4 Versorgung mit elektrischer Energie

4.1 Ströme in öffentlichen Netzen Currents in Public Grids
46
4
Versorgung mit
elektrischer Energie
Tabelle 1: Stromarten in Versorgungsnetzen
4.1
Ströme in öffentlichen
Netzen
Einphasennetze
4.1.1
Stromarten für die Stromversorgung
Frequenz
in Hz
typische
Spannungen
Anwendung,
Vorkommen
50
230 V, 15 kV
in Europa
Kleinstabnehmer,
selten Bahnnetz
60
100 V bis
15 kV
in Amerika
Kleinabnehmer, Bahnnetz
Die Verbrauchsanlagen werden von den VNB (Verteilungsnetzbetreiber) je nach Alter der Stromversorgung, Lage und Bedarf mit unterschiedlichen
Stromarten versorgt (Tabelle 1).
16 2/3
15 kV
Bahnnetz in D, A und CH
50
400 V, 10 kV,
20 kV, 110 kV
bis 380 kV
übliche Netze in
Europa für NS, MS
und HS
Meist erfolgt die Versorgung über Drehstromnetze
(Dreiphasennetze). Freileitungen sind dann Dreileiternetze für Hochspannung (Bild 1) und Vierleiternetze für Niederspannung (Bild 2). Die Versorgung
einer Anlage über Einphasennetze kommt fast nur
beim Fahrdrahtnetz für Schienenfahrzeuge vor.
Hier gelangt der Strom über den Fahrdraht zur Lokomotive und von dort zurück über Erde bzw.
Schiene zur Stromquelle.
60
180 V bis
660 V, 110 kV
bis 500 kV
übliche Netze für NS,
MS und HS in
Amerika
16 2/3
110 kV
Verteilungsnetz für die
Bahn in D, A und CH
Die Versorgung der Verbraucheranlagen erfolgt
meist über ein Drehstromnetz.
Die eigentümliche Frequenz der Bahnnetze von
16 2/3 Hz = 50/3 Hz wurde bei Beginn der Elektrifizierung der Bahn gewählt, weil bei den damaligen
Motoren die Stromwendung von 50 Hz nicht beherrscht wurde. Das ist durch die Stromrichtertechnik überholt worden, sodass Neuanlagen oft
mit Einphasenstrom von 50 Hz arbeiten.
Drehstromnetze
Gleichstromnetze
0
220 V, 440 V,
15 kV
Traktion von
Schienenfahrzeugen,
in F auch Bahnnetz
A Österreich, CH Schweiz, D Deutschland,
F Frankreich.
HS Hochspannung, MS Mittelspannung,
NS Niederspannung.
Traktion Fortbewegen (Ziehen) von Schienenfahrzeugen, z. B. durch eine Lokomotive (von tractus = gezogen).
Die Frequenz von 60 Hz ist vor allem in den Netzen
von Nordamerika verbreitet. Sie kam dadurch zustande, dass die Elektrifizierung dort später als in
Europa stattfand. Bei 60 Hz sind die Transformatoren und Motoren etwas kleiner als bei 50 Hz.
4.1.2
Erzeugung von Drehstrom
Beim Drehstromgenerator (Bild 1, folgende Seite)
wird ein Läufer, genannt auch Polrad, von einer
Kraftmaschine, z. B. einer Turbine, angetrieben.
Der Läufer besteht im Prinzip aus drei Magneten,
und zwar Permanentmagneten (Dauermagneten)
oder Elektromagneten mit je einem Nordpol und
einem Südpol. Infolge der Läuferdrehung ändert
sich in jeder Spule der Ständerwicklung dauernd
der magnetische Fluss. Nach dem Induktionsgesetz entsteht also in jeder Spule dauernd eine
Wechselspannung. Sind die drei Spulen räumlich
um 120° gegeneinander versetzt, so haben auch
die drei Wechselspannungen Phasenverschiebungen von je 120°.
1
Dreileiternetz für 10 kV
2
Vierleiternetz für 400 V
4.1 Ströme in öffentlichen Netzen Currents in Public Grids
Schaltzeichen
U1
}
120
U1
U2
N
Dreiphasenwechselspannung besteht aus drei
miteinander verketteten Einphasenspannungen, zwischen denen Phasenverschiebungen
von 120° bestehen.
Aufbau (Prinzip)
V2 V1
S
Die drei Wechselspannungen kann man einem
Verbraucher mit drei Wicklungssträngen zuführen,
z. B. einer gleichartig gebauten zweiten Maschine
(Bild 2). Dazu wären im Grunde sechs Leiter erforderlich, nämlich für jeden Strang zwei. Man kann
aber die Stränge so miteinander verbinden, dass
die Rückleitung aller drei Stränge gemeinsam erfolgt. Dann sind nur vier Leiter erforderlich. Infolgedessen sind die drei Wechselspannungen aneinander „gekettet“. Zwischen zwei Leitern eines
derartigen Vierleitersystems besteht eine Spannung. In der gemeinsamen Rückleitung, dem Neutralleiter, ist die Stromstärke wegen der Phasenverschiebung zwischen den Sinusströmen in den
Außenleitern höchstens so groß wie in einem
Außenleiter. Bei symmetrischer Last bleibt der
Neutralleiter sogar stromlos.
47
W1
1
Drehstromgenerator
Außenleiter L1
U1
U1
Neutralleiter (Mittelleiter) N
W1
Wegen der Fähigkeit, ein magnetisches Drehfeld
zu erzeugen, wird der Dreiphasenwechselstrom
meist Drehstrom genannt. Das Drehfeld bildet sich
jedoch nur, wenn Spulen geeignet angeordnet
sind.
V1
M
Außenleiter L2
M: Motor
Außenleiter L3
2
Vierleitersystem
L1
Dreieckspannung
Sternspannung
U1
U31
U3N N
L3
W1
U1N
U2N
V1
U23
U1N
U31
U12
U12
U3N
L2
U2N
30}
Fließt Dreiphasenwechselstrom durch drei gegeneinander räumlich versetzte Wicklungsstränge, so wird dort ein magnetisches Drehfeld
erzeugt.
W1
V1
G
G: Generator
Schließen wir an ein derartiges Dreiphasennetz als
Motor eine Maschine an, die wie ein Drehstromgenerator gebaut ist (Bild 2), so fließen in den drei
Ständersträngen drei Wechselströme, und zwar
sowohl im Generator als auch im Motor. Nach der
Lenz’schen Regel (siehe Abschnitt 3.8) ist die Richtung des Stromes so, dass die Ursache gehemmt
wird. Die Ursache ist aber beim Generator das magnetische Drehfeld des Läufers. Infolgedessen
muss der Strom im Generator so fließen, dass
vom Ständerstrom ebenfalls ein Drehfeld hervorgerufen wird, welches dieselbe Drehrichtung wie
das Läuferdrehfeld hat. Da nun derselbe Strom wie
im Generator auch im Motor fließt, entsteht dort
ebenfalls ein magnetisches Drehfeld. Sind am Motor die Außenleiter wie am Generator angeschlossen, so haben beide Drehfelder dieselbe Drehrichtung. Vertauschen von zwei Außenleitern am
Motor führt zur Änderung der Drehrichtung des
Motor-Drehfeldes.
V1
W2
W1
U23
3
Spannungen am Drehstromnetz
4.1.3
Spannungen beim Drehstromnetz
Bei Niederspannung besteht ein Drehstromnetz
(Bild 2) aus drei Außenleitern und dem Neutralleiter.
Der Neutralleiter ist geerdet, sodass er in einer ungestörten Anlage keine oder fast keine Spannung
gegen Erde führt. Das Zeigerdiagramm der Spannungen bildet wegen der Phasenverschiebung von
120° einen Stern (Bild 3). Dadurch ist die Spannung
zwischen den Außenleitern (Dreieckspannung)
jeweils das 12
3-Fache der Spannung zwischen
Außenleiter und Neutralleiter (Sternspannung).
4.1 Ströme in öffentlichen Netzen Currents in Public Grids
48
Beim Vierleiternetz können drei Dreieckspannungen und drei Sternspannungen entnommen
werden. Die Dreieckspannung ist das 12
3-Fache
der Sternspannung.
1
U Spannung (Dreieckspannung)
UY Sternspannung
U2
V2
W1
Die drei Stränge eines Drehstromverbrauchers lassen sich so schalten, dass ihre Enden miteinander
verbunden sind oder jeweils der Anfang eines
Stranges mit dem Ende des vorhergehenden
Stranges (Bild 1). Nach der Form der symmetrisch
gezeichneten Schaltung sprechen wir von Sternschaltung (Y) oder von Dreieckschaltung (™).
In der Sternschaltung liegt am Strang die
Sternspannung des Netzes, in der Dreieckschaltung liegt die Dreieckspannung am Strang.
Da die Stränge für eine bestimmte Spannung bemessen sind, ist die Schaltung nicht beliebig vorzunehmen. Sind die Stränge für 230 V geeignet, so
muss der Verbraucher am 400-V-Netz in Stern geschaltet werden, z. B. bei einem Elektroherd. Sollen die Stränge 400 V erhalten, so muss die Schaltung im Dreieck vorgenommen werden.
Strangspanung
bei Schaltung Y:
UStr = U
UStr Strangspannung
U Netzspannung
UY Sternspannung
UStr = U/ 12
3
W1
U2
V2
W2
L2
L1
W2
L1
U1
L3
L3
U1
V1
W1
U2
V2
W2
oder
L2
U2
W1
L2
V1
Schaltungen bei Drehstrom. Oben: Sternschaltung,
unten: Dreieckschaltung
Auch bei den Strömen sind je nach Schaltungen
die Strangströme verschieden. Bei der Sternschaltung sind die in der Zuleitung fließenden Leiterströme so groß wie die Strangströme (Bild 1). Dagegen tritt in der Dreieckschaltung eine Stromverzweigung auf. Hier ist der Strangstrom aus dem
Leiterstrom durch Teilen mit 12
3 zu berechnen.
Wenn bei einem Dreiphasennetz vom Strom die
Rede ist, so ist damit der Leiterstrom gemeint.
Strangstrom
bei Schaltung ™:
I
IStr = ––––
12
3
IStr = I/1,73
Strangstrom
bei Schaltung Y:
IStr = I
4
5
3
Beispiel 1:
Ein Drehstrommotor trägt die Angabe auf dem Leistungsschild ™ 400 V. Er ist am 400-V-Netz anzuschließen.
a) Welche Schaltung ist anzuwenden? b) Wie groß ist die
Strangspannung?
Lösung:
a) Dreieckschaltung
b) UStr = U = 400 V
V1
IStr Strangstrom
I Stromstärke (Leiterstrom)
UStr = UY
2
U1
1
Schaltungen bei Drehstrom
Strangspannung
bei Schaltung ™:
L3
V1
V2
4.1.4
L2
oder
L3
Spricht man bei Dreiphasenwechselspannung nur
von Spannung, so ist die Dreieckspannung gemeint. Am üblichen Vierleiternetz ist die Spannung
400 V. Aus einem derartigen Netz können je nach
Anschluss 400 V oder 230 V entnommen werden.
L1
U1
W2
U = 12
3 · UY
U = 1,73 · UY
L1
Beispiel 2:
Ein Motor ist in Dreieck geschaltet und nimmt eine Stromstärke von 17,3 A auf. Wie groß ist der Strangstrom?
Lösung:
IStr = I/ 12
3 = 17,3 A/12
3 = 10 A
Bei Drehstrommotoren sind die Anschlüsse am
Klemmenbrett so angeordnet, dass je nach Lage
der auswechselbaren Brücken die Sternschaltung
oder die Dreieckschaltung vorliegt (Bild 1, folgende Seite).
4.1 Ströme in öffentlichen Netzen Currents in Public Grids
Leistungen bei Drehstrom
Brücken
Man berechnet aber die Leistungen mithilfe des in
der Zuleitung fließenden Stromes (Leiterstrom)
und der Netzspannung (Dreieckspannung). Dann
gelten unabhängig von der Schaltung dieselben
Berechnungsformeln.
Bei symmetrischer Last:
Scheinleistung
S = 12
3U·I
P = 12
3 U · I · cos j
S
P
Q
U
I
cos j
sin j
Q = 12
3 U · I · sin j
U2
V2
W1
U1
V1
W1
L3
V1
W2
V2
1
Anordnung der Brücken am Klemmenbrett.
Links: Sternschaltung, rechts: Dreieckschaltung
leistung, sodass bei einem für die Dreieckschaltung vorgesehenen Motor in der Sternschaltung
der Strom im Wicklungsstrang auf den Leiterstrom
der Dreieckschaltung und damit auf das 12
3-Fache
wie in der Dreieckschaltung ansteigt.
Beispiel 2:
Ein Drehstrommotor mit der Angabe ™ 400 V 15 A wird
am 400-V-Netz versehentlich in Y-Schaltung betrieben
und mit seiner Bemessungsleistung belastet.
2
a) Wie groß wäre in Schaltung ™ der Strangstrom?
Blindleistung
Q = S · sinj
U1
U2
1
Wirkleistung
P = S · cosj
W2
L2
Für die Leistungen in den einzelnen Strängen gelten die Gesetzmäßigkeiten des Einphasenwechselstromes, weil in jedem Strang Einphasenwechselstrom fließt. Dabei ist aber zu beachten, dass je
nach Schaltung die Dreieckspannung oder die
Sternspannung am Strang liegt. Die Gesamtleistung eines Drehstromverbrauchers ist gleich der
Summe aller Strangleistungen.
L1
4.1.5
49
b) Wie groß ist in der Schaltung Y der Strangstrom?
3
Scheinleistung
Wirkleistung
Blindleistung
Spannung (Dreieckspannung)
Stromstärke (Leiterstrom)
Leistungsfaktor
Blindfaktor
Lösung:
a) IStr™ = I//12
3 = 15 A/12
3 = 8,67 A
b) IStrY = IStr™ · 12
3 = 8,67 A · 12
3 = 15 A
Bei Drehstrommotoren muss in jedem Fall die
vorgesehene Schaltung angewendet werden,
da sonst die Stromaufnahme unzulässig hoch
werden kann.
Beispiel 1:
Am 400-V-Netz ist ein Drehstrommotor angeschlossen,
der 10 A aufnimmt, cos j = 0,8. Wie groß sind a) Scheinleistung, b) Wirkleistung?
Lösung:
a) S = 12
3 · U · I = 12
3 · 400 V · 10 A = 6930 VA
b) P = 12
3 · U · I · cos j = 6930 VA · 0,8 = 5544 W
Ändert man bei einem Verbraucher die Schaltung,
z. B. von Stern in Dreieck, so liegt an den Strängen
eine um den Faktor 12
3 = 1,73 geänderte Spannung.
2
Wegen P = U /R ändert sich dann die Leistung um
den Faktor 12
3 · 12
3 = 3. Im gleichen Umfang ändert
sich der Strom, weil ja die Netzspannung gleich
bleibt. Das wird u. U. vom Verbraucher nicht ausgehalten.
Bei Verbrauchern mit konstantem Widerstand, z. B.
bei Heizgeräten, sind Leistung und Stromstärke bei
gleicher Netzspannung in der Dreieckschaltung
dreimal so groß wie in der Sternschaltung, in der
Sternschaltung also nur ein Drittel wie in der Dreieckschaltung. Bei Motoren dagegen erzwingt die
mechanische Belastung die erforderliche Motoren-
Wiederholung und Vertiefung:
1. Warum besteht bei Drehstrom zwischen den Wechselströmen eine Phasenverschiebung von 120°?
2. Wie nennt man beim Drehstrom die Magnetfelder in
einem Generator und in einem Motor?
3. Welche Ströme fließen in einem einzelnen Außenleiter?
4. Welche Aussage kann man über die Stromstärke im
Neutralleiter machen, wenn in den Außenleitern Sinusströme fließen?
5. Wie groß ist die Strangspannung in einem Drehstromnetz 400 V a) bei Sternschaltung, b) bei Dreieckschaltung?
6. Bei welcher Schaltung liegt am Strang eines
Drehstrommotors die größere Spannung eines
Dreiphasennetzes mit der Bemessungsspannung
400 V/230 V?
7. Welche Folge tritt ein, wenn am 400-V-Netz ein für die
Dreieckschaltung bemessener Motor von 6 kW versehentlich bei einer mechanischen Dauerlast von 4 kW
in Sternschaltung betrieben wird?
4.4 Regenerative Stromerzeugung Renewable Power Generation
4.4
Regenerative Stromerzeugung
Einlaufrechen
55
Generator
Kaplanturbine
Man spricht von regenerativer (erneuerbarer)
Stromerzeugung, wenn der Energieträger sich
durch Naturkräfte ständig erneuert. Den größten
Anteil dabei haben im öffentlichen Versorgungsnetz der EU (Europäische Union) mit etwa 94 % der
regenerativen Stromerzeugung die seit langem bewährten Wasserkraftwerke.
In Deutschland übersteigt die Leistung der Windkraftwerke die Leistung der Wasserkraftwerke um
etwa ein Zehntel.
4.4.1
Wasserkraftwerke
Bei den Wasserkraftwerken wird die mechanische
Energie des Wassers in einer Turbine in Bewegungsenergie zum Antrieb eines Generators umgesetzt.
Laufkraftwerke
Laufkraftwerke benötigen dauernd fließendes
Wasser, z. B. eines Flusses (Bild 1). Meist haben
Laufkraftwerke eine nach dem Erfinder benannte
Kaplanturbine mit senkrechter Welle oder mit waagerechter Welle. Kaplanturbinen mit waagerechter
Welle ermöglichen den unauffälligen Einbau der
Anlage in das Gewässer. Der Höhenunterschied
(die Fallhöhe) kann bis etwa 30 m betragen.
Laufkraftwerke können die Grundlast in einem
Netz übernehmen, solange genügend Wasser
zur Verfügung steht.
1
Laufkraftwerk mit Kaplanturbine
1
2
3
4
oberes Becken
Turbine
Motor-Generator
Speicherpumpe
Schieber
Druckschacht
4
1
2
3
unteres
Becken
elektrische
Energie
2
Pumpspeicherkraftwerk im Pumpbetrieb
Speicherkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke
Bei Speicherkraftwerken und Pumpspeicherkraftwerken sind durch eine Staumauer gebildete Stauseen als oberes Becken vorhanden, das von einem
unteren Becken einen großen Höhenunterschied
von z. B. 300 m hat (Bild 2).
Als Turbinen werden bei Fallhöhen bis 700 m die
nach dem Erfinder benannten Francisturbinen mit
waagerechter Welle und bei sehr großen Fallhöhen die Peltonturbinen mit senkrechter Welle
verwendet. Die Turbinen sind direkt mit dem Generator gekuppelt. Bei den Pumpspeicherkraftwerken
ist zusätzlich am Generator eine Pumpe angekuppelt.
Die Turbinen und Generatoren von Speicherkraftwerken und Pumpspeicherkraftwerken können innerhalb von etwa 1 min mit voller Leistung ans
Netz geschaltet werden. Sie können nach Fortfall
des Bedarfs unverzüglich abgeschaltet werden.
Speicherkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke werden für die Spitzenlastdeckung verwendet.
Bei den Pumpspeicherkraftwerken wird bei Stromüberschuss, z. B. aus Atomkraftwerken, das Wasser vom unteren Becken in das obere Becken gepumpt. Das ist möglich, da der Generator als Motor arbeiten kann. Im Pumpbetrieb läuft die Turbine
leer mit.
Leider ist der Wirkungsgrad der Speicherung nicht
sehr hoch, da die Energie mehrfach umgesetzt
wird. Bei hohen Einzelwirkungsgraden von 0,9 für
Motor, Pumpe, Turbine und Generator beträgt der
Gesamtwirkungsgrad ohne Berücksichtigung der
Reibungsverluste der Wasserführung nur
n = 0,9 · 0,9 · 0,9 · 0,9 = 0,66 (= 66 %).
56
4.4 Regenerative Stromerzeugung Renewable Power Generation
Pumpspeicherkraftwerke bieten bisher die einzige Möglichkeit, große elektrische Energien
wirtschaftlich zu speichern.
Zeitpunkt 1
Gelenk 1
3
5
4
2
Gezeitenkraftwerke
Welle
Gezeitenkraftwerke entnehmen der Rotationsenergie der Erde die Energie für den Turbinenantrieb.
Sie sind an Stellen mit einem großen Unterschied
der Meereshöhe zwischen Ebbe und Flut in Betrieb.
Zeitpunkt 2
4
2
3
1
5
Welle
Wellenkraftwerke
Wellenkraftwerke nutzen die vom Wetter hervorgerufene Wellenenergie der Meere. Der World
Energy Council (Welt-Energie-Rat) schätzt das Potenzial für die Wellenkraftwerke auf etwa 1 Terawatt, also auf 1000 Kraftwerke zu jeweils 1000 MW.
Die Energie ist aber nur aufwendig zu erfassen und
der Strom ist nur begrenzt planbar.
1
Prinzip des Wave Energy Converters
Kraftwerk
Bei der OWC-Technik (OWC von Oscillating Water
Column = schwingende Wassersäule) rollt die
Welle in eine große, gegen die Atmosphäre geschlossene Betonkammer. Die in der Kammer befindliche Luft wird dadurch nacheinander zusammengepresst und entspannt. Über eine Luftturbine
wird ein Generator angetrieben.
Beim Wave Energy Converter werden als Segmente Bojen von z. B. 3 m Durchmesser verwendet, die zu Dritt einer Riesenschlange ähneln
(Bild 1). Die miteinander mit Gelenken verbundenen Segmente liegen auf der Wasseroberfläche
quer zu den Wellenkämmen. Nahe der Gelenke
zwischen den Segmenten liegen hydraulische Motoren, welche die Wellenbewegung in eine Strömung der Hydraulikflüssigkeit umsetzen. Die Flüssigkeit treibt einen Generator. www.eon.com
Für den Umweltschutz sind Wasserkraftwerke vorteilhaft, weil sie keine Emissionen hervorrufen.
Wenn das Wasser gespeichert werden kann, z. B.
bei den Speicherkraftwerken, dann können sie
Strom erzeugen, wenn dafür Bedarf besteht. Ihre
Stromerzeugung ist meist planbar.
200 }C bis 300 }C
Durch Einpressen von
Wasser erzeugte Spalten
Bei der Wave-Dragon-Technik (Wellen-DrachenTechnik) wird durch zwei V-förmig angeordnete
Barrieren die Welle auf eine Rampe geleitet. Von
dort aus fließt das Wasser über eine Turbine ins
Meer zurück. Die gesamte Anlage kann schwimmend vor der Küste betrieben werden.
2500 m bis 4500 m
Gezeitenkraftwerke und Wellenkraftwerke können nur zeitweise Strom liefern.
2
Prinzip des geothermischen Kraftwerks
4.4.2
Regenerative thermische Stromerzeugung
Geothermische Kraftwerke verwenden den Wärmevorrat des Erdinneren zur Dampferzeugung
(Bild 2). Der Dampf treibt über eine Dampfturbine
den Generator. Diese Kraftwerke können vor allem
dort gebaut werden, wo die Erdkruste dünn ist,
z. B. in der Nähe von Vulkanen. In den deutschsprachigen Ländern sind keine in Betrieb, jedoch
wird für einige Standorte die Errichtung untersucht.
Geothermische Kraftwerke haben gegenüber
den meisten regenerativen Energien den Vorteil, dass die Energiequelle ständig zur Verfügung steht, sodass die Stromerzeugung planbar ist.
4.4 Regenerative Stromerzeugung Renewable Power Generation
5,4
6,8
3,0
6,7
6,4
4,1
1,6
13,9
13,8
17,8
5,1
4,3
2,2
4,0
2,3
6,0
5,9
13,1
9,8
11,1
5,0
6,4
3,9
4,3
3,4
32,0
17,1
13,6
Restholz
15,1
17,0
14,0
2,1
7,6
6,8
3,8
3,4
1,9
3,1
2,6
11,7
Stroh
6,8
6,0
Biogas-Kraftwerke gehören ebenso zu den regenerativen thermischen Kraftwerken mit ständiger
Strom-Verfügbarkeit. Sie arbeiten wie mit Erdgas
beschickte GUD-Kraftwerke (GUD von Gas und
Dampf), nämlich Verbrennung in Gasturbinen, deren Abgas zur Dampferzeugung verwendet wird.
Das brennbare Biogas, hauptsächlich Methan CH4,
entsteht in Faultürmen, die mit Biomasse, z. B.
Gülle oder landwirtschaftlichen Abfälle, beschickt
werden.
13,5
22,3
11,0
Holz-befeuerte Kraftwerke gehören zu den regenerativen Stromerzeugern mit dauernder Strom-Lieferfähigkeit. Man verwendet Holzschnitzel oder
Holz-Pellets. Damit kann sonst wertloses Abfallholz, z. B. aus der Waldpflege, nutzbringend verwertet werden.
2,0
8,7
4,4
Biomasse-Kraftwerke nutzen die gespeicherte
Energie der Biomasse durch Verbrennen in Wärmekraftwerken. Das Potenzial dazu ist in Form von
Restholz, Stroh, Gülle und sonstigen Bioabfällen
ziemlich groß (Bild 1). Beim Verbrennen der Biomasse entsteht nur so viel Kohlenstoffdioxid, wie
von Pflanzen vorher aus der Atmosphäre aufgenommen wurde. Bei vollständiger Erfassung könnten durch Biomasse etwa 9 % der Stromerzeugung
gedeckt werden.
57
Biogas
Sonstiges
Angaben in PJ
1 PJ = 278 Mio kWh
1
Potenzial an Biomasse in Deutschland
Sonnenstrahlen
Solarturm
mit Absorber
Stromerzeugung in Biomasse-Kraftwerke hat
den Vorteil, dass der Energieträger gespeichert
werden kann, sodass die Stromerzeugung jederzeit möglich ist.
Solarthermische Kraftwerke arbeiten mit der von
der Sonne herrührenden Strahlungswärme. Beim
Solarturmkraftwerk ist ein Absorber mit einer
Brennerkammer mit Dampfkessel auf einem Turm
angeordnet (Bild 2). Hunderte von Spiegeln sind
auf einer großen Fläche aufgestellt und werden
fortlaufend so eingestellt, dass die Sonnenstrahlung auf den Absorber gerichtet ist. Die sehr hohe
Erwärmung erzeugt wie in einem Verbrennungskraftwerk Wasserdampf, der über eine Turbine den
Generator treibt.
Beim Parabolrinnen-Kraftwerk sind ParabolrinnenKollektoren (Rinnen mit Parabel-Profil) von bis
150 m Länge auf einer großen Fläche angeordnet
(Bild 3). Diese Rinnen bündeln die Sonnenstrahlen.
In der Brennlinie der Kollektoren verläuft ein Rohr
als Absorber mit einem Wärmeträger. Wenn als
Wärmeträger Wasser verwendet wird, dient das
Absorberrohr als Dampfkessel. Meist wird aber ein
Thermoöl (wärmebeständiges Öl verwendet, sodass Temperaturen von bis 300 °C möglich sind.
Das heiße Öl gibt dann in einem Wärmetauscher
die Wärmeenergie an den Dampfkessel ab, sodass
ein hoher Druck möglich ist.
2
Solarturmkraftwerk
AbsorberRohr
Parabel
Parabelrinne
(Reflektor)
von der Dampfturbine
Parabolrinnen-Kraftwerk
zur
Dampfturbine
3
4.4 Regenerative Stromerzeugung Renewable Power Generation
58
Solarthermische Kraftwerke erfordern eine
große Grundfläche zum Aufbau der die Sonnenstrahlung gezielt reflektierenden Spiegel.
Solarthermische Kraftwerke sind vor allem in sonnenreichen Gegenden möglich, wenn dort große
Flächen zur Verfügung stehen, z. B. in Nevada
(USA), Marokko, Ägypten. Die Aufstellung solarthermischer Kraftwerke in der Sahara könnte theoretisch einen großen Teil des europäischen Strombedarfs decken. Zum Transport über die große Entfernung müsste wegen der Übertragungsverluste
mit HGÜ (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, Abschnitt 12.5.4) gearbeitet werden.
Wiederholung und Vertiefung
1. Welche Turbinenart wird meist in Laufkraftwerken
verwendet?
Tabelle 1: Leistungsdichten P t’
Energieträger
P t’ in W/m2
Wasser bei v = 6 m/s
108 000
Wind bei v = 6 m/s
130
Sonne in Deutschland
120
v Windgeschwindigkeit
A Fläche, Querschnitt
Pt theoretisch mögliche
Pt = P t’ · A
Leistung
1
P t’ theoretische
P = Pt · n
Leistungsdichte
2
P reale Leistung
n Wirkungsgrad
Pt = 0,5 · r · v 3 · A
r Dichte des Mediums
3
v Geschwindigkeit der Strömung
2. Welche Last wird von Laufkraftwerken übernommen?
3. Zu welchen Kraftwerken sind Staumauern erforderlich?
4. Auf welche Weise kann elektrische Energie im Umfang von Megawattstunden wirtschaftlich gespeichert werden?
5. Nennen Sie drei regenerative Verfahren, die mit
Dampfturbinen arbeiten.
6. Wie ist ein Parabolrinnen-Kraftwerk aufgebaut?
7. Welches Gas ist im Biogas enthalten?
4.4.3
Windkraftwerke
Beispiel 2:
Ein Windkraftwerk erfasst eine Strömungsfläche von A =
75 m2. Wie groß ist bei einer Windgeschwindigkeit von
v = 6 m/s die theoretisch mögliche Leistung bei einer
Luftdichte von 1,2 kg/m3?
Lösung: Pt = 0,5 · r · v 3 · A
= 0,5 · 1,2 kg/m3 · (6 m/s)3 · 75 m2
= 9720 W
Der kleine Unterschied bei den Ergebnissen der
Beispiele ist durch die Rundung der Zahlenwerte
hervorgerufen.
Die Leistungsdichte gibt die Fähigkeit eines Energieträgers an, wie viel Leistung je m2 der maßgebenden Fläche, z. B. des Strömungsquerschnittes,
theoretisch erzielt werden kann (Tabelle 1).
Die theoretisch mögliche Leistung wächst linear
mit der Dichte des Mediums und in der 3. Potenz
mit der Strömungsgeschwindigkeit. Damit wird erkennbar, dass Windkraftanlagen vor allem in Gegenden mit hoher und oft gleich bleibender Windgeschwindigkeit sinnreich sind (Bild 1, folgende
Seite).
Beispiel 1:
Windenergiekonverter
Ein Windkraftwerk erfasst eine Strömungsfläche von A =
75 m2 und hat einen Wirkungsgrad von 45 %. Wie groß ist
bei Wind mit der Geschwindigkeit v = 6 m/s
a) die theoretisch mögliche Leistung, b) die reale Leistung?
Windenergiekonverter
(Windenergieumsetzer,
Windkraftkonverter) bestehen aus einem Turm mit
oben angebautem Windrotor nebst Gondel mit
Generator und oft mit Bremse (Bild 2, folgende
Seite). Ein Stromrichter zur Anpassung an das 50Hz-Netz ist entweder in der Gondel oder am Fuß
des Turmes in der Schaltanlage mit Transformator
für den Netzanschluss.
Leistungsdichte
Lösung:
Nach Tabelle 1 ist P t’ = 130 W/m2
a) Pt = P t’ · A = 130 W/m2 · 75 m2 = 9750 W
b) P = Pt · n = 9750 W · 0,45 = 4388 W
Bei Strömungsmaschinen, z. B. Wasserturbinen
oder Windturbinen von Windkraftwerken, kann die
theoretisch erzielbare Leistung auch mithilfe der
Dichte des Strömungsmediums berechnet werden.
Windenergiekonverter werden mit Nennleistungen bis 6 MW hergestellt. Die elektrische Leistung
von z. B. 6 MW wird nur dann erreicht, wenn der
Wind mit seiner Nenngeschwindigkeit weht. Die
Nabenhöhe derartig großer Windenergiekonverter
kann etwa 160 m betragen.
4.4 Regenerative Stromerzeugung Renewable Power Generation
59
Windenergiekonverter haben Nennleistungen
bis 6 MW und Nabenhöhen bis 160 m.
Kiel
Windrotoren gibt es in verschiedenen Bauformen
(Bild 1, folgende Seite). Der nach dem Hersteller in
Heidelberg benannte H-Rotor und der nach dem
Erfinder benannte Darrieus-Rotor arbeiten bei jeder Windrichtung. Dagegen muss bei den Zweiflüglern und Dreiflüglern dafür gesorgt sein, dass
der Wind möglichst senkrecht auf die Rotorblätter
trifft. Deshalb ist die Gondel mit dem Rotor am
Turm drehbar angeordnet.
Rostock
Hamburg
Bremen
Berlin
Hannover
Magdeburg
Kassel
Köln
Dresden
Leipzig
Jahresmittel der
Windgeschwindigkeit
Frankfurt
Meist verwendet man Windrotoren mit drei Rotorblättern.
Bei Dreiflüglern unterscheidet man Leeläufer und
Luvläufer (Bild 2, folgende Seite). Beim Leeläufer
dreht sich der Rotor auf der vom Wind abgewandten Seite des Turmes. Das hat den Vorteil, dass die
Rotorblätter von selbst die Lage quer zum Wind
einnehmen. Der Windschatten des Turmes setzt
aber den Wirkungsgrad herab. Beim Luvläufer
dreht sich der Rotor nicht von selbst auf der Seite
des Turmes, die dem Wind zugewandt ist. Deshalb
muss die Gondel mit dem Rotor durch eine Windrichtungsnachführung in die günstigste Position
gebracht werden.
Die Drehzahl von Windrotoren ist je nach Baugröße und Windstärke sehr verschieden. Kleine
Windrotoren mit Nennleistung von 1 kW haben
eine Nenndrehzahl von 500 /min, große mit 3 MW
etwa 18/min. Zur Einspeisung in das VNB-Netz mit
50 Hz muss zwischen Rotorwelle und Generator
entweder ein Getriebe vorhanden sein oder der
Generator muss sehr viele Pole haben.
Saarbrücken
Nürnberg
Stuttgart
> 5 m/s
4 m/s - 5 m/s
< 4 m/s
München
1
Gebiete mit nutzbarer Windenergie
Getriebe
Bremse
Sensoren für
Wind
Generator
Gondel
Blattverstellung
für PitchingRegelung
Rotornabe
Windrichtungsnachführung
Rotorblatt
Aufstieg
Turm
Windenergiekonverter enthalten in der Gondel
entweder einen Getriebe-Generator oder einen
Generator mit sehr vielen Polen.
Die Windgeschwindigkeiten reichen von 0 m/s bis
über 100 m/s. Zur Erzielung einer möglichst
großen Leistung muss die Drehzahl des Rotors an
die Windgeschwindigkeit angepasst werden, also
geregelt werden.
Netzanschluss
Fundament
2
Aufbau eines Windenergiekonverters
Bei der Stall-Regelung (von engl. Stall = das Abwürgen) reißt bei großer Windgeschwindigkeit die
Windströmung an den Rotorblättern ab, sodass
der Wirkungsgrad sinkt und die Drehzahl ziemlich
konstant bleibt.
Bei der aktiven Stallregelung werden die Rotorblätter ein wenig gedreht, sodass der Abrisspunkt der Strömung einstellbar ist.
60
4.4 Regenerative Stromerzeugung Renewable Power Generation
Bei der Pitch-Regelung (von Pitch = Neigung) werden die Rotorblätter je nach Wind so weit gedreht,
dass die Leistung möglichst groß ist (Bild 3). Die
Drehzahl ändert sich dabei je nach Wind. Neue Anlagen arbeiten meist mit der Pitch-Regelung.
H-Rotor
Zwei- und Dreiflügler
Darrieus-Rotor
Bei den Stall-Regelungen ist die Regelgröße die
Drehzahl, bei der Pitch-Regelung aber die Leistung.
1
Bei der älteren Stall-Regelung haben der Rotor und
der Generator ziemlich starre Drehzahlen. Deshalb
verwendet man als Generator den Asynchrongenerator. Dieser wird direkt mit dem 50-Hz-Netz verbunden. Bei dieser Regelung liegt zwischen Rotorwelle und Generator ein Getriebe zur Erhöhung
der Generatordrehzahl. Außerdem ist eine mechanische Bremse zum Abbremsen bei zu hoher
Windgeschwindigkeit erforderlich.
Bei der Pitch-Regelung haben Rotor und Generator
je nach Wind variable Drehzahlen. Entweder ist ein
Getriebe vorhanden oder der Generator hat eine
sehr hohe Polzahl. Das Bremsen kann durch entsprechende Einstellung der Rotorblätter bewirkt
werden.
Moderne Windenergiekonverter haben die PitchRegelung und arbeiten bei einer Nenn-Windgeschwindigkeit von 9 m/s ab der Einschaltgeschwindigkeit von etwa 3 m/s bis zur Abschaltschwelle
von z. B. 60 m/s. Bei anderen Windgeschwindigkeiten bleiben sie abgeschaltet.
Generatoren für Windenergiekonverter mit PitchRegelung können wegen der wechselnden Windgeschwindigkeit nicht direkt an das 50-Hz-Netz angeschlossen werden, weil sich mit wechselnder
Drehzahl bei üblichen Generatoren Spannung und
Frequenz stark ändern.
Generatoren mit Pitch-Regelung arbeiten immer mit einem Umrichter.
Bei kleinen Anlagen kann ein permanenterregter
(durch Dauermagnet erregter) Synchrongenerator
mit Zwischenkreis-Umrichter verwendet werden
(Bild 1, folgende Seite). Durch die Permanenterregung ist der Wirkungsgrad groß. Jedoch wird die
gesamte elektrische Leistung über den Umrichter
geführt, der dann groß und teuer ist.
Formen von Windrotoren
Rotorblatt
Wind
Generator
2
Leeläufer und Luvläufer
1,2
1,0
Rotorleistung PR /Pn
Es sei ausdrücklich vermerkt, dass die Regelung
des Rotors die Regelung des Generators nicht ersetzt.
Windgeschw. v W
12 m/s
0,8
11
0,6
10
0,4
8
0,2
6
0
9
0
0,2
0,4
0,6
7
0,8 1,0
1,2
1,4
Rotordrehzahl nR /nn
1,6
1,8
3
Abhängigkeit der Rotorleistung vom Wind
Bei Anlagen über 100 kW nimmt man Asynchrongeneratoren als untersynchrone Stromrichterkaskade oder meist als doppelt speisende DrehstromAsynchrongeneratoren DSA. Dabei handelt es sich
um rotierende Generatoren in der Form eines
Schleifringläufers, die mit einem Umrichter in der
Weise arbeiten, dass über den Umrichter nur etwa
30 % der Leistung geführt werden (Abschnitte
11.10.9 und 11.10.10).
4.5 Stromtransport Power Transport
Stromtransport
4.5.1
Zweck der Spannungstransformation
Die Erzeugung elektrischer Energie erfolgt in
Kraftwerken. Die in den Generatoren entstehende
Spannung beträgt meist 6 kV bis 30 kV. Diese
Spannung ist zu niedrig, um den erzeugten Strom
über größere Strecken möglichst verlustfrei
transportieren zu können. Das liegt daran, dass
Leitungen einen elektrischen Widerstand besitzen. Um die Verlustleistung Pv möglichst klein zu
halten, müssen entweder der elektrische Widerstand oder die Stromstärke verringert werden
(Abschnitt 4.5.6). Um den elektrischen Widerstand der Leitung zu verringern, verwendet man
Werkstoffe mit kleinem spezifischem Widerstand
oder der Leitungsquerschnitt wird erhöht. Aus
wirtschaftlichen Gründen sind diese Maßnahmen
jedoch nicht sinnvoll. Durch die Erhöhung der
Spannung auf ein Vielfaches des ursprünglichen
Wertes, z. B. auf eine Spannung von 380 kV, wird
jedoch die Stromstärke ebenfalls verringert (Bild
1). Dadurch wird die Verlustleistung deutlich kleiner.
Faustregel: Strom kann mit einer Bemessungsspannung von 380 kV ohne Zwischenstationen
über eine Entfernung von etwa 380 Kilometern
transportiert werden.
Da die Übertragungsspannung von 380 kV für den
Endverbraucher viel zu hoch ist, muss die Spannung schrittweise auf die Niederspannung von
400 V/230 V herunter transformiert werden (Bild 2).
4.5.2
6
kA
5
4
Stromstärke Ü
4.5
69
3
10 MVA
3 AC
UN
Ü
1 kV
6 kV
10 kV
60 kV
110 kV
5774 A
962 A
577 A
96 A
53 A
2
1
0
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 kV 110
Spannung U
1
Stromstärken bei Drehstrom für 10 MVA
Höchstspannung
Æ 380 kV
Braunkohlekraftwerke
und Kernkraftwerke
Höchstspannung
220 kV
Steinkohlekraftwerke
und Wasserkraftwerke
Industriekraftwerke
Hochspannung
110 kV
Spannungsebenen
In modernen Stromnetzen unterscheidet man vier
Spannungsebenen: Höchstspannungsnetz, Hochspannungsnetz, Mittelspannungsnetz und Niederspannungsnetz.
Das Höchstspannungsnetz dient zum Transport
des in Kraftwerken erzeugten Stromes über große
Entfernungen. Die Spannung in diesem Netz beträgt 220 kV bzw. 380 kV. Über dieses Netz sind die
Länder der EU untereinander verbunden (Europäisches Verbundnetz). Für HGÜ (HochspannungsGleichstrom-Übertragung) werden auch Spannungen von 500 kV bzw. 750 kV verwendet.
Über das Hochspannungsnetz werden größere
Gebiete, z. B. das Stadtgebiet von Stuttgart, und
auch die Großindustrie versorgt, z. B. die Firma
BSW (Badische Stahlwerke). Die Spannung beträgt z. B. 110 kV.
Mittelspannung
10 kV bis 30 kV
Freileitung
oder Kabel
Niederspannung
Freileitungsnetz
0,4 kV
Kabelnetz
2
Spannungsebenen der Stromversorgung
Der Energiebedarf erfolgt entweder aus Kraftwerken, die nicht in das Höchstspannungsnetz einspeisen, oder über Umspannwerke aus dem 380kV-Netz bzw. 220-kV-Netz.
4.5 Stromtransport Power Transport
70
Mittelspannungsnetze haben eine Spannung von
10 kV bis 30 kV. Sie werden meist über Umspannwerke aus dem 110-kV-Netz gespeist. Diese
Umspannwerke befinden sich innerhalb der
Stadtgebiete und sind meist als Innenraumschaltanlage oder aber als Freiluftschaltanlage ausgeführt. Durch die relativ kleine Spannung von z. B.
10.000 V können auch Industriebetriebe über kundeneigene Stationen direkt versorgt werden. Über
Ortsnetzstationen wird die elektrische Energie in
Stadtteilen oder Ortschaften auf Niederspannung
(400 V/230 V) transformiert und in das Niederspannungsnetz eingespeist.
Die vierte Ebene ist das Niederspannungsnetz mit
400 V/230 V. Über dieses Netz werden Gebäude
oder Haushalte mit Strom versorgt. Das zugehörige Verteilungsnetz kann im Erdreich als Kabelnetz aber auch im Freien als Freileitungsnetz aufgebaut sein.
Transformator
Trennschalter
1
Freiluftanlage 110 kV
Leiterseile
Isolatoren
Wiederholung und Vertiefung:
1. Warum muss zum Transport von elektrischer Energie
über längere Strecken die Spannung heraufgesetzt
werden?
2. Welche anderen Möglichkeiten gibt es, um a) die Verlustleistung auf Leitungen gering zu halten und
b) warum werden sie beim Stromtransport nicht angewendet?
3. Auf welche Entfernung kann man Strom mit einer 380kV-Leitung ohne Zwischenstationen transportieren?
4. Nennen Sie die vier Spannungsebenen mit ihrer Netzbezeichnung und geben Sie die jeweilige Netzspannung an.
4.5.3
2
Gerüst zum Abspannen der Leiterseile
Metallrohr (Leiter)
Isolator
Trennschalter
Umspannwerke
Umspannwerke nennt man auch die Knotenpunkte
der Energieverteilung. Sie wandeln durch Transformatoren die elektrische Energie auf die für die
Übertragung notwendigen Spannungsebenen um.
Zusätzlich erfolgt von Umspannwerken aus die
Verteilung auf weitere Streckenabschnitte durch
Schalter.
Umspannanlagen
Umspannanlagen sind für Hochspannung und
Höchstspannung vorgesehen und meist als Freiluftanlagen ausgeführt (Bild 1).
Die einzelnen Betriebsmittel wie Trennschalter und
Leistungsschalter der Umspannanlagen sind an
Schaltgerüsten befestigt.
Stromwandler und Spannungswandler sowie
Umspanner werden auf Sockeln befestigt.
Die Leiterseile der Hochspannungsleitungen werden an einem Gerüst abgespannt (Bild 2). Die
Verbindungsleitungen zwischen zwei Abspanngerüsten bezeichnet man als Überspannungen.
3
Sammelschienensystem
Meist verlaufen unterhalb der Überspannungen
Sammelschienensysteme (Bild 3). Die einzelnen
Leitungen können über Sammelschienen miteinander verbunden werden. Anstelle von Leiterseilen werden in Umspannwerken meist Metallrohre als Leiter verwendet.
4.5 Stromtransport Power Transport
71
Mithilfe von Trennschaltern (Trennern) oder von
Leistungsschaltern kann man die Leitung von Umspannwerken trennen.
Niederspannungsverteilung
mit Wandler W und Zählern Z
Trennschalter dürfen nur ohne Last geschaltet
werden.
Z
Z
400 kVA
W
Das Schalten erfolgt meist von der Steuerwarte
aus. Die Trenner können aber auch von Hand
betätigt werden.
In dicht besiedelten Gebieten werden Umspannwerke meist als Innenraumanlage ausgeführt und
vor allem im Mittelspannungsnetz (MS-Netz) bis
30 kV eingesetzt. Auf engstem Raum sind dort
Schaltfelder (Zellen) für ankommende und abgehende Kabel, Stromwandler und Spannungswandler, Trennschalter und Lasttrennschalter sowie die
Zuleitungen und Ableitungen für den Transformator untergebracht. Da diese Stationen sehr kompakt gebaut sind, nennt man sie auch KompaktUmspannstation (Bild 1).
Im Freileitungsnetz werden Innenraumanlagen als
Turmstation ausgeführt (Bild 2). Unterhalb von Öltransformatoren müssen sich Öl-Auffangwannen
befinden. Für einzeln stehende Gehöfte oder kleine
Häusergruppen erfolgt die Versorgung auch
über Maststationen mit Transformatoren von z. B.
10 kV/400 V und 100 kVA (Bild 3).
Mittelspannungsanlage
(Schaltzellen)
Transformator
1
Kompakt-Umspannstation
10-kV-Netz
Überspannungsableiter
400-VNetz
2
Turmstation
10-kV-Netz
Größere Innenraumanlagen werden meist als gekapselte gasisolierte Schaltanlagen ausgeführt
(Bild 4). Dabei wird als Gasisolierung Schwefelhexafluorid SF6 verwendet. Durch das vollständige
Kapseln der Kontakte wird das Bedienen ungefährlich, eine Berührung durch das Bedienpersonal ist
somit nicht möglich.
Trennschalter
400-V-Netz
Schalter in Hochspannungsanlagen
Man unterscheidet in Hochspannungsanlagen
zwischen Trennschalter, Lasttrennschalter und
Leistungsschalter. Die Auswahl der Schalter und
Anlage erfolgt nach ihrer Bemessungsspannung
(Nennspannung) und ihrer erforderlichen Schutzart. Schalter für Hochspannung können mit Federspeicherantrieb oder elektromotorischem Antrieb
ausgestattet sein.
Trennschalter haben die Aufgabe, Anlagenteile,
z. B. bei Revisionsarbeiten, sichtbar abzutrennen,
um Arbeiten im spannungslosen Zustand gefahrlos durchführen zu können (Bild 1, folgende Seite).
Dabei sind die fünf Sicherheitsregeln (Seite 364) zu
beachten. Das Bedienpersonal kann sich wegen
der sichtbaren Trennstelle ständig vom Spannungszustand überzeugen.
3
Maststation
4
Gasisolierte SF6-Schaltanlage
4.5 Stromtransport Power Transport
72
In Schaltanlagen werden Trennschalter immer auf
der einspeisenden Seite eingebaut. Werden Anlagen doppelseitig eingespeist, sind auf beiden Seiten Trennschalter erforderlich (Bild 2).
1
3
5
Trennstelle
Trennschalter dürfen elektrische Stromkreise
nur leistungslos oder nur bei einem vernachlässigbar kleinen Strom schalten und wenn zwischen den Schalteranschlüssen keine Spannungsunterschiede bestehen.
Es werden im Hochspannungsbereich je nach
Spannungsebene unterschiedliche Bauformen von
Trennschaltern verwendet.
Im Höchstspannungsbereich werden Scherentrennschalter oder Greifertrennschalter eingesetzt.
Beim Schaltvorgang kommt es bei diesen Schaltern häufig zu Funkenüberschlägen. Die Ursache
dieser Überschläge liegt in der Kapazität der Anlage.
Mit einem Lasttrennschalter kann man Umspanner
sowie Kabelleitungen und Freileitungen unter Last
vom Netz trennen (Bild 3). Diese Schalter finden oft
in Mittelspannungsnetzen (10 kV bis 30 kV) Anwendung. Sie schalten Ströme von etwa 40 kA bis
63 kA. Lasttrennschalter werden auch zum Öffnen
und Schließen von Ringleitungen verwendet und
sind mit einem Federspeicherantrieb ausgestattet.
Mithilfe einer Fernschaltung kann eine mechanische Auslösung erfolgen.
Mit Leistungsschaltern können Ströme (z. B. 80 kA
bis 160 kA) geschaltet werden. Sie können Anlagenteile auch bei Kurzschluss schalten. Dabei löst
ein Schutzrelais selbsttätig aus. Sowohl die Auslösezeit als auch der Auslösestrom werden am
Schutzrelais eingestellt.
Wiederholung und Vertiefung:
Antrieb
Schaltmesser
2
4
6
1
Trennschalter
Einspeisung A
110 kV/20 kV
Anlage
20 kV/400 kV
Ortsnetz
110 kV/20 kV
Einspeisung B
2
Doppelseitige Einspeisung einer Anlage
1
3
5
4
6
Löschkammer
1. Für welche zwei Spannungsebenen werden Umspannungsanlagen vorgesehen?
2. Worauf ist beim Schalten von Trennschaltern bezüglich der Last zu achten?
3. Welche fünf elektrischen Betriebsmittel sind in Kompakt-Umspannstationen untergebracht?
4. In welcher Form wird die Schaltanlage einer Innenraumanlage meist ausgeführt?
5. In Hochspannungsanlagen unterscheidet man drei
Schalterarten. Nennen Sie diese.
6. Welche Aufgabe haben Trennschalter?
7. Nennen Sie mindestens zwei Bauformen von Trennschaltern im Hochspannungsbereich.
8. Nennen Sie einen Vorteil eines Lasttrennschalters
gebenüber einem Trennschalters.
2
Lasttrennschalter (www.driescher-wegberg.de)
3
4.5 Stromtransport Power Transport
4.5.4
73
Leitungen und Kabel
Mantelleitung NYM
Für den Stromtransport werden elektrische Leiter
verwendet, deren stromleitender Teil ganz oder im
Wesentlichen aus Kupfer oder aus Aluminium besteht.
Begriffe in der Energieverteilung
Cu - Leiter
Mantel
PVC
Leiter ist der stromleitende Teil einer Leitung mit
der unmittelbaren Isolierung. Eine vieradrige Leitung enthält z. B. vier Leiter.
Aderumhüllung
Isolierung PVC, grün - gelb,
schwarz, blau, braun
Aderleitung H 07 V-U 1,5 BK
Cu
PVC, z. B. schwarz
Eine Leitung enthält einen oder mehrere Leiter.
1
Mantelleitung und Aderleitung
Freileitungen sind Systeme aus elektrischen Leitern oder Leitungen, Isolatoren und deren Haltevorrichtungen, z. B. Freileitungsmasten (Abschnitt
12.2.1).
Leitungen sind Systeme aus einem oder mehreren elektrischen Leitern mit umgebenden Isolierstoffen. Im Gegensatz zu Kabeln sind Leitungen
nicht zur direkten Verlegung im Erdboden geeignet. Die Bemessungsspannung der üblichen Leitungen, z. B. für die Elektroinstallation, beträgt
höchstens 1 kV. Das gilt nicht für spezielle
Leuchtröhrenleitungen.
Kabel sind im Prinzip wie Leitungen aufgebaut, jedoch ist die Isolierung erheblich aufwendiger, sodass die Verlegung auch im Erdboden erfolgen
kann. Deshalb spricht man auch von Erdkabeln.
Die Bemessungsspannung der üblichen Kabel beträgt je nach Bauart bis 60 kV, bei speziellen Hochspannungskabeln sogar bis 500 kV.
H 07 V - U 1,5 BK
schwarz (BLACK)
1,5 mm2
eindrähtig
PVC - Isolierung
Bemessungsspannung 700 V
harmonisierte Leitung
2
Bedeutung von H07-U
Tabelle 1: Buchstaben nach H bei Leitungen
für feste Verlegung (Auswahl)
Buchstabe
Bedeutung
V
U
R
F
G
X
PVC
eindrähtig
mehrdrähtig
feindrähtig
mit Schutzleiter
ohne Schutzleiter
+
N Y M - J 4 2,5
Leitungen für die Energieverteilung
Es gibt viele verschiedene Leitungsarten. Als
elektrischer Leiter wird fast ohne Ausnahme Kupfer verwendet. Bei vor 1950 verlegten Leitungen
kommen auch Leiter aus Aluminium vor. Von den
Leitungen für feste Verlegung sind besonders
wichtig die Mantelleitungen und die Aderleitungen (Bild 1). Die Mantelleitungen gibt es mehradrig oder einadrig. Sie werden verlegt auf Putz,
über Putz, im Putz und unter Putz. Aderleitungen
werden als Verdrahtungsleitungen in Schaltschränken verwendet und sonst in Isolierrohren
oder Leitungskanälen.
Leider sind für die Leitungsbezeichnungen zwei
verschiedene Systeme üblich. Die jüngere Bezeichnung gilt für europaweit harmonisierte (also
vereinheitlichte) Leitungen und beginnt mit H
(von harmonisiert, Bild 2). Die daran anschließende Zahl gibt verschlüsselt die Bemessungsspannung an. Danach folgen weitere Buchstaben
für den Isolierstoff und die Leiterart (Tabelle 1).
2,5 mm2
4 Adern
mit PE
Mantelleitung
Kunststoff (PVC)
Normen
3
Bedeutung von NYM-J 4 x 2,5
Tabelle 2: Buchstaben nach N bei Leitungen
für feste Verlegung (Auswahl)
Buchstabe
Bedeutung
Y
M
-J
-O
Aderisolierung PVC
Mantelleitung
Schutzleiter vorhanden
ohne Schutzleiter
Die ältere Bezeichnung gilt für nicht harmonisierte
Leitungen, gilt also nicht europaweit. Sie beginnt
mit N (von Norm) und die folgenden Buchstaben
geben den Isolierstoff und die Art der Leitung an
(Bild 3, Tabelle 2).
4.5 Stromtransport Power Transport
74
Kabel für die Energieverteilung
Niederspannungskabel haben Bemessungsspannungen bis 1 kV. Sie haben meist Aluminiumleiter
und bei Querschnitten bis 10 mm2 Kupferleiter.
Die Leiter können rund oder sektorförmig sein
(Bild 1) und aus Einzeldraht oder aus mehreren
Drähten bestehen. Beim dreiadrigen Kabel dient
ein konzentrischer, außen liegender Leiter als
PEN-Leiter und als mechanischer Schutz, z. B. bei
Verlegung im Erdboden (Bild 2). Oft werden vieradrige Kabel verwendet (Bild 3). Die Leiterisolierung besteht aus Polyvinylchlorid PVC oder aus
vernetztem Polyethylen VPE, der Mantel aus PVC
oder aus PE. Die Bezeichnung der Kabel beginnt
mit N (von Norm). Die folgenden Buchstaben
haben aber eine andere Bedeutung als bei den
Leitungen (Tabelle 1).
Tabelle 1: Buchstaben nach N bei Kabeln
Buchstabe
Bedeutung
A
Y
C
W
S
2X
2Y
-J
Aluminiumleiter
Isolierung PVC
konzentrischer Cu-Leiter
wellenförmiger Cu-Leiter
Schirm aus Kupfer
Isolierung VPE
Isolierung PE
grün-gelber Schutzleiter
1
Leitertypen
konzentrische Cu-Leiter,
wellenförmig
Mantel,
PVC
Wendel aus
Cu-Band
Aluminium
Aderumhüllung
VPE,
braun,
schwarz,
blau
2
Kabel NA2XCWY 0,6/1 kV
Aluminium
Für die Kabelbezeichnung sind die Kennbuchstaben
von innen nach außen anzugeben.
Für das Niederspannungsnetz 400/230 V werden meist Vierleiterkabel (Kabel mit vier Leitern) verwendet.
Mittelspannungskabel haben Bemessungsspannungen bis 36 kV. Es gibt Dreileiterkabel und Einleiterkabel. Als Aderisolierung wird meist VPE
verwendet (Bild 4). Anders als bei den Niederspannungskabeln sind Leitschichten vorhanden,
die für eine gleichmäßige elektrische Feldstärke
an den Leitern sorgen. Dadurch wird verhindert,
dass eine Gasentladung an den Kanten der Leiterdrähte erfolgt, die zur Zerstörung der Isolation
führen würde. Über der äußeren Leitschicht liegt
ein Kupferschirm und darüber eine Trennschicht.
Der darauf folgende Mantel besteht aus PVC oder
VPE.
Für Neuanlagen werden nur Kabel mit VPE-Isolierung bzw. PVC-Isolierung verwendet. In bestehenden Anlagen sind auch ältere Massekabel mit Papierisolierung und Bleimantel vorhanden.
Hochspannungskabel haben je nach Bauart Bemessungsspannungen bis 500 kV. Sie sind immer
Einleiterkabel.
Mantel,
PE
Aderumhüllung
VPE,
grün-gelb,
braun,
schwarz,
blau
3
Kabel NA2X2Y-J 0,6/1 kV
AluminiumLeiter
Cu-Wendel
PE-Mantel
Trennschicht
äußere
Leitschicht
VPE
innere
Leitschicht
Cu-Schirm
4
Kabel NA2X2Y 10 kV bis 30 kV
5.5 Zeigerdiagramm des belasteten Transformators Vector Diagram of Transformers under Load
5.5 Zeigerdiagramm des
belasteten Transformators
¡1
Mithilfe des Kapp‘schen Dreiecks lässt sich die bei
Belastung auftretende Spannungsänderung eines
Transformators berechnen. Zur rechnerischen Erfassung zeichnen wir das Kapp‘sche Dreieck vergrößert heraus (Bild 2). Wir können erkennen, dass
der Spannungsunterschied bei Belastung nach folgender Formel berechnet werden kann.
DU = Uw · cos j2 + Us · sin j2
1
DU Spannungsunterschied bei Belastung
Uw Spannungsfall am Wirkwiderstand
Us Spannungsfall am Blindwiderstand
j2 induktiver Phasenverschiebungswinkel der Last
U1
XL
Uw
UÛ
¡2
U'2
U2
Last
Z
1
Vereinfachte Ersatzschaltung eines Transformators
für die Energietechnik
Fehler
ƒ2
Das vollständige Zeigerbild des allgemeinen, realen Transformators (Tabelle 1, vorhergehende
Seite) ist so kompliziert, dass es fast nicht angewendet werden kann. Bei einem belastetem Transformator der Energietechnik spielt der Magnetisierungsstrom nur eine untergeordnete Rolle. Deshalb lässt man die Querinduktivität weg und fasst
die verbleibenden Wirkwiderstände und die durch
die Streuung verursachten Blindwiderstände zusammen (Bild 1). Wird der Transformator auf der
Ausgangsseite mit I2 belastet, so stellt sich auf der
Eingangsseite ein Strom I1 ein. Je nach Art des
Belastungsstromes sieht das Zeigerdiagramm verschieden aus (Bild 3). Bei Belastung mit demselben
Strom, z. B. dem Bemessungsstrom, ist aber das
Dreieck aus den Zeigern Uw, Us und U gleich. Man
nennt es das Kapp’sche Dreieck.
R
93
UÛ
UÛ • sin ƒ2
#U
U
U1
Uw • cos ƒ2
Uw
ƒ2
U'2
2
Berechnung des Spannungsunterschiedes bei
Belastung mithilfe des Kapp’schen Dreiecks
Bei Wirklast und bei induktiver Last führt die Spannungsänderung DU zur Verkleinerung der Ausgangsspannung U2, bei kapazitiver Last aber zur
Vergrößerung gegenüber der Ausgangs-Leerlaufspannung U20 (Bild 3).
U2 = U20 8 DU
2
Beispiel 2:
Bei einem Transformator beträgt cos j2 = 0,5. Der Spannungsfall am Wirkwiderstand beträgt 10 V, am Blindwiderstand 20 V. Wie groß ist die Spannungsänderung bei
Belastung?
Bei einem Transformator ist bei kapazitiver Last infolge
Überkompensation cos j2 = 0,5. Der Spannungsfall am
Wirkwiderstand ist 10 V, am Blindwiderstand 20 V. Die im
Leerlauf gemessene Ausgangsspannung ist U20 = 230 V.
Wie groß ist die Lastspannung?
Lösung:
cos j2 = 0,5 π sin j2 = 0,866
DU fi Uw · cos j2 + Us · sin j2 = 10 V · 0,5 + 20 V · 0,866
= 22,3 V
Lösung:
Nach Beispiel 1 ist DU fi 22,3 V
U2 = U20 + DU = 230 V + 22,3 V = 252,3 V
Beispiel 1:
Last
U2 = U20 – DU
U1
Uw
U
U'2
U'2
¡'2
ƒ2 = 0
U
UÛ
#U
U
UÛ
3
#U
UÛ
Last
Uw
#U
Last
Uw
U1
U'2
U1
ƒ
2
¡'2
¡'2
U2 = U20 + DU
4
ƒ2
Zeigerdiagramm des Transformators für verschiedene Belastungsfälle mit Kapp’schem Dreieck
3
5.6 Kurzschlussstrom und Einschaltstrom Short-circuit Current and Turn-on Current
Der Spannungsfall Uw am Wirkwiderstand und der
Spannungsfall Us am Streu-Blindwiderstand können aus der auf die Bemessungsspannung bezogenen Kurzschlussspannung berechnet werden,
wenn aus dem Kurzschlussversuch der cos jk bekannt oder berechenbar ist.
Stoßkurzschlussstrom is
abklingender Gleichstromanteil
Stromstärke
94
Dauerkurzschlussstrom ¡kd
Beispiel 1:
Ein Einphasentransformator mit uk = 15 %, cos jk = 0,4,
U20 = 400 V und SN = 5 kVA wird mit 4 kVA bei einem induktiven Leistungsfaktor von 0,6 belastet. Wie groß sind
a) Uw, b) Us, c) Spannungsunterschied bei Belastung,
d) Ausgangsspannung bei Belastung?
Lösung:
cos jk = 0,4 π sin jk = 0,917
a) Uw fi S/SN · uk · cos jk · U20 = 4/5 · 0,15 · 0,4 · 400 V
= 19,2 V
Zeit
Laststrom
1
Stromverlauf beim ausgangseitigen TransformatorKurzschluss
Spannungsfälle
S
Uw fi –––– · uk · cos jk · U20
SN
b) Us fi S/SN · uk · sin jk · U20 = 4/5 · 0,15 · 0,917 · 400 V
= 44 V
S
Us fi –––– · uk · sin jk · U20
SN
c) cos j2 = 0,6 π sin j2 = 0,8
DU fi Uw · cos j2 + Us · sin j2 = 19,2 V · 0,6 + 44 V · 0,8
= 46,7 V
d) U2 fi U20 – DU = 400 V – 46,7 V = 353,3 V
5.6
Kurzschlussstrom und
Einschaltstrom
Uw
Us
S
SN
uk
jk
1
2
Spannungsfall am Wirkwiderstand
Spannungsfall am Streu-Blindwiderstand
Ausgangsleistung
Bemessungsleistung des Transformators
bezogene Kurzschlussspannung
Kurzschlussstrom beim Transformator
Phasenverschiebungswinkel beim Kurzschlussversuch
U20 Ausgangs-Leerlaufspannung
Entsteht auf der Ausgangsseite eines in Betrieb befindlichen Transformators eine fast widerstandslose Verbindung zwischen den Anschlüssen, so
liegt ein Kurzschluss vor. Der Transformator liefert
den Kurzschlussstrom.
Dauerkurzschlussstrom
Ikd Dauerkurzschlussstrom
IN
Ikd = –––
IN Bemessungsstrom
uk
uk bezogene Kurzschlussspannung
3
Der einige Perioden nach der Entstehung des Kurzschlusses fließende Strom heißt Dauerkurzschlussstrom Ikd. Er ist bei Transformatoren mit
kleiner Kurzschlussspannung groß und bei Transformatoren mit großer Kurzschlussspannung
klein. Große Kurzschlussströme können zur Zerstörung von Schaltern, Verteilungen, Sammelschienen und anderen Betriebsmitteln führen.
Kurzschlüsse an Transformatoren sind gefährlich, wenn die Kurzschlussspannung des Transformators klein ist.
Beispiel 2:
Auf der Unterspannungsseite eines Transformators
400 V/50 V, 1,3 A/9 A, uk = 15 % entsteht ein Kurzschluss.
Wie groß ist der Dauerkurzschlussstrom?
Lösung:
uk = 15 % π uk = 0,15
Ikd = IN/uk = 9 A /0,15 = 60 A
Man unterscheidet den Dauerkurzschlussstrom
und den Stoßkurzschlussstrom. Der sofort nach
dem Entstehen des Kurzschlusses fließende Strom
ist der Stoßkurzschlussstrom is (Bild 1). Die Stärke
des Stoßkurzschlussstromes hängt vom Dauerkurzschlussstrom ab und von dem Augenblickswert der Spannung im Zeitpunkt des Kurzschlusses. Besonders groß ist der Stoßkurzschlussstrom,
wenn der Kurzschluss in dem Augenblick entsteht,
in dem die Ausgangsspannung durch die Nulllinie
geht. Dann haben Magnetisierungsstrom und
magnetische Flussdichte ihre Höchstwerte. Nach
der Lenz’schen Regel sucht der nun einsetzende
Kurzschlussstrom die Abnahme der Flussdichte zu
hemmen. Die kurzgeschlossene Ausgangswicklung sucht also den Magnetismus beizubehalten,
der im Augenblick der Entstehung des Kurzschlusses vorhanden war. Dadurch überlagert sich
5.6 Kurzschlussstrom und Einschaltstrom Short-circuit Current and Turn-on Current
während mehrerer Perioden dem Dauerkurzschlussstrom ein abklingender Gleichstrom. Im
ungünstigsten Fall könnte der Stoßkurzschlussstrom beim verlustlosen Transformator doppelt so
groß sein wie der Scheitelwert des Dauerkurzschlussstromes, also is = 2 · 12
2 · Ikd. Wegen der
Dämpfung rechnet man mit is = 1,8 · 12
2 · Ikd.
Ï, i’
95
i’
Ï
Stoßkurzschlussstrom
is Stoßkurzschlussstrom
Ikd Dauerkurzschlussstrom
is = 1,8 · 122 · Ikd
t
1
Beispiel:
Bei einem Transformator beträgt der aus der Kurzschlussspannung berechnete Dauerkurzschlussstrom 200 A. Wie
groß kann der Stoßkurzschlussstrom im ungünstigsten
Fall sein?
Lösung:
is = 1,8 · 12
2 · Ikd = 2,54 · Ikd = 2,54 · 200 A = 508 A
Verlauf des magnetischen Flusses G und des
Magnetisierungsstromes iµ beim Einschalten
2Ï
Ï
Ï
Ï
Einschaltstrom beim Transformator
Die Spannung des Transformators hat gegen den
magnetischen Fluss G bzw. gegen den Magnetisierungsstrom iµ eine Phasenverschiebung von 90°.
Wird ein spannungsloser Transformator im Augenblick des Höchstwertes der Netzspannung eingeschaltet, so müssen der magnetische Fluss im
Transformatorkern und der Magnetisierungsstrom
wegen der Phasenverschiebung gleich null sein.
Das trifft bei diesem Transformator tatsächlich zu.
Die Netzspannung ändert sich nun sinusförmig.
Entsprechend ändert sich dann der magnetische
Fluss von null an ebenfalls sinusförmig und der
Transformator nimmt einen dem magnetischen
Fluss entsprechenden Magnetisierungsstrom auf.
In diesem Fall erfolgt die Einschaltung des Transformators nicht anders als die Einschaltung eines
Widerstands.
Der günstigste Zeitpunkt für die Einschaltung eines Transformators liegt vor, wenn die Netzspannung gerade ihren Höchstwert hat.
Ganz anders erfolgt der Einschaltvorgang, wenn
das Einschalten beim Augenblickswert null der
Netzspannung erfolgt. Hier müsste der magnetische Fluss wegen der Phasenverschiebung seinen
Höchstwert haben, besitzt aber im spannungslosen Transformator noch den Wert null.
i’
i’1
øt = ¢
t
i’2
2
Ermittlung des Einschalt-Magnetisierungsstromes
Für den Augenblickswert der Netzspannung gilt
u = N · dG/dt = u: · sin (wt )
wenn man diese Differenzialgleichung nach G auflöst, so erhält man
: · cos (wt ) + C
G = – u: · cos (wt )/(N · w) + C = – G
Dabei ist C die Integrationskonstante. Aus der Einschaltbedingung mit G = 0 für t = 0 kann man
die Integrationskonstante berechnen. Man erhält
C = G. Dadurch erreicht eine Halbperiode nach
dem Einschalten der magnetische Fluss einen
Höchstwert:
:
G=2·G
Das bedeutet, dass dem normalen magnetischen
Wechselfluss, ein Gleichfluss von der Größe bis
zum Scheitelwert des magnetischen Wechselflusses überlagert ist (Bild 1).
Wird ein Transformator eingeschaltet, so kann
der magnetische Fluss im Transformator doppelt so groß sein wie der Scheitelwert des magnetischen Flusses.
5.7 Wirkungsgrad und Nutzungsgrad von Transformatoren Efficiency and Utilization Ratio of Transformers
Dieser große magnetische Fluss wird eine halbe
Periode nach dem Einschalten erreicht. Damit dieser große magnetische Fluss erreicht wird, muss
der Magnetisierungsstrom entsprechend groß
sein. Wegen der magnetischen Sättigung des Eisens ist aber der Magnetisierungsstrom weit
größer als das Doppelte seines normalen Wertes
(Bild 2, vorhergehende Seite).
Noch ungünstiger werden die Verhältnisse, wenn
der Eisenkern im Augenblick des Einschaltens einen magnetischen Remanenzfluss besitzt, der dieselbe Richtung wie der erforderliche magnetische
Fluss hat. Dann wird der Magnetisierungsstrom
außerordentlich groß, weil er sich jetzt fast ganz im
Bereich der Sättigung einstellt.
Der Stromstoß beim Einschalten eines Transformators kann bis zum 80-fachen Wert des normalen Magnetisierungsstroms betragen.
Im ungünstigsten Fall kann demnach der Einschaltstromstoß über das Zehnfache des normalen
Bemessungsstroms betragen. Deshalb müssen die
Überstrom-Schutzeinrichtungen von Transformatoren diesen Einschaltstromstoß aushalten.
5.7
Wirkungsgrad und
Arbeitsgrad von
Transformatoren
Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von abgegebener zur zugeführten Wirkleistung. Die aufgenommene Wirkleistung ist um die Eisenverlustleistung (Eisenverluste) und die Wicklungsverlustleistung (Wicklungsverluste) größer als die abgegebene Wirkleistung.
Beispiel:
Ein Transformator mit 250 kVA ist bei einem Leistungsfaktor 0,7 voll belastet. Seine Eisenverlustleistung beträgt 2
kW, seine Wicklungsverlustleistung 3 kW. Wie groß ist
der Wirkungsgrad?
Lösung:
Pab = Sab · cos j = 250 kVA · 0,7 = 175 kW
n = Pab/(Pab + VFe + VCu)
= 175 kW/(175 kW + 2 kW + 3 kW) = 0,97
Im Eisenkern ist unabhängig von der Belastung der
magnetische Fluss ungefähr gleich bleibend. Deswegen ist die Eisenverlustleistung dauernd gleich.
In der Wicklung fließen je nach Belastung verschiedene Ströme. Die Wicklungsverlustleistung nimmt
quadratisch mit der Belastung zu. Netztransformatoren sind meist so bemessen, dass der Wirkungsgrad am größten ist, wenn beide Verlustleistungen
gleich groß sind (Bild 1).
1
cos ƒ = 1
0,9
Wirkungsgrad
96
0,8
0,7
cos ƒ = 0,2
0,6
0,5
0
0
0,6
0,2
0,4
0,8
Leistung/Bemessungsleistung
1
1,2
1
Wirkungsgrad eines Transformators
n Wirkungsgrad
Pab Leistungsabgabe
VFe Eisenverlustleistung
VCu Wicklungsverlustleistung
Pab
n = ––––
Pzu
Wirkungsgrad
Pab
n = ––––––––––––––
Pab + VFe + VCu
Der Wirkungsgrad eines Transformators hängt
von der Belastung ab.
Die Verluste im Transformator hängen von der
Stromaufnahme und damit von der Scheinleistung
des angeschlossenen Verbrauchers ab. Dadurch ist
der Wirkungsgrad auch vom cos j des Verbrauchers abhängig (Bild 1) und nicht nur von seiner
Wirkleistung.
Bei einem unbelasteten Transformator entstehen
in der Ausgangswicklung keine Wicklungsverluste.
Da er nur einen sehr schwachen Strom aufnimmt,
entstehen auch in der Eingangswicklung fast keine
Wicklungsverluste. Die vom Transformator im
Leerlauf aufgenommene Leistung ist also die Verlustleistung des Eisenkerns.
Eisenverluste werden im Leerlaufversuch gemessen.
Beim Messen der Kurzschlussspannung fließen in
der Wicklung (Eingangswicklung und Ausgangswicklung) die Bemessungsströme und rufen die
Wicklungsverlustleistung hervor. Im Eisenkern ist
beim Messen der Kurzschlussspannung der magnetische Fluss sehr klein, da der Transformator an
einer kleinen Spannung liegt und kurzgeschlossen
ist. Im Eisenkern entsteht beim Kurzschlussversuch keine Eisenverlustleistung. Die vom Transformator im Kurzschlussversuch aufgenommene
Leistung ist also die Verlustleistung der Wicklung
bei Bemessungslast.
Die Wicklungsverlustleistung bei Bemessungslast wird im Kurzschlussversuch gemessen.