Elektromagnetische Kopplungen hybrider AC-DC-Leitungen: Berechnungen anhand eines verteilten Leitungsmodells

137 Pages·2016·1.53 MB·German

by  Jakob Schindler (auth.)

BestMasters
Mit „BestMasters“ zeichnet Springer die besten Masterarbeiten aus, die an renom-
mierten Hochschulen in Deutschland, Österreich und der Schweiz entstanden sind.
Die mit Höchstnote ausgezeichneten Arbeiten wurden durch Gutachter zur Ver-
öff entlichung empfohlen und behandeln aktuelle Th emen aus unterschiedlichen
Fachgebieten der Naturwissenschaft en, Psychologie, Technik und Wirtschaft swis-
senschaft en.
Die Reihe wendet sich an Praktiker und Wissenschaft ler gleichermaßen und soll
insbesondere auch Nachwuchswissenschaft lern Orientierung geben.
Jakob Schindler
Elektromagnetische
Kopplungen hybrider
AC-DC-Leitungen
Berechnungen anhand eines
verteilten Leitungsmodells
Mit einem Geleitwort von
Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther
und Prof. Dr.-Ing. Johann Jäger
Jakob Schindler
Erlangen, Deutschland
BestMasters
ISBN 978-3-658-12798-5 ISBN 978-3-658-12799-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-12799-2
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbi-
bliogra(cid:191) e; detaillierte bibliogra(cid:191) sche Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Springer Vieweg
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2016
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die
nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung
des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen,
Mikrover(cid:191) lmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem
Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche
Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten
wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informa-
tionen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind.
Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder
implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen.
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature
Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Zum Geleit
DieelektrischeEnergieversorgungistweltweitimWandelhinzuProzessenundStrukturen
einernachhaltigenEnergieumwandlung,eineseffizienterenEnergietransportsundeiner
ressourcenschonendenEnergienutzung.DerLehrstuhlfürElektrischeEnergiesystemeder
Friedrich-Alexander-UniversitätErlangen-Nürnberg(FAU)trägtzudieserEntwicklung
aufverschiedenenEbenenbei.Diesspiegeltsichinzahlreichennationalenundinternatio-
nalenForschungsaktivitätenentlangdergesamtenEnergiekettesowieineinembreiten
LehrangebotindenStudiengängenElektrotechnik,EnergietechnikundMaschinenbau.
AlsdeutlichesZeichendesSystemwandelswirdinDeutschlanderstmalseineGleichspan-
nungs-FernübertragungsstreckemiteinerNennleistungvon2GWaufeinerLängevon
340kminBetriebgehen.DiegeplanteVerbindungträgtdenProjektnamen„Ultranet“
undleisteteinenwichtigenBeitragfüreineneffizientenEnergietransportinDeutschland
vonNordnachSüdsowiefürdenErhaltderVersorgungszuverlässigkeitinsgesamt.Die
ÜbertragungsstreckebildetdensüdlichenAbschnittdesKorridorsAausdemaktuellen
NetzentwicklungsplanderdeutschenÜbertragungsnetzbetreiber.DamitdieErrichtung
neuerTrassenweitestgehendvermiedenwerdenkann,sollfürdenGroßteilderLeitung
einebereitsbestehendeStromtrassegenutztwerden.HierausergibtsichdieNotwendigkeit,
einGleichstrom-alsaucheinDrehstromsystemaufeinemgemeinsamenMastzuführen.
DieneueMastkonfigurationwirdalsHybridmastbezeichnet,mitderesweltweitnoch
sehrwenigErfahrunggibt.
Die vorliegende Masterarbeit leistet einen wegweisenden Beitrag zur Berechnung von
elektromagnetischenKopplungenhybriderMastkonfigurationenundistdamiteinewert-
volle Grundlagenarbeit für eines der wichtigsten Projekte der Energieinfrastruktur in
Deutschlandbis2020.
Univ.Prof.Dr.-Ing.M.Luther Univ.Prof.Dr.-Ing.J.Jäger
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis IX
Tabellenverzeichnis XIII
Abstract XV
1 Einleitung 1
2 Elektrische Kopplungen zwischen Leitern und Systemen von Freileitungen 3
2.1 MathematischeBeschreibungvonKopplungendurchLeitungsmatrizen . 3
2.2 BestimmungderParametermatrizenvonFreileitungen . . . . . . . . . . 8
2.2.1 Kapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 Induktivitäten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 OhmscheWiderständeundLeitwerte . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4 Erdseilreduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.5 Leitungsverdrillung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 IsolierteBerechnungkapazitiverundinduktiverBeeinflussung . . . . . . 26
2.3.1 KapazitiveBeeinflussung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.2 InduktiveBeeinflussung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4 LeitungsentkopplungdurchModaltransformationen . . . . . . . . . . . . 27
2.4.1 ModaltransformationensymmetrischerSysteme . . . . . . . . . . 27
2.4.2 ModaltransformationunsymmetrischerSysteme . . . . . . . . . . 31
2.5 BerechnunghomogenerLeitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5.1 EinphasigesverteiltesLeitungsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5.2 VerteiltesLeitungsmodellvonMehrphasensystemen . . . . . . . . 38
2.6 AufbaueinerHybridleitungalsmodalesLeitungsmodell . . . . . . . . . . 40
2.6.1 LeitungsmatrizenvonLeitungselementen . . . . . . . . . . . . . . 41
2.6.2 VerknüpfungmehrererLeitungselementezurGesamtleitung. . . . 43
2.6.3 Randbedingungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.4 Fehlermatrix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.7 SekundärerLichtbogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.7.1 SekundärerLichtbogenimDrehstromsystem . . . . . . . . . . . . 47
VIII Inhaltsverzeichnis
2.7.2 SekundärerLichtbogenimHGÜ-SystemeinerHybridleitung . . . 51
3 Untersuchungen mit dem modalen Leitungsmodell 53
3.1 AnalyseeineseinzelnenD-Abschnitts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.1 BeschreibungdesModells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.2 SpannungseinkopplungaufleerlaufendeDC-Leiter . . . . . . . . . 56
3.1.3 AnalysederaufleerlaufendeLeiterübertragenenSpannungszeiger
zurErklärungdesVerlaufsderwiederkehrendenSpannung . . . . 59
3.1.4 EinflussderEntfernungzumAC-SystemundAbschirmung . . . . 67
3.1.5 SpannungseinkopplungimNormalbetrieb . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.6 WiederkehrendeSpannungbeieinpoligerKurzunterbrechung . . . 73
3.1.7 SekundärerFehlerstrombeieinpoligerKU . . . . . . . . . . . . . 74
3.1.8 AbhängigkeiteingekoppelterGrößenvonderLeitungslänge . . . . 75
3.2 DreiD-AbschnittemitunterbrochenenAC-Systemen . . . . . . . . . . . 78
3.2.1 BeschreibungdesModells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.2 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3 ParallelverlaufdesAC-SystemsaufeinemTeilabschnitt . . . . . . . . . . 83
3.3.1 BeschreibungdesModells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.2 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4 EinzelnerDD-Abschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.1 BeschreibungdesModells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.2 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.5 EinzelnerAD-Abschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.5.1 BeschreibungdesModells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.5.2 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.6 VergleichderdreiMasttypen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.7 AnalyseeinergemischtenHybridleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.7.1 BeschreibungdesModells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.7.2 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.8 HybridleitungmitteilweiserVerdrillung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.9 BrenndauerdessekundärenLichtbogens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4 Zusammenfassung 117
Anhang A: Daten der untersuchten Masttypen 121
Anhang B: Mittlere Geometrische Abstände 123
Literaturverzeichnis 125
Abbildungsverzeichnis
2.1 DarstellungderKopplungselementeeinerFreileitung . . . . . . . . . . . 4
2.2 Längsachtpol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Querachtpol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 IllustrationdeseinphasigenunddreiphasigenEin-undZweitors . . . . . 7
2.5 SpiegelladungsverfahrenimkomplexenKoordinatensystem . . . . . . . . 10
2.6 TeilkapazitäteneinerFreileitungmitdreiLeitern . . . . . . . . . . . . . 12
2.7 α1-undα2-VerdrillungeneineseinzelnenDreiphasensystems . . . . . . . 20
2.8 γ-undβ-VerdrillungeneinerDoppelleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.9 BeispielefürAnordnungzweierSystemezueinanderfürkorrekteγ-Verdrillung 24
2.10 ErsatzschaltbildeinessymmetrischenDreiphasensystems . . . . . . . . . 28
2.11 Komponentennetzwerke:Mit-,Gegen-,Nullsystem . . . . . . . . . . . . . 31
2.12 DifferentiellesLängenelementeinerhomogenenEinphasenleitung . . . . . 35
2.13 HomogeneeinphasigeLeitungalsZweitor. . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.14 DreipoligesLeitungsmodelleinerhomogenen,unsymmetrischenLeitung . 40
2.15 DreimöglicherweisebeiHybridleitungenzumEinsatzkommendeMastty-
pen:D-Mast,DD-Mast,AD-Mast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.16 PrinzipderMatrixverkettungamBeispieldreierLeitungsabschnitte . . . 44
2.17 VerschaltungeineseinpoligenFehlersinPhaseR. . . . . . . . . . . . . . 46
2.18 Schaltbild zum sekundären Lichtbogen auf einer symmetrischen AC-
Einfachleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.19 TypischeVerläufevonsekundäremLichtbogenstromundwiederkehren-
der Spannung über dem Fehlerort bei der symmetrischen Drehstrom-
Einfachleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.20 PrinzipderZeigeradditionamBeispielderwiederkehrendenSpannungfür
dievereinfachteBetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.21 ZeigeradditionvoninfluenziertemundinduziertemAnteilzumGesamtzei-
gervonU beihomogenerLeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
w
3.1 MastkonfigurationD-Typ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2 SchematischeVerschaltungdesModellsimNormalbetrieb. . . . . . . . . 55
3.3 SchematischerModellaufbaubeileerlaufendenDC-Leitern . . . . . . . . 56
X Abbildungsverzeichnis
3.4 BeimD-MasttypindenLeiterndesHGÜ-SystemsinduzierteLängsspan-
nungenU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
L
3.5 BetragderinduziertenLängsspannunginAbhängigkeitderLastflusshöhe 57
3.6 BetragderPhasenspannungenderDC-LeiterüberderLeitungbeiunter-
schiedlichenLastflüsseninSystem2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.7 InduzierteLängsspannunginAbhängigkeitderLeitungslänge. . . . . . . 58
3.8 LeiterabständeimMastbilddesD-Typ-Abschnitts . . . . . . . . . . . . . 60
3.9 KapazitiveÜbertragungderSpannungszeigervonSystem2aufdieleer-
laufendenLeitervonSystem1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.10 Zustandekommen der kapazitiv übertragenen Zeiger U und induktiv
inf
übertragenenZeigerU fürdenPlus-LeiterbeiPhasenanordnungRST . 61
L
3.11 InduktiveÜbertragungderLängsspannungeninSystem1durchdiePha-
senströmevonSystem2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.12 ZeigerbildzurInterpretationdesVerlaufsderPhasenspannungimLeiterR 64
3.13 PhasenanordnungnachVertauschenderPhasenSundT . . . . . . . . . 65
3.14 ZustandekommenderGrößenU undU fürdenPluspolbeiumgekehrter
inf L
PhasenfolgederAC-Seite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.15 VerschiedeneAnordnungenzurUntersuchungdesEinflussesderEntfernung
vomAC-SystemundderAbschirmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.16 BeiunterschiedlichenAnordnungenimMinus-LeiterinduzierteLängs-und
PhasenspannungenüberdemAbstandvonderMastmitte . . . . . . . . . 69
3.17 SchematischerAufbaudesModellsimNormalbetrieb . . . . . . . . . . . 69
3.18 ImHGÜ-SystemimNormalbetriebinduzierteLängsspannungU (D-Typ,
L
1×70km) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.19 PrinzipschaltbilderderEinkopplungeninsleerlaufendeundeinseitiggeer-
deteDC-System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.20 Im Sternpunkt des DC-Systems durch die stationären Einkopplungen
fließendesStromsystem(zul.Leistung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.21 InduziertePhasenspannungdesPlus-LeitersüberderLeitungfürNormal-
betrieb(System2:zul.Leistung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.22 ZusammensetzungderLängsspannungenU indenDC-Leitern(zul.Leis-
L
tung,Fall1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.23 VerschaltungbeiFreischaltungeinesDC-PolsbeieinpoligerKurzunterbre-
chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.24 BetragderwiederkehrendenSpannungU inAbhängigkeitdesFehlerorts
w
(D-Typ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.25 Betrag des einpoligen Fehlerstroms I in Abhängigkeit des Fehlerortes
B
entlangderLeitung(D-Typ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.26 MaximaleLängsspannungU inAbhängigkeitderLeitungslänge(D-Typ) 76
L