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Institute for High-Voltage Engineering and Systems Management
11. Symposium Energieinnovation – 10. bis 12. Februar in Graz / Austria (E.U.)
Ultra High Voltage Übertragungssysteme
zur Übertragung großer elektrischer
Energiemengen über weite Distanzen –
Ein technischer Vergleich
T. Kern*, D. Imamovic, R. Woschitz, M. Muhr
Technische Universität Graz
Institut für Hochspannungstechnik und Systemmanagement
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Definition & Entwicklung der Übertragungsspannungen
1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
Jahreszahlangabe
Übert
ragungsspannung in k
V
AC
DC
Definition Ultrahochspannung (UHV ... Ultra High Voltage)
Wechselspannungen ≥ 1000 kV
Gleichspannungen ≥ ± 800 kV
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Inhalt
1. Besonderheiten einer langen Drehstromübertragung
2. Besonderheiten einer HGÜ
3. Einflussgrößen, welche beide Technologien betreffen
4. Vergleich anhand eines konkreten Beispieles
5. Resümee
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Technische Besonderheiten einer Langen Drehstromübertragung
W
n
natnnatnatZ
UIUPS
2
3
)sin(~12
21
)(max Ll
Z
UUP
Übertragbare Leistung
Stabilitätsverhalten
Regelung der Leistungsübertragung
Mögliche Übertragungsmedien für UHV AC Freileitung - derzeit bis 1000 kV im aktiven Einsatz
Kabel - derzeit bis 500 kV im aktiven Einsatz
GIL - derzeit bis 550 kV im aktiven Einsatz
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Technische Besonderheiten einer HGÜ
R
UU
R
UUUUIUP DDDDDD
DCDDC22
2
2
2
12121 Übertragbare Leistung
Grenzgebende Komponenten Übertragungsleitung
Komponenten in den Stromrichterstationen
Sonstige begrenzende Faktoren
Regelung der Übertragungsleistung
Übertragungsmedien Freileitung - derzeit bis zu ± 600 kV im Einsatz
- Systeme für ± 800 kV in Bau
Kabel - derzeit bis zu ± 500 kV im Einsatz
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Sonstige Aspekte einer UHV Übertragung
Zuverlässigkeit
Verluste Übertragungsverluste
Koronaverluste
Stromverdrängungseffekt bei AC
Dielektrische Verluste bei AC
Mechanischer Aufbau
380 kV AC 1000 kV AC ±800 kV DC
Auswirkungen auf die Umwelt EMV
AN und RI
Ästhetischer Eindruck
Ökologische Auswirkungen
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Technischer Vergleich
FURNAS Brasilien
Übertragungsleistung in MW 12600
Übertragungslänge in km 900
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Vergleich
Allgemeine Parameter 1000 kV AC ±800 kV DC
Übertragungsleistung P in MW 12600
Übertragungslänge l in km 900
Anzahl der notwendigen Übertragungssysteme n 3 2
Übertragungsleistung pro System PS in MW 4200 6300
Natürliche Leistung Pnat in MW 4500 -
Betrieb bei Nennlast UNB -
Verhalten bei Nennlast kap. -
Gesamte Kompensationsblindleistung Qk in MVAr ~ 12000 -
Strom pro Phase I in A 2694,3 3937,5
Anzahl der benötigten Phasen (Bündelleiter) nPh 9 4
Anzahl der notwendigen Stationen 4 2
Anzahl der erforderlichen Transformatoren 36 96
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Vergleich
Mechanische Parameter 1000 kV AC ±800 kV DC
Anzahl der Teilleiter pro Bündelleiter nTL 8 6
Aluminiumquerschnitt pro Leiterseil AAL in mm2 500 720
Eigengewicht eines Bündelleiters GB’ in kg/km 13271,2 14310
Durchschnittliche Spannweite aSW in m 500 550
Anzahl der Stromkreise pro Mast nSK 1
Gesamtmastzahl des Übertragungskorridors 5400 3274
Verhältnis der Mastzahlen in p.u. 1,65 1
Durchschnittliche Mastbreite bM in m 49 34
Trassenbreite für den gesamten Übertragungskorridor bT in m 207 108
Trassennutzungsgrad T in MW/m 60,9 116,7
Verhältnis der Trassennutzungsgrade in p.u. 1 1,92
Durchschnittliche Masthöhe hM in m 77,2 61
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Vergleich
Elektrische Parameter 1000 kV AC ±800 kV DC
Dauerstrombelastbarkeit pro Leiterseil Itherm in A 990 1190
Gleichstromwiderstand pro Leiterseil RDC’ in Ω/km 0,0578 0,0402
RAC’ pro Leiterseil in Ω/km nach Berücksichtigung des
Skineffekts
0,061 -
Ohmscher Widerstand pro Bündelleiter R’ in Ω/km 0,0076 0,0067
Übertragungsverlustbelag aller Systeme PVL’ in KW/km 495,87 207,76
Absolute Übertragungsverluste für den gesamten
Übertragungskorridor PVL in MW
446,28 186,98
Prozentuelle Übertragungsverluste 3,54 % 1,48 %
Erforderlicher Flächenbedarf in km2 ohne Stationen 186,3 97,2
Einhaltung von Grenzwerten für das elektrische Feld NEIN NEIN
Einhaltung von Grenzwerten für das magnetische Feld JA JA
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Zusammenfassung
Größer Trassennutzungsgrad bei UHV AC und UHV DC im
Vergleich zu den bisher eingesetzten Spannungsebenen
Trassennutzungsgrad bei UHV DC immer größer als bei UHV AC
Konkrete Projekte im UHV Bereich bis dato nur in China in Betrieb.
UHV Systeme allerdings in Japan und Kasachstan errichtet und in
Indien in Bau bzw. in Planung
UHV AC und UHV DC Systeme zur Übertragung von großen
elektrischen Energiemengen über weite Distanzen
Technisch ist die Übertragung sowohl mit UHV AC und UHV DC
Freileitungssystemen möglich
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Zusammenfassung
Derzeit ausschließlich die Freileitung als Übertragungsmedium für
UHV verfügbar
Noch keine internationalen Normen für den UHV Bereich – diese
sind gerade in Arbeit
Bei einer UHV AC wird immer eine größer Anzahl an Teilleitern und
an Masten benötigt
Anzahl der notwendigen Transformatoren immer größer bei einer
UHV DC
UHV DC derzeit nur für Punkt-zu-Punkt Übertragung noch keine
Netze für hohe Gleichspannungen in Betrieb bzw. in Planung
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Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
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Zusatzfolie DESERTEC (früher TREC)
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Zusatzfolie
Natürliche Leistung
W
n
natnnatnatZ
UIUPS
2
3
Übertragungsfähigkeit und Übertragungsgrenzen UHV AC
'
'2ln
2
1
0
0
C
L
r
hZ
B
W
22''' ILUCQ
nV
Maßnahmen zur Erhöhung der natürlichen Leistung Erhöhung der Übertragungsspannung Un
Verminderung des Wellenwiderstandes ZW durch verschiedene
Maßnahmen
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Zusatzfolie
Übertragungsfähigkeit und Übertragungsgrenzen UHV AC
600
400
200
0
-200
-400
-600
0,5 1
P
Pnat
Erforderliche Blindleistung
in /100 MVAr km
1000
750
500
380
220
kV
kV
kV
kV
kV
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Zusatzfolie
)30sin()sinh(
)sin(~
21
12
21
)(max
lZ
UU
Z
UUP
W
Ll
Stabilitätsverhalten langer AC-Übertragungsleitungen
Winkelabhängigkeit
Sinusförmiges Signal – Wellenlänge
Kompensation
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
Länge in km
Leis
tung in M
WPnat
Pmax(l)
Beispiel berechnet mit einer Nennspannung von 1000 kV und einem Kompensationsgrad von 70 %
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Zusatzfolie
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Zusatzfolie UHV DC
P
GF
GF GF
GF
DF DF
Netz 1 Netz 2
Q
ST ST
SR GD GD SR
P
Q
U UD1 D2
ÜM+IDC
-IDC