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"Drehstromversorgungsnetz für Ballungszentren
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mit hohem Stromverbrauch" Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Drehstromversorgungsnetz für Ballungszentren mit hohem Stromverbrauch, bei dem ein
Hochleistungsübertragungsnetz mehreren unabhängigen Verteilungsnetzen mit abgestufter,
gegebenenfalls niedrigerer Spannung überlagert ist.
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In städtischen Stromnetzen findet man heute stets mehrere Spannungsstufen,
wie z. Bo 380 V, 10 kV und 110 kVQ Die höchste Spannungsstufe ist im allgemeinen
als Ring- oder Maschennetz ausgebildet und hat die Aufgabe, die unterlagerten Netze,
die überwiegend als Strahlennetze geschaltet werden, zusammenzuhalten und einen
freizügigen Energieaustausch zu gewährleisten.
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Bei diesem System der Energieverteilung ist die Größe eines Netzteiles
durch den bei einem Kurzschluß auftretenden Kurzschlußstrom bestimmt, der die Betriebselemente
festigkeitsmäßig beansprucht0 Dieser Kurzschlußstrom muß, um die Betriebselemente
nicht überzubeanspruchen, begrenzt werden. Das Produkt aus Kurzschlußstrom und Netzspannung
ist die Kurzschlußleistung0
Die Kurzschlußleistung wird üblicherweise
dadurch begrenzt, daß die einspeisenden Transformatoren bei den üblichen Streuungen
bestimmte Nennleistungen nicht überschreiten. Hieraus ergibt sich, daß jedes galvanisch
zusammengeschaltete Netz eine maximale in ihm umsetzbare Leistung hat. Diese Leistung
muß gesichert vorgehalten sein, was bei 10 kV-Netzen z. B. durch automatische Umschaltung
gewährleistet werden kann. Bei 110 kV-Netzen sind derartige Umschaltungen praktisch
nicht möglich, so daß bei der maximalen Transformatorenleistung das Mitlaufen einer
Reserveeinheit berücksichtigt werden muß. Dadurch wird die Ausnutzung der 110 kV-Netzebene
stark eingeschränkt.
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Die damit zusammenhängende Kostenfrage hat dazu geführt, daß 10 kV-Netze
heute mit 250-350 MVA und 110 kV-Netze mit 4-5 GVA Kurzschlußleistung gebaut werden
und daß die maximal umsetzbaren Leistungen bei 60 beziehungsweise 600 MVA liegen.
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Überschreitet die Belastung eines Netzes diese gesichert lieferbare
Grenzleistung, so muß das Netz aufgeteilt werden. Diese aufgeteilten Netze müssen
an ein als Ring- oder Maschennetz ausgebildetes, übergeordnetes Ubertragungsnetz
angeschlossen werden. Ist die Netzkurzschlußleistung auch dieses übergeordneten
Netzes infolge weiterer Zunahme des Stromverbrauchs wieder erschöpft, so muß ein
weiteres Netz wiederum höherer Spannung überlagert werden.
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In einer mitteleren Großstadt, wie Düsseldorf, sind z. B.
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derzeit etwa 2.000 380 kV-Netze, etwa 50 10 kV-Netze und 2 110 kV-Netzteile
vorhanden, das heißt im Mittel sind ca.
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40 380 V-Netze einem 10 kV-Netz und ca. 25 10 kV-Netze einem 110 kV-Netz
zugeordnet.
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Muß nun wegen Erreichung der Kurzschlußleistung das 110 kV-Netz wieder
unterteilt werden, so führt dies nach der bisherigen Entwicklung zu einem 220 kV-
oder 380 kV-Netz0 Zwar lassen sich auch 380 kV-Leitungen als Freileitungen noch
relativ kostengünstig verlegen. Da diese jedoch einen Schutzstreifen von ca. 70
m erfordern und im übrigen in den Städten Wert auf die Erhaltung des Stadtbildes
gelegt wird, können in den Städten keine Freileitungen mehr aufgebaut werden. Es
ist also erforderlich, die 380 kV-Leitungen entweder zu verkabeln oder einen Freileitungsring
um die Stadt zu legen. Die Verlegung von 380 kV-Kabeln ist in Städten mit sehr enger
Bebauung wegen der großen Biegeradien dieser Kabel nur in größeren Tiefen unterhalb
der Häuser möglich, wobei diese Kabel in begehbaren Tunnels verlegt werden müssen
und in eng gebauten Stadtkernen Kosten verursachen, die in der Größenordnung von
DM 10 Mio/Km liegen, Die Kosten für 220 kV sind spezifisch nicht geringer.
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Hieraus ergibt sich, daß bei einer weiteren Steigerung des Stromverbrauchs
in Ballungszentren Spflzlgkosten entstehen, die die Stromverteilungsunternehmen
langfristig sehr stark belasten.
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Aus diesen Uberlegungen folgt, daß die Kosten für Hochleistungsnetzte
nur dann in vertretbarem Rahmen zu halten sind, wenn die Netzspannung nicht wesentlich
über 110 kV hinaus erhöht wird.
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Ausgehend von dieser ueberlegung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Drehstromversorgungsnetz der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem durch
eine Erhöhung der Ubertragungsfähigkeit bei gleicher Spannung die Notwendigkeit
einer
Überlagerung eines Netzes mit höherer Spannung vermieden wird, und bei dem die lieferbare
Grenzleistung ganz wesentlich erhöht ist, ohne daß es erforderlich ist, dieses Netz
auf Kurzschlußfestigkeit auszubilden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein kurzschlußsicher
ausgebildetes Hochstromübertragungsnetz mit galvanisch getrennten Phasen, dessen
Spannung gleich oder größer der höchsten Spannungsstufe der Verteilungsnetze ist,
während die tibertragungsleistung ein Vielfaches der zulässigen Ubertragungsleistungen
der einzelnen Verteilungsnetze ist.
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Durch die galvanische Trennung der Phasen werden Phasenkurzschlüsse,
die bei der üblichen Ausbildung der Netze die Netzkurzschlußleistung bestimmen,
mit Sicherheit ausgeschlossen. Es können nur noch einfache Erdschlüsse mit relativ
geringen Strömen auftreten, die mit den üblichen Schaltgeräten problemlos abgeschaltet
werden können0 Nur in ganz seltenen Fällen können Doppelerdschlüsse auftreten, die
einen quasi Kurzschluß darstellen, Diese können jedoch dann vermieden werden, wenn
die Schaltgeräte den ersten einfachen Erdschluß schnell genug abschalten, so daß
ein zweiter in der gleichen Zeit praktisch auszuschließen ist0 Es hat sich gezeigt,
daß es zur Vermeidung eines Doppelerdschlusses im Anschluß an einen einfachen Erdschluß
ausreicht, die den ersten Erdschluß abschaltenden Schaltgeräte so auszubilden, daß
Abschaltzeiten von höchstens 100 ms erreicht werden. Hierdurch wird es sehr unwahrscheinlich,
daß innerhalb des Hochleistungsnetzes Beanspruchungen auftreten, die zur Uberforderung
vor allem der Schaltgeräte führen.
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Im übrigen können Kurzschlußstrombegrenzer im Netz zur Begrenzung
des Stroms bei Doppelerdschlüssen vorgesehen sein, die entweder als Drosseln oder
aber als einphasige Transformatoren mit begrenzter Kurzschlußleistung ausgebildet
sein können0 Um jedoch auch den äußerst unwahrscheinlichen Fall einer zu hohen Beanspruchung
im Hochleistungsnetz durch einen Doppelerdschluß zu vermeiden, der zu einer Überforderung
der Schaltgeräte führen könnte, sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung einphasig
schaltende Einspeisescha-lter und dreiphasig schaltende Abzweigschalter vorgesehen,wobei
die Einspeiseschalter grundsätzlich nur mit der Kurzschlußleistung beaufschlagt
werden, die durch die eigene Transformatorengröße bedingt ist0 Vorzugsweise ist
in diesem Fall vorgesehen, daß die Einspeise- und Abzweigschalter bei Auftreten
eines Doppelerdschlusses in Kurzschlußfortschaltung in höchstens 100 ms ausschalten
und die Einspeiseschalter nach ca. 200 ms wieder einschalten.
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Die galvanische Phasentrennung wird durch einphasige Schaltgeräte,
Transformatoren und Kabel im Hochstromübertragungsnetz erreicht Derartige Elemente
sind vorhanden und lassen sich in'fast beliebiger Größe bauen.
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Um bei einphasigen Erdschlüssen den auftretenden Strom so zu begrenzen,
daß er unterhalb der zulässigen Kurzschlußleistung bleibt, ist gemäß einer weiteren
Ausbildung der Erfindung vorgesehen, eine mittelbare Widerstandserdung durchzuführen.
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Um die Übertragungsfähigkeit des Hochstromübertragungsnetzes zu gewährleisten,
ist es erforderlich, den Nennstrom eines 110 kV-Kabels im Hochstromübertragungsnetz
auf 3.000 bis 6.000 A zu bringen. Dies ist bei Verwendung von zwangsgekühlten Übertragungskabeln
ohne weiteres
möglich. Insbesondere sind wassergekühlte Kabel schon
bekannt, und die dafür notwendigen Schaltgeräte sind auch vorhanden. Ist eine weitere
Leistungssteigerung erforderlich, so können die Ubertragungskabel, Schaltgeräte
und Transformatoren parallel angeordnet werden.
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Insgesamt ergeben sich bei einem erfindungsgemäß aufgebautem kurzschlußsicheren
Drehstromversorgungsnetz erheblich niedrigere Kosten für das überlagerte Netz bei
verbleichbaren UbertragungskapazitätenO Der Ausbau ist in kleinen Stufen möglich.
Durch die Verwendung von zwangsgekühlten Kabeln wird wesentlich weniger Platz im
Straßenraum benötigt, auch der Platzbedarf in den Stationen ist geringer und es
ist ein wesentlich geringerer Aufwand für die Ladestromkompensation erfordedich.
Durch die Möglichkeit der weitgehenden Verwendung von erprobten Elementen in den
vorhandenen Anlagen sind im übrigen weitere Kostenersparnisse zu erreichen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Netzen und Netzeinzelheiten beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 das Prinzip eines erfindungsgemäßen
Stadtnetzes; Fig. 2: die Prinzipschaltung des erfindungsgemäßten Hochstromübertragungsnetzes
mit Phasentrennung; und Figç 3: das Prinzip der Abschaltung von einfachen Erdschlüssen
und Doppelerdschlüssen im erfindungsgemäßen, kurzschluß sicheren Hochstromübertragungsnetze
Wie
man in Fig. 1 erkennen kann, ist eine Verbindung 1 zu einem Verbundnetz mit z. B.
380 kV-Spannung über einphasige Transformatoren 10 zu einem Hochstromübertragungsnetz
2 vorgesehen. Das Hochstromübertragungsnetz 2 ist für eine Spannung von 110 kV ausgelegt
und besitzt dank Zwangskühlung der verwendeten Kabel eine vielfach höhere Netzleistung
als die über weitere einphasige Transformatoren 12 beaufschlagten Verteilungsnetze
4. Die Spannung dieser Verteilungsnetze 4 beträgt ebenfalls 110 kV und es können,
wie dargestellt, mehrere parallele Einspeisungen in die Verteilungsnetze 4 über
einphasige Transformatoren 12 vorgenommen werden. Das Hochstromübertragungsnetz
2 kann über das Verbundnetz 1 mit Energie versorgt werden und/oder parallel dazu
durch eine oder mehrere parallelgeschaltete Kraftwerks-einheiten 16 die selbstverständlich
ebenfalls über einphasige Transformatoren 12, d. h. mit galvanisch getrennten Phasen,
die Energie in das Hochstromübertragungsnetz 2 eingeben.
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Da, wie schon erwähnt, die Verteilungsnetze als Strahlennetze ausgebildet
sind, gehen von jedem Verteilunsgnetz 4 mehrere Strahlen aus, die vom Verteilungsnetz
4 ab durch dreiphasige Transformatoren 14 auf die Spannung von 10 kV-Netzteilen
6 gebracht werden. Da in 110 kV-Netzen, die nicht kurzschluß sicher sind, automatische
Umschaltungen bei Erreichen der Kurzschlußleistung nicht möglich sind, müssen hier
Reserveeinheiten 18 vorgesehen werden, die bei Bedarf in die Verteilungsnetze 4
einspeisen können.
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Jedes 10 kV-Netzteil 6 ist wiederum aufgeteilt in Strahlenförmig ausgehende
380 V-Hausanschlüsse, deren Spannung über dreiphasige Transformatoren 20 hergestellt
wird.
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Der Unterschied gegenüber bisherigen Versorgungsnetzen für Ballungszentren
ist rein äußerlich darin zu sehen, daß das
Ubertragungsnetz 2 die
gleiche Spannung hat, wie die Verteilunsgnetze 4. Dies ist möglich, weil das Ubertragungsnetz
2 als Hochstromnetz ausgebildet ist, was nur deswegen möglich ist, weil dieses Hochstromübertragungsnetz
2 nicht auf Kurzschlußfestigkeit ausgelegt ist, sondern auf Kurzschlußsicherheit0
Aus Fig. 2 kann man ersehen, daß sowohl der Übergang vom Verbundnetz 1 zum Hochstromübertragungsnetz
2 über Einphasentransformatoren 10, als auch der Übergang vom Hochstromübertragungsnetz
2 zu den Verteilungsnetzen 4 über Einphasentransformatoren 12 erfolgt, wobei eine
dazwischen geschaltete Hauptschaltanlage 22, Hochstromkabel 26 und die Schaltanlage
24 für die Verteilungsnetze 4 ebenfalls einphasig ausgebildet sind. Zu bemerken
ist noch, daß die Einphasentransformatoren 10 die Spannung im Verbundnetz 1 in Höhe
von z. Bo 380 kV auf die Spannung im Hochstromübertragungsnetz 2 in Höhe von 110
kV herabtransformieren, während die Einphasentransformatoren 12 zwischen dem Hochstromübertragungsnetz
2 und den Verteilungsnetzen 4 keine Spannungstransformation bewirken, sondern ausschließlich
den Zweck haben, die galvanische Trennung zwischen dem Hochstromübertragungsnetz
2 und den Verteilungsnetzen 4 zu gewährleisten, sowie von der Einspeisung her die
Kurzschlußleistung in den Verteilungsnetzen 4 zu begrenzen. Sie können mit Spannungsregeleinrichtungen
ausgerüstet werden.
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In Fig. 3 ist die Abschaltung von einfachen Erdschlüssen und Doppelerdschlüssen
schematisch dargestellt, wobei angenommen ist, daß zwei parallele Einspeisungen
über Einphasen-Transformatoren 10, von denen nur die Sekundärwicklungen dargestellt
sind, vorgesehen sind. Die Phasen R, 5, T eines jeden einphasigen Transformators
10 sind mit Einspeiseschaltern 22 verbunden, die auf ein gemeinsames Kabel 26 geschaltet
sind. Jede Abzweigung
z. Bo die zu einem 110 kV-Netzteil 4 ist
über einen Abzweigschalter 24 trennbar.
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Tritt nun trotz allem in den Phasen 3 R und 3 T hinter dem Abzweigschalter
24 je ein einfacher Erdschluß auf, so fließt über den Einspeiseschalter 1 R der
Erdkurzschlußstrom IK1, während über den Einspeiseschalter 2 R der Erdkurzschlußstrom
IK2 fließt. Über den Schalter 24 fließt jedoch der Doppelerdschlußstrom der gleich
IK1 und IK2 ist. Um die Abschaltung dieses hohen Summenstromes zu vermeiden, ist
im dargestellten Beispiel vorgesehen, daß die Einspeiseschalter 22 den Doppelerdschlußstrom
einphasig in Kurzschlußfortschaltung abschalten, während der Abzweigschalter24 nur
den Erdschlußstrom schaltet. Dabei soll folgende Schaltfolge eingehalten werden:
1 R, 2R und 3 R S T schalten in ca, 100 ms aus, während 1 R und 2 R nach ca. 200
ms wieder einschalten, um die übrigen Teile des Hochleistungsnetzes 2 (Fig.1 ),
die keinen Kurzschluß aufweisen, wieder mit Strom versorgen zu können, während der
Abzweigschalter 24 abgeschaltet bleibt, bis der Kurzschluß behoben ist0