DE2712470C3

DE2712470C3 - Drehstrom-Versorgungsnetz für Ballungszentren mit hohem Stromverbrauch

Info

Publication number: DE2712470C3
Application number: DE19772712470
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. 4040 Neuss Mollwitz
Original assignee: Stadtwerke Duesseldorf AG
Current assignee: Stadtwerke Duesseldorf AG
Priority date: 1977-03-22
Filing date: 1977-03-22
Publication date: 1981-08-20
Also published as: DE2712470A1; DE2712470B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Drehstromversorgungsiu . für Ballungszentren mit hohem Stromverbrauch bei dem ein Hochleistungsübertragungsnetz mehreren unabhängigen Verteilungsnetzen mit gleicher oder abgestufter gegebenenfalls niedrigerer Spannung überlagert ist

In städtischen Stromversorgungsnetzen sind heute stets mehrere Spannungsstufen, wie z. B. 380 V, 10 kV und 110 kV vorgesehen. 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. Ein derartiges städtisches Stromversorgungsnetz ist in »Elektrizitätswirtschaft«, Heft 6,1977, Seiten 129 bis 149 beschrieben. Es besteht hier aus einem 110 kV-Netz, dem mehrere 30 kV-Netze unterlagert sind und deren Einzelleistung für die Gesamtversorgung nicht mehr ausreicht Den 30 kV-Netzen ist eingangsseitig ein weiteres 30 kV-Netz vorgelagert, welches dazu dient, die Kurzschlußleistung in den Unterstationen durch den Einsatz von Drosselspulen zu verringern.

Bei diesem System der Energieverteilung ist die Größe eines Netzteiles durch den bei einem Kurzschluß auftretenden Kurzschlußstrom bestimmt, der die Betriebselemente festigkeitsmäßig beansprucht Dieser Kurzschlußstrom muß, um die Betriebselemente nicht überzubeanspruchen, begrenzt werden. Das Produkt aus Kurzschlußstrom und Netzspannung ist die Kurzschlußleistung. 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 lOkV-Netzen, z.B. durch automatische Umschaltung, gewährleistet werden kann. Bei UOkV-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.

Die damit zusammenhängende Kostenfrage hat dazu geführt, daß 10 kV-Netze heute mit 250 bis 350 MVA und 110 kV-Netze mit 4 bis 5 GVA Kurzschlußleistung gebaut werden und daß die maximal umsetzbaren Leistungen bei 60 bzw. 600 MVA liegen.

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 Übertragungsnetz 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.

In der Stadt Düsseldorf sind derzeit etwa 2000 Netze zu 380 V, etwa 50 Netze zu 10 kV und 2 Netze zu 110 kV vorhanden, d. h. im Mittel sind etwa 40 Netze zu 380 V, einem Netz zu 10 kV und ca. 25 Netze zu 10 kV einem 110 kV-Netz zugeordnet.

Muß nun wegen Erreichung der Kurzschlußleistung das 110 kV-Netz wieder unterteilt werden, so führt dies nach der bisherigen Entwicklung zu einem übergeordneten 220 kV- oder 380 kV-Netz.

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-Kabeb 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 Tunneln verlegt werden müssen und in eng bebauten Stadtkernen Kosten verursachen, die in der Größenordnung von DMlO Mio/km liegen. Die Kosten für 220 kV sind spezifisch nicht geringer.

Hieraus ergibt sich, daß bei einer weiteren Steigerung des Stromverbrauchs in Ballungszentren Kosten entstehen, die die Stromverteilungsunternehmen langfristig sehr stark belasten.

Aus diesen Überlegungen folgt daß die Kosten für Hochleistungsnetze nur dann in vertretbarem Rahmen zu halten sind, wenn die Netzspannung nicht wesentlich über 110 kV hinaus erhöht wird.

Ausgehend von dieser Überlegung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Drehstromversorgungsnetz der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem durch eine Erhöhung der Übertragungsfähigkeit 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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Hochleistungsübertragungsnetz ein kurzschlußsicher ausgebildetes Hochstromübertragungsnetz ibt, mit von unterlagerten Verteilungsnetzen und Überlagertem Verbundnetz baulich getrennt angeordneten einphasigen Einspeise- und Abzweigschaltern, einphasigen, galvanisch getrennte Wicklungen aufweisenden Transformatoren, einphasigen Kabeln und galvanisch getrennten Phasen (RST), wobei die Spannung des Hochstromübertragungsnetzes gleich oder größer der höchsten Spannungsstufe eines der Verteilungsnetze und die Übertragungsleistung ein Vielfaches der zulässigen Übertragungsleistung eines der Verteilungsnetze ist.

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 so mit den üblichen Schaltgeräten problemlos abgeschaltet werden können. Nur in ganz seltenen Fällen können Doppelerdschlüsse auftreten, die einem Kurzschluß gleichkommen. 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 ist.

Um bei einphasigen Erdschlüssen den auftretenden Strom so zu begrenzen, daß er unterhalb der zusätzlichen Kurzschlußleistung bleibt, ist gemäß einer t>o Ausbildung eine mittelbare Widerstandserdung des gesamten Netzes vorgesehen.

Es hat sich gezeigt, daß es zur Vermeidung eines Doppelerdschlusses im Anschluß an einen einfachen Erdschluß ausreicht, wenn für die Abschaltung dieses ^ einphasigen Erdschlusses einphasige Einspeise- und Abzweigschalter mit einer Abschaltzeit von höchstens 100 ms vorgesehen sind.

Hierdurch wird as sehr unwahrscheinlich, daß innerhalb des Hochstromübertragungsnetzes Beanspruchungen auftreten, die zur Überforderung, vor allem der Schaltgeräte führen.

Im übrigen können Kurzschlußstrombegrenzer im Netz zur Begrenzung des Stroms bei Doppelerdschlüssen vorgesehen werden, die wahlweise als Drosseln oder als einphasige Transformatoren mit begrenzter Kurzschlußleistung ausgeführt sind.

Um den mit geringer Wahrscheinlichkeit möglichen Fall einer zu hohen Beanspruchung im Hochstromübertragungsnetz durch einen Doppelerdschluß zu vermeiden, der zu einer Überlastung der Schaltgeräte führen könnte, sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung einphasig schaltende Einspeiseschalter und dreiphasig schaltende Abzweigschalter in den Schaltanlagen vorgesehen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Einspeise- und Abzweigschalter beim Auftreten eines Doppelerdschlusses in Kurzschlußfortschaltung in einer Abschaltzeit von höchstens 100 ms ausgeschaltet und die Einspeiseschalter nach ca. 200 ms wieder eingeschaltet sind.

Zwar sind aus einem Sonderdruck aus »Energie und Technik«, Heft 9, 1961, Seiten 312 bis 316 für Höchstspannungsnetze Transformatorenbänke bekannt, die aus drei Einphaseneinheiten bestehen. Da die Phasen jedoch nicht galvanisch getrennt sind — die Einphaseneinheiten sind in Sparschaltung zusammengefaßt und haben daher sowohl für die Primär- als auch für die Sekundärwicklungen einen einzigen gemeinsamen Sternpunkt — sind sie auch nicht kurzschlußsicher und kommen daher für das erfindungsgemäße Hochstromübertragungsnetz nicht in Frage.

Um die Übertragungsfähigkeit des Hochstromübertragungsnetzes zu gewährleisten, ist es erforderlich, den Nennstrom eines 110 kV-Kabels in diesem Hochstromübertragungsnetz auf 3000 A bis 6000 A zu bringen. Dies ist bei Verwendung von zwangsgekühlten Übertragungskabeln ohne weiteres möglich. Wassergekühlte Kabel sind schon bekannt, und die dafür notwendigen Schaltgeräte sind auch vorhanden. Ist eine weitere Leistungssteigerung erforderlich, so ist die Anordnung von parallel geschalteten Kabeln, Einspeise- und Abzweigschaltern und/oder einphasigen Transformatoren vorgesehen.

Insgesamt ergeben sich bei dem erfindungsgemäß aufgebauten kurzschlußsicheren Hochstromübertragungsnetz erheblich niedrigere Kosten für das überlagerte Netz bei vergleichbaren Übertragungskapazitäten. Der Ausbau ist in gleich kleinen Stufen möglich. Durch die Verwendung von erprobten Elementen in den vorhandenen Anlagen sind im übrigen weitere Kostenersparnisse zu erreichen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Einzelheiten beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 das Prinzip eines erfindungsgimäßen Hochstromübertragungsnetzes;

F i g. 2 die Prinzipschaltung des erfindungsgemäßen Hochstromübertragungsnetzes mit Phasentrennung; und

F i g. 3 das Prinzip der Abschaltung von einfachen Prdschlüssen und Doppelerdschlüssen im erfindungsgemäßen, kurzschlußsicheren Hochstromübertragungsnetz.

Nach Fig. 1 ist eine Verbindung von einem Verbundnetz 1 mit z. B. 380 kV-Spannung über einpha-

sige 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 parallel geschaltete Kraftwerkseinheiten 16, die selbstverständlich ebenfalls über einphasige Transformatoren 12, d. h. mit galvanisch getrennten Phasen, die Energie in das Hochstromübertragungsnetz 2 eingeben.

Da, wie schon erwähnt, die Verteilungsnetze als Strahlennetze ausgebildet sind, gehen von jedem Verteilungsnetz 4 mehrere Strahlen aus, die durch dreiphasige Transformatoren 14 auf die Spannung von 10 kV-Netzteilen 6 gebracht werden. Da in 110 kV-Netzen, die nicht kurzschlußsicher sind, automatische Umschaltungen bei Erreichen der Kurzschlußleistung nicht möglich sind, ist über Reserveeinheiten 18 bei Bedarf in die Verteilungsnetze 4 einzuspeisen.

Jedes lOkV-Netzteil 6 ist wiederum aufgeteilt in strahlenförmig ausgehende 380 V-Netze, deren Spannung über dreiphasige Transformatoren 20 hergestellt wird.

Der Unterschied gegenüber bisherigen Versorgungsnetzen für Ballungszentren ist rein äußerlich darin zu sehen, daß das Hochstromübertragungsnetz 2 die gleiche Spannung hat, wie die Verteilungsnelze 4. Dies ist möglich, weil das Hochstromübertragungsnetz 2 nicht auf Kurzschlußfestigkeit, sondern auf Kurzschlußsicherheit ausgelegt ist.

Aus F i g. 2 kann man ersehen, daß sowohl der Übergang vom Verbundnetz 1 zum Hochstromübertragungsnetz 2 über einphasige Transformatoren 10 als auch der Übergang vom Hochstromübertragungsnetz 2 zu den Verteilungsnetzen 4 über einphasige Transformatoren 12 erfolgt, wobei eine dazwischen geschaltete Hauptschaltanlage 27, die Kabel 26 und die Schaltanlage 28 für die Verteilungsnetze 4 ebenfalls einphasig ausgebildet sind. Zu bemerken ist noch, daß die einphasigen Transformatoren 10 die Spannung des Verbundnetzes in Höhe von z. B. 380 kV auf die Spannung im Hochstromübertragungsnetz 2 in Höhe von 110 kV herabtransformieren, während die einphasigen Transformatoren 12 zwischen dem Hochstromüber- tragungsnetz 2 und den Verteilungsnetzen 4 keine Spannungstransformation bewirken, sondern ausschließlich den Zweck haben, die galvanische Trennung des Hochstromübertragungsnetzes 2 von den Verteilungsnetzen 4 zu gewährleisten sowie die Kurzschlußlei-

H) stung von der Einspeisung her in den Verteilungsnetzen 4 zu begrenzen. Sie können mit Spannungsregeleinrichtungen ausgerüstet werden. Die Zeichnung enthält noch die in F i g. 3 weiter erläuterten Einspeiseschalter 22, die Abzweigschalter 24 und die Sammelschiene 29.

i^r> In Fig.3 selbst ist die Abschaltung von einfachen Erdschlüssen und Doppelerdschlüssen schematisch dargestellt, wobei angenommen ist, daß zwei parallele Einspeisungen über einphasige Transformatoren 10, von denen nur die Sekundärwicklungen dargestellt sind,

2" vorgesehen sind. Die Phasen R, S. T eines jeden einphasigen Transformators 10 sind mit Einspeiseschaltern 22 verbunden, die auf eine Sammelschiene 29 geschaltet sind, jede Abzweigung, z. B. die zu einem llOkV-Netzteil 4, ist über einen Abzweigschalter 24

^ trennbar.

Tritt nun trotz allem in den Phasen 3R und 3 7 hinter dem Abzweigschalter 24 je ein einfacher Erdschluß auf. so fließt über die Phase 1R des einen Einspeiseschalters 22 der Erdkurzschlußstrom Ικ ι. während über die Phase

·>" 2Ä des anderen Einspeiseschalters 22 der Erdschlußstrom Ik ι fließt Über den Abzweigschalter 24 fließt jedoch der Doppelerdschlußstrom, der der Summe aus Ik ι und Ik 2 entspricht Um die Abschaltung dieses hohen Summenstromes zu vermeiden, ist im dargestellten

« Beispiel vorgesehen, daß die Einspeiseschalter 22 den Doppelerdschlußstrcm einphasig in Kurzschlußfortschaltung abschalten, während der dreipolige Abzweigschalter 24 nur den Erdschlußstrom selbst schaltet Dazu soll folgende Schaltfolge eingehalten werden:

⁴⁽¹ Die Phasen iR,2R und 3RST werden in höchstens 100 ms ausgeschaltet, während nur die Phasen \R und 2R nach ca. 200 ms wieder eingeschaltet werden, um die übrigen Teile des Hochstromübertragungsnetzes 2 (Fig. 1), die keinen Kurzschluß aufweisen, wieder mit

^4S Strom versorgen zu können. Der Abzweigschalter 24 mit den Phasen 3RST bleibt abgeschaltet, bis der Kurzschluß behoben ist

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehstrom Versorgungsnetz für Ballungszentren mit hohem Stromverbrauch bei dem ein HochleistungsObertragungsnetz mehreren unabhängigen Verteilungsnetzen mit gleicher oder abgestufter gegebenenfalls niedrigerer Spannung überlagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochleistungsübertragungsnetz ein kurzschlußsicher ausgebildetes Hochstromübertragungsnetz (2) ist, mit von unterlagerten Verteilungsnetzen (4) und überlagertem Verbundnetz (1) baulich getrennt angeordneten einphasigen Einspeise- und Abzweigschaltern (22, 24), einphasigen, galvanisch getrennten Wicklungen aufweisenden Transformatoren (10,12), einphasigen Kabeln (26) und galvanisch getrennten Phasen (RST), wobei die Spannung des Hochstromübertragungsnetzes (2) gleich oder größer der höchsten Spannungsstufe eines der Verteilungsnetze (4) und die Übertragungsleistung ein Vielfaches der zulässigen Übertragungsleistung eines der Verteiiungsnetze(4)ist

2. Drehstrom-Versorgungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strombegrenzung bei einphasigen Erdschlüssen eine mittelbare Wider-Standserdung vorgesehen ist.

3. Drehstrom-Versorgungsnetz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Abschaltung eines einphasigen Erdschlusses einphasige Einspeise- und Abzweigschalter (22, 24) mit einer Abschaltzeit von höchstens 100 ms vorgesehen sind.

4. Drehstrom-Versorgungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß zur Strombegrenzung bei Doppelerdschlüssen Kurzschlußstrombegrenzer vorgesehen sind.

5. Drehstrom-Versorgungsnetz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Drosseln als Kurzschlußstrombegrenzer vorgesehen sind.

6. Drehstrom-Versorgungsnetz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einphasige Transformatoren (10) mit begrenzter Kurzschlußleistung als Kurzschlußstrombegrenzer vorgesehen sind.

7. Drehstrom-Versorgungsnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von zwangsgekühlten Kabeln (26).

8. Drehstrom-Versorgungsnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Anordnung von parallel geschalteten Kabeln (26), Einspeise- und Abzweigschaltern (22, 24) und/oder einphasigen Transformatoren (12).

9. Drehstrom-Versorgungsnetz nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch einphasig schaltende Einspeiseschalter (22) und dreiphasig schaltende Abzweigschalter (24) in den Schaltanlagen (27,28).

10. Drehstrom-Versorgungsnetz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeise- und Abzweigschalter (22, 24) bei Auftreten eines Doppelerdschlusses in Kurzschlußfortschaltung in einer Abschaltzeit von höchstens 100 ms ausgeschaltet und die Einspeiseschalter (22) nach 200 ms wieder eingeschaltet sind.