Kuppelleitung

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Prinzipiell ist ein Stromnetz ein weit gefasster Begriff und bezeichnet in der Physik ein Netzwerk von elektrischen Stromleitungen. Die physikalischen Gesetze in diesen Netzen werden durch die Kirchhoffschen Regeln beschrieben.

So funktioniert die Stromversorgung und -verteilung (Grobes Prinzip).

Dieser Begriff steht in Deutschland meistens für das Verbundnetz zur Versorgung der Verbraucher durch die Stromanbieter mit elektrischer Energie.

Inhaltsverzeichnis

Begriff

Es gibt verschiedene gebräuchliche Bezeichnungen für das Stromnetz: Energieverbundnetz, Lichtnetz, Stromverbundnetz, Elektroenergienetz, Energieversorgungsnetz, Stromversorgungsnetz, Elektrizitätsnetz und Kraftnetz. In Fahr- und Flugzeugen spricht man vom Bordnetz.

Aufgaben

Um die Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen, ist es notwendig, Leitungen von den Elektrizitätswerken zum Verbraucher zu legen. Dazu werden Stromnetze mit verschiedenen, aber festgelegten Spannungen und bei Wechselstrom auch mit festgelegten Frequenzen eingesetzt. Über weite Distanzen wird in Deutschland die Energie mittels Dreiphasenwechselstrom mit einer Netzfrequenz von 50 Hz und einer Netzspannung von bis zu 400 kV übertragen. Erst in der Nähe des Verbrauchers wird sie auf eine Niederspannung mit einem Effektivwert von 230 V (Einphasenwechselstrom) bzw. 400 V (Dreiphasenwechselstrom) transformiert.

Noch bis in die 50er-Jahre des 20. Jahrhunderts wurden viele Haushalte in Deutschland mit Gleichstrom versorgt, weil die begonnene Umstellung durch den Zweiten Weltkrieg unterbrochen wurde. In anderen Ländern sind auch andere Spannungen oder Frequenzen möglich. Weit verbreitet ist auch das System mit 120 V (Effektivwert) Netzspannung und einer Frequenz von 60 Hz (insbesondere in Nordamerika).

Mit Freileitungen werden Leistungen bis über 600 MW übertragen. Um große Leistung zu übertragen, werden hohe Spannungen oder Ströme benötigt. Zur Verteilung und Fernübertragung großer Leistungen werden hohe Spannungen verwendet:

  • es treten geringere Stromwärmeverluste auf
  • hohe Spannungen sind leichter zu schalten als hohe Ströme
  • es können dünnere Kabeladern bzw. Leiterseile verlegt werden.

Freileitungsnetze zur Verteilung von Elektroenergie werden auch zur Nachrichtenübermittlung eingesetzt[1]:

Die Nachrichtenübertragung wird von den Energieversorgern selbst verwendet oder auch anderen Nutzern angeboten.

Technik

Spannungsebenen

Stromnetze teilt man nach der Spannung ein, bei der sie Strom übertragen:

  • Höchstspannung: In der Regel 220 kV oder 400 kV. In Kanada und in den USA werden 735 kV und 765 kV verwendet. In Russland existiert ein ausgedehntes 750-kV-Netz, von dem einzelne Leitungen auch nach Polen, Ungarn, Rumänien und Bulgarien führen. Eine 1150-kV-Leitung führt vom Kraftwerk Ekibastus (Kasachstan) zur Stadt Elektrostal (Russland). Sie wird heute jedoch mit 400 kV betrieben. Mit der Höhe der Spannung steigen auch die Verluste durch Koronaentladung.
  • Hochspannung: 50 kV bis 150 kV
  • Mittelspannung: 6 kV bis 30 kV. Für Netze mit hohem Freileitungsanteil, ausgedehnten ländlichen Regionen und bei neuen Installationen sind 20 kV bis 25 kV üblich. In städtischen Regionen, wo teilweise noch ältere Erdkabel in Papier-Blei-Ausführung mit Aluminium als Strom-Leiter dienen, deren Austausch teuer ist, wird eine niedrigere Mittelspannung mit 10 kV eingesetzt [2].
  • Niederspannung: 230 V oder 400 V. In der Industrie sind auch andere Niederspannungen üblich, zum Beispiel 500 V oder 690 V in IT-Netzen.

Die Höchst-, Hoch- und Niederspannungen sind für Westeuropa weitgehend standardisiert. Bei der Mittelspannung ist das zu aufwändig, da man sehr viele alte Erdkabel uneinheitlicher Spannung austauschen müsste.

Funktion der einzelnen Netze

  • Das Hochspannungsnetz sorgt für die Grobverteilung von elektrischer Energie. Leitungen führen hier in verschiedene Regionen, Ballungszentren oder große Industriebetriebe. Abgedeckt wird ein Leistungsbedarf von 10 bis 100 MW.
  • Das Mittelspannungsnetz verteilt den Strom an die Transformatorstationen des Niederspannungsnetzes oder Einrichtungen wie zum Beispiel Behörden, Schulen oder Fabriken. Stadtwerke, die ebenfalls Kraftwerke oft auch mit Kraft-Wärme-Kopplung betreiben, speisen ihren Strom in dieses Netz.
  • Die Niederspannungsnetze sind für die Feinverteilung zuständig. Die Mittelspannung wird auf 400 V bzw. 230 V transformiert und damit werden Haushalte, Industrie, Gewerbe und Verwaltungen versorgt.

Die Transformatoren im Niederspannungsnetz haben im allgemeinen ein festes Übersetzungsverhältnis. Um trotz der im Laufe eines Tages auftretenden großen Lastschwankungen die Netzspannung beim Verbraucher in etwa konstant halten zu können, kann das Übersetzungsverhältnis der Transformatoren zwischen Hoch- und Mittelspannungsnetz (z. B. 110 kV/20 kV) in Grenzen variiert werden. Dazu werden von der Primärwicklung mehrere Anzapfungen nach außen geführt. Ein extra dafür gebauter Schalter, ein sogenannter Stufenschalter, erlaubt das Umschalten zwischen den Anzapfungen, ohne den Transformator dazu abschalten zu müssen. Dieser Vorgang wird Spannungsregelung genannt. Für die einwandfreie Funktion vieler Geräte muss die Netzspannung innerhalb enger Grenzen gehalten werden. Zu hohe oder zu niedrige Spannungen können durch Störungen verursacht werden.

Daneben gibt es auch noch Leitungen mit hochgespanntem Gleichstrom für Übertragung über weite Strecken, insbesondere Seekabel (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung).

Verbindung der Stromnetze untereinander

Die Verbindung von Stromnetzen mit unterschiedlichen Spannungsebenen erfolgt über Transformatoren, die in Umspannanlagen installiert sind. Der Stromfluss durch die Netze und zu Netzen mit gleicher Spannungsebene erfolgt über Schaltanlagen.

Verbundnetz

In einem Verbundnetz werden Kraftwerke und Abnehmerzentren zusammengefasst. Sie stellen somit den Gegenpol zu Inselnetzen dar.

Durch ein Verbundnetz ergeben sich Vorteile

  • so wird das Energiesystem stabiler, da so Überkapazitäten und Unterkapazitäten abgefangen werden können,
  • durch Energieaustausch können Lastschwankungen minimiert werden,
  • Kraftwerke werden besser ausgenutzt und so müssen weniger Kraftwerke bereitgestellt werden,
  • Kraftwerke müssen nicht an Orten des Verbrauches errichtet werden, sondern können an produktionsgünstigen Orten errichtet werden
  • und die Betriebszuverlässigkeit des Netzes wird gesteigert.

Bei einem asynchronen Verbundnetz wird Gleichstrom übertragen und für die Transformatoren teure Stromrichter mit im Verhältnis zu anderen Betriebsmitteln nur geringer Überlastbarkeit verwendet. Bei Belastung der Kraftwerke wird die Spannung geringer, es muss nicht geregelt werden. Kabel müssen durch Stromregelungen an dem Quell- oder Ziel-Transformator abgesichert werden.

Bei einem synchronen Verbund wird Drehstrom übertragen. Dabei müssen alle Kraftwerke in Phase laufen, sonst wirken einige als Verbraucher. Aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit sind solche Netze auf 3000 km Durchmesser beschränkt. Drehstrom führt zu höheren Verlusten in den Kabeln, so dass er zum Beispiel bei einem Seekabel von über 30 Kilometer Länge nicht verwendet wird. Im synchronen Verband führen leichte und kurzfristige Überlastungen zu großflächigen und langzeitigen Stromausfällen. In Mittel- und Westeuropa werden die Vorschriften im Rahmen der UCTE festgelegt, wobei für Deutschland die Deutsche Verbundgesellschaft im Auftrag der UCTE die entsprechenden Vorschriften festlegt. In Nordeuropa heißt der entsprechende Zusammenschluss NORDEL.

Verteilung

Strommast mit Freileitung

Die elektrische Energie kann in diesen Größenordnungen nur drahtgebunden über Hochspannungsleitungen übertragen werden. Für diese Aufgabe stehen Freileitungen und Erdkabel zur Verfügung. Hierbei haben beide Systeme Vor- und Nachteile.

Für den Einsatz von Freileitungen sprechen die geringeren Kosten sowie leichtere Lokalisierbarkeit und Behebbarkeit von Fehlern. Dem gegenüber sind die Leitungen größeren Umwelteinflüssen ausgesetzt, wirken sich störend auf das Landschaftsbild aus und können eine Gefahrenquelle für Menschen, Tiere und Maschinen darstellen (Beispiel: Klettern auf Strommasten). Bei Freileitungen werden verschiedene Typen von Masten eingesetzt, z. B. Tragmasten, Winkeltragmasten, Abspannmasten, Weitabspannmasten und Endmasten.
Über besondere Probleme im Leitungsbau bei der Überquerung von Hindernissen, siehe Freileitungskreuzungen.

Erdkabel haben einen geringeren Platzbedarf, sind vor Umwelteinflüssen besser geschützt und bei der Bevölkerung besser akzeptiert. Sie zeichnen sich aber auch durch höhere Kosten und hohen Wartungsaufwand bei Defekten aus und es gibt technische Probleme, wenn unterirdische Hochspannungsleitungen gewisse Kabellängen überschreiten, beispielsweise bei der Wärmeabfuhr, die bei Freileitungen durch die umgebende Luft gewährleistet ist, bei Erdkabeln hingegen nicht.

Das deutsche Stromnetz ist ca. 1,6 Mio. km lang, davon im Jahre 2003 ca. 71 % unterirdisch verlegt. Im Vergleich zu dem Wert für 1993 von nur ca. 64 % zeigt sich die Tendenz, die unterirdische Stromverteilung auszubauen.

Netzbetreiber

Regelzonen der deutschen Übertragungsnetzbetreiber

Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)

Im Bereich der Höchstspannungsnetze sind die Netze der einzelnen Übertragungsnetzbetreiber über Fernleitungen zum nationalen Verbundnetz zusammengeschlossen. Zurzeit sind diese vier Netzbetreiber in Deutschland:

Nach dem Verband der Netzbetreiber (VDN), eine Unterorganisation des Verband der Elektrizitätswirtschaft (VDEW), betrug die Anzahl der in Deutschland im Jahre 2003 installierten Transformatoren 557.000 Stück.

Diese Betreiber sind Mitglieder im UCTE und somit auch am europäischen Verbundsystem beteiligt.

Auch auf europäischer Ebene sind verschiedene Gesellschaften in dem Verband Europäischer Übertragungsnetzbetreiber verbunden.

Verteilnetzbetreiber (VNB)

Neben diesen vier Netzbetreibern gibt es noch um die 900 weitere Netzbetreiber, die auf regionaler Ebene agieren und den Strom zu den Endverbrauchern liefern. Diese werden Verteilnetzbetreiber genannt.

Vergütung der Netzbetreiber

Freileitung mit Transformatorabzweig

Die Netzbetreiber erhalten ihre Vergütung nicht über den Verkauf von Strom, sondern für die Bereitstellung der Netze. Dafür erhalten sie vom Kraftwerksbetreiber ein Netznutzungsentgelt für die sehr unglücklich und missverständlich bezeichnete Dienstleistung "Durchleiten von Strom vom Kraftwerk zum Verbraucher". Preise für diese Dienstleistung werden durch die Bundesnetzagentur festgesetzt.

Stromnetz der Bahn

Hochspannungsmast einer Bahnstromleitung

Ein weiteres Energieversorgungsnetz in Deutschland betreibt die Bahn. Die DB Energie betreibt das größte zusammengeschaltete 110-kV-Netz in Deutschland. Das Freileitungsnetz hat eine Länge von ca. 7600 km. Im Gegensatz zum nationalen Verbundnetz beträgt die Netzfrequenz 16,7 Hz und es wird Einphasenwechselstrom verwendet. In 175 Unterwerken wird die Spannung auf 15 kV transformiert und in die Oberleitung eingespeist. Die DB Energie betreibt eigene Kraftwerke zur Abdeckung der Grund- und Mittellast. Die Energie für die Spitzenlast wird aus dem nationalen 50-Hz-Energienetz bezogen. Die Lastschwankungen können bei der Deutschen Bahn AG innerhalb weniger Sekunden 300 MW betragen und werden über rotierende Umformer abgefangen, die ihren Strom aus dem 50-Hertz-Netz beziehen. Daneben wird auch noch Elektroenergie mit den Bahnstromnetzen der Schweiz und Österreich ausgetauscht.

Die mit Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 25 Hertz betriebene Mariazeller Bahn (Österreich) verfügt über ein kleines eigenes 27-kV-Netz zur Übertragung des Stroms zu den Unterwerken.

In den übrigen Ländern erfolgt die Energieversorgung elektrischer Bahnen aus dem öffentlichen Stromnetz. Bei Gleichstrombahnen durch Gleichrichter in den Unterwerken, bei mit Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz betriebenen Bahnen werden die Phasen des Drehstromsystems im Unterwerk aufgespalten und verschiedenen Streckenabschnitten zugewiesen. In Schweden, Norwegen sowie zum Teil in den Bundesländern Brandenburg, Mecklenburg-Vorpommern und Sachsen-Anhalt wird der für die Speisung der Oberleitung nötige Einphasenwechselstrom von 16,7 Hz in den Unterwerken mit Hilfe rotierender Synchron-Umformer oder Frequenzumrichter erzeugt. In diesen Gebieten gibt es keine Bahnstromleitungen.

Schweiz

Das Schweizer Stromnetz ist von grösserer Bedeutung für den internationalen Stromhandel, es dient traditionell als Drehscheibe für den Ausgleich von Spitzenbedarf und Spitzenproduktion der grossen kontinentaleuropäischen Länder. Das Netz im engeren Sinne wurde vor kurzem aus den einzelnen EVU ausgegliedert und in die Netzgesellschaft Swissgrid übergeführt.

Siehe auch

Nord-Süd-Leitung, Elbekreuzung 1, Elbekreuzung 2, Baltic-Cable, Kontek, Konti-Skan

Literatur

  • Strom aus Steinkohle, Stand der Kraftwerkstechnik, Herausgegeben von der STEAG Aktiengesellschaft Essen, Springer-Verlag 1988, ISBN 3-540-50134-7, Bahnstromversorgung Seite 514 bis 534
  • Yucra-Lino, Oscar: Development of intelligent, robust, and non-linear Models in Dynamic Equivalencing for Interconnected Power Systems. Duisburg: WiKu-Wissenschaftsverlag (2006). ISBN 3-86553-167-9
  • European Technology Platform SmartGrids (Europäische Kommission) 2007:
  • Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme - Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie, Springer Verlag 2006, ISBN 3-540-29664-6

Einzelnachweise

  1. ↑ http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB124-08.htm
  2. ↑ Wienstrom Leitungsnetz mit technischen Informationen

Weblinks


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