Instabilität von elektrischen Versorgungsnetzen und Global Scaling

Untersuchung der Instabilität von elektrischen Versorgungsnetzen auf der Basis des Protonenresonanzspektrums

Betrachtungen der Grenzparameter des 5-Stufen Plans für Lastabwurf bei Unterfrequenz

1. Grundlagen

Als Unterfrequenz bezeichnet man im Allgemeinen eine Frequenz, die geringer ist als die Soll-Frequenz.

Eine Unterfrequenz in einem Stromnetz entsteht insbesondere bei sprunghafter Lastzunahme oder dem plötzlichem Ausfall von Kraftwerksleistung, da die Lastdifferenz aus der kinetischen Energie aller rotierenden Massen in den Generatoren gedeckt wird und dadurch die Frequenz sinkt. Die Abweichung der tatsächlichen von der Soll-Netzfrequenz ist dabei gravierender als der gleichzeitig auftretende Spannungseinbruch.

Im Rahmen der Regelung der Stromversorgung werden Frequenzabweichungen normalerweise ausgeglichen. Im Notfall kann auch durch gezielte Abschaltungen einzelner Großabnehmer oder regionale Abschaltungen die Netzfrequenz stabilisiert werden.

Zur Vermeidung eines Netzzusammenbruchs durch Unterfrequenz gibt es den 5-Stufen-Plan für den Lastabwurf. Dieser ist in den “Netz- und Systemregeln der deutschen Übertragungsnetzbetreiber” im Kapitel 6.3.4.2 beschrieben.

Stufe 1:

49,8 Hz

Alarmierung des Personals, Einsatz der noch nicht mobilisierten Kraftwerksleistung.

Stufe 2:

49,0 Hz

Unverzögerter Lastabwurf von 10 – 15 % der Netzlast.

Stufe 3:

48,7 Hz

Unverzögerter Lastabwurf von weiteren 10 – 15 % der Netzlast.

Stufe 4:

48,4 Hz

Unverzögerter Lastabwurf von weiteren 15 – 20 % der Netzlast.

Stufe 5:

47,5 Hz

Abtrennen aller Kraftwerke vom Netz.

2. Untersuchung der Protonenresonanzen

Mit einer Betrachtung der Spannungswerte für die Stufen 1 bis 5 über dem fundamentalen Fraktal der Protoneneigenfrequenz läßt sich die Dringlichkeit wie auch die Wirkung der Spannungswerte der einzelnen Stufen verdeutlichen.

50Hz Betriebsfrequenz:

Dieser Wert liegt im grünen Randbereich des Hauptknotens [-51] in einem Bereich, in welchem nur die Vakuumwelle wirkt, der sich von 48,705Hz bis 50,227Hz erstreckt.

Der Wert von 50Hz liegt exakt in einer schmalen Sublücke von 49,999Hz bis 50,015Hz. Die Sublückenqualität an dieser Stelle bewirkt, daß die Frequenz konstant gehalten werden kann.

Ein aktueller Wert er­mittelt über den Dienst­leister ETrans (www.etrans.ch ) zeigt, daß sich häufig die Netz­frequenz unterhalb von 50 Hz im Bereich von 49,967Hz bewegt.

Dieser Frequenzwert befindet sich damit rechts vom Subknoten [-51;-3;12] (49,933Hz bis 50,092Hz) was bewirkt, daß der Spannungswert eine Tendenz vom Subknoten weg erfährt und sich zu größeren Frequenzwerten hin bewegt.

Untersuchung der Grenzparameter des 5-Stufen Lastabwurfs

Stufe 1:

Bei 49,8 Hz erreicht die Spannung auf der Ebene n2 den Fluktuationsbereich [-52;-3;12] links von Subknotenpunkt. Dieser erstreckt sich von 49,743V bis 50,09V. In diesem Bereich herrscht eine höhere Ereignisdichte, als rechts von Subknoten.

Stufe 2:

Mit 49Hz erreicht die Spannung auf der Ebene n2 den Fluktuationsbereich [-51;-3;9]. Dieser Knotenbereich erstreckt sich von 48,876Hz über 49,233Hz (Subknoten) bis 49,515Hz.

Stufe 3:

Hier hat die Frequenz den Rand einer Sublücke im Grünen Bereich erreicht. Dadurch tritt eine deutlich Qualitätsänderung auf, die erneut für Fluktuationen sorgt.

Stufe 4:

Hier tritt die Frequenz mit 48,4Hz nun in den Spannungsbereich ein, in welchem sowohl die Ausgangswelle, wie auch die um 1,5 logarithmische Einheiten verschobene Welle wirken hier. Die Qualität eines Hauptinterferrenzpunktes [-3;6] bzw. [3;-6] im grünen Bereich wirkt Die Fluktuation nimmt weiter zu.

Stufe 5:

Bei Stufe 5 durchläuft die Frequenz den Interferrenzknotenpunkt [-3;6], wo maximale Fluktuation herrscht. Das Netz wird zu Eigenfrequenzschwingungen angeregt. Daher müssen alle Kraftwerke vom Netz genommen werden.

3. Abschlußbemerkung

Die Übereinstimmung des 5-Stufen Plans mit der Qualität der Grenzfrequenzen und der Wirkungsweise der Eigenresonanzen im funda­mentalen Fraktal deckt neue Möglichkeiten für die Netzbetreiber auf.

Zum einen könnte im Bereich der Laststeuerung und Frequenz­regelung mit Kenntnis der entscheidenden fundamentalen Randwerte von Frequenz und Spannung ein Mehr an Versorgungssicherheit und Frequenzstabilität erreicht werden.

Zum anderen gilt es vor dem Hintergrund von Protonen­eigenresoanzen auf die grund­sächlichen Ursachen von Netz­eigenschwingungen einzugehen, um so auch die Kraft­werke selber, Generatoren, Transformatoren wie auch die Regelungstechnik auf Basis dieser fundamentalen Erkenntnis hin zu optimieren. Im Sinne von Resonanz­unter­bindung, Spannungs­stabilität und insbesondere auch Energie­effizienz.

Köln, April 2007,

Ingenieurbüro Claus Bürger


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