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 L1 bungstemperatur mehr Strom transportiert werL2 den als im Sommer. L2 In der IsolatorenSchweiz werden vorwiekette L3 Aldrey-Seile verwenL3 gend System/ 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 info@s­wissgrid.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.
