Wie Mittelspannungsschaltanlagen in Stromverteilungssystemen funktionieren

Das Rückgrat zwischen Erzeugung und Konsum

Wenn Sie durch eine moderne Stadt gehen, werden Sie an Dutzenden von Installationen vorbeikommen, die darauf angewiesen sindMittelspannungsschaltanlageohne jemals einen gesehen zu haben. Sie sitzen in nicht gekennzeichneten Gebäuden, hinter Zäunen von Umspannwerken, in den Kellern von Gewerbetürmen und am Rande von Industrieparks. Sie sind die elektrischen Knotenpunkte, an denen der Strom von der Spannung auf Übertragungsebene auf die Spannung übergeht, die Fabriken, Rechenzentren, Krankenhäuser und Wohnblöcke tatsächlich nutzen.

Mittelspannungsschaltanlagen nehmen in der Energieverteilungskette eine besondere Stellung ein. Es befindet sich zwischen dem Hochspannungsübertragungsnetz – 110-kV-, 220-kV- oder 400-kV-Leitungen, die den Strom über große Entfernungen transportieren – und dem Niederspannungsverteilungsnetz mit 400 V oder 230 V, das die Endbenutzergeräte verbindet. Im Mittelspannungsbereich, typischerweise definiert als Spannungen über 1 kV und bis zu 40,5 kV oder 52 kV, abhängig von der angewendeten Norm, wird die große Energiemenge aufgeteilt und an verschiedene Lasten in einer Anlage oder einem geografischen Gebiet weitergeleitet.

In diesem Artikel wird erläutert, wie Mittelspannungsschaltanlagen auf Systemebene funktionieren, welche Funktionen sie erfüllen und warum sich die in der Schaltanlagenspezifikation getroffenen Entscheidungen auf die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Betriebskosten des gesamten nachgelagerten Verteilungsnetzes auswirken.

Wo sich Mittelspannungsschaltanlagen im System befinden

Um zu verstehen, was Mittelspannungsschaltanlagen tun, ist es hilfreich, den Strompfad vom Netz zu einer Last zu verfolgen.

Eine typische Industrie- oder Gewerbeanlage erhält Strom vom örtlichen Energieversorger mit Mittelspannung – je nach Land sind 10 kV, 11 kV, 20 kV oder 33 kV üblich. Dieser Strom gelangt über Erdkabel oder Freileitungen in die Hauptschaltanlage der Anlage, bei der es sich um eine Mittelspannungsschaltanlage handelt. Von dort fließt es über Leistungsschalter und Sammelschienen zu mehreren Zielen. Einige Einspeisungen führen zu Transformatoren, die die Spannung zur allgemeinen Verteilung innerhalb der Anlage auf 400 V heruntertransformieren. Andere Einspeiser versorgen möglicherweise große Motoren, Kältemaschinen oder Kompressoren direkt mit Mittelspannung, da die Last zu groß ist, um wirtschaftlich mit Niederspannung versorgt zu werden. Wieder andere Einspeiser können an die Erzeugung vor Ort angeschlossen werden, beispielsweise an Gasturbinen oder Notstromdieselgeneratoren, oder an erneuerbare Energiequellen wie Solarwechselrichter auf dem Dach.

Die Mittelspannungsschaltanlage ist die Steuerstelle für alle diese Leistungsflüsse. Es kann jeden Feeder einzeln anschließen oder isolieren. Es kann jeden Feeder vor Fehlern schützen. Es kann den Bus in separate Abschnitte aufteilen, um die Zuverlässigkeit zu verbessern. Und es stellt die Mess- und Überwachungspunkte bereit, die die Betreiber der Anlage nutzen, um zu verstehen, was ihr elektrisches System zu einem bestimmten Zeitpunkt tut.

Kernfunktionen vonMittelspannungsschaltanlage

Mittelspannungsschaltanlagen erfüllen in einem Stromverteilungssystem vier grundlegende Funktionen. Das Verständnis jedes einzelnen erklärt, warum die Ausrüstung so konzipiert ist, wie sie ist.

Funktion Eins: Schalten unter normalen Bedingungen

Die grundlegendste Funktion jeder Schaltanlage besteht darin, Stromkreise unter normaler Last zu verbinden und zu trennen. Eine Zuführung zu einer Produktionslinie muss bei laufender Linie mit Strom versorgt und für Wartungsarbeiten abgeschaltet werden. Ein Generator-Leistungsschalter muss schließen, wenn der Generator online geschaltet wird, und öffnen, wenn er offline geschaltet wird. Ein Sammelschienenkoppler muss zwei Abschnitte der Sammelschiene verbinden, wenn ein Transformator außer Betrieb genommen wird, und der verbleibende Transformator muss beide Abschnitte versorgen.

Diese Schaltvorgänge sind zwar Routine, aber nicht trivial. Das Schaltgerät muss in der Lage sein, den vollen Laststrom ohne übermäßige Lichtbogenbildung oder Kontakterosion zu unterbrechen. Diesen Vorgang muss es im Laufe seiner Lebensdauer tausende Male durchführen können. Und zwar so, dass die Sicherheit des Bedieners, der vor der Schalttafel steht, nicht gefährdet wird.

Vakuum-Leistungsschalter übernehmen diese Aufgabe heute für die meisten Mittelspannungsanwendungen. Der Vakuumunterbrecher löscht den Lichtbogen in einer versiegelten Keramikflasche, in der sich kein zu ionisierendes Gas, kein zu zersetzendes Öl und nichts, was gewartet werden muss, befinden. Für Anwendungen mit geringerer Schaltfrequenz können Lasttrennschalter – die einfacher und kostengünstiger als Vollleistungsschalter sind – für Abzweige verwendet werden, von denen nicht erwartet wird, dass sie den Fehlerstrom unterbrechen.

Funktion Zwei: Fehlerschutz

Während das Schalten unter normalen Bedingungen zur Routinearbeit einer Schaltanlage gehört, ist der Fehlerschutz ihre entscheidende Aufgabe. Ein Fehler – ein Kurzschluss zwischen Phasen oder zwischen einer Phase und Erde – kann Energie in einem Ausmaß freisetzen, das schwer vorstellbar ist. Der Strom an der Fehlerstelle kann innerhalb von Millisekunden auf mehrere Zehntausend Ampere ansteigen. Die durch diesen Strom erzeugten thermischen und mechanischen Kräfte können Geräte zerstören, Brände auslösen und Personal verletzen.

Die Schaltanlage muss den Fehler erkennen, den Strom unterbrechen und den fehlerhaften Abschnitt isolieren, bevor eine dieser Folgen eintritt. Dafür müssen drei Dinge zusammenarbeiten: ein Schutzrelais, das den abnormalen Strom erkennt, ein Leistungsschalter, der ihn unterbrechen kann, und ein Systemdesign, das Kollateralschäden an gesunden Teilen des Netzwerks begrenzt.

Mittelspannungsschutzrelais werden immer ausgefeilter. Moderne numerische Relais können zwischen verschiedenen Arten von Fehlern unterscheiden, zwischen Fehlern auf ihrer geschützten Zuleitung und Fehlern nachgelagert unterscheiden und Wellenformdaten aufzeichnen, die Ingenieuren helfen, zu verstehen, was nach dem Ereignis passiert ist. Das Relais kann jedoch nur ein Auslösesignal senden. Der Leistungsschalter muss dann seine Kontakte physisch gegen die gesamten elektromagnetischen Kräfte des Fehlerstroms trennen, den sich zwischen ihnen bildenden Lichtbogen löschen und seine Spannungsfestigkeit schnell genug wiederherstellen, um eine erneute Zündung zu verhindern. Dafür ist ein Vakuum-Leistungsschalter mit einem Bemessungskurzschlussausschaltstrom von 25 kA bzw. 31,5 kA ausgelegt und geprüft.

Funktion Drei: Isolierung zur Sicherheit

Der Fehlerschutz beseitigt gefährliche Zustände automatisch. Unter Isolierung versteht man eine bewusste Maßnahme, um Geräte für die Arbeit an Geräten sicher zu machen.

Wenn ein Wartungsteam auf einen Transformator, einen Kabelabschluss oder einen Leistungsschalter selbst zugreifen muss, benötigt es eine sichtbare, überprüfbare Unterbrechung im Stromkreis. Sie müssen wissen, dass der Stromkreis nicht versehentlich wieder eingeschaltet werden kann. Außerdem müssen die Geräte geerdet sein, damit Restspannungen oder induzierte Spannungen keine Gefahr darstellen können.

Mittelspannungsschaltanlagen ermöglichen dies durch die Kombination von Leistungsschaltern, Trennschaltern und Erdungsschaltern, die alle miteinander verriegelt sind, sodass der Betrieb einer sicheren Reihenfolge folgen muss. Der Bediener muss zuerst den Leistungsschalter öffnen, dann den Trennschalter öffnen, um eine sichtbare Isolationslücke zu schaffen, und dann den Erdungsschalter schließen, um den isolierten Abschnitt zu erden. Die mechanischen Verriegelungen verhindern, dass einer dieser Schritte fehlerhaft ausgeführt wird. Dabei handelt es sich um das „Five Prevention“-Verriegelungssystem, das bei allen modernen Fahrzeugen Standard istMittelspannungsschaltanlage.

Funktion vier: Messung und Überwachung

Kein Vertriebssystem kann ohne Daten verwaltet werden. Strommessungen teilen den Schutzrelais mit, was das System tut. Spannungsmessungen ermöglichen die Überwachung der Netzqualität und Synchronisationsprüfungen. Energiemessungen sind die Grundlage für die Abrechnung und Kostenzuordnung. Und zunehmend werden Zustandsüberwachungsdaten der Schaltanlage selbst – Temperatur, Teilentladung, Mechanismuslaufzeit – verwendet, um vorherzusagen, wann eine Wartung erforderlich ist, bevor es zu einem Ausfall kommt.

Mittelspannungsschaltanlagen integrieren alle diese Messfunktionen. Stromwandler und Spannungswandler werden im Kabelraum oder auf den Sammelschienen montiert. Ihre Sekundärausgänge sind mit Schutzrelais, Messgeräten und Wandlern im Niederspannungsraum verbunden. In modernen Installationen kommunizieren diese Geräte über digitale Protokolle wie IEC 61850, Modbus oder Profibus mit dem zentralen SCADA- oder Energiemanagementsystem der Anlage. Das Schaltfeld ist sowohl ein Leistungsgerät als auch eine Datenquelle.

Schaltanlagenkonfigurationen in Verteilungssystemen

Die physische Anordnung von Schaltfeldern in einem Verteilungssystem ist nicht willkürlich. Es spiegelt die Betriebsphilosophie der Anlage und die Zuverlässigkeitsanforderungen der bedienten Lasten wider.

Einzelne Sammelschiene

Die einfachste Konfiguration ist eine einzelne Sammelschiene, an die alle eingehenden und ausgehenden Abzweige angeschlossen sind. Ein einzelner Transformator versorgt den Bus. Wenn der Transformator ausfällt oder wegen Wartungsarbeiten außer Betrieb genommen wird, verlieren alle Lasten an diesem Bus Strom. Diese Konfiguration ist kostengünstig und einfach zu bedienen, bietet jedoch keine Redundanz. Es wird dort eingesetzt, wo die Folgen einer Versorgungsunterbrechung tolerierbar sind – bei einem kleinen Gewerbegebäude, einem unkritischen Industrieprozess oder einer vorübergehenden Bauversorgung.

Unterteilte Einzelsammelschiene

Durch das Hinzufügen eines Sammelschienenabschnitts-Leistungsschalters entstehen zwei Sammelschienenabschnitte, die unabhängig voneinander betrieben oder miteinander gekoppelt werden können. Jeder Abschnitt wird von einem eigenen Transformator versorgt. Fällt ein Transformator aus, schließt der Sammelschienenkoppler und der funktionsfähige Transformator versorgt beide Abschnitte. Während der Übertragung kommt es zu einer kurzen Unterbrechung der Lasten, die jedoch schnell wiederhergestellt wird. Dies ist die gebräuchlichste Konfiguration für mittelgroße Industrieanlagen und Gewerbeanlagen, bei denen eine gewisse Ausfallzeit für die Wartung akzeptabel ist, ein völliger Versorgungsausfall jedoch nicht.

Main-Tie-Main

Bei einer Main-Tie-Main-Konfiguration wird ein Sammelschienenkoppler zwischen zwei separaten Sammelschienenabschnitten platziert, von denen jeder über einen eigenen Haupteingangsschalter und Transformator verfügt. Der Koppler ist normalerweise offen. Wenn einer der Transformatoren verloren geht, schließt die Kupplung automatisch oder durch Eingreifen des Bedieners. Diese Konfiguration bietet eine höhere Zuverlässigkeit als ein einfacher unterteilter Bus, da der Kopplerbetrieb automatisiert werden kann und die Übertragung ohne Bedienereingriff erfolgen kann. Es wird in kritischen Einrichtungen wie Krankenhäusern, Rechenzentren und Industrieanlagen mit kontinuierlichem Prozess eingesetzt.

Konfiguration der Ring Main Unit (RMU).

Für Verteilungsnetze, die mehrere geografisch verteilte Lasten versorgen – ein Universitätscampus, ein städtisches Verteilungsnetz, ein Windpark-Kollektorsystem – ist die Konfiguration der Ringleitungseinheit die Standardlösung. Mehrere RMU-Felder werden in einem Ring verbunden, wobei jedes Feld normalerweise zwei Lasttrennschalter für die Ringabzweige und einen Leistungsschalter oder Sicherungsschalter für den lokalen Transformator enthält. Der Strom kann in beide Richtungen um den Ring herum fließen. Wenn irgendwo im Ring ein Kabelfehler auftritt, können die beiden an den Fehler angrenzenden RMU-Panels den beschädigten Abschnitt isolieren und alle anderen Lasten werden weiterhin von der fehlerfreien Seite des Rings mit Strom versorgt. Diese Architektur bietet ein Maß an Versorgungszuverlässigkeit, das ein Radialsystem nicht erreichen kann, und das zu Kosten, die weitaus geringer sind als bei der Vervielfältigung der gesamten Versorgungsinfrastruktur.

COTENELE liefert SF₆-freie 24-kV-RMUs für Ringleitungsanwendungen, die trockene Luft als Isoliermedium in einem lebenslang versiegelten Edelstahltank verwenden. Die RMU-Module – Einspeisung, Abgang, Transformatorschutz, Buskoppler und Direktmessung – bestehen aus standardisierten, typgeprüften Unterbaugruppen, die passend zum Projekt-Einzelliniendiagramm konfiguriert werden können.

Der Übergang zu SF₆-Freiheit in Verteilungsschaltanlagen

Eine wichtige Entwicklung bei Mittelspannungsschaltanlagen im letzten Jahrzehnt war die Abkehr von SF₆-Gas als Isolier- und Lichtbogenlöschmedium. Dies gilt insbesondere für gasisolierte Schaltanlagen und Ringkabelanlagen, bei denen SF₆ traditionell zum Befüllen des versiegelten Tanks verwendet wurde, der alle stromführenden Teile umschließt.

Treiber für diesen Übergang sind Umweltvorschriften, insbesondere die EU-F-Gas-Verordnung, die nun neue SF₆-Schaltanlagen bis 24 kV auf dem europäischen Markt verbietet. Der Übergang wird aber auch durch eine fundierte Ingenieurslogik unterstützt. Trockene Luft und Stickstoff haben kein Treibhauspotenzial, erfordern keine besondere Behandlung am Ende ihrer Lebensdauer und eliminieren den Verwaltungsaufwand für die Aufzeichnung von F-Gasen und die Meldung von Lecks. Die Vakuumunterbrechung, die seit Jahrzehnten der Standard für Leistungsschalteranwendungen ist, ermöglicht die Lichtbogenlöschfunktion ganz ohne Gas.

Für einen Anlagenbetreiber ist der praktische Unterschied zwischen einer SF₆RMU und einer Trockenluft-RMU in Bezug auf die elektrische Leistung minimal – beide sind nach derselben Norm IEC 62271-200 typgeprüft. Der Unterschied zeigt sich in den betrieblichen Abläufen. Eine Trockenluft-RMU mit einem lebenslang versiegelten Tank muss keinen Gasdruck überwachen, keinen Nachfüllplan einhalten und keine Gasrückgewinnung am Ende der Lebensdauer organisieren. Für einen Versorgungs- oder Industriebetreiber, der Hunderte von Umspannwerken verwaltet, ist diese Vereinfachung von echtem Wert.

Entwerfen eines Verteilungssystems: Die Schaltanlagenspezifikation

Für Ingenieure, die Mittelspannungsschaltanlagen spezifizieren, legen mehrere Entscheidungen die endgültige Systemkonfiguration fest.

Spannung und Fehlerpegel. Die Netzspannung bestimmt die dielektrische Auslegung der Schaltanlage. Der verfügbare Fehlerstrom bestimmt das erforderliche Kurzschlussausschaltvermögen. Beides wird durch den vorgeschalteten Netzanschluss und die Transformatorimpedanz bestimmt. Es ist gefährlich, die Fehlerbewertung zu niedrig anzugeben. Eine Überspezifizierung verursacht unnötige Kosten. Die richtige Zahl stammt aus einer Kurzschlussstudie.

Sammelschienenkonfiguration. Die Wahl zwischen Konfigurationen mit Einzelsammelschiene, unterteilter Sammelschiene und Haupt-Hauptleitung hängt von den Zuverlässigkeitsanforderungen und dem Budget ab. Konfigurationen mit höherer Zuverlässigkeit erhöhen die Anzahl der Module, erhöhen die Kosten und erhöhen die Komplexität, schützen aber vor der häufigsten Ursache längerer Ausfälle: dem Ausfall des Transformators.

Leistungsschalter versus Sicherungsschütz. Bei Einspeisungen, die Transformatoren versorgen, bietet ein Leistungsschalter sowohl Überlast- als auch Kurzschlussschutz. Bei Abzweigen, die Motoren versorgen, kann ein Sicherungsschütz wirtschaftlicher sein und einen besseren Schutz vor motorspezifischen Fehlerzuständen bieten. Die Entscheidung hängt von der Lastart und dem erforderlichen Grad der Schutzkoordination ab.

Fest oder ausfahrbar. Feste Schaltanlagen sind einfacher und kostengünstiger, aber jede Wartung des Leistungsschalters erfordert die Abschaltung des gesamten Sammelschienenabschnitts. Mit der ausfahrbaren Schaltanlage kann ein Leistungsschalter zu Wartungszwecken ausgefahren werden, während der Bus unter Spannung bleibt. Bei kritischen Anlagen, bei denen Ausfallzeiten extrem kostspielig sind, ist die ausfahrbare Konfiguration in der Regel gerechtfertigt.

Integration und Kommunikation. Die Schaltanlage muss mit dem Schutz- und Steuerungssystem der Anlage verbunden sein. Das Kommunikationsprotokoll, die Art und Anzahl der Strom- und Spannungswandler sowie die Hilfsstromversorgung für Schutzrelais und Steuerkreise müssen in der Spezifikation festgelegt werden.