Übertragung von elektrischer Energie

Übertragung elektrischer Energie

Die Übertragung elektrischer Energie ist ein Prozess, bei dem die in Kraftwerken erzeugte elektrische Energie in großen Mengen über große Entfernungen zur eventuellen Verwendung durch Verbraucher transportiert wird. Über Übertragungsleitungen wird elektrischer Strom von Kraftwerken zum Endverbraucher transportiert. Übertragungsleitungen werden, wenn sie miteinander verbunden sind, zu Übertragungsnetzen.

Dieses Übertragungsnetz wird zusammen mit Kraftwerken und Umspannwerken als „Übertragungsnetz“ oder einfach als „Netz“ bezeichnet. Ein typisches Übertragungsnetz ist in Abb. 1 dargestellt. Die Übertragungsnetze, die auf nationaler Ebene miteinander verbunden sind, werden als „nationales Netz“ bezeichnet. Energie wird in der Regel innerhalb eines Netzes mit Dreiphasen-Wechselstrom (AC) übertragen. Aufgrund des Einsatzes großer Mengen elektrischer Energie und aufgrund der Eigenschaften von Elektrizität erfolgt die Übertragung über große Entfernungen normalerweise mit Hochspannung (33 kV oder mehr). Elektrischer Strom wird normalerweise zu einer Umspannstation in der Nähe des Verbrauchspunkts transportiert, der entweder ein besiedeltes Gebiet oder ein Industriekomplex ist. In der Umspannstation wird der Hochspannungsstrom in niedrigere Spannungen umgewandelt, die für den Verbraucher geeignet sind, und dann über eine Niederspannungsverteilungsleitung zu den Endverbrauchern transportiert

Abb. 1 Typisches Übertragungsnetz

Übertragungseffizienz und Übertragungsverluste

Die Übertragung von Elektrizität bei Hochspannung reduziert den Energieanteil, der durch den Widerstand verloren geht, der je nach den spezifischen Leitern, dem fließenden Strom und der Länge der Übertragungsleitung variiert. Bei einer gegebenen Leistung reduziert eine höhere Spannung den Strom und damit die Widerstandsverluste im Leiter. Die Übertragungseffizienz wird verbessert, indem die Übertragungsspannung mit einem Aufwärtstransformator erhöht wird, wodurch der Strom in den Leitern reduziert wird, während die übertragene Leistung nahezu gleich der Eingangsleistung bleibt. Der reduzierte Strom, der durch den Leiter fließt, verringert die Verluste im Leiter, und da die Verluste gemäß dem Ohmschen Gesetz proportional zum Quadrat des Stroms sind, führt die Halbierung des Stroms zu einer vierfachen Verringerung der Übertragungsverluste. Reduzierter Strom bedeutet weniger I ² R (Quadrat des Stroms I multipliziert mit dem Leiterwiderstand R) Verlust im System, weniger Querschnittsfläche des elektrischen Leiterkabels bedeutet weniger Kapitaleinsatz und ein verringerter Strom führt zu einer Verbesserung der Spannungsregelung des Stromübertragungssystems und eine verbesserte Spannungsregelung zeigt die Qualität an Energie. Aus diesen drei Gründen wird elektrische Energie hauptsächlich auf Hochspannungsebene übertragen.

Um elektrische Energie effizient über große Entfernungen zu transportieren, sind daher hohe Spannungen erforderlich. Diese Spannung kann 33 kV, 66 kV, 110 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV oder noch mehr betragen. Die Generatorspannung eines Kraftwerks liegt normalerweise zwischen 11 kV und 25 kV. Die erzeugte elektrische Energie wird zunächst vom Generator zu einem Transformator im Kraftwerk transportiert. Der Transformator erhöht die Spannung auf die Netzspannung. Der Generator wird dann mit dem Netz synchronisiert und der erzeugte Strom wird an die Verbraucherseite übertragen. Auf der Verbraucherseite werden die Übertragungsleitungen mit einer Unterstation verbunden. Hier ändern die Transformatoren der Umspannstation die Spannung der elektrischen Energie von Hochspannung auf ein niedrigeres Niveau. Von der Umspannstation wird die elektrische Energie mit niedrigerer Spannung über Verteilerleitungen an die Verbraucher der elektrischen Energie verteilt.

Die Hauptkomponenten eines Stromübertragungsnetzes sind wie folgt.

Umspannwerk

Umspannwerke wandeln die Spannung von hoch nach niedrig oder umgekehrt um oder führen eine von mehreren anderen wichtigen Funktionen aus. Die Unterstation variiert in Größe und Konfiguration. Zwischen Erzeugungs- und Verbrauchsstelle kann elektrischer Strom durch mehrere Umspannwerke mit unterschiedlichen Spannungsebenen fließen.

Eine Umspannstation verbindet zwei oder mehr Übertragungsleitungen. Im einfachsten Fall haben alle Übertragungsleitungen die gleiche Spannung. In diesem Fall enthält die Umspannstation Hochspannungsschalter, mit denen Leitungen zur Fehlerbeseitigung oder Wartung angeschlossen oder getrennt werden können. Eine Übertragungsstation verfügt normalerweise über Transformatoren zur Umwandlung zwischen zwei Übertragungsspannungen, Spannungsregelung, Leistungsfaktorkorrektur wie Kondensatoren, Drosselspulen oder statische VAR-Kompensatoren und Ausrüstung wie Phasenverschiebungstransformatoren zur Steuerung des Leistungsflusses zwischen zwei benachbarten Stromsystemen.

Übertragungsunterstationen können von einfach bis komplex reichen. Eine kleine „Schaltstation“ besteht normalerweise aus einem Bus und einigen Leistungsschaltern. Die großen Umspannwerke sind in der Regel auf einer großen Fläche (mehrere Hektar) untergebracht und verfügen über mehrere Spannungsebenen, viele Leistungsschalter und eine große Menge an Schutz- und Steuerausrüstung (Spannungs- und Stromwandler, Relais und SCADA-Systeme). Moderne Umspannwerke werden nach internationalen Standards wie der IEC-Norm 61850 installiert.

Umspannwerke variieren in Größe und Konfiguration, können aber mehrere Hektar umfassen; Sie sind von Vegetation befreit und normalerweise mit Kies bedeckt. Sie sind normalerweise eingezäunt und über eine permanente Zufahrtsstraße erreichbar. Im Allgemeinen umfassen Umspannwerke eine Vielzahl von Strukturen, Leitern, Zäunen, Beleuchtung und anderen Merkmalen, die zu einem „industriellen“ Erscheinungsbild führen.

Sendemasten

Sendemasten  sind die sichtbarste Komponente des Kraftübertragungssystems. Sie werden in Hochspannungs-AC- und -DC-Systemen eingesetzt. Ein Sendemast ist normalerweise eine hohe Stahlkonstruktion. Seine Funktion besteht darin, die Hochspannungsleiter (Stromleitungen) von ihrer Umgebung und voneinander getrennt zu halten. Es gibt eine Vielzahl von Turmformen, -größen und -designs, die im Allgemeinen ein offenes Gitterwerk oder einen Monopol verwenden, aber im Allgemeinen sind sie sehr hoch mit einer Höhe von 15 m bis 55 m und Querarmen von bis zu 30 m Breite. Neben Stahl können auch andere Materialien verwendet werden, darunter Beton und Holz.

Es gibt vier Hauptkategorien von Sendemasten. Sie sind Suspendierung, Terminal, Spannung und Transposition. Einige Sendemasten vereinen diese Grundfunktionen.

Die Masten müssen so ausgelegt sein, dass sie drei (oder ein Vielfaches von drei) Leitern tragen. Die Türme bestehen normalerweise aus Stahlgittern oder Fachwerkträgern. Die Isolatoren sind entweder Glas- oder Porzellanscheiben, die zu Fäden oder langen Stäben zusammengesetzt sind, deren Länge von der Netzspannung und den Umgebungsbedingungen abhängt.

Typischerweise werden ein oder zwei Erdungsdrähte, auch „Schutzdrähte“ genannt, oben platziert, um Blitze abzufangen und sie harmlos zur Erde abzuleiten. Masten für Hoch- und Höchstspannung sind in der Regel für die Aufnahme von zwei oder mehr Stromkreisen ausgelegt.

Übertragungsleitungen

Elektrischer Strom wird mit Hochspannung (110 kV oder mehr) übertragen, um den Energieverlust bei der Fernübertragung zu reduzieren. Strom wird normalerweise über Freileitungen übertragen. Unterirdische Stromübertragung ist mit erheblich höheren Kosten und größeren betrieblichen Einschränkungen verbunden, wird aber manchmal in städtischen Gebieten oder an sensiblen Orten eingesetzt.

Übertragungsleitungen verwenden normalerweise Hochspannungs-Dreiphasen-Wechselstrom. Die Hochspannungs-Gleichstrom-Technologie (HGÜ) wird für eine höhere Effizienz bei sehr großen Entfernungen (normalerweise mehrere hundert Kilometer) verwendet. HGÜ-Verbindungen werden auch zur Stabilisierung gegen Steuerungsprobleme in großen Stromverteilungsnetzen verwendet, wo plötzliche neue Lasten oder Stromausfälle in einem Teil eines Netzes ansonsten zu Synchronisationsproblemen und Kaskadenausfällen führen können.

In der Regel werden für jeden Stromkreis mehrere Leiter auf einem Sendemast aufgespannt. Leiter bestehen hauptsächlich aus verdrillten Metallleitern. Hochspannungsfreileitungen sind nicht von einer Isolierung bedeckt. Das Leitermaterial ist normalerweise aluminiumverstärkter Leiterstahl (ACSR), bei dem es sich um eine bestimmte Art von Litzenleitern mit hoher Kapazität und hoher Festigkeit handelt. Die Außenlitzen bestehen aus hartgezogenem Aluminiumdraht, der aus nicht weniger als 99,5 % reinen elektrolytischen Aluminiumstäben von EC-Qualität und einem Kupfergehalt von nicht mehr als 0,04 % hergestellt wird. Die hochreine Aluminiumlegierung wird aufgrund ihrer hervorragenden Leitfähigkeit, ihres geringen Gewichts und ihrer niedrigen Kosten ausgewählt. Die Mittelstränge sind aus Stahl, um das Gewicht zu tragen, ohne das Aluminium aufgrund seiner Duktilität zu dehnen. Dies verleiht dem Leiter insgesamt eine hohe Zugfestigkeit. Kupfer wurde früher für die Freileitung verwendet, aber Aluminium ist leichter, liefert nur eine geringfügig geringere Leistung und kostet viel weniger.

Wegerechte und Zufahrtsstraßen

Die Wegerechte (ROW) für einen Übertragungskorridor umfassen Land, das für die Übertragungsleitung und zugehörige Einrichtungen reserviert ist, die zur Erleichterung der Wartung und zur Vermeidung von Bränden und anderen Unfällen benötigt werden. Es bietet einen Sicherheitsabstand zwischen den Hochspannungsleitungen und den umgebenden Strukturen und der Vegetation. Einige Vegetationsrodungen können aus Sicherheits- und/oder Zugangsgründen erforderlich sein. Eine REIHE besteht im Allgemeinen aus einheimischer Vegetation oder Pflanzen, die für günstige Wachstumsmuster ausgewählt wurden (langsames Wachstum und geringe Reifehöhe). In einigen Fällen bilden Zufahrtsstraßen jedoch einen Teil der ROW und bieten einen bequemeren Zugang für Reparatur- und Inspektionsfahrzeuge. Die Breite einer Zeile variiert abhängig von der Nennspannung der Übertragungsleitung. Zufahrtsstraßen zu Übertragungsleitungsstrukturen sowohl für den Leitungsbau als auch für die Wartung sind normalerweise erforderlich und können asphaltiert oder geschottert sein.