Umspannwerke

Ein Umspannwerk ist eine Einrichtung, die eine Verbindung zwischen Teilen des Stromnetzes herstellt. Zu den Funktionen des Umspannwerks, die für den ordnungsgemäßen Betrieb des Stromnetzes entscheidend sind, gehören die Verbindung von Stromleitungen aus verschiedenen Teilen des Netzes, die Überwachung und Steuerung der Betriebsbedingungen des Netzes und der Schutz der Ausrüstung des Stromnetzes.

KLASSIFIZIERUNG UND ALLGEMEINE BESCHREIBUNG

Umspannwerke können je nach Standort und Funktion innerhalb des Netzes in eine von mehreren Kategorien eingeteilt werden. Generator-Umspannwerke befinden sich am Standort von Stromerzeugungsanlagen und stellen die Verbindung zum Übertragungsnetz her. Umspannwerke stellen die Verbindung zwischen dem Übertragungssystem und dem Unterübertragungssystem her, indem sie die Spannung durch einen Transformator herabsetzen (Umspannwerk) oder Hochspannungsleitungen aus verschiedenen Teilen des Systems miteinander verbinden, ohne die Spannung zu ändern (Schaltwerk). Eine Verteilerstation stellt die Verbindung zwischen dem Unterübertragungssystem und den viel niedrigeren Spannungen des Verteilungssystems her. Eine Stromrichterstation ist eine besondere Art von Umspannwerk, das eine Verbindung zwischen Hochspannungs-Wechselstrom-Übertragungsleitungen und Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen herstellt.

Bei der Standortwahl von Umspannwerken müssen elektrische, geografische, wirtschaftliche, politische und ästhetische Faktoren berücksichtigt werden. Die hohen Spannungen des Übertragungsnetzes werden genutzt, weil die reduzierten Ströme zu einer effizienteren Stromübertragung führen. Daher werden Umspannwerke so nah wie möglich an den Systemlasten platziert, um die Verluste zu minimieren. Dies wird durch den Wert und die Verfügbarkeit von Grundstücken sowie durch die Anforderung, dass das Gelände innerhalb der Unterstation relativ eben sein muss, eingeschränkt. Bei der Platzierung von Umspannwerken, insbesondere in dicht besiedelten Gebieten, wird darauf geachtet, dass der Standort nicht die Aussicht auf die Landschaft behindert oder die Ästhetik von Gewerbe- oder Wohngebieten beeinträchtigt. Die physische Größe von Umspannwerken kann sich über große Flächen erstrecken, da die Hochspannungskomponenten durch Luft voneinander isoliert sind und daher durch erhebliche Abstände voneinander getrennt werden müssen. Historisch gesehen haben diese Probleme die Installation großer Umspannwerke auf Gebiete mit relativ geringer Bevölkerungsdichte beschränkt. Seit den 1980er Jahren werden Umspannwerke jedoch mit unter Druck stehendem Schwefelhexafluoridgas (SF 6) isoliert. Aufgrund der hochisolierenden Eigenschaft von SF 6 kann die Größe dieser gasisolierten Umspannwerke deutlich weniger als 25 Prozent der Größe eines luftisolierten Umspannwerks mit der gleichen Stromaufnahmekapazität betragen. Bei einigen Anwendungen, insbesondere in der Nähe von Ballungszentren, kann die gesamte Umspannstation in Gebäuden untergebracht werden, was ästhetische Bedenken und Beeinträchtigungen durch die Umwelt reduziert. Dennoch werden luftisolierte Umspannwerke aufgrund der höheren Kosten und der Umweltbedenken hinsichtlich der Freisetzung von SF 6 (das als Treibhausgas untersucht wird) im Allgemeinen bevorzugt.

SYSTEMVERBINDUNG

Die primäre Funktion von Umspannwerken ist die Verbindung zwischen Übertragungsleitungen, die sich in andere geografische Gebiete erstrecken, und zwischen Teilen des Systems, die mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden können. Ein Hauptaspekt der Konstruktion von Unterstationen ist die Anordnung der Verbindungen durch Leistungsschalter zu gemeinsamen Knotenpunkten, die Busse genannt werden. Leistungsschalter sind große elektrische Schalter, die die Möglichkeit bieten, die Übertragungsleitungen oder Transformatoren vom Bus zu trennen. Transformatoren sorgen für eine Spannungsänderung.

Busse

Busse bestehen typischerweise aus Aluminium oder Kupfer und sind starre Schienen im Umspannwerk, die durch reichlich Isoliermaterial, typischerweise Luft oder Schwefelhexafluorid, von Erde und anderen Geräten isoliert sind. Die Anordnung der Busse in der Unterstation kann in eine Reihe verschiedener Kategorien fallen; die gängigsten sind in Tabelle 1 dargestellt und erläutert. Die Auswahl der geeigneten Konfiguration erfolgt durch sorgfältiges Abwägen von Kosten, Zuverlässigkeit, Kontrolle und Platz

Einzelner Bus – Alle Anschlüsse sind an einen einzigen Bus gebunden, mit einem Leistungsschalter für jeden Bus. Diese Anordnung wird wegen ihrer Einfachheit und geringen Kosten bevorzugt, obwohl sie im Hinblick auf die Zuverlässigkeit am wenigsten wünschenswert ist. Für Wartungsarbeiten an der Ausrüstung der Unterstation müssen die Anschlüsse außer Betrieb genommen werden. – Dieser Bustyp ist normalerweise die Konfiguration der Wahl in Unterstationen bei oder unter 130 kV.
Haupt- und Übertragungssammelschiene – Wie bei der Einzelsammelschienenanordnung ist jeder Anschluss über einen Leistungsschalter mit der Hauptsammelschiene verbunden, aber der Schalter kann mit Hilfe von Trennschaltern über eine Übertragungssammelschiene und einen anderen Schalter zur Hauptsammelschiene umgangen werden. Dies ermöglicht die Isolierung des Leistungsschalters für Wartungsarbeiten, ohne dass die Verbindung unterbrochen wird. – Wird in kritischeren Anwendungen bei oder unter 130 kV und gelegentlich bei höheren Spannungen verwendet.
Ringbus – Bei diesem Schema sind alle Leistungsschalter in einer geschlossenen Schleife verbunden, wobei die Verbindungen an der Kreuzung zwischen den Schaltern eintreten. Auf diese Weise kann jede Verbindung isoliert oder ein einzelner Leistungsschalter entfernt werden, ohne dass die anderen Verbindungen unterbrochen werden. Dies bietet ein höheres Maß an Redundanz als die oben genannten Systeme. Steuerungs- und Schutzrelaisprobleme sind bei dieser Anordnung etwas komplizierter. – Normalerweise in Umspannwerken über 130 kV, in kleineren Umspannwerken zu finden. Wird oft mit der Erwartung einer zukünftigen Erweiterung zu einem Breaker-and-a-half-Schema installiert.
Breaker-and-a-half-Schema – Dieses Schema hat zwei gleiche Busse, zwischen denen drei Leistungsschalter angeschlossen sind. Jeder Anschluss kann über einen Unterbrecher mit einem der Busse verbunden werden, und falls ein Unterbrecher außer Betrieb ist oder gewartet werden muss, kann der Anschluss immer noch über die beiden Unterbrecher mit dem anderen Bus bedient werden. Der Name dieser Anordnung kommt von der Tatsache, dass zwei Anschlüsse von drei Schaltern bedient werden, so dass im Durchschnitt eineinhalb Schalter pro Anschluss vorhanden sind. Dieses Schema ist weniger kompliziert als der Ringbus, mit höherer Zuverlässigkeit, aber teurer. – Am häufigsten bei Systemen über 130 kV.
Doppelbus – Eine Anordnung mit doppeltem Bus und doppeltem Schalter bietet eine Verbindung zu jedem Bus durch einen unabhängigen Schalter für jede Verbindung. Dies bietet volle Redundanz im Falle einer Fehlfunktion oder der Notwendigkeit, einen Leistungsschalter oder Bus zu warten, ist aber die teuerste Konfiguration. – Normalerweise in den meisten kritischen Übertragungsunterstationen und in Generatorunterstationen zu finden.
Busleitung, Transformator, oder Last ↓ Trennschalter -⦧ Leistungsschalter □

Einschränkungen. Wenn die Unterstation kritische Lasten versorgt, kann der Bedarf an hoher Zuverlässigkeit die höheren Kosten einer komplexeren Busanordnung rechtfertigen, während für weniger kritische Lasten die Platzverhältnisse eine minimale Busanordnung vorschreiben können.

Trennschalter

Für jedes Gerät in einer Unterstation sind manuelle Schalter – sogenannte Trennschalter – vorgesehen, um eine vollständige elektrische Isolierung von den Geräten zu erzwingen, bevor ein Service durchgeführt wird. Die Trennschalter sind an gut sichtbaren Stellen angebracht, damit das Wartungspersonal ständig überprüfen kann, ob die Anlage isoliert ist. Der Trennschalter kann den Strom nicht unterbrechen, daher wird er nur geöffnet, wenn der Strom bereits durch einen automatischen Schalter, wie z. B. einen Leistungsschalter, unterbrochen wurde.

Leitungsschutzschalter

Leitungsschutzschalter sind Schalter, die durch ein Signal, von einem Relais oder von einem Bediener betätigt werden. Der Leistungsschalter ist dafür ausgelegt, die sehr großen Ströme zu unterbrechen, die auftreten können, wenn im System ein Fehler auftritt, wie z. B. ein Blitzeinschlag oder ein Lichtbogen gegen Erde (z. B. ein Baum, der auf eine Leitung fällt). Da diese extrem hohen Ströme schwere Schäden an Geräten wie Transformatoren oder Generatoren verursachen können und weil diese Fehler den ordnungsgemäßen Betrieb des gesamten Stromnetzes stören können, sind die Leistungsschalter so ausgelegt, dass sie schnell genug auslösen, um Schäden an den Geräten zu verhindern, oft in 100 Millisekunden oder weniger.

Die Kontakte des Leistungsschalters bestehen aus zwei Metallteilen, die sich gegeneinander bewegen können. Wenn der Schutzschalter geschlossen ist, berühren sich die Kontakte und der Strom fließt frei zwischen ihnen. Wenn der Schutzschalter öffnet, werden die beiden Kontakte getrennt, normalerweise durch eine hochfeste Feder oder einen pneumatischen Antrieb. Wenn die Kontakte getrennt werden, fließt weiterhin Strom durch sie, und das Material zwischen ihnen wird ionisiert, wodurch ein leitendes Plasma entsteht. Um eine Isolierung zu gewährleisten, muss das Plasma eliminiert und die Kontakte in einem ausreichenden Abstand voneinander getrennt werden, um die erneute Zündung eines Lichtbogens zu verhindern. Mehrere verschiedene Technologien werden eingesetzt, um vier gängige Typen von Leistungsschaltern zu erhalten.

Luftstrom-Leistungsschalter sind durch Luft isoliert, und das Plasma wird gelöscht, wenn ein Druckluftstoß zwischen die Kontakte geblasen wird. Sie sind weniger verbreitet als die anderen Typen und werden aufgrund der Größe und der Probleme bei der Wartung der Kompressoren in der Regel nicht mehr in Neuanlagen eingesetzt. Bei ölgefüllten Schutzschaltern sind die Kontakte in einem versiegelten Tank mit hochraffiniertem Öl eingeschlossen, wobei Ölkanäle so konstruiert sind, dass Öl zwischen die Kontakte gepresst wird, um den Lichtbogen beim Öffnen der Kontakte zu löschen. Diese sind weit verbreitet, werden aber aufgrund der Umweltbedenken, die mit dem Risiko eines Ölaustritts verbunden sind, immer seltener eingesetzt. Obwohl Unterbrecherausfälle nur selten vorkommen, können bei einem einzigen Ausfall Hunderte von Litern Öl verschüttet werden, was sehr kostspielige Abhilfemaßnahmen erfordert. Die beliebtesten Schalter für Hochspannungsanlagen sind gasgefüllte Schalter, bei denen die Kontakte in einem versiegelten Tank mit unter Druck stehendem SF6 eingeschlossen sind. Diese haben sich als sehr zuverlässig erwiesen, obwohl es einige Umweltbedenken hinsichtlich der Freisetzung von SF6 bei der Wartung des Geräts oder bei einem Bruch des Tanks gab. Für Anwendungen mit niedrigeren Spannungen (weniger als 34 kV) werden häufig Vakuumschalter verwendet. Diese eliminieren Lichtbögen, indem sie die Kontakte in einer evakuierten Kammer einschließen. Da es keine zu ionisierende Flüssigkeit gibt, kann sich auch kein Plasma bilden. Ihr Hauptvorteil ist eine sehr schnelle Reaktionszeit und die Beseitigung von Umweltproblemen.

Neben den Leistungsschaltern gibt es noch andere Klassen von automatischen Schaltern, die ferngesteuert oder fernbedient werden können, aber stromunterbrechend sind.

Transformatoren

Leistungstransformatoren erfüllen die sehr wichtige Funktion, Teile des Stromnetzes, die auf unterschiedlichen Spannungen liegen, miteinander zu verbinden. Sie befinden sich ausschließlich in Umspannwerken, außer im Verteilernetz, wo sie auf Masten oder Flächen in der Nähe der Verbraucher, die sie versorgen, montiert sein können.

SYSTEMÜBERWACHUNG UND SCHUTZ

Das Umspannwerk bietet einen Überwachungspunkt für die Betriebsparameter des Systems. Das Stromnetz ist ein hochkomplexes und empfindliches Konglomerat von Teilen, die alle aufeinander abgestimmt sein müssen, um richtig zu funktionieren. Aus diesem Grund müssen die Betriebsbedingungen sehr genau beobachtet und kontrolliert werden. Dies geschieht durch den Einsatz spezieller Sensoren zur Erfassung der Informationen und durch Kommunikationssysteme zur Weiterleitung der Informationen an eine zentrale Stelle. Für eine sofortige Reaktion auf Systemfehler (wie z. B. beschädigte Leiter, Lichtbögen gegen Erde oder andere unerwünschte Betriebsbedingungen) wird ein Schutzrelaissystem (bestehend aus Sensoren und automatischen Schaltern) verwendet, um Leistungsschalter zu betätigen.

Instrumententransformatoren

Die hohen Spannungen und Ströme, die in einem Umspannwerk auftreten, übersteigen die Spannungs- und Stromwerte von Überwachungsgeräten, so dass Instrumententransformatoren verwendet werden, um sie für Überwachungszwecke in niedrigere Werte umzuwandeln. Messwandler können als Stromwandler (CTs) oder Spannungswandler (VTs) kategorisiert werden, die manchmal auch als Potenzialwandler bezeichnet werden. Stromwandler bestehen typischerweise aus einem Ringkern aus magnetischem Material, der mit einer relativ hohen Anzahl von Windungen aus feinem Draht umwickelt ist, wobei der zu messende Strom durch die Mitte des Ringkerns fließt. Diese Geräte befinden sich oft in den Durchführungen von Leistungsschaltern und Transformatoren, um den Strom in diesen Geräten messen zu können. Durchführungen sind die speziellen isolierten Anschlüsse, die den Strom von der Außenluft in ein abgedichtetes Metallgehäuse leiten. Spannungswandler haben die Funktion, die Spannung auf ein messbares Niveau abzustufen. Normalerweise ist einer an jeden der Busse der Unterstation angeschlossen. Meistens sind Spannungswandler im Wesentlichen genauso aufgebaut wie andere Transformatoren, obwohl manchmal eine kapazitive Kopplung die Elektromagnetik verbessert oder ersetzt. Jüngste Fortschritte in der Technologie haben eine neue Klasse von Strom- und Spannungswandlern entwickelt, die optische Geräte sind, die spezielle Materialien und fortschrittliche Signalverarbeitungstechniken verwenden, um den Strom auf der Grundlage der Polarisation von Licht unter dem Einfluss der magnetischen Feldstärke und die Spannung auf der Grundlage der Polarisation von Licht unter dem Einfluss der elektrischen Feldstärke zu bestimmen. Diese Geräte sind zwar deutlich teurer als die herkömmlichen Technologien, bieten aber eine höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit sowie eine bessere elektrische Isolierung.

Nachdem die Betriebsbedingungen gemessen wurden, werden die Informationen mit Hilfe eines Systems, das als SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) bezeichnet wird, an eine zentrale Stelle weitergeleitet. Die Daten des SCADA-Systems werden in der regionalen Leitstelle angezeigt, damit die Betreiber wissen, welche Maßnahmen für einen optimalen Betrieb des Systems ergriffen werden müssen.

Schutzrelais

Instrumententransformatoren liefern Eingänge für das automatische Schutzsystem. Um eine schnelle Reaktion auf Fehler zu ermöglichen, nimmt eine Gruppe von Geräten, die Relais genannt werden, die Spannungs- und Stromsignale entgegen, stellt fest, wann anormale Bedingungen vorliegen, und öffnet die Leistungsschalter als Reaktion auf die Fehlerbedingungen. Das Design des Schutzsystems öffnet nur die Leistungsschalter, die dem Problem am nächsten sind, so dass der Rest des Systems den normalen Betrieb wieder aufnehmen kann, nachdem der Fehler vom System getrennt wurde. In der Vergangenheit wurde die Bestimmung der zu öffnenden Leistungsschalter mit verschiedenen elektromechanischen Geräten durchgeführt, die die notwendigen Vergleiche und Verzögerungen in ihre Konstruktion eingebaut hatten. Dazu gehören Überstromrelais, Richtungsrelais, Distanzrelais, Differenzialrelais, Unterspannungsrelais und andere. Diese elektromechanischen Geräte haben sich seit den frühen 1900er Jahren als robust und zuverlässig erwiesen. In den späten 1950er Jahren bot eine neue Klasse von Relais, die Solid-State-Relais, die analoge Schaltungen und Logikgatter verwenden, im Grunde die gleiche Leistung, jedoch ohne bewegliche Teile und daher mit geringerem Wartungsaufwand. Mit dem Aufkommen von kostengünstigen Mikroprozessoren auf hohem Niveau wurde eine neue Generation von Relais geboren, bei der ein einziges mikroprozessorgestütztes Relais alle Funktionen mehrerer verschiedener elektromechanischer oder Halbleiterrelais übernimmt. Der Mikroprozessor bietet die Vorteile höherer Genauigkeit, verbesserter Empfindlichkeit gegenüber Fehlern, besserer Selektivität, Flexibilität, einfacher Bedienung und Prüfung sowie Selbstdiagnosefähigkeiten. Sie können in das SCADA-System integriert werden, um die Ursache der Schalteröffnung mitzuteilen, und können über Fernzugriff bedient, zurückgesetzt und aktualisiert werden. Diese Vorteile sind der Grund, warum mikroprozessorgesteuerte Relais in den meisten Neuinstallationen zu finden sind und auch in vielen bestehenden Umspannwerken nachgerüstet werden.

Zusätzlich zum Schutz gegen übermäßige Ströme müssen die Geräte auch gegen übermäßige Spannungen geschützt werden, die häufig durch Blitzeinschläge oder Schalttransienten entstehen. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit dieser Überspannungen können Relais und Leistungsschalter nicht rechtzeitig reagieren. Stattdessen wird diese Art von Schutz von Überspannungsableitern bereitgestellt, die passive Geräte sind, die Überspannungen ohne bewegliche Teile verhindern. Ein Luftspalt war der früheste Typ von Überspannungsableitern, bei dem ein spezieller Satz von Kontakten in einem durch die maximal tolerierbare Spannung festgelegten Abstand zueinander angeordnet ist. Wenn die Spannung diesen Schwellenwert überschreitet, bildet sich ein Lichtbogen, der die Überspannung im Wesentlichen kurzschließt. Die neuere Überspannungsableiter-Technologie ist der Metalloxid-Varistor (MOV). Dies ist ein Gerät, das sich bei Spannungen unterhalb des spezifizierten Schwellenwerts wie ein sehr großer Widerstand verhält, aber bei Spannungen oberhalb des Schwellenwerts fällt der Widerstand des Geräts sprunghaft ab, wodurch effektiv genug Strom gezogen wird, um die Spannung zu begrenzen, ohne dass es jedoch zu einem Kurzschluss mit der Erde kommt.

SYSTEMSPANNUNGSREGELUNG

Eine weitere Hauptfunktion einer Umspannstation ist die Bereitstellung von Mitteln zur Steuerung und Regelung von Spannungen und des Stromflusses. Diese Funktionen werden entweder durch Rückmeldung von einem automatischen System oder durch Fernbefehle von der Leitstelle unter Verwendung einer Reihe von Geräten und Systemen innerhalb der Unterstation bereitgestellt.

Ein Laststufenschalter, ein integraler Bestandteil eines Leistungstransformators, ist ein spezieller Schalter, der das Spannungsverhältnis des Transformators nach oben oder unten anpasst, um die Spannung auf der Lastseite trotz wechselnder Spannungen auf der Quellenseite auf dem gewünschten Niveau zu halten. Kondensatorbänke werden eingesetzt, um die Spannung in einem Umspannwerk anzuheben, wenn sie zu tief gesunken ist, insbesondere in Bereichen mit großen industriellen Lasten. Nebenschlussdrosseln werden eingesetzt, um Spannungen abzusenken, die aufgrund der Kapazität in der Übertragungs- oder Verteilungsleitung zu hoch angestiegen sind.

Eine weitere Klasse von Geräten zur Spannungsregelung wird mit leistungselektronischen Schaltern betrieben, die die Kapazität und/oder Induktivität in einer Unterstation kontinuierlich anpassen, um die Spannung genau auf dem gewünschten Niveau zu halten. Diese Geräte sind relativ neu im Einsatz und wurden mit dem Aufkommen von preiswerten und robusten Leistungshalbleiter-Bauteilen entwickelt. Diese Geräte sind Teil einer Gruppe, die allgemein als FACTS-Geräte (Flexible AC Transmission System) bekannt sind und statische Var-Kompensatoren, statische synchrone Kompensatoren und dynamische Spannungswiederherstellungsgeräte umfassen.

John A. Palmer

Siehe auch: Kondensatoren und Ultrakondensatoren, Elektrische Motorsysteme; Elektrische Energie, Erzeugung; Elektrische Energie, Systemschutz, Steuerung und Überwachung; Elektrische Energie, Systemzuverlässigkeit und; Elektrische Energieübertragungs- und -verteilungssysteme; Isolierung; Transformatoren.

BIBLIOGRAPHIE

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