Gesteigerte Anforderungen an Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit der elektrischen Energieversorgung haben die Energieversorgungsunternehmen veranlasst, ihre Kraftwerke und Hochspannungsnetze im Verbundbetrieb arbeiten zu lassen.

Eine der Voraussetzungen für einen Verbundbetrieb von Drehstromnetzen ist der synchrone Lauf aller Generatoren. Bei Fehlern (Kurzschluss, Lastabwurf, Überlastung usw.) kann der Synchronismus und damit die Stabilität des Netzbetriebes verlorengehen. Daher werden besondere Anforderungen an die Stabilität von langen Übertragungsleitungen gestellt. Der Versuch "Modellkraftwerk" soll in Ergänzung zur Vorlesung EVE1 und EVE2 mit diesen Problemen vertraut machen.

Durch die Teilnahme an den Laborübungen und die Beschäftigung mit konkreten Projektaufgaben im Bereich der elektrischen Energietechnik sollen die Studierenden der Studiengänge EP und EP-plus befähigt werden, ihre in verschiedenen Vorlesungen zu diesem Thema erlangten Grundkenntnisse zu festigen und zu erweitern. Sie sollen dadurch in die Lage versetzt werden, bei entsprechender Neigung nach dem Bachelor-Studium im Umfeld der elektrischen Energietechnik speziell bei elektrischen Energieversorgern, beruflich tätig zu werden.

1.1 Modellkraftwerk

Das Kraftwerk wird durch ein Diesel-Drehstromaggregat (Generatornenndaten: 230/400 V; 12,5 kVA; cosφ = 0,8) nachgebildet. Die Bedienung erfolgt von einem Pult aus.

Die mechanisch zugeführte Leistung wird durch fernbedienbares Verstellen der Einspritzpumpe des Motors eingestellt. Ein Drehzahlregler nach dem Fliehkraftprinzip lässt im Inselbetrieb bei Be- und Entlastungen des Generators nur Drehzahländerungen im Rahmen des Regelbereichs zu.

Im Notstrombetrieb wird der Generator selbsterregt - im Versuchsbetrieb fremderregt über den Erregersatz. Schalthandlungen können mit den Tastschaltern, die im Blindschaltplan auf dem Pult angeordnet sind, vorgenommen werden. Die Messungen erfolgen über Wandler und Messgeräte, die im Pult eingebaut sind.

Der Übertragungswinkel Θ wird durch Beleuchtung einer Kennscheibe auf der Achse des Generators mit einem Lichtblitzstroboskop ermittelt.

Die Grobsynchronisierung des Generators mit dem Netz erfolgt durch Handzuschaltung nach einem Vergleich von Spannung, Phasenfolge, Phasenlage und Frequenz. Da die automatische Synchronisierungseinrichtung bei Verbindung von Generator und Netz über das Fernleitungsmodell nicht in Betrieb ist, wird zweckmäßigerweise erst die direkte Verbindung Generator-Netz hergestellt, die Fernleitung dazu parallel geschaltet und dann die direkte Verbindung getrennt.

Im Gegensatz zu den anderen Versuchen, wird dieser Versuch zuerst nur von der betreuenden stud. Hilfskraft oder nur unter dessen direkter Anweisung erfolgen, da das für die Notstromversorgung projektierte Aggregat nicht mit sämtlichen für einen Versuchsbetrieb wünschenswerten Sicherheitsverriegelungen ausgestattet werden konnte.

Freileitungsnachbildung

Die 400 km lange 220 kV-Freileitung wird durch drei in Reihe geschaltete π-Glieder dreiphasig nachgebildet. Eine einfache Umschaltung auf 1/3 der Leitungslänge ist möglich.

Wahlweise kann in ein starres Netz und/oder in einen Verbraucher eingespeist werden. Das starre Netz wird durch das Niederspannungsnetz der Hochschule nachgebildet.

1.2          Drehstrom-Netze

1.2.1      Symmetrische Drehstrom-Übertragung

Im symmetrischen Drehstrom(DS) System ergibt sich die Summe aller Leiterströme am Sternpunkt zu Null. Da der Mittelpunktsleiter M_p bei symmetrischer Belastung stromlos bleibt, lässt sich für die Leitung ein einphasiges Betriebsersatzschaltbild (Betriebs-ESB) angeben, in dem M_p den Rückleiter bildet; der jetzt stromführende Rückleiter ist impedanzlos anzunehmen, um gleiche Verhältnisse zu erzielen wie bei einem stromlosen impedanzbehafteten Rückleiter. Bei der Bezeichnung der Spannungen ist zu beachten, dass im einphasigen Betriebs-ESB grundsätzlich mit Phasenspannungen (= Spannungen Leiter gegen Sternpunkt) gearbeitet wird.

Diese berechnen sich im symmetrischen DS-System aus den für DS-Netze üblicherweise angegebenen Leiterspannungen (= verkettete Spannungen) durch Multiplikation mit dem Faktor 1/Ö3. Bei der Berechnung von Leistungen liefert das einphasige ESB die Leistung je Phase, d. h. nur 1/3 der Leistung des gesamten D5-Systems.

Für elektrisch kurze Leitungen gilt:

R » R‘*l                C » C‘*l

L » L‘*l                  G » G‘*l

R‘, C‘, L’ und G’ sind die entsprechenden Leitungsbeläge. Bei f = 50 Hz und für die Übertragungslängen:

l < 200km            für Freileitungen

l < 40km               für Kabel

stellen die obigen Gleichungen eine gute Näherung dar. Bei hohen Betriebsspannungen können bei der Berechnung der Ströme und Spannungen die Verluste meist vernachlässigt werden (R' = O, G' = O).

1.2.2      Erstellen des Leitungszeigerdiagramm

1.2.3      Demonstration der statischen Stabilität der idealen Drehstromübertragung

1.2.4      Netzregelung

1.3          Modellkraftwerk und Freileitungsnachbildung

Im vorliegenden Versuch sollen verschiedene Betriebsfälle eines Kraftwerkes, das über eine 400 km lange 220 kV-Freileitung in ein starres Netz speist, an einer Modellanlage untersucht werden. Die sich beim Betrieb der Modellanlage ergebenden Spannungen und Ströme sind gegenüber denen der 220 kV-Anlage um bestimmte Maßstabsfaktoren verkleinert. Da aber die Phasenwinkel unverändert sind, ergeben sich in beiden Fällen gleiche Zeigerdiagramme.

2.1          Einspeisung ins Netz

2.2          Aufnahme von Leistungskennlinien

2.3          Aufnahme von Werten zur Konstruktion des Zeigerdiagramms der Fernübertragung

2.4          Untersuchung der statischen Stabilität

2.5          Aufnahme der Netzkennlinien