Grundlagen der elektrischen Energietechnik: Versorgung, Betriebsmittel, Netzbetrieb, Überspannungen und Isolation, Sicherheit PDF
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Hochschultext G. Hosemann · W. Boeck Grundlagen der elektrischen Energietechnik Versorgung, Betriebsmittel, Netzbetrieb, Überspannungen und Isolation, Sicherheit Dritte, völlig neuberabeitete und erweiterte Auflage Mit 141 Abbildungen und 2 Beilagen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1987 Dr.-Ing. Gerhard Hosemann Professor, Lehrstuhl fur Elektrische Energieversorgung der Universităt Erlangen-Nurnberg Dr.-Ing. Wolfram Boeck Professor, Lehrstuhl fUr Hochspannungs-und Anlagentechnik der Technischen Universităt Munchen ISBN 978-3-540-18431-7 Cip-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Hosemann, Gerhard: Grundlagen der elektrischen Energietechnik: Versorgung, Betriebsmittel, Netzbetrieb, Oberspannungen u.lsolation, Sicherheitl G.Hosemann; W.Boeck.- 3., vollig neubearb. u. erw. Aufl.- ISBN 978-3-540-18431-7 ISBN 978-3-662-07573-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-07573-9 NE: Boeck,Wolfram: Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt.Die dadurch begriindeten Rechte,insbesonderedie der Obersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funk sendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfăltigung auf anderen Wegen und der Speiche rung in Datenverarbeitungsanlagen, biei ben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbe halten.Eine Vervielfăltiung dieses Werkes odervon Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundes republik Deutschland vom 9.September1965 in der Fassung vom 24.Juni 1985 zulăssig.Sie ist grundsătzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1979,1983 and 1987 Ursprunglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1987 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zur Annahme,daB solche Namen im Sinne derWarenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung alsfrei zu betrachten wăren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI,VDE) Bezug genommen oderaus ihnen zitiert worden sein,so kann derVerlag keine Gewăhr fUr Richtigkeit, Volistăndigkeit oder Aktualităt iibernehmen.Es empfiehlt sich,gegebenenfallsfiir die eigenen Arbeiten die volistăndigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. 2362/3020-543210 Vorwort zur dritten Auflage Auch die zweite Auflage wurde von den Lesern überaus freundlich aufgenommen. um der raschen technischen Entwicklung gerecht zu werden, entschlossen sich die Verfasser zu einer völligen Uberar beitung des gesamten Textes. Dabei wurden auch die von den Rezen senten der früheren Auflagen vorgetragenen Bemerkungen und Ergän zungswünsche sowie die Änderungen am technischen Regelwerk beach tet. Hierzu mußten leider auch die Bezeichnungen L1, L2, L3 für die Außenleiter des Drehstromsystems übernommen werden. Dagegen wurde vereinfachend darauf verzichtet, zwischen Nenn- und Bemes sungswerten zu unterscheiden. Das Lehrbuch soll den Leser an die Fachliteratur heranführen. Als Ziel dient dabei wegen des ähnlichen Wissensbereiches vor allem der neue Band 3 "Netze" der HUTTE-Taschenbticher. Das dort angege bene Schrifttum soll bis zum gegenwärtigen Stand der Erkenntnisse führen. Der Deutschen Elektrotechnischen Kommission DKE in DIN und VDE ist wieder zu danken, daß sie der Anregung der Verfasser folgte Auszu ge von DIN VDE 0100 und DIN VDE 1000 herzustellen, die dem Band beiliegen. Von den zahlreichen Helfern ist insbesondere Herr w. Dr.-Ing. Meyer zu erwähnen, der die sorgfältige Durchsicht bis zum druckfertigen Manuskript besorgte. Erlangen und München, im Sommmer 1987 Die Verfasser Aus dem Vorwort zur ersten Auflage Die gesicherte Versorgung der Bevölkerung mit elektrischer Energie ist eine der wichtigsten Aufgaben der Infrastruktur und Vorausset zung für ein Leben in gesicherten sozialen Verhältnissen. Mit ihr beschäftigen sich heute mehr Wissenschaftler als je zuvor. Ein umfassender systematischer Uberblick über die Grundlagen dieses Gebietes fehlt bisher im Schrifttum. Das Buch möchte diese Lücke schließen. zur Energietechnik sind innerhalb der Elektrotechnik die Fachge biete Energieerzeugung, -Übertragung, -verteilung, -anwendung und -wirtschaft zu rechnen. Um den Stoff zu beschränken, wird die Energietechnik hier aus der Sicht der Energieversorgung behandelt, des innerhalb der Volkswirtschaft mit Abstand wichtigsten Indu striezweiges. Folglich wird die Technik der Energieanwendung etwa für Antriebe, Beleuchtung, Heizung und technische Prozesse sowie auf das Messen, Steuern und Regeln nur sov1eit eingegangen, wie es das Verständnis des umfangreichen Stoffes erfordert. Auch die Kraftwerkstechnik und die Thermodynamik bleiben ausgeschlossen. statt dessen sind die Grundzüge der Hochspannungstechnik, der si cherheitstechnik und der Elektrizitätswirtschaft aufgenommen. Das vorliegende Buch möchte in diesem Wissensbereich nicht nur Tatsachen und Eindrücke vermitteln. Es will vielmehr den Studie renden zu analytischem und wenigstens im Ansatz konstruktivem Den ken anregen und ihn befähigen, auch übergreifende und wirtschaft liche Zusammenhänge zu verstehen. Es wendet sich auch an die im Beruf stehenden Ingenieure, von denen nach vorliegender Erfahrung bislang nur etwa jeder fünfte in der Lage ist, die Grundlagen sei nes Wissens über Spezialkenntnisse hinaus angernessen zu erweitern. VII Der Inhalt dieses Buches geht auf die für die Studenten der Elek trotechnik vorzugsweise im 4. Semester bestimmte Vorlesung zurück, die die Autoren seit mehr als 15 Jahren zuerst in Darmstadt, dann in Erlangen und München in wechselnder Form hielten. Manche Ab schnitte dienen zur Ergänzung des Stoffes und zur Vertiefung, ohne daß der Inhalt zum Verständnis anderer Kapitel benötigt wird; sie sind im Inhaltsverzeichnis mit dem Zeichen "V" versehen. Der Aufwand an Mathematik wird durch Verwendung idealisierter Mo delle bewußt klein gehalten: Komplizieren ist immer einfach. Erlangen und München, im Winter 1978/79 Die Verfasser Inhaltsverzeichnis 1. Elektrische Enerqieversorgttnq 1 1.1 Aufgabe 1 1.2 Zusammenfassung wichtiger Begriffe und Vereinbarungen 6 1.3 Aufbau der westdeutschen Energieversorgung 9 1. 3.1 Energieerzeugung 9 1. 3.2 Energieübertragung 11 1.3 .3 Energieverbrauch 14 1.3 .4 Bemerkungen zur zukünftigen Versorgung mit elektrischer Energie 15 1.4 Wirtschaftliche Energieversorgung 16 1.4.1 Leistungsabhängige und energieabhängige Kostenanteile 16 1.4.2 Barwerte und Annuitäten 17 1.4. 3 Jährlicher Leistungskostenanteil 19 1.4.4 Energiekostenanteil und Kraftwerkseinsatz 21 1.4.5 Gestehungskosten der elektrischen Energie 22 1.4.6 Verlustbewertung 24 1.4. 7 Elektrizitätswirtschaft (V) 27 1.5 Drehstromsystem 29 1.5.1 Uberblick 29 1.5.2 Symmetrisch aufgebaute und belastete Netze 37 1.5. 3 Symmetrisch aufgebaute Netze bei beliebiger Belastung 39 1.5.4 Drehstromkomponenten 40 1. 5. 5 Messung der symmetrischen Komponenten 46 1.5.6 Ersatzschaltpläne für symmetrische Komponenten 52 1. 5. 7 Unsymmetrische Netzfehler in symmetrischen Komponenten 55 1.5.8 Leistungen in oberschwingungsfreien Stromkreisen 62 1. 5.9 Oberschwingungen (V) 68 1. 5.10 Leistungswandlung in Drehfeldmaschinen 78 1.5.11 Leistungswandlung in Gleichstrommaschinen (V) 84 IX 2. Elektrische Betriebsmittel 90 2.1 Modelle 90 2.1.1 Basisgrößen und Modellmaßstäbe 90 2.1.2 Modell für Transformatoren und rotierende Maschinen 91 2.1. 3 Wirtschaftliches Modell für Freileitungen 96 2.1.4 Modell für Mittel- und Hochspannungskabel bei natürlicher Kühlunq 99 2.2 Ersatzschaltpläne 101 2.2.1 Einphasentransformatoren 101 2.2.2 Drehstromtransformatoren und deren Schaltungen 112 2.2.3 Meßtransformatoren (V) 121 2.2.4 Asynchronmotoren 123 2.2.5 Synchrongeneratoren 125 2.2.6 Leitungen 134 2.2.7 Verbrauchernachbildungen (V) 140 3. Betrieb elektrischer Versorgungsnetze 142 3.1 Betriebsdiagramm und Betriebsbereich 142 3.1.1 Betriebsdiagramm von Zweitoren 142 3.1.2 Momentenkennlinie und Betriebsbereich von Turbogeneratoren 146 3 .1.3 Momentenkennlinie und Betriebsdiagramm von Drehstrom-Asynchronmotoren 152 3 .1.4 Momentenkennlinien von Gleichstrommaschinen (V) 158 3.1.5 Betriebsbereich langer Leitungen 162 3 .1. 6 Betriebsbereich kurzer verlustbehafteter Leitungen (V) 166 3.2 Parallelbetrieb von Drehstromtransformatoren 167 3.3 Spannungshaltunq 171 3.4 Leistungsübertragunq und statische Stabilität (V) 174 3.5 Verbundbetrieb, Frequenzhaltunq und Frequenzregelunq (V) 177 4. Uberspannunqen und Isolationsbemessung 183 4.1 Uberspannunqen in Energieversorgungsnetzen 183 4.2 Zeitweilige Spannungserhöhunq mit Netzfrequenz 183 4.3 Schaltüberspannunqen (V) 187 X 4.4 Blitzüberspannungen 189 4.4.1 Wanderwell~n (V) 189 4.4.2 Entstehung von Blitzüberspannungen (V) 197 4.5 Isolationsdurchschläge und Isolationsüberschläge 201 4.5.1 Stoßspannungskennlinie 201 4.5.2 Isolationsbemessung 203 4.6 Oberspannungsbegrenzung durch Ventilabieiter (V) 213 5. Sicherheitstechnik in Drehstromnetzen 218 5.1 Grundsätze 218 5.2 Fehler, Störungen und Schäden in Drehstromnetzen 219 5.3 Grundzüge des Netzschutzes (V) 223 5.4 Kurzschlußstromberechnung 225 5.5 Körperströme 229 5.6 Schutz gegen gefährliche Körperströme in Niederspannungsnetzen 235 5.7 Sicherheitstechnische Normen und Prüfungen 243 Literaturverzeichnis 245 Sachverzeichnis 255 Beilagen: Auszüge aus DIN VDE 0100 DIN VDE 1000 Die mit dem Zeichen (V) gekennzeichneten Abschnitte dienen zur Ver tiefung; ihr Inhalt wird zum Verständnis anderer Abschnitte nicht be nötigt.
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