweglänge durch Quellen- Senken-Verteilung vorgeprägt.

• Querschnittsreduktion führt zu Feldverstärkung.

• Frage: Betriebssicherheit? Umwelt?

• Elektrischer Querschnitt > geometrischer Querschnitt.

• Beispiel: 420 kV-Doppelsystem Dimension.

System-Anforderungen: Betriebssicherheit

• Elektrische Energie ist ein Produkt!

• Betriebsmittel mit vereinbarter Einsatzzeit!

• Alterungsprognose?? On-Line-Überwachung! (Monitoring)

• Beispiel: Isolierung

• Problem: Ed = f(t, E?, ilda{\int} EEE(?)),

  • E_d beschreibt die Durchschlagfestigkeit

  • Die Durchschlagfestigkeit ist abhängig von der Zeit, der elektrischen Feldstärke und dem Integral der elektrischen Feldstärke.

Beanspruchungskategorien

• Kategorien und Formen von Spannungs- und Überspannungsbeanspruchungen (Quelle: VDE 0111-Teil 1).

System-Anforderungen: Betriebsmittel-Kosten

• Annahmen für Betriebsmittel-Design:

  1. Isolationsaufwand ~ Systemspannung U ⇒ Kosten: K_U = a ilda U

  2. Leiterkosten und magnetische Auslegung ~ Bemessungsstrom I ⇒ Kosten: K_I = b ilda I = b ilda \frac{P}{U}

• Gesamtkosten: K = KI + KU = b ilda \frac{P}{U} + a ilda U

• Minimierung der Gesamtkosten: \frac{dK}{dU} = 0 \Leftrightarrow U_{opt} = \sqrt{\frac{b}{a} ilda P}

• „Faustformel“ für Fernübertragung AC: Kostenminimierung beginnt bei der Wahl von U.

• U{opt} \sim \sqrt{P}, UN \approx k ilda U_{opt}

• U_N ist die Nennspannung.

• k ist ein Faktor.

Auswahlkriterien Isolationspegel

• Komponente

• Akzeptable Fehlerrate der Isolierung

• Funktionsbeeinträchtigung

• Spannungsbeanspruchung

• Isolationspegel

• Wirtschaftlichkeit

• Innere Isolierung

• Äußere Isolierung

• Fremdschicht

• Physiol. Bedingungen

• Feuchte

• Temperatur

• Höhe/Druck

• Umweltbedingungen

• Betriebliche Randbedingungen

System-Anforderungen: Isolationspegel (1/2) & (2/2)

• Bemessungs-(„Nenn“)-Isolationspegel (Quelle: DIN IEC 60038, „IEC-Normspannungen“).

System-Anforderungen: System – Komponenten

• Abgesetztes Kabel

• DS-Freileitung

• Leistungsschalter

• Trennschalter

• Petersenspule

• Transformator

• Trafodurchführung (800kV HGÜ-Prototyp, Siemens AG)

• Ventilhalle

• Überspannungsbegrenzer

• Spannungs- und Stromwandler

System-Anforderungen: Normen (1/4) … am Beispiel von Messwandlern:

• Normen sind wichtig für Messwandler.

System-Anforderungen: Normen (2/4)

• Zusammenhang mit Europäischen und Internationalen Normen:

  • IEC 60028:1925, International standard of resistance for copper

  • IEC 60050(321):1986 International electrotech. vocabulary – Chpt. 321: Instrument transformers

  • IEC 60121:1960, Recommendation for commercial annealed aluminum electrical conductor wire

System-Anforderungen: Normen (3/4)

• IEC 60815:1986, Guide for the selection of insulators in respect of polluted conditions

System-Anforderungen: Normen (4/4)

• Literaturhinweise:

  • DIN EN 60044-6 (VDE 0414 Teil 7), Messwandler – Anforderungen an Stromwandler für Schutzzwecke für transientes Übertragungsverhalten; Neu: Normenreihe DIN EN 61869

  • DIN EN 60071-1 (VDE 0111 Teil 1), Isolationskoordination – Teil 1: Begriffe, Grundsätze und Anforderungen

  • DIN EN 60567 (VDE 0370 Teil 9), Anleitung für die Probenahme von Gasen und von Öl aus ölgefüllten elektrischen Betriebsmitteln und für die Analyse freier und gelöster Gase

  • DIN VDE 0370-7, Isolieröle – Interpretation der Analyse von Gasen in Transformatoren und anderen ölgefüllten elektrischen Geräten, die sich in Betrieb befinden

  • DIN EN 60721, Klassifizierung von Umweltbedingungen

  • DIN IEC 60038 (VDE 0175-1), CENELEC-Normspannungen

  • DIN IEC 60060-1 (VDE 0432 Teil 1), Hochspannungs-Prüftechnik – Teil 1: Allgemeine Festlegungen und Prüfbedingungen

  • DIN IEC 60085 (VDE 0301 Teil 1), Bewertung und Klassifikation von elektrischen Isolierungen nach ihrem thermischen Verhalten

  • DIN EN 60270 (VDE 0434), Hochspannungs-Prüftechnik – Teilentladungsmessungen.

  • DIN VDE 0110-20, Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen – Teilentladungsprüfungen – Anwendungsrichtlinie

  • Beiblatt 2 zu DIN VDE 0873, Funkstörcharakteristiken von Starkstrom-Freileitungen und Hochspannungseinrichtungen – Messmethoden und Verfahren zur Bestimmung von Grenzwerten