Swissgrid: Grundlagen kurz erklärt

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Grundlagen kurz erklärt
Grundlagen aus der Elektrotechnik
Spannung
Die elektrische Spannung ist eine Kraft, die dafür sorgt,
dass elektrischer Strom fliessen kann. Masseinheit ist Volt [V].
1 Kilovolt = 1 000 Volt
220 Kilovolt = 220 000 Volt
380 Kilovolt = 380 000 Volt
Strom
Die von der Spannung erzeugte Bewegung von Elektronen
nennt man Strom. In der Stromübertragung ist dies die
Bewegung von Elektronen in einem elektrischen Leiter.
Masseinheit ist das Ampere [A].
Vergleich mit einem Wassermodell
Spannung entspricht dem Wasserdruck
Strom entspricht der fliessenden Wassermenge pro Zeiteinheit
Widerstand entspricht dem Querschnitt und der Länge des Rohres
Rohr
(Widerstand R)
Wasserdruck
(Spannung U)
Wassermenge
Zeiteinheit
(Strom I)
Widerstand
Jedes elektrische Material setzt dem Strom einen Widerstand entgegen. Der Widerstand ist abhängig von der
elektrischen Leitfähigkeit des Materials, der Länge und des
Querschnitts eines Leiters. Gute elektrische Leiter wie z.B.
Kupfer oder Aluminium werden für den Energietransport
eingesetzt, schlecht elektrisch leitende Materialien wie z.B.
Kunststoffe dienen als elektrische Isolierung. Masseinheit
ist das Ohm [ ].
Das Ohmsche Gesetz
Spannung = Widerstand • Strom (U=R•I)
Für die Stromübertragung kann aus dem Ohmschen Gesetz
deshalb abgeleitet werden:
»» Je grösser der Widerstand, also je geringer der Querschnitt, desto weniger Strom fliesst bei gleicher Spannung
»» Ist das Leitermaterial gut leitend (z.B. Kupfer), also der
Widerstand klein, kann bei gleicher Spannung mehr
Strom übertragen werden.
Verlust
Die Differenz zwischen erzeugter elektrischer Energie im
Kraftwerk und der genutzten Energie am Verbrauchsort
nennt man Verlust. Bei der Stromübertragung entstehen
überwiegend Verluste durch Erwärmung der Übertragungsleitungen (ohmscher Verlust).
Leistung
Die Leistung ist das Produkt aus Spannung • Strom und
bezeichnet die in einer bestimmten Zeitspanne umgesetzte
Energie. Bei konstantem Strom führt also eine Erhöhung
der Spannung auch zu einer Erhöhung der Leistung. Sie
wird in Watt gemessen [W]. Die Stadt Zürich hat einen
Verbrauch von bis zu 600 Megawatt.
1 Megawatt = 1 000 000 Watt
Energie
Die in einer bestimmten Zeit erbrachte Leistung wird generell
als Energie bezeichnet. Sie wird gemessen in Leistung mal
Zeit (z.B. Wattstunde). D.h. die Energie ist umso grösser, je
höher die Leistung und je länger die Zeit der Leistungsabgabe andauert. Läuft ein Wasserkraftwerk mit der Leistung
von 100 Megawatt während 10 Stunden, so wird eine
Energie von 1000 Megawattstunden (MWh) umgesetzt.
2
3
Technologien
Blindleistung und Wirkleistung
Nur die Wirkleistung kann genutzt werden, um z. B.
einen Elektromotor anzutreiben. Die Blindleistung kann
keine Arbeit leisten und belastet das Übertragungsnetz
zusätzlich, da die Betriebsmittel diese zusätzlich zur
Wirkleistung aufnehmen müssen. Und trotzdem ist die
Blindleistung notwendig. Der Begriff Blindleistung ist ein
Modellkonstrukt, welches anhand des Beispiels eines
Flugzeuges erklärt werden kann:
Damit ein Flugzeug den Weg von Zürich nach New York
effizient und sicher zurücklegen kann, muss es sich
auf eine geeignete Flughöhe von zirka 10 000 Metern
begeben. Ähnliches gilt im Übertragungsnetz für die
Spannung: Für den effizienten (verlustarmen) Transport
grosser Energiemengen wird eine hohe Spannung
gewählt – 220 oder 380 Kilovolt.
Um diese «Reiseflughöhe» zu erreichen, muss Energie
aufgewendet werden, die nicht direkt dem Fortkommen
dient. Man steigt ja nicht in ein Flugzeug, um nach oben
zu gelangen, sondern um von Zürich nach New York zu
kommen. Im Stromnetz muss Blindleistung vorhanden
sein, um die richtige Spannung zu erreichen. Für den
Verbraucher nutzbar ist aber nur die Wirkleistung. Die
Blindleistung ist dennoch notwendig, damit der Energietransport überhaupt funktioniert.
Blindleistung
Wirkleistung
Flughöhe
Elektrische und magnetische Felder
Elektrische und magnetische Felder gehören seit jeher zu
unserer Umwelt. Bekannt sind das natürliche Magnetfeld
der Erde oder das elektrische Feld bei Gewittern. Überall
dort, wo Energie vorhanden ist, entstehen elektrische
und magnetische Felder: auch bei Produktion, Transport,
Verteilung und Verbrauch (z.B. Kaffeemaschine) von
elektrischer Energie.
Elektrische Felder
Je höher die Spannung, umso stärker das elektrische
Feld. Dieses Feld wird in Volt pro Meter gemessen.
Der Grenzwert in der Schweiz für die elektrischen Felder
bei Hochspannungsfreileitungen liegt bei 5 Kilovolt pro
Meter.
Magnetische Felder
Je grösser der Strom, umso stärker das magnetische
Feld. Die Stärke des magnetischen Feldes von Leitungen
wird in Mikrotesla angegeben, also dem millionsten Teil
eines Tesla.
In der Schweiz gelten zwei Grenzwerte für die magnetischen Felder:
» Der Immissionsgrenzwert beträgt 100 Mikrotesla und
gilt überall dort, wo sich Menschen aufhalten können.
Leitungen sind demnach so zu dimensionieren, dass
dieser Grenzwert in jedem Betriebszustand immer
eingehalten wird.
» Der Anlagengrenzwert beträgt 1 Mikrotesla und gilt an
Orten mit empfindlicher Nutzung (OMEN). Das betrifft
Räume, in denen sich Personen regelmässig während
längerer Zeit aufhalten, öffentliche oder private Kinderspielplätze und Flächen von unüberbauten Grundstücken,
auf denen diese Nutzungen zugelassen sind.
Ausführliche Informationen zu diesem Thema finden Sie in
unserer Broschüre «Elektrische und magnetische Felder».
Internationaler Vergleich der Grenzwerte für elektrische und magnetische Felder
Elektrische Felder
Magnetische Felder
ICNIRP*
Schweiz
Deutschland
Niederlande
5 kV/m
5 kV/m
5 kV/m
5 kV/m
Immissionsgrenzwert
200 µT
100 µT
100 µT
100 µT
Anlagengrenzwert
–
1 µT
–
**
* Internationale Kommission zum Schutz vor nicht-ionisierender Strahlung.
** Die Niederlande verwenden als Berechnungsgrundlage die jährliche Durchschnittslast und nicht die Maximallast wie die Schweiz. Sie haben einen Anlagengrenzwert von 0,4 µT.
Wechselstrom
Elektrischer Strom, der seine Richtung und Polarität periodisch ändert. Der Wechselstrom hat sich in der Stromübertragung anfangs des 20. Jahrhunderts durchgesetzt
und wird weltweit am häufigsten für die Stromübertragung verwendet. Da Wechselstromleitungen geschaltet
werden können, eignen sie sich für den Betrieb im
vermaschten Netz. Wechselstrom hat den Vorteil, dass
die Spannung mittels eines Transformators erhöht und
vermindert werden kann. Für eine möglichst verlustarme
Energieübertragung über weite Strecken werden hohe
Spannungen verwendet, die bis zum Endverbraucher auf
eine niedrige Spannung transformiert werden.
Frequenz
Die Anzahl von Wechseln der Stromrichtung und Polarität
je Sekunde wird in der Masseinheit Hertz (Hz) gemessen
und mit dem Begriff Frequenz bezeichnet. In Europa
besitzt das Übertragungsnetz eine Frequenz von 50 Hz.
Das Netz der SBB wird mit 16 2/3 Hz betrieben.
Gleichstrom
Bei Gleichstrom ändert der elektrische Strom seine
Richtung nicht. Der Nachteil von Gleichstromleitungen
ist, dass sie nur mit aufwändiger und teurer Technik
schaltbar sind und sich deshalb noch nicht für den Einsatz im vermaschten Netz eignen. Sie werden deshalb
aktuell für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet und
über Umformerstationen an das 50Hz-Versorgungsnetz angeschlossen. Diese formen die zu übertragende
Energie von Wechselstrom in Gleichstrom und am Ende
der Übertragungsstrecke wieder von Gleichstrom in
Wechselstrom um, damit die Energie im Wechselstromnetz
weiter transportiert werden kann.
Solche Stationen beanspruchen eine sehr grosse Fläche.
Wegen der sehr hohen Investitionskosten von mehreren hundert Millionen Franken und der Verluste in den
Umformerstationen lohnt sich eine Gleichstromleitung
wirtschaftlich erst ab mehreren hundert Kilometern
Übertragungsdistanz – und ist für die kleinräumige
Schweiz deshalb nur in Verbindung mit dem europäischen
Netz ein Thema.
Freileitung
Eine Freileitung besteht aus der Gesamtheit aller Phasenund Erdleiter auf einem Tragwerk und wird oberirdisch
geführt. Zur Energieübertragung auf der Höchstspannungsebene wie z.B. 220 und 380 Kilovolt setzt man
weltweit überwiegend Freileitungen ein. Als Isolation
dient die den Leiter umgebende Luft. Die Wärme, welche durch den Stromfluss im Leiter entsteht, kann leicht
an die Umwelt abgegeben
werden. Im Winter kann
Erdseil
durch die tiefere UmgeL1
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Strom transportiert werL2
den
als im Sommer. L2
In der
IsolatorenSchweiz werden vorwiekette
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det – eine Legierung aus Strang
Leiterseile
als Bündel
Aluminium, Magnesium
Phasen
und Silicium.
Erdverkabelung
Elektrische Leitung als Gesamtheit aller Phasen- und
Erdleiter, die unterirdisch geführt wird. Erdkabel sind
weit verbreitet – allerdings fast ausschliesslich in regionalen Verteilnetzen der Nieder- und Mittelspannung. Im
Höchstspannungsbereich werden Kabel nur im geringen
Mass auf kurzen Strecken eingesetzt und dienen in der
Regel als Stadtkabel. Als Isolation dienen Kunststoff
(VPE-Kabel) oder Gas (gasisolierte Leitungen). Da ein
Kabel von Erde umgeben ist, wird die Wärme nicht so gut
und abhängig von der Verlegeart nur teilweise respektive
langsamer abgeführt. Liegen Kabel nahe zueinander, so
erwärmen sich die Kabel gegenseitig. Beide Effekte – die
langsamere Wärmeabfuhr und die gegenseitige Erwärmung der Kabel – begrenzen den möglichen Stromfluss
und damit die über das Kabel übertragbare Leistung.
Kompensiert wird dies durch einen grösseren Leiterquerschnitt im Vergleich zur Freileitung.
Betonrohrblock
Lichtwellenleiter
(entspricht dem Erdseil der Freileitung)
System/Strang
Kunststoffrohr
Kabel Phase bestehend Reservekabel
aus zwei Kabeln
Systembetrieb
(n-1)-Sicherheit im Versorgungsnetz
(n-1) bedeutet, dass von ursprünglich allen verfügbaren Netzelemente (n) nach Ausfall eines beliebigen
Netzelements, wie z.B. eine ganze Leitung oder eine
Komponente, nur noch (n-1) Elemente zur Verfügung
stehen.
Die Vorgabe der (n-1)-Sicherheit gemäss europaweiten
Betriebsvorschriften besagt, dass in einem Netz die
Versorgungssicherheit auch dann gewährleistet sein
muss, wenn ein Netzelement ausfällt.
Nichtverfügbarkeit
Die Nichtverfügbarkeit ist das Produkt aus Unterbrechungshäufigkeit und Unterbrechungsdauer.
Sie ist ein Mass für die durchschnittliche Dauer in einem
Jahr, in der ein Kunde von einer Versorgungsunterbrechung betroffen ist. Je öfter eine Leitung oder Anlage
ausfällt und je länger die jeweilige Ausfalldauer anhält,
umso grösser ist ihre Nichtverfügbarkeit.
Netzebenen
Die Stromnetze dienen der Übertragung, der Verteilung und der Transformation von elektrischer Energie.
Insgesamt wird zwischen sieben Netzebenen unterschieden, wobei eine Netzebene durch ein Spannungsniveau
beschrieben wird.
Die Verteilung der elektrischen Energie wird in vier Netzebenen zusammengefasst:
»» Ebene 1 : Höchstspannung 380 und 220 kV
»» Ebene 3 : Hochspannung 50–150 kV
»» Ebene 5 : Mittelspannung 10–35 kV
»» Ebene 7 : Niederspannung 220 und 400 V
Stromnetz
Die Veränderung der Spannung durch Transformatoren
in Schaltanlagen wird in drei Netzebenen dargestellt:
»» Ebene 2 : Umspannung von 380 und 220 kV auf 50–150 kV
»» Ebene 4 : Umspannung von 50–150 kV auf 10–35 kV
»» Ebene 6 : Umspannung von 10–35 kV auf 220 und 400 V
Strassennetz
Übertragungsnetz
In seiner Funktion ist das Stromnetz mit dem Schweizer
Strassennetz zu vergleichen.
Autobahn
1
Höchstspannung
220 kV
und
380 kV
Transformator
4
Überregionales Verteilnetz
3
Kantonsstrasse
Hochspannung
50 kV
bis
150 kV
Regionales Verteilnetz
Gemeindestrasse
Oberhofen
Transformator 5
Mittelspannung
10 kV
bis
35 kV
6
Transformator
S­w issgrid AG
Dammstrasse 3
Postfach 22
CH-5070 Frick
Lokales Verteilnetz
7
Quartierstrasse
30
Verteilnetz: Netze zur überregionalen Energieversorgung verteilen den Strom an kantonale, regionale und
städtische Verteilnetzbetreiber sowie zur Versorgung
grosser Industrieanlagen. Die Mittelspannung wird
zur regionalen Verteilung von Strom genutzt. Mit der
Niederspannung kommt der Strom bei Haushalten, der
Landwirtschaft und Gewerbebetrieben an.
Niederspannung
220 V
und
400 V
Werkstrasse 12
CH-5080 Laufenburg
Avenue Paul-Cérésole 24
1800 Vevey
Telefon +41 848 014 014
Fax +41 58 580 21 21
[email protected]­wissgrid.ch
www.s­wissgrid.ch
FLY4500_d1311 / Juni 2013
2
Übertragungsnetz: Das von Swissgrid betriebene
Übertragungsnetz transportiert Strom von den Kraftwerken in Agglomerationen im ganzen Land und stellt
den Strom den tieferen Netzebenen zur Verfügung. Es
ist auch mit den Stromnetzen des umliegenden Auslandes verbunden. Die SBB ist zurzeit als einziger Endverbraucher direkt am Übertragungsnetz angeschlossen.
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