Lösungen Installationstechnik (Oktober 2016)

Unser Stromweltsponsor dieser Ausgabe:

Aufgabe 1

Laufwasserkraftwerk (η ca. 90%)
Speicherkraftwerk (η ca. 87%)
Pumpspeicherkraftwerk (η ca. 75%)
Gezeiten-Kraftwerk (η ca. 50%)
Meereswellen-Kraftwerk (η ca. 40%)
Ozeanthermisches Kraftwerk (η ca. 5%)
Solarthermisches Kraftwerk (η ca. 15%)
Photovoltaik (η ca. 18%)
Windkraftanlage (η ca. 45%)
Biomasse-Kraftwerk (η ca. 40%)
Geothermie-Kraftwerk (η ca. 40%)
Brennstoffzellen (η ca. 55%)
Gasturbinen-Kraftwerk (η ca. 50%)
Gas- und Dampf-Kombikraftwerk (GuD – Kraftwerk → η ca. 60%)
Ölkraftwerk (η ca. 45%)
Müllkraftwerke (η ca. 35%)
Kohlekraftwerk (η ca. 40%)
Kernkraftwerk (η ca. 35%)
Kernfusion (erst Versuchsreaktoren in Betrieb in die deutlich mehr Energie hineingesteckt wird; theoretisches η ca. 35%)

Aufgabe 2

X = Haushalt → 19.84 TWh
Y = Industrie, Gewerbe und Dienstleistungen → 37.2 TWh
Z = Verkehr → 4.96 TWh

Aufgabe 3

Bis 2050 wird eine 2000-Watt- und eine 1 bis 1.5t CO2-Gesellschaft angestrebt. Heute liegt die Dauerleistung je Person vier Mal höher bei rund 8300 Watt und der CO2-Ausstoss bei rund 6 t, was dem Vier- bis Sechsfachen entspricht.

Aufgabe 4

  • Laufwasserkraftwerk 25.4 % (17.4 TWh)
  • Speicherkraftwerk 33.3 % (22.8 TWh)
    Wasserkraftwerke zusammen = 58.7 %
  • Kernkraftwerk 35.2 % (24.1 TWh)
  • Konventionell thermische und andere Erzeugungsarten 6.1 % (4.2 TWh)

Aufgabe 5

  • Es stehen uns unterschiedliche Spannungen zur Verfügung (in der Regel 230 V / 1 x 400 V / 3 x 400 V).
  • Leiter lassen sich einsparen.
  • Generell lässt sich mit dem Drehstromnetz ein Drehfeld übertragen, was einen einfachen Bau von Drehstrommotoren ermöglicht.

Aufgabe 6

Bei einem Drehstromasynchronmotor sind die Statorwicklungen symmetrisch auf die Aussenleiter aufgeteilt. Im störungsfreien Betrieb erfolgt die Stromverteilung über die Wicklungsimpedanzen so, dass ein Neutralleiter angeschlossen am Sternpunkt stromlos bleiben würde.

Aufgabe 7

Die Stromstärke ist für die Dimensionierung der Übertragungskomponenten wie Generatoren, Transformatoren, Verteilungen, Leiterquerschnitte usw. massgebend. Zudem verursacht der Strom Wärmeverluste. Um zu verhindern, dass der induktive Blindleistungsanteil für den Betrieb von z.B. Motoren und Drosseln unverhältnismässig hohe Netzbelastungen verursacht, stellt der Netzbetreiber ab einem bestimmten Mengenbezug – im Verhältnis zur Wirkenergie – den Anteil in Rechnung. Dies führt automatisch dazu, dass die grossen Netzteilnehmer ihren induktiven Blindleistungsbedarf zum grossen Teil selber zur Verfügung stellen.

Dafür werden meistens kapazitive Bauteile (Kondensatoren) verwendet. Während sich das Magnetfeld induktiver Bauteile abbaut (Rückgabe der bezogenen Energie), nimmt der Kondensator diese auf. Er lädt sich auf, baut ein elektrisches Feld auf. Wird dann das elektrische Feld wieder abgebaut, liefert der Kondensator diese Energie an den induktiven Verbraucher, welcher ein magnetisches Feld aufbaut. Die Blindleistung pendelt nur noch zwischen den beiden Komponenten hin und her. Die Übertragungsstrecke zum Netzbetreiber wird entlastet.

Aufgabe 8

Der Fachbegriff «Blackout» (Totalausfall) wird dann verwendet, wenn unbeabsichtigt, völlig unerwartet grosse Teile eines Netzes von einem Stromausfall betroffen sind. Dies können lokale resp. regionale Stromausfälle, aber auch überregionale Stromausfälle sein.

Um solche Blackouts zu vermeiden muss zu jedem Zeitpunkt Last, Erzeugung und Netzkapazität aufeinander abgestimmt sein. Diese Systembedingungen müssen den schnell ändernden Zuständen angepasst werden können, was u.a. eine Koordination der Schutz-, Leit-, Automatisierungsfunktionen und einen sicheren, schnellen Informationsaustausch voraussetzt.

Aufgabe 9

  • Grundlast
    Bei der Grundlast handelt es sich um jene Leistung bzw. Energie, die ganztägig bereitgestellt werden muss. Sie wird beispielsweise von Lauf- und Kernkraftwerken geliefert (ca. 5‘000 bis 8‘000 Volllaststunden/Jahr).
  • Mittellast
    Bei der Mittellast handelt es sich um jene Leistung bzw. Energie, die während ca. 12 Stunden bereitgestellt werden muss. Sie wird beispielsweise von Steinkohle- und Gaskraftwerken geliefert (ca. 2‘000 bis 4‘000 Volllaststunden/Jahr).
  • Spitzenlast
    Bei der Spitzenlast handelt es sich um jene Leistung bzw. Energie, die nur für kurze Zeit bereitgestellt werden muss. Sie wird beispielsweise von Speicher- und Pumpspeicherkraftwerken geliefert (bis ca. 2‘000 Volllaststunden/Jahr).

Aufgabe 10

  • Netzebene 1: 220 kV / 380 kV
  • Netzebene 3: > 36 kV bis < 220 kV
  • Netzebene 5: > 1 kV bis 36 kV
  • Netzebene 7: bis 1 kV

Aufgabe 11

Dadurch lassen sich Geld, Materialressourcen oder Übertragungsverluste einsparen. Bei Übertragungen mit hoher Spannung fliessen geringere Ströme, sodass die Leiterquerschnitte reduziert werden können, ohne dass die Übertragungsverluste zunehmen. Werden die Querschnitte beibehalten, reduzieren sich die Übertragungsverluste. Siehe dieses vereinfachte Beispiel:

Aufgabe 12

  • Bei der Gleichstromübertragung sind nur 2 Leiter, bei Nutzung der Erde bzw. Wasser sogar nur ein Leiter erforderlich.
  • Die Materialisolationen müssen nicht für U ⋅√2 ausgelegt werden, weil bei Gleichstrom die vorkommende Spitzenspannung der Gleichspannung entspricht.
  • In den Kabelisolationen treten keine dielektrischen Verluste auf, weshalb die Isolationsherstellung einfacher ist.
  • Das gesamte Trasse (Masten, Isolatoren, Leiterzahl, Leiterquerschnitt, …) kann schmaler gebaut werden.
  • HGÜ Leitungen können mehr Wirkleistung übertragen.
  • Es ist keine Synchronisierung verschiedener Wechselspannungen erforderlich.

Bei langen Hochspannungsfreileitungen bzw. langen Erdkabeln fliessen bei der HDÜ aufgrund der Leitungsinduktivität bzw. Leitungskapazität grosse Blindströme. Weil der Scheinstrom für die max. Leiterbelastung massgebend ist reduziert sich die Wirkleistungsübertragung.

Bei der HGÜ wirkt nur der ohmsche Widerstand, sodass bei gleicher Stromstärke mehr Wirkleistung übertragen werden kann. Kommt hinzu, dass als Rückleiter auch die Erde bzw. das Wasser verwendet werden kann.

Ersatzschaltbild einer Wechselstromleitung mit Längsinduktivität und Querkapazität.
Ersatzschaltbild einer Gleichstromleitung; es wirkt nur der ohmsche Widerstand.

Aufgabe 13

Wegen der sehr hohen Spannung. Beispielsweise beträgt bei einer 380-kV-Hochspannungsleitung der Scheitelwert der Sinusspannung zwischen den Leitern gut 538 kV. Zu diesem Zeitpunkt ist die elektrische Feldstärke am grössten. Die hohe elektrische Feldstärke führt dazu, dass die unmittelbare Leiterumgebung ionisiert, besonders an spitzen Stellen und scharfen Kanten.

Selbst wenn die Luft nur schwach leitfähig wird, geht dadurch Leistung verloren, was selbstverständlich nicht erwünscht ist. Auch sind Brumm- und Knistergeräusche, sowie mit einer Koronakamera die UV-Lichtblitze wahrnehmbar.

Aufgabe 14

  • Durch die Vermeidung von spitzen Stellen und scharfen Kanten.
  • An Befestigungselementen von Hochspannungs-Freileitungen wie z.B. Isolatoren, wo spitze Stellen und scharfe Kanten dennoch vorkommen, werden Koronaringe montiert. In Mitten dieser Koronaringe befinden sich die erwähnten Bauteile. Weil der Raum indem sie sich befinden aber nahezu feldfrei ist, treten auch keine unerwünschten Entladungen auf.
  • Durch die Anordnung der Leiter zu einem Bündel, z.B. Viererbündel. Dadurch wird die Feldstärke beträchtlich verringert.

Aufgabe 15

Smart Grid bezeichnet ein elektrisches Netz, das die Aktionen all seiner Nutzer, d.h. Erzeuger, Verbraucher und Speicher intelligent integriert um zu gewährleisten, dass die Energieversorgung sicher, effizient, nachhaltig und wirtschaftlich erfolgt. Dafür sind intelligente Überwachungen, Steuerungen, Kommunikationen und Automatisierungen unumgänglich.

Aufgabe 16

Grundsätzlich besitzt ein solcher elektrischer Zähler folgende Funktionen:

  • Spannungs- und Leistungsmessung
  • Lastgangaufzeichnung
  • Wirk- und Blindenergiemessung
  • Tarifanzeige, Verbrauch und Kosten
  • Datenbereitstellung für Netzbetreiberin / Energielieferant
  • Kommunikationsschnittstelle sowie Fernauslesung Zählerdaten
  • Aufzeichnen der Spannungsqualität
  • Empfangen von Tarifsignalen, Prognosen
  • Störungsdiagnose und Manipulationserkennung
    (Aufzählung nicht abschliessend)

Aufgabe 17

Die Angabe deutet auf einen Grossbereichszähler hin. Der Nennstrom beträgt 10A, der höchstzulässige Dauerstrom (Grenzstrom) 60A. Die Messfehler beziehen sich auf den Nennstrom.

Aufgabe 18

Aufgabe 19

  • Spannungseinbruch durch Anlauf grosser Motoren , Netzkurzschluss
  • Spannungsunterbruch durch Netzstörung
  • Überspannung durch ungesteuerte Wirk- oder Blindleistungseinspeisung
  • Transiente Überspannung durch atmosphärische Störungen, Schalthandlungen grosser Lasten
  • Oberwellen durch nichtlineare Lasten wie Frequenzumrichter/Stromrichter
  • Flicker durch periodisches Anlaufen lassen grosser Motoren/Lasten
  • Unsymmetrie durch Schieflast

Aufgabe 20

Der dargestellte Einphasentransformator besteht aus zwei galvanisch getrennten Spulen. Sie befinden sich auf einem geschlossenen Eisenkern (lamellierter Eisenkern → Elektroblech). Der durch die Eingangswicklung fliessende Wechselstrom erzeugt einen magnetischen Wechselfluss, welcher in der Ausgangswicklung eine Spannung induziert (induktive Koppelung).

Weil der magnetische Fluss seine Grösse und Richtung mit der Frequenz des Eingangsstromes ändert, besitzt die induzierte Ausgangsspannung dieselbe Frequenz.

Aufgabe 21

  • Kompakte Bauweise, damit der Streufluss gering bleibt. Dies wird erreicht, indem Ober- und Unterspannungswicklung übereinander angeordnet werden. Der auftretende Streufluss beeinflusst dadurch beide Wicklungen gleichermassen.
  • Sehr gute Eisenqualität, um Magnetisierungs- und Wirbelstromverluste klein zu halten.
  • Geringer Widerstand der Kupferleiter.

Aufgabe 22

ηalt TOTAL= ηalt4 = 0.944 = 0.78

ηneu TOTAL= ηneu4 = 0.994 = 0.96