40 Edition Ismail Kasikci Kurzschlussstromberechnung in elektrischen Anlagen nach DIN EN 60909-0 (VDE 0102) Theorie, Vorschriften, Praxis Betriebsmittelparameter und Rechenbeispiele 4., neu bearbeitete Auflage Mit 157 Bildern und 41 Tabellen DVD mit Software Enthält: 1 DVD TAE 40 Edition Prof. Dr.-Ing. Ismail Kasikci, VDE, IEEE Kurzschlussstromberechnung in elektrischen Anlagen nach DIN EN 60909-0 (VDE 0102) Theorie, Vorschriften, Praxis Betriebsmittelparameter und Rechenbeispiele 4., neu bearbeitete Auflage Mit 157 Bildern und 41 Tabellen DVD mit Software Enthält: 1 DVD © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci Vorwort Bei dieser 4. Auflage wurden kleine Veränderungen und Ergänzungen vorgenommen und Beispiele mit p.u- und MVA-System eingeführt. Die Norm DIN EN 60909-0:2002-07 hat sich in der Praxis etabliert. Die rasche Entwicklung der regenerativen Energien und die elektrische Anlagenplanung zeigt sich auch in der Verbesserung und Ausarbeitung dieser Norm. Das Buch ist ein wertvolles Hilfsmittel sowohl für die Elektrofachleute in der Praxis als auch für die Studenten an Universitäten und Hochschulen bestens geeignet. Das Buch ist jedoch kein Ersatz für die Norm. Im Zweifelsfall gilt die Norm DIN EN 60909-0 (VDE 0102). Literaturhinweise zur Berechnung der Kurzschlussströme ermöglichen es allen Lesern, die hier erworbenen Kenntnisse zu vertiefen. Zahlreiche Beispiele aus der Praxis vertiefen die theoretischen Grundlagen. Viele Diagramme und Tabellen, die man zur Berechnung braucht, erleichtern die Anwendung der Norm DIN EN 60909-0 (VDE 0102) und die Berechnung von Kurzschlussströmen und vermindern so den Zeitaufwand zur Projektierung von elektrischen Anlagen. Ich danke den Firmen ABB Stotz und Siemens für die freundliche Unterstützung bei der Zusammenstellung von Schaltgerätedaten und -diagrammen sowie für die Erlaubnis, das Berechnungsprogramm Simaris diesem Buch beizulegen bzw. PowerFactory als Download zur Verfügung zu stellen. Praxisbeispiele sind auch verfügbar unter: www.expertverlag.de/3266. Herrn Wippler danke ich vom ganzen Herzen für die gute Zusammenarbeit und die Unterstützung bei der Veröffentlichung dieses Buches. Ich danke an dieser Stelle allen Fachkollegen, die mich durch ihre Anregungen, jede Kritik, Vorschläge und Berichtigungen unterstützt haben. Ich möchte an alle Leser dieses Buches eine Bitte richten: Jeder Vorschlag, Kritik und Anregung zur Anwendung dieses Buches ist willkommen. Weinheim, im Juli 2015 Ismail Kasikci © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci Inhaltsverzeichnis Formelzeichen Abkürzungen Indizes . . . . Nebenzeichen, Nationale und . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . oben rechts, links . . . internationale Gremien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX XI XII XIII XIII 1 Einleitung 1 2 Begriffe und Definitionen 3 3 Zeitlicher Verlauf des Kurzschlussstroms 5 4 Einteilung der Kurzschlussarten 9 5 Methoden zur Kurzschlussberechnung 11 5.1 Überlagerungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 5.2 Ersatzspannungsquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 5.3 Berechnung mit Bezugsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 6 Allgemeines zu DIN EN 60909-0 (VDE 0102) 19 7 Die Bedeutung von DIN EN 60909-0 (VDE 0102) 21 8 Versorgungsnetze 8.1 Berechnungsgrößen für Versorgungsnetze 8.2 Einseitig gespeiste Leitung . . . . . . . . 8.3 Strahlennetz . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 Ringnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Maschennetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 25 25 26 27 27 9 Netzformen bei der Kurzschlussstromberechnung 29 9.1 Netzformen für die Niederspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 9.2 Netzformen für die Mittelspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci VI Inhaltsverzeichnis 9.3 Netzformen für die Hochspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Systeme bis 1 kV 10.1 TN-System . . 10.2 TT-System . . 10.3 IT-System . . . 10.4 Berechnung des . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehlerstroms in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 39 39 41 43 44 11 Umwandlung der Netzformen 49 11.1 Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 11.2 Einfach gespeistes Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 11.3 Mehrfach gespeiste und vermaschte Netze . . . . . . . . . . . . . 51 12 Sternpunktbehandlung in Drehstromnetzen 53 12.1 Netze mit isoliertem, freiem Sternpunkt . . . . . . . . . . . . . . 55 12.2 Netze mit Erdschlusskompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 12.3 Netze mit niederohmiger Sternpunktbehandlung . . . . . . . . . 60 13 Komplexe Rechnung 63 13.1 Rechenregel für komplexe Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 13.2 Komplexe Berechnung eines Wechselstromkreises . . . . . . . . . 65 14 Symmetrische Komponenten 67 14.1 Symmetrisches System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 14.2 Symmetrierung und Entsymmetrierung . . . . . . . . . . . . . . . 68 14.3 Impedanzen der symmetrischen Komponenten . . . . . . . . . . . 71 15 Impedanzen von Drehstrom-Betriebsmitteln 75 15.1 Netzeinspeisungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 15.2 Generatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 15.3 Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 15.4 Stelltransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 15.5 Kabel und Freileitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 15.6 Windkraftanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 15.6.1 Windkraftwerk mit Asynchrongenerator . . . . . . . . . . 106 15.6.2 Windkraftwerk mit doppelt gespeistem Asynchrongenerator107 15.6.3 Windkraft mit Vollumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . 108 15.7 Asynchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 15.8 Kurzschlussstrom-Begrenzungsdrosselspulen . . . . . . . . . . . . 110 15.9 Berücksichtigung von Kondensatoren und nichtrotierenden Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 15.10 Berücksichtigung von statischen Umrichtern . . . . . . . . . . . 112 16 Impedanzkorrekturen 113 16.1 Korrekturfaktor von Generatoren KG . . . . . . . . . . . . . . . 113 16.2 Kraftwerksblock KKW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 16.3 Korrekturfaktor für Transformatoren KT . . . . . . . . . . . . . 115 © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci Inhaltsverzeichnis 17 Berechnung der Kurzschlussströme 17.1 Dreipoliger Kurzschluss . . . . . . . . . . . 17.2 Zweipoliger Kurzschluss mit Erdberührung 17.3 Zweipoliger Kurzschluss ohne Erdberührung 17.4 Einpoliger Erdkurzschluss . . . . . . . . . . 17.5 Stoßkurzschlussstrom ip . . . . . . . . . . . 17.6 Ausschaltwechselstrom Ib . . . . . . . . . . 17.7 Dauerkurzschlussstrom Ik . . . . . . . . . . VII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 117 119 120 122 125 128 131 18 Kurzschlüsse in Netzen 133 18.1 Unvermaschte Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 18.2 Vermaschte Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 19 Berücksichtigung von Motoren 19.1 Kurzschluss an den Klemmen eines Asynchronmotors . . . . . . . 19.2 Motorengruppen eingespeist über Zweiwicklungs-Transformatoren 19.3 Motorengruppen, eingespeist über Transformatoren . . . . . . . . 135 135 137 137 20 Mechanische und thermische Kurzschlussstromfestigkeit 20.1 Mechanische Kurzschlussstromfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . 20.2 Thermische Kurzschlussstromfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 20.3 Kurzschlussstrom-Begrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 141 144 146 21 Berechnungsgrößen für die Kurzschlussfestigkeit 151 21.1 Kurzschlussfestigkeit der MS-Schaltanlagen . . . . . . . . . . . . 151 21.2 Kurzschlussfestigkeit der NS-Schaltanlagen . . . . . . . . . . . . 152 22 Überstrom-Schutzeinrichtungen 155 22.1 Sicherungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 22.2 Leitungsschutzschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 22.3 Leistungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 23 Kurzschluss auf der NS-Seite eines Transformators 24 Kurzschlussströme in Gleichstromanlagen 24.1 Widerstände von Leitungsabschnitten . . . 24.2 Stromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.3 Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.4 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . 24.5 Gleichstrommotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 172 174 175 177 178 25 Lastflussberechnung 181 25.1 Darstellung eines Energieversorgungsnetzes . . . . . . . . . . . . 181 25.2 Lastmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci VIII Inhaltsverzeichnis 26 Beispiele: Berechnung der Kurzschlussströme 26.1 Beispiel 1: Kenngrößen des Kurzschlussstroms . . . . . . . . 26.2 Beispiel 2: Berechnung der Einschaltvorgänge . . . . . . . . 26.3 Beispiel 3: Symmetrische Komponenten . . . . . . . . . . . 26.4 Beispiel 4: Berechnung mit Betriebsmittelparametern . . . . 26.5 Beispiel 5: Sternpunktbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . 26.6 Beispiel 6: Nachweis der Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . 26.7 Beispiel 7: Hausanschlusskasten . . . . . . . . . . . . . . . . 26.8 Beispiel 8: Parallelschaltung von Transformatoren . . . . . . 26.9 Beispiel 9: Anschluss eines Motors . . . . . . . . . . . . . . 26.10Beispiel 10: Berechnung eines Abgangs . . . . . . . . . . . . 26.11Beispiel 11: Berechnung einer Industrieanlage . . . . . . . . 26.12Beispiel 12: Berechnung des dreipoligen Kurzschlussstroms . 26.13Beispiel 13: Vermaschtes Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . 26.14Beispiel 14: Versorgung einer Fabrik . . . . . . . . . . . . . 26.15Beispiel 15: Berechnung mit Impedanzkorrekturen . . . . . 26.16Beispiel 16: Berechnung mit Impedanzkorrekturen . . . . . 26.17Beispiel 17: Anschluss eines Transformators . . . . . . . . . 26.18Beispiel 18: Parallelschaltung von Motoren . . . . . . . . . . 26.19Beispiel 19: Nachweis der Kurzschlussfestigkeit . . . . . . . 26.20Beispiel 20: Kurzschlussfestigkeit von HS- und MS-Anlagen 26.21Beispiel 21: Berechnung eines Generators . . . . . . . . . . 26.22Beispiel 22: Berechnung einer Windkraftanlage . . . . . . . 26.23Beispiel 23: Berechnung mit p.u.-Größen . . . . . . . . . . . 26.24Beispiel 24: Berechnung mit p.u.-Größen . . . . . . . . . . . 26.25Beispiel 25: Berechnung mit MVA-Größen . . . . . . . . . . 26.26Beispiel 26: Berechnung der Kurzschlussleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 185 185 187 187 190 190 193 194 196 197 200 201 203 207 208 212 214 215 218 220 231 234 234 236 238 243 27 Berechnungs-Programme 27.1 DIgSILENT PowerFactory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.1.1 Berechnungsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . 27.1.2 Rechnerausstattung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.1.3 Studentenlizenzen und Demo-Versionen . . . . . . . 27.2 SIMARIS design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.2.1 SIMARIS Planungstools . . . . . . . . . . . . . . . . 27.2.2 SIMARIS für die Berechnung und Dimensionierung . 27.2.3 Rechnerausstattung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.2.4 Weitere Planungstools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 245 246 247 247 247 248 248 252 252 Literaturverzeichnis 257 Stichwortverzeichnis 260 © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci Formelzeichen A A a a, a2 b c C CE E EB E f h L Ia Ian ICE Ib IG Ik Ik Ik1 Ik2 Ik3 Ik2E IkEE IL Ima In ip Ir Ir IrM Isc Icm Icu Ithz Ith Iwν Iw K LB Br LBBr Anfangswert der Gleichstromkomponente Leiterquerschnitt Leitermittenabstand Drehoperatoren Breite des Rechteckleiters Spannungsfaktor Kapazität Erdschlusskapazität innere Spannung einer Spannungsquelle; Quellenspannung Leerlaufspannung einer Batterie Subtransiente Spannung einer Synchronmaschine Frequenz Leiterhöhe Induktivitätsbelag Abschaltstrom Anlaufstrom kapazitiver Erdschlussstrom Betriebsstrom Bemessungsstrom des Generators Dauerkurzschlussstrom Anfangs-Kurzschlusswechselstrom einpoliger Kurzschlussstrom zweipoliger Kurzschlussstrom dreipoliger Kurzschlussstrom zweipoliger Kurzschluss mit Erdberührung Doppelerdschluss induktiver Erdschlussreststrom Bemessungs-Kurzschlusseinschaltstrom Nennstrom der Schutzeinrichtung Stoßkurzschlussstrom Bemessungsstrom Erdschlussreststrom Bemessungsstrom des Motors Bemessungs-Kurzschlussausschaltstrom Bemessungs-Kurzschlusseinschaltstrom Bemessungs-Kurzschlussausschaltstrom thermische Kurzschlussstrombelastbarkeit thermisch wirksamer Mittelwert des Kurzschlussstroms Oberschwingungsanteil des Reststroms der Ordnungszahl Wirkreststrom Korrekturfaktor Induktivität der Batterie Batteriezweig Gesamtinduktivität der Batterie © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci X Formelzeichen LBL LC LCBr LCL LCY LDL LM LMBr LML Ls LY m Mr n p p P PkrT pT Q r R RL R R T , XT R(0)T , X(0)T R(0)L , X(0)L RBL Rs RY RBY RC RCBr RCL RDL RM RML RMY S SG Sk tr t Tk Induktivität einer Batterieleitung Induktivität des Kondensators Gesamtinduktivität des Kondensators Induktivität einer Kondensatorleitung Induktivität des Koppelzweiges des Kondensators Induktivität der Leitung im Stromrichterzweig Induktivität des Gleichstrommotors Gesamtinduktivität des Gleichstrommotors Induktivität der Gleichstrommotorleitung Induktivität der gesättigten Drosselspule Induktivität des Koppelzweigs Abklingendes Gleichstromglied Bemessungsmoment des Motors Abklingendes Wechselstromglied Polpaarzahl der ASM Verhältnis Iipk Wirkleistung Transformatorwicklungsverluste Transformatorverstellung Blindleistung Resistanz, Leiterradius, absoluter bzw. bezogener Wert Ohmscher Widerstand Leiterwiderstand Widerstandsbelag ohmscher, induktiver Widerstand des Transformators ohmscher, induktiver Nullwiderstand des Transformators ohmscher, induktiver Nullwiderstand des Leitungsnetzes Resistanz einer Batterieleitung Widerstand der gesättigten Drosselspule Widerstand des Koppelzweigs Resistanz des Koppelzweiges der Batterie Resistanz eines Kondensators Gesamtresistanz eines Kondensators Resistanz einer Kondensatorleitung Widerstand der Leitung im Stromrichterzweig Resistanz des Gleichstrommotors Resistanz der Gleichstrommotorleitung Resistanz des Koppelzweiges des Gleichstrommotors Scheinleistung, Querschnitt Bemessungsleistung des Generators Anfangs-Kurzschlusswechselstromleistung Bemessungswert des Übersetzungsverhältnisses des Blocktransformators Zeit, transformierte Größe Kurzschlussdauer © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci Formelzeichen tp UnB UG UrM uRr ukr Zk X xd XG Yii Yik Z ZG ZS ZT ZW Z(1) Z(2) Z(0) ϕ ε μ λ μ0 κ η ρ δ Ψ ω Zeit bis zum Stoßkurzschlussstrom Nennspannung einer Batterie Bemessungsspannung des Generators Bemessungsspannung des Gleichstrommotors Bemessungswert des ohmischen Spannungsfalls in % Bemessungswert der Kuruzschlussspannung in % Kurzschlussimpedanz eines Netzes Reaktanz Subtransiente Reaktanz einer SM Reaktanz des Generators Summe aller an den Knoten i unmittelbar angeschlossenen Längs- und Queradmittanzen negative Admittanz des Längszweiges zwischen den Knoten i und k Impedanz Impedanz des Generators Schleifenimpedanz Impedanz des Transformators Gesamte Kurzschlussmitimpedanz der Windkraftanlage Mitimpedanz Gegenimpedanz Nullimpedanz Phasenwinkel Erdungszahl Faktor zur Berechnung des Ausschaltwechselstroms Faktor zur Berechnung des Dauerkurzschlussstroms Absolute Permiabilität des Vakuums(4π10−7 H/m) Stoßfaktor Wirkungsgrad eines Asynchronmotors Spezifische Resistanz Abklingkoeffizient, Erdfehlerfaktor Impedanzwinkel Winkelgeschwindigkeit Abkürzungen a.c. : AC ASG AMZ ASM C D DGAG d.c. : DC E XI Wechselstrom Asynchrongenerator abhängiges maximalstrom Zeitrelais Asynchronmaschine Kondensator Stromrichter Doppelt gespeister Asynchrongenerator Gleichstrom Erde © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci XII Formelzeichen F G HAK HS HV K L L 1 , L2 , L3 LV MS M NS N OS PE Q S T UMZ US ÜSE UW WKA VT Kurzschlussstelle Generator Hausanschlusskasten Hochspannung High Voltage Kabel Leitung Außenleiter Low Voltage Mittelspannung Motor Niederspannung Neutralleiter, Netz Oberspannung Schutzleiter Netzanschlusspunkt Glättungsdrosselspule Transformator unabhängiges Maximalstrom-Zeitrelais Unterspannung Überstrom-Schutzeinrichtung Umspannwerk Windkraftanlage Verteilungsanlage Indizes a i k k1 k2 k3 k2E kEE max min n p r 1 2 0 Ausschalt Innen Kurzschluss einpoliger Kurzschlussstrom zweipoliger Kurzschlussstrom dreipoliger Kurzschlussstrom zweipoliger Kurzschluss mit Erdberührung Doppelerdschluss Maximal Minimal Nennwert, nominal value peak Bemessungswert, rated value Komponente des Mitsystems Komponente des Gegensystems Komponente des Nullsystems © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci Formelzeichen XIII Nebenzeichen Subtransienter Wert Transienter Wert Resistanz oder Reaktanz je Längeneinheit relative Größe ∗ Nationale und internationale Gremien 1. VDE : Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V 2. DIN : Deutsches Institut für Normung e.V 3. IEC : International Electrotechnical Commision 4. EN : European Norms Amerikanischer Kabelaufbau AWG Amerikanischer Kabelaufbau ” American Wire Gauge (AWG)” wird für größere Querschnitte in MCM (circular mills) angezeigt. AWG in mm2 Umrechnungstabelle: 1CM 1MCM = 1 Circ. mil = 0,0005067 mm2 = 1000 Circ. mils = 0,5067 mm2 © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci 9 Netzformen bei der Kurzschlussstromberechnung 9.1 Netzformen für die Niederspannung In diesem Abschnitt werden weitere Netzformen gezeigt, die in der Praxis vorkommen können, bei denen die Kurzschlussströme aus verschiedenen Quellen gespeist werden. Die häufigsten Netzformen im öffentlichen und im industriellen Bereich sind Strahlennetze. Die Berechnung der Kurzschlussströme ist bei diesen Netzen sehr einfach. Die Mittel- und Niederspannungseite kann entsprechend den Erfordernissen der Energieversorgung beliebig gestaltet werden (Abbildung 9.1). Abbildung 9.1: Einfache Strahlennetze mit verschiedenen Lastschwerpunkten In Industrienetzen darf die Versorgung der Anlagen nicht ausfallen. Im Störfall kann die Umschaltung von einem anderen Transformator erfolgen. © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci 30 9. Netzformen bei der Kurzschlussstromberechnung Abbildung 9.2: Einfache Strahlennetze mit einzelnen Abgängen und redundanten Einspeisungen [34] Strahlennetze mit redundanten Einspeisungen haben eine höhere Versorgungssicherheit und große Spannungsqualität (Abbildung 9.2). Die Transformatoren können gleichmäßig belastet werden. Das Maschennetz mit verschiedenen Einspeisungen ist die meist verwendete Netzform für die Elektroenergieverteilungen in der Industrie (Abbildung 9.3). Ein Nachteil dieses Netzes sind die hohen Investitionskosten und die schlechte Übersichtlichkeit. © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci 9.2. Netzformen für die Mittelspannung 31 Abbildung 9.3: Maschennetz mit verschiedenen Einspeisungen, Netzknoten mit Sicherungen [34] 9.2 Netzformen für die Mittelspannung Für eine optimale Lösung von Mittelspannungsanlagen sind folgende Punkte von großer Bedeutung, die aber nicht weiter erläutert werden: • Netzverluste, • Wartungsaufwand, © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci 32 • • • • • 9. Netzformen bei der Kurzschlussstromberechnung Investitionskosten, Leistungsbedarfsdeckung, Versorgungszuverlässigkeit, Bedienungsfreundlichkeit, Umweltfreundlichkeit. Abbildung 9.4 zeigt ein industrielles Schwerpunktnetz, das einzelne Großverbraucher versorgt und Abbildung 9.5 ein Ringnetz, bei dem die Energieversorgung sichergestellt ist. Weitere Abbildungen 9.4 bis 9.7 zeigen Mittelspannungsnetzformen mit verschiedenen Aufbaumöglichkeiten. Das Netz mit offenen Ringen ist über Leistungsschalter an die Sammelschiene angeschlossen (Abbildung 9.6a). Der Ring kann über den Lasttrennschalter geöffnet und geschlossen werden. Das Netz mit Gegenstation (Abbildung 9.6b) und (Abbildung 9.6c) mit Netzstützpunkt ist mit mehreren Einspeisekabeln an die Sammelschiene des Umspanwerkes angeschlossen. Im anderen Fall kann ein Industriegebiet mit mehreren Transformatorstationen versorgt werden (Abbildung 9.7). Der Kurzschlussstrom kann auch, wie in Abbildungen 9.8 dargestellt, aus verschiedenen Quellen gespeist werden [1]. Abbildung 9.4: Industrielles Schwerpunktnetz © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci 9.2. Netzformen für die Mittelspannung Abbildung 9.5: Industrielles Ringnetz Abbildung 9.6: a) Ringnetz b) Netz mit Gegenstation c) Netzstützpunkt © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci 33 34 9. Netzformen bei der Kurzschlussstromberechnung Abbildung 9.7: Netzkonfiguration für Mittelspannungsanlagen Abbildung 9.8: a) Mehrseitig und b) einfach gespeister Kurzschluss © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci Stichwortverzeichnis Abschaltbedingung, 40 Anfangs-KS- Wechselstrom, 3 Anfangs-KS- Wechselstromleistung, 3 Anfangsreaktanz, 77 Asynchrongeneratoren, 100 Asynchronmaschine, 124 Asynchronmotor, 103, 131 Auslöser, 157 Auslösezeit, 157 Ausschaltvermögen, 148 Ausschaltwechselstrom, 4, 124 Batterien, 171 Bemessungs-Kurzzeitstrom , 148 Bemessungsschaltvermögen, 147 Bezugsgrößen, 16 Blocktransformator, 111 Dauerkurzschlussstrom, 4 Dauerkurzschlussstrom , 127 Doppelleitung, 88 Drehoperator, 65, 66 Dreipoliger Kurzschluss, 9, 113 Dreiwicklungstransformator, 111 Drosselspule, 105 einfach gespeistes Netz, 48 Einpoliger Erdkurzschluss, 118 Einpoliger Kurzschluss, 9 Einschaltvermögen, 148 Einspeisung, 74 Erdfehlerfaktor, 57 Erdfehlerstrom, 56 Erdkapazität, 53 Erdkurzschlussstrom, 57 Erdschluss, 3 Erdschlusskompensation, 54 Erdschlussstrom, 53 Ersatzradius, 88 Ersatzspannungsquelle, 4, 13 Faktor μ, 124 Faktor m, 140 Faktor n, 140 Faktor q , 124 Fehlerstrom, 40 Flussdichte, 137 Freileitung, 86 Funktionsgröße, 156 Gegenimpedanz, 70 Gegensystem, 69 Gelöschtes Netz, 54 Generatorferner Kurzschluss, 4 Generatornaher Kurzschluss, 4 Gleichstromanlagen, 167 Gleichstromglied, 4 Gleichstrommotoren, 174 Hauptanzapfung, 19 HH-Sicherung, 152, 161 Impedanzen, 16, 73 Impedanzkorrektur, 109 Induktionskonstante, 88 Induktive Betriebsreaktanz, 88 Innenimpedanz, 75 Isoliertes Netz, 53 © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci Stichwortverzeichnis IT-System, 45 Kabel, 86 Kapazitiver Blindwiderstand, 88 kappa, 123 Knotenarten, 178 Komplexe Rechnung, 61 komplexe Scheinleistung, 178 komplexe Spannung, 178 Kondensatoren, 107, 173 Korrekturfaktor, 110 Kraftwerksblock, 110 Kurzerwärmunsfaktor, 142 Kurzschluss, 3, 156 Kurzschlussbereich, 156 Kurzschlusseinschaltstrom, 147 Kurzschlussfestigkeit, 105 Kurzschlussgegenimpedanz, 4 Kurzschlussimpedanz, 4 Kurzschlussmitimpedanz, 4 Kurzschlussnullimpedanz, 4 Kurzschlussstrom, 3 Kurzschlussstrom-Begrenzung, 142 Kurzschlusszeit, 140 lambda, 127 Lastfluss, 177 Lastmodellierung, 178 Lastschalter, 139 Lasttrennschalter, 139 Leistungschalter, 139, 161 Leistungsschalter, 157 Leiterabstände, 88 LS-Schalter, 156 Maschennetz, 27 Matrizen, 68 Mechanische KS-Festigkeit, 137 Mitimpedanz, 69 Mitsystem, 69 Mittelspannungsmotor, 132 Motorengruppen, 133 MVA-System, 16 Netzformen, 29 Netzknoten, 177 261 Netznachbildung, 4 Netzumwandlung, 47 niederohmige Sternpunkterdung, 57 Niederspannungsmotor, 133 Nullimpedanz, 70 Nullreaktanz, 42 Nullsystem, 69 Nullwiderstände, 87 Ohm-System, 16 Parallelschaltung, 48 passive Last, 107 PowerFactory, 231 pu-System, 16 Rücktransformation, 69 Regeltransformator, 85 Reihenschaltung, 47 Reststrom, 56 Ringnetz, 27 Schaltgruppe, 81 Schaltwinkel, 6 Schenkelpolmaschine, 110 Schleifenimpedanz, 40, 120 Schleifringläufermotor, 131 Schutz mit HH-Sicherungen, 161 Schutz mit Lastschalter, 162 Schutzschalter, 139 Sicherung, 139 Sicherungen, 152 SIMARIS curves, 238 SIMARIS design, 233 SIMARIS project, 238 Spannungsfaktor, 4, 14 Spannungsregelung, 111 Stelltransformator, 85 Sternpunktbehandlung, 51 Steuer-Transformator, 157 Stoßfaktor, 123 Stoßkurzschlussstrom, 121 Strahlennetz, 26 Stromrichter, 170 Stufenschalter, 111 symmetrischer Komponent, 65 © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci 262 Stichwortverzeichnis Synchronmaschine, 76, 124 Synchronmaschinen, 100 Synchronmotor, 103 Teilkurzschlussstrom, 129 Thermische KS-Festigkeit, 140 TN-System, 39 Transformator, 79, 161 Trenner, 139 TT-System, 43 Überlast, 156 Überlastbereich, 156 Übersetzungsverhältnis, 85, 109 Überstrom-Schutzeinrichtungen, 151 Umrichter, 107 Unterbrecher, 162 Unvermaschte Netze, 129 Vermaschte Netze, 130 Versorgungsnetze, 25 Windkraftanlagen, 100 Windkraftwerk mit ASG, 101 Windkraftwerk mit DGAG, 102 Windkraftwerkmit Vollumrichter, 103 Zeit-Strom-Kennlinie, 151 Zweipoliger Kurzschluss, 9, 115, 116 Zweiwicklungstransformator, 111 © 2015 expertverlag GmbH. Direktlink zum Buch: www.expertverlag.de/kasikci Jeder Elektroplaner ist heute verpflichtet, die Berechnung des ein- bzw. dreipoligen Kurzschlussstroms vor und nach der Projektierung besonders durchzuführen, Schutzmaßnahmen und die Kurzschlussfestigkeit der elektrischen Anlagen zur Auswahl der Geräte zu überprüfen und die Schutzgeräte einzustellen. Das Buch befasst sich mit der Berechnung von Kurzschlüssen in elektrischen Anlagen nach neuesten Normen und Vorschriften DIN EN 60909-0 (VDE 0102), ferner mit der Lastflussberechnung und Schutztechnik in Nieder- und Hochspannungsnetzen. Die stufenweise Darstellung der Vorschriften ist beibehalten und möglichst einfach und verständlich zusammengefasst, damit der Leser seine Arbeit ohne große Mühe erledigen kann. Das Buch gibt zahlreiche Formeln, Tabellen, Beispiele und Projektierungshinweise. Die beigefügte DVD enthält das Programm Siemens SIMARIS®. PowerFactory® von DigSILENT sowie Praxisbeispiele stehen zum Download bereit (teilweise in beschränkter Funktionalität). Die Programme unterstützen die Fachleute unter anderem bei der Kurzschluss- und Lastflussberechnung, der Selektivitätsanalyse, der Motorhochlauf-Simulation, der Spannungsfallberechnung, der Auswahl der Schutzeinrichtungen und der Leiterdimensionierung. Inhalt: Begriffe und Definitionen – Zeitlicher Verlauf des Kurzschlussstroms – Einteilung der Kurzschlussarten – Methoden der Kurzschlussberechnung – Allgemeines zu DIN EN 60909-0 (VDE 0102) – Die Bedeutung von DIN EN 60909-0 – Versorgungsnetze – Netzformen bei der Kurzschlussstromberechnung – Systeme bis 1 kV – Umwandlung der Netzformen – Sternpunktbehandlung in Drehstromnetzen – Komplexe Rechnung – Symmetrische Komponenten – Impedanzen von Drehstrom-Betriebsmitteln – Impedanzkorrekturen –Berechnung der Kurzschlussströme – Kurzschlüsse in unvermaschten Netzen – Kurzschlüsse in vermaschten Netzen – Berücksichtigung von Motoren – Mechanische und thermische Kurzschlussstromfestigkeit – Berechnungsgrößen für die Kurzschlussfestigkeit – Überstrom-Schutzeinrichtungen – Kurzschluss auf der NS-Seite eines Transformators – Kurzschlussströme in Gleichstromanlagen – Lastflussberechnung –– Beispiele zur Berechnung der Kurzschlussströme – Programme zur Berechnung von Kurzschlussströmen Die Interessenten: – Planer, Errichter und Betreiber elektrischer Anlagen – Planungsbüros im Bereich Energieanlagen – Gewerbe, Industrie und Behörden – Meister, Techniker und Ingenieure – Hochschulen Der Autor: Prof. Dr.-Ing. Ismail Kasikci, VDE und IEEE, studierte in Darmstadt und in London. Er verfügt über langjährige Erfahrungen in der Planung und Projektierung von Elektroanlagen und Entwicklung von mikroelektronischen Schaltkreisen (ASICs). Derzeit ist er als Professor an der Hochschule Biberach tätig. Seine Lehrgebiete sind u. a. Grundlagen der Elektrotechnik, Elektrische Gebäudeausrüstung, Elektrische Energieversorgung, regenerative Energiesysteme sowie Normen und Vorschriften. Darüber hinaus ist er Mitglied in verschiedenen Normungsgremien des DKE-Komitees K221 »Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen bis 1000 V«. Außerdem ist er Editor des International Journal of Power and Energy Systems (ACTA-Press, USA – Canada – Switzerland). Weiterhin ist er Dozent an der Technischen Akademie in Esslingen und beim VDE in Frankfurt und in München. ISBN 978-3-8169-3266-6 9 783816 932666 www.expertverlag.de
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