Elektrische Energieübertragung: Vom Kraftwerk zum Verbraucher – Effiziente Transportsysteme

Die Übertragung elektrischer Energie ist ein Prozess, bei dem die in Kraftwerken erzeugte elektrische Energie in großen Mengen über weite Entfernungen zum eventualen Verbrauch durch Verbraucher transportiert wird. Elektrische Energie wird von Erzeugerkraftwerken zum Endverbraucher über Übertragungsleitungen gesendet. Übertragungsleitungen, wenn sie miteinander verbunden sind, werden zu Übertragungsnetzen.

Dieses Übertragungsnetz zusammen mit Kraftwerken und Umspannwerken wird als „Übertragungsnetz“ oder einfach „Netz“ bezeichnet. Ein typisches Übertragungsnetz ist in Abbildung 1 dargestellt. Die auf nationaler Ebene miteinander verbundenen Übertragungsnetze werden als „Nationales Netz“ bezeichnet. Energie wird normalerweise innerhalb eines Netzes mit dreiphasigem Wechselstrom (AC) übertragen. Aufgrund der Beteiligung großer Mengen elektrischer Energie und aufgrund der Eigenschaften der Elektrizität erfolgt die Übertragung über weite Entfernungen normalerweise bei Hochspannung (33 kV oder höher). Elektrische Energie wird normalerweise zu einem Umspannwerk in der Nähe des Verbrauchspunkts transportiert, das entweder ein besiedeltes Gebiet oder ein Industriekomplex ist. Im Umspannwerk wird die Hochspannung in niedrigere Spannungen umgewandelt, die für den Verbrauch geeignet sind, und dann über Niederspannungsverteilungsleitungen zu den Endverbrauchern transportiert.

Abb. 1 Typisches Übertragungsnetz

Übertragungseffizienz und Übertragungsverluste

Die Übertragung von Elektrizität bei Hochspannung reduziert den Anteil der durch Widerstand verlorenen Energie, der je nach spezifischen Leitern, fließendem Strom und Länge der Übertragungsleitung variiert. Für eine gegebene Leistung reduziert eine höhere Spannung den Strom und damit die ohmschen Verluste im Leiter. Die Übertragungseffizienz wird durch Erhöhung der Übertragungsspannung mit einem Hochspannungstransformator verbessert, was die Wirkung hat, den Strom in den Leitern zu reduzieren, während die übertragene Leistung nahezu gleich der Eingangsleistung bleibt. Der reduzierte Strom durch den Leiter verringert die Verluste im Leiter und da, gemäß dem Ohmschen Gesetz, die Verluste proportional zum Quadrat des Stroms sind, führt eine Halbierung des Stroms zu einer vierfachen Verringerung der Übertragungsverluste. Geringerer Strom bedeutet geringere I²R-Verluste (Quadrat des Stroms I multipliziert mit dem Leiterwiderstand R) im System, geringerer Querschnitt des elektrischen Leiterkabels bedeutet geringerer Kapitaleinsatz und geringerer Strom führt zu Verbesserung der Spannungsregelung des Energieübertragungssystems und verbesserte Spannungsregelung deutet auf Qualitätsstrom hin. Aus diesen drei Gründen wird elektrische Energie hauptsächlich auf Hochspannungsebene übertragen.

Daher muss elektrische Energie, um effizient über weite Entfernungen transportiert zu werden, hohe Spannungen haben. Diese Spannung kann 33 kV, 66 kV, 110 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV oder noch höher sein. Die Generatorspannung eines Kraftwerks liegt normalerweise zwischen 11 kV und 25 kV. Die erzeugte elektrische Energie wird zuerst vom Generator zu einem Transformator im Kraftwerk transportiert. Der Transformator erhöht die Spannung auf die Spannung des Netzes. Der Generator wird dann mit dem Netz synchronisiert und die erzeugte Leistung wird zum Verbraucherende übertragen. Am Verbraucherende sind die Übertragungsleitungen mit einem Umspannwerk verbunden. Hier ändern die Transformatoren des Umspannwerks die Spannung der elektrischen Energie von Hochspannung auf ein niedrigeres Niveau. Vom Umspannwerk wird elektrische Energie niedrigerer Spannung über Verteilungsleitungen an die Verbraucher der elektrischen Energie verteilt.

Hauptkomponenten eines elektrischen Energieübertragungsnetzes

Umspannwerk

Umspannwerke transformieren Spannung von hoch nach niedrig, oder umgekehrt, oder führen verschiedene andere wichtige Funktionen aus. Umspannwerke variieren in Größe und Konfiguration. Zwischen Erzeugungsanlage und Verbrauchspunkt kann elektrische Energie durch mehrere Umspannwerke auf unterschiedlichen Spannungsebenen fließen.

Ein Übertragungs-Umspannwerk verbindet zwei oder mehr Übertragungsleitungen. Der einfachste Fall ist der, bei dem alle Übertragungsleitungen die gleiche Spannung haben. In diesem Fall enthält das Umspannwerk Hochspannungsschalter, die es ermöglichen, Leitungen für Fehlerbeseitigung oder Wartung zu verbinden oder zu isolieren. Ein Übertragungs-Umspannwerk hat normalerweise Transformatoren zur Umwandlung zwischen zwei Übertragungsspannungen, Spannungsregelung, Blindleistungs-Kompensationsgeräte wie Kondensatoren, Drosseln oder statische VAR-Kompensatoren und Geräte wie Phasenschiebertransformatoren zur Steuerung des Leistungsflusses zwischen zwei angrenzenden Energiesystemen.

Übertragungs-Umspannwerke können von einfach bis komplex reichen. Eine kleine „Schaltstation“ besteht normalerweise aus einer Sammelschiene plus einigen Leistungsschaltern. Große Übertragungs-Umspannwerke werden normalerweise in einem großen Bereich (mehrere Hektar) untergebracht und haben mehrere Spannungsebenen, viele Leistungsschalter und eine große Menge an Schutz- und Steuereinrichtungen (Spannungs- und Stromwandler, Relais und SCADA-Systeme). Moderne Umspannwerke werden gemäß internationalen Standards wie IEC 61850 installiert.

Umspannwerke variieren in Größe und Konfiguration, können aber mehrere Hektar umfassen; sie sind von Vegetation befreit und typischerweise 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.

Übertragungsmasten

Übertragungsmasten sind die sichtbarste Komponente des Energieübertragungssystems. Sie werden in Hochspannungs-Wechsel- und Gleichstromsystemen verwendet. Ein Übertragungsmast ist normalerweise eine hohe Stahlkonstruktion. Seine Funktion ist es, die Hochspannungsleiter (Stromleitungen) von ihrer Umgebung und voneinander getrennt zu halten. Eine Vielzahl von Mastformen, -größen und -designs existiert, die im Allgemeinen ein offenes Gitterwerk oder einen Monopol einsetzen, aber im Allgemeinen sind sie sehr hoch mit Höhen von 15 m bis 55 m und Querarmen von bis zu 30 m Breite. Neben Stahl können auch andere Materialien verwendet werden, einschließlich Beton und Holz.

Es gibt vier Hauptkategorien von Übertragungsmasten. Dies sind Abspannmasten, Endmasten, Spannmasten und Umlenkungsmasten. Einige Übertragungsmasten kombinieren diese Grundfunktionen.

Die Masten müssen ausgelegt sein, um drei (oder Vielfache von drei) Leiter zu tragen. Die Masten bestehen meist aus Stahlgittern oder Fachwerkkonstruktionen. Die Isolatoren sind entweder Glas- oder Porzellanscheiben, die in Strings montiert sind, oder lange Stäbe, deren Längen von der Leitungs- und Umgebungsbedingungen abhängen.

Typischerweise werden ein oder zwei Erdseile, auch „Schutzseile“ genannt, oben platziert, um Blitze abzufangen und diese harmlos zur Erde abzuleiten. Masten für Hoch- und Höchstspannung sind normalerweise ausgelegt, um zwei oder mehr Stromkreise zu tragen.

Übertragungsleitungen

Elektrische Energie wird bei Hochspannung (110 kV oder höher) übertragen, um Energieverluste bei der Fernübertragung zu reduzieren. Energie wird normalerweise über Freileitungen übertragen. Erdkabelübertragung hat signifikant höhere Kosten und größere betriebliche Einschränkungen, wird aber manchmal in städtischen Gebieten oder sensiblen Standorten verwendet.

Übertragungsleitungen verwenden normalerweise Hochspannung dreiphasigen Wechselstrom. Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) Technologie wird für größere Effizienz bei sehr weiten Entfernungen (typischerweise mehrere hundert Kilometer) verwendet. HGÜ-Kupplungen werden auch verwendet, um gegen Kontrollprobleme in großen Energieverteilungsnetzen zu stabilisieren, wo plötzliche neue Lasten oder Blackouts in einem Teil eines Netzes andernfalls zu Synchronisationsproblemen und Kaskadenausfällen führen können.

Im Allgemeinen werden mehrere Leiter an einem Übertragungsmast für jeden elektrischen Stromkreis aufgelegt. Leiter bestehen hauptsächlich aus verdrillten Metallleitern. Hochspannungs-Freileitungen sind nicht isoliert. Das Leitermaterial ist meist Aluminiumleiter mit Stahlverstärkung (ACSR), was ein spezifischer Typ von hochkapazitiven, hochfesten verseilten Leitern ist. Die äußeren Litzen bestehen aus hartgezogenem Aluminiumdraht, hergestellt aus nicht weniger als 99,5 % reinem elektrolytischem Aluminiumstab der EC-Qualität und Kupfergehalt nicht über 0,04 %. Hochreine Aluminiumlegierung wird für ihre ausgezeichnete Leitfähigkeit, geringes Gewicht und niedrige Kosten gewählt. Die mittleren Litzen sind aus Stahl für die Festigkeit, die erforderlich ist, um das Gewicht zu tragen, ohne das Aluminium aufgrund seiner Duktilität zu dehnen. Dies gibt dem Leiter eine insgesamt hohe Zugfestigkeit. Kupfer wurde früher für Freileitungen verwendet, aber Aluminium ist leichter, liefert nur marginal reduzierte Leistung und kostet viel weniger.

Wegerechte und Zufahrtsstraßen

Das Wegerecht (ROW) für einen Übertragungskorridor umfasst Land, das für die Übertragungsleitung und zugehörige Einrichtungen beiseite gelegt wird, die zur Erleichterung der Wartung und zur Vermeidung von Brand- und anderen Unfallrisiken benötigt werden. Es bietet einen Sicherheitsabstand zwischen den Hochspannungsleitungen und umliegenden Strukturen und Vegetation. Einige Vegetationsbeseitigung kann aus Sicherheits- und/oder Zugangsgründen erforderlich sein. Ein ROW besteht im Allgemeinen aus einheimischer Vegetation oder Pflanzen, die für günstige Wachstumsmuster ausgewählt wurden (langsames Wachstum und niedrige ausgewachsene Höhen). In einigen Fällen bilden Zufahrtsstraßen einen Teil des ROW und bieten bequemeren Zugang für Reparatur- und Inspektionsfahrzeuge. Die Breite eines ROW variiert je nach Spannungsnennwert der Übertragungsleitung. Zufahrtsstraßen zu Übertragungsleitungsstrukturen für sowohl Leitungsbau als auch Wartung sind normalerweise erforderlich und können asphaltiert oder geschottert sein.