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Agora Toolbox für die Stromnetze

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Agora Energiewende | Toolbox für die Stromnetze - Für die künftige Integration von Erneuerbaren Energien Die Abschaltung von Betriebsmitteln wirkt sich, zum Beispiel nach Ausfall stark belasteter Leitungen oder nach Kraftwerksausfällen, auch auf die Blindleistungsbilanz und Spannungshaltung aus. Stehen dann nicht genügend Blindleistungsreserven zur Verfügung, kann die Spannung nach und nach immer weiter absinken, bis es aufgrund zu geringer Spannung zu weiteren Abschaltungen kommt (Spannungskollaps). Die Tiefe von Spannungseinbrüchen bei Kurzschlüssen sowie die Höhe der Spannung nach der Fehlerklärung sind für den Betrieb von Synchronmaschinen von Bedeutung. Diese Maschinen sind die klassischen Generatorsysteme in konventionellen Großkraftwerken und laufen (bedingt durch ihr Funktionsprinzip) mit einer fest an die Netzfrequenz gekoppelten Drehzahl. Im Falle von Fehlern im Netz kommt es an diesen Maschinen zu Beschleunigungsund nach Fehlerklärung zu Abbremsungseffekten, wobei die auftretenden Kräfte und die dynamisch als Rotationsenergie zwischengespeicherten Energiemengen bestimmte Grenzen nicht überschreiten dürfen. Zu niedrige Spannungen führen zu einer Verringerung dieser Grenzen. Die Maschinen sind dann weniger robust gegenüber Störungen, sodass sie dabei leichter ihre feste Kopplung an die Netzfrequenz verlieren können. Wenn dieser Fall eintritt, müssen sie vom Netz getrennt werden. Dieser dynamische Aspekt des Maschinenverhaltens im Übergang bei Netzfehlern wird als transiente Stabilität bezeichnet. 83 Bei unzureichender Dämpfung können auch kleine Veränderungen im System (wie zum Beispiel übliche Lastschwankungen) zu Schwingungen in Synchrongeneratoren führen. Wenn (aufgrund der mangelnden Dämpfung) diese Schwingungen zu größeren elektromechanischen Kräften führen, können auch dadurch Maschinen ihre feste Kopplung an die Netzfrequenz verlieren. Diese Schwingungseffekte werden als Netzpendeln oder Leistungspendeln bezeichnet. Stabile Netzzustände zeichnen sich durch ausrei- chende Dämpfung aus, die diese Form der Instabilität verhindert. Kraftwerksausfälle zählen zu den wichtigsten Ursachen für größere Auslenkungen aus dem Gleichgewicht von Erzeugung und Verbrauch. Diese Auslenkungen machen sich als Frequenzabweichungen im gesamten Netz bemerkbar und werden mithilfe von Regelenergie aufgefangen. Wie bereits erwähnt, ist dieses Thema weitgehend unabhängig von Netzausbau und Engpassmanagement. In den folgenden Abschnitten wird auf die für den Schwerpunkt dieser Studie relevantesten Kriterien genauer eingegangen. 2.3. Thermische Grenzen Stromfluss in elektrischen Leitern ist praktisch immer mit Verlusten verbunden, die zu einer Erwärmung des Leiters führen. Die Höhe dieser Verluste hängt von den physikalischen Eigenschaften des Leiters und von der Höhe des Stromflusses ab. Mit steigender Temperatur des Leiters bei steigendem Stromfluss erhöhen sich auch die Verluste. Dennoch sind diese Verluste bis zu einem gewissen Grad wirtschaftlich unproblematisch. Für die Netzbetriebsführung relevanter ist die aus den Verlusten resultierende Leitererwärmung. Bei Freileitungen führt die aus der Erwärmung resultierende Längenänderung der Leiter zu erhöhtem Durchhang der Leiterseile (Abbildung 4). Damit der Durchhang nicht zu groß wird, muss die Leitertemperatur begrenzt werden (eine typische maximale Dauertemperatur von Leiterseilen ist 80 Grad Celsius). 84 Andernfalls kann die Umgebung unter den Leitern zu starken elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt werden, sodass das Risiko von Kurzschlüssen steigt beziehungsweise Grenzwerte des Immissionsschutzes überschritten werden. 83 Kundur et al. (2004) 84 DIN EN 50182:2001-12 34

STUDIE | Toolbox für die Stromnetze - Für die künftige Integration von Erneuerbaren Energien Vereinfachte Darstellung einer resultierenden Längenänderung der Leiterseile bei steigender Temperatur (Leiterseildurchhang) Abbildung 4 steigende Temperatur Eigene Darstellung, Energynautics GmbH (2017) Bei Kabeln, die im Übertragungsnetz in deutlich geringerem Umfang eingesetzt werden als Freileitungen, ist anstelle des Durchhangproblems die Erwärmung des Isolationsmaterials der ausschlaggebende limitierende Faktor. Eine zu hohe Leitertemperatur vermindert die Lebensdauer der hitzeempfindlichen Kabelisolation; damit steigt die Gefahr von Kurzschlüssen. Auch bei Transformatoren entsteht durch den Stromfluss eine Erwärmung, die begrenzt werden muss, damit die Lebensdauer nicht übermäßig verkürzt wird. Da bei Transformatoren oft Öl als Isolationsmittel verwendet wird, besteht durch übermäßige Erhitzung im schlimmsten Fall zudem ein Brandrisiko. Zur Begrenzung der Betriebsmitteltemperatur wird üblicherweise mit spezifischen Maximalströmen gearbeitet, die in Abhängigkeit der äußeren Bedingungen unterschiedlich gewählt werden. An windigen kalten Wintertagen können auch ohne Temperaturüberwachung der Leiterseile für Freileitungen deutlich höhere Maximalströme angesetzt werden als an windstillen heißen Sommertagen. Eine permanente Temperaturüberwachung mit kurzfristiger Anpassung der Leitungsbelastbarkeit in der Netzführung ist ebenfalls möglich, aber aufgrund des höheren Aufwandes bisher nur an ausgewählten Stellen im Einsatz. Dieses sogenannte Freileitungsmonitoring wird im Rahmen der Toolbox in Kapitel 3 diskutiert. Bei Fehlern im Netz können Leitungen, Kabel und Transformatoren kurzzeitig überlastet werden, ohne dass es zu einer kritischen Erwärmung und Verkürzung der Lebensdauer kommt. 2.4. Stabilitätsgrenzen Bei den Stabilitätskriterien besteht nur für einige Stabilitätsaspekte eine Wechselwirkung mit Netzausbau und Engpassmanagement. Direkt herstellbar ist ein Zusammenhang im Falle der Spannungsstabilität von Freileitungen. Sofern die thermische Strombelastbarkeit einer Freileitung nicht das begrenzende Kriterium ist, wird die übertragbare Leistung stark von der verfügbaren Blind- 35

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