Schaltanlagen und Transformatoren Seminare

Elektrotechnik_02-03_Schaltanlagen_Trasnformatoren2_HDT_AP_0595244ab58c42

Die sichere Versorgung mit Elektroenergie ist ein wichtiges Kriterium im Wettbewerb der Industriestandorte. Die Stromversorger haben in der Vergangenheit ihre Netze stetig ausgebaut und ertüchtigt um den zukünftigen Anforderungen zu entsprechen. 

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Schaltanlagen und Transformatoren Seminare

Elektrotechnik_02-03_Schaltanlagen_Trasnformatoren2_HDT_AP_0595244ab58c42

Die sichere Versorgung mit Elektroenergie ist ein wichtiges Kriterium im Wettbewerb der Industriestandorte. Die Stromversorger haben in der Vergangenheit ihre Netze stetig ausgebaut und ertüchtigt um den zukünftigen Anforderungen zu entsprechen. 

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Neben Kraftwerken und Leitungen nehmen die Schaltanlagen eine zentrale Rolle in der Energieübertragung und Verteilung ein: Sie übernehmen mit Hilfe von Transformatoren im Leistungsbereich von etwa 100 MVA bis 1000 MVA die Kopplung zwischen den Spannungsebenen 110 kV - 380 kV. Sie bieten die Möglichkeit der Stromkreisauftrennung sowohl im Fehlerfall (selektiv) als auch für betriebliche Arbeiten an Übertragungsstrecken und Schaltanlagen. Durch die Art der Betriebsführung (z. B. Konzentration von Verbrauchern mit hohen Wechsellasten auf einer Sammelschiene und direkter Kopplung dieser Sammelschiene mit der höheren Spannungsebene) können Rückwirkungen auf andere Verbraucher stark reduziert werden. Die Schaltung von Netzgruppen ermöglicht eine Verringerung der Kurzschlussleistung.


Die technischen Entwicklungen der Hersteller haben in den vergangenen Jahrzehnten die Zuverlässigkeit der Geräte stetig verbessert. Damit einher gehen geringere Wartungsaufwendungen, teilweise werden wartungsfreie Geräte propagiert. Neben diesen Vorteilen ergeben sich damit auch für das Design einer Hochspannungs-Schaltanlage neue Ansätze.

Kompaktes Design


Die gezielte Ausnutzung der größeren Zuverlässigkeit der Geräte kann in einem kompakten Design der luftisolierten Anlage (AIS) umgesetzt werden. Die Abstände innerhalb einer AIS sind definiert in der DIN VDE 0101 und ergeben sich aus den elektrischen Isolationsabständen, -Abstände, die eine Montage der Geräte ermöglichen und -Abständen, die aus sicherheitstechnischen Belangen gefordert sind. Schaltanlagen kompakt zu bauen heißt, Abstände auf das elektrisch nötige Maß zu verringern und damit die Zugänglichkeit einzelner Geräte einzuschränken.

Wartungen sind nur bei Abschaltung größerer Anlagenteile (mehrere Felder, Sammelschienen, Sammelschienenabschnitte) oder nur bei Komplettabschaltung möglich.

Bei sehr enger Anordnung der Einzelgeräte, können diese auf einen gemeinsamen Träger montiert werden. Solche Module werden im Werk vorgefertigt, -geprüft und können schnell installiert werden. International werden Anlagenkonzepte diskutiert, bei denen auch die Isolationsabstände verringert sind. Solche Anlagen sind möglich, wenn die Isolationskoordination für die Schaltanlage einen geringeren Isolationspegel ergibt.


Kombigeräte


In der klassischen Schaltanlage hat jede Komponente bestimmte Grundaufgaben zu erfüllen, z. B.

  • 
Potentiale trennen – Trennschalter

  • Erden – Erdungsschalter

  • Leistungsflüsse schalten – Leistungsschalter
  • 
Kurzschlüsse abschalten – Leistungsschalter

  • Ströme/Spannungen messen – Strom-/Spannungswandler
  • 
Überspannungen begrenzen – Überspannungsableiter.

Mit diesen Grundkomponenten können sehr flexibel alle denkbaren Grundschaltungen realisiert werden. Die Kombination von Geräten verschiedener Hersteller ist problemlos möglich. Werden bestimmte Aufgaben in einem neuen Gerät vereinigt, verringert sich diese Flexibilität und die Spezialisierung wächst. Allerdings ermöglichen derartige Kombigeräte Schaltanlagen mit weniger Komponenten, mithin kann von einer größeren Verfügbarkeit der Anlage ausgegangen werden. Drehbare oder schwenkbare Leistungsschalter kombinieren die Schaltfunktion mit der Trennfunktion ebenso wie ausfahrbare Leistungsschalter. Dabei kann der Schalter für Revisionszwecke entfernt werden, ähnlich dem Prinzip in der Mittelspannungstechnik. Leistungsschalter, deren Schaltstrecke auch Trennstreckenbedingungen erfüllen, kombinieren gleichfalls beide Funktionen und besitzen weniger bewegliche Teile, die Trennstrecke ist im Isoliergas eingebettet und damit nicht der Atmosphäre ausgesetzt. Wird dieser Kombischalter als Dead-Tank-Schalter ausgeführt, fließen keine Kriechströme zwischen den Hochspannungskontakten. Kombischalter sind überall dort zweckmäßig einzusetzen, wo Schaltfunktion und Trennfunktion in einem Strompfad (d. h. ohne Abzweigung) aus netzbetrieblichen Gründen gefordert sind, z. B. bei H-Schaltungen und deren Varianten, Einfachsammelschienen-, 1,5- und 2 Leistungsschalteranlagen. Bei Mehrfachsammelschienenanlagen würden demgegenüber zusätzliche Trennschalter benötigt, sofern nicht auch die Funktion der Knotenauswahl im Kombigerät integriert ist. Ebenso wären die Vorteile des Kombischalters aufgehoben, wenn für Wartungszwecke zusätzliche Trennschalter eingebaut würden.


Gasisolierte Anlagen


So wie der SF6-Schalter um Funktionen erweitert wird und damit neue Gerätetypen entstehen, können aus Grundbausteinen von SF6-Anlagen neue freilufttaugliche SF6-Module zusammengesetzt werden, selbst komplette SF6-Anlagen stehen als Freiluftausführung zur Verfügung. Das klassische Anlagendesign berücksichtigt die Wartung einzelner Komponenten mit möglichst wenigen Einschränkungen für den Betrieb der Schaltanlage und autark von den vom Netz gegebenen Möglichkeiten zur Reservierung. So sind Sammelschienenanlagen mit Umgehungsschienen ausgerüstet worden, H-Schaltungen haben eine zweite Möglichkeit zur Durchschleifung der beiden Leitungen und mit provisorischen Verbindungen können Anlagenteile überbrückt werden.

Bei ausreichend starker Vermaschung der Netze und Reserven in der Übertragungskapazität, ergibt sich die Möglichkeit zur Reservierung durch das Netz selbst. So können durch Umschaltungen im Netz teilweise ganze Einspeise- und Transformatorfelder freigeschaltet werden, ohne daß Versorgungsunterbrechungen in Kauf genommen werden müssen. Deshalb ist beispielsweise beim (Ersatz-) Neubau von Sammelschienenanlagen die Errichtung von Umgehungsschienen hierzulande selten, in Ländern mit geringer Netzvermaschung jedoch durchaus üblich.

Zusammenfassung


Mit neuen Geräten und Konzepten ist auf der einen Seite mit geringerem Wartungsaufwand und geringerer Ausfallwahrscheinlichkeit zu rechnen. Andererseits sind die eventuell größeren Auswirkungen für die Abnehmerversorgung zu beachten, wenn Wartungen oder Reparaturen an Anlagenteilen durchzuführen sind. Dieses Risiko ist zu bewerten unter Berücksichtigung der Aufgaben der Schaltanlage, ihrer Bedeutung im Netz und den Möglichkeiten zur Reservierung durch das Netz. Die meisten der in Deutschland zu errichtenden Schaltanlagen sind Erweiterungen vorhandener Anlagen oder deren Ertüchtigung. Oft werden die Anlagen für höhere Kurzschlußströme ausgelegt. Charakteristisch für solche Umbaumaßnahmen sind sehr strenge Zeitvorgaben für die Freischaltung von Anlagenteilen. Hierbei können kompakte Anordnungen und Geräte in die Umbaustrategien einfließen.

Nachfolgend die für den Freiluft-Schaltanlagenbau wesentlichen Bestimmungen: DIN VDE 0100 Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen bis 1000 Volt DIN VDE 0101 (HD 637 S1) Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen über 1 kV DIN VDE 0103 (EN 60865-1) Bemessung von Starkstromanlagen auf mechanische und thermische Kurzschlussfestigkeit DIN VDE 0105 (EN 50110-1) Betrieb von Starkstromanlagen DIN VDE 0111 (EN 60071-1) Isolationskoordination für Betriebsmittel in Drehstromnetzen über 1 kV DIN VDE 0143 (EN 50186-1) Abspritzeinrichtungen für Starkstromanlagen mit Nennspannungen über 1 kV
Quelle: Vortragsauszüge (Dr.-Ing. Ulrich Küchler RWE Westfalen-Weser-Ems Netzservice GmbH, Dr.-Ing. Gert Hentschel AREVA Energietechnik GmbH) der jährlich stattfindenden Tagung Hochspannungsschaltanlagen.

Transformator

Der Transformator entspricht der Stelle der Verknüpfung der Spannungsebenen und stellt somit eine galvanische Trennung der Netzteile dar. Wegen seines induktiven Wirkprinzips kann er nur Wechselgrößen übertragen.

Schaltanlage

Das Netz muss entsprechend den technischen Bedürfnissen konfigurierbar sein. Außerdem sind unzulässige Fehlzustände zu erkennen und abzustellen. Dafür gibt es im Rahmen der Schaltanlagen die beiden Funktionen Schalten und Trennen.

 

 

SF6-Schaltanlagen und – Betriebsmittel

Auszug aus BGI 753 (verfasst von Herrn Reimüller, ABB und Prof. Valtin)

Schaltanlagen und elektrische Betriebsmittel sind wichtige Bestandteile der elektrischen Energieübertragung und -verteilung. Die jeweils angewandte Spannungsebene wird dabei von der Übertragungsleistung und der Übertragungslänge der Netze vorgegeben.

Schaltanlagen können in luftisolierter bzw. gasisolierter Bauweise ausgeführt werden. Die Hauptkomponenten einer Schaltanlage sind die Sammelschienen, die Schaltgeräte, Strom- und Spannungswandler, die Bauteile für den Leitungs- und Kabelanschluss sowie die Komponenten für die Steuerung/Überwachung, den Netzschutz und die Automatisierung.

Beim Einsatz von SF6 kann grundsätzlich zwischen den Funktionen Isolieren und Schalten (Löschen von Schaltlichtbögen) differenziert werden.

Bei den MS-Anlagen und -Betriebsmitteln (Bemessungsspannungen größer 1 kV bis einschließlich 52 kV) unterscheidet man zwischen der primären- und sekundären Verteilungsebene.

Auf der primären Verteilungsebene kommen in der Regel gasisolierte bzw. luftisolierte Leistungsschalteranlagen zur Anwendung. Leistungsschalter in der Mittelspannung werden vorzugsweise mit Vakuumschaltkammern ausgeführt. Die Vakuumschaltkammern sind zusammen mit allen anderen Spannung führenden Teilen in Schotträume eingebaut, die mit SF6 bzw. Luft als Isolationsmedium gefüllt sind.

Auf der sekundären Verteilungsebene werden in der Hauptsache gasisolierte Lasttrennschalteranlagen (RMU) eingesetzt. Die SF6-Lasttrennschalter in diesen Schaltanlagen müssen Lastströme schalten und sie dienen zusätzlich dem Freischalten elektrischer Betriebs- und Netzteile zum Zwecke von Arbeiten. Die gängige gasisolierte Schaltanlagentechnik in der Sekundärverteilebene verwendet SF6 als gemeinsames Isolier- und Schaltmedium in einem gasgefüllten Schottraum.

Neben Kraftwerken und Leitungen nehmen die Schaltanlagen eine zentrale Rolle in der Energieübertragung und Verteilung ein: Sie übernehmen mit Hilfe von Transformatoren im Leistungsbereich von... mehr erfahren »
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Neben Kraftwerken und Leitungen nehmen die Schaltanlagen eine zentrale Rolle in der Energieübertragung und Verteilung ein: Sie übernehmen mit Hilfe von Transformatoren im Leistungsbereich von etwa 100 MVA bis 1000 MVA die Kopplung zwischen den Spannungsebenen 110 kV - 380 kV. Sie bieten die Möglichkeit der Stromkreisauftrennung sowohl im Fehlerfall (selektiv) als auch für betriebliche Arbeiten an Übertragungsstrecken und Schaltanlagen. Durch die Art der Betriebsführung (z. B. Konzentration von Verbrauchern mit hohen Wechsellasten auf einer Sammelschiene und direkter Kopplung dieser Sammelschiene mit der höheren Spannungsebene) können Rückwirkungen auf andere Verbraucher stark reduziert werden. Die Schaltung von Netzgruppen ermöglicht eine Verringerung der Kurzschlussleistung.


Die technischen Entwicklungen der Hersteller haben in den vergangenen Jahrzehnten die Zuverlässigkeit der Geräte stetig verbessert. Damit einher gehen geringere Wartungsaufwendungen, teilweise werden wartungsfreie Geräte propagiert. Neben diesen Vorteilen ergeben sich damit auch für das Design einer Hochspannungs-Schaltanlage neue Ansätze.

Kompaktes Design


Die gezielte Ausnutzung der größeren Zuverlässigkeit der Geräte kann in einem kompakten Design der luftisolierten Anlage (AIS) umgesetzt werden. Die Abstände innerhalb einer AIS sind definiert in der DIN VDE 0101 und ergeben sich aus den elektrischen Isolationsabständen, -Abstände, die eine Montage der Geräte ermöglichen und -Abständen, die aus sicherheitstechnischen Belangen gefordert sind. Schaltanlagen kompakt zu bauen heißt, Abstände auf das elektrisch nötige Maß zu verringern und damit die Zugänglichkeit einzelner Geräte einzuschränken.

Wartungen sind nur bei Abschaltung größerer Anlagenteile (mehrere Felder, Sammelschienen, Sammelschienenabschnitte) oder nur bei Komplettabschaltung möglich.

Bei sehr enger Anordnung der Einzelgeräte, können diese auf einen gemeinsamen Träger montiert werden. Solche Module werden im Werk vorgefertigt, -geprüft und können schnell installiert werden. International werden Anlagenkonzepte diskutiert, bei denen auch die Isolationsabstände verringert sind. Solche Anlagen sind möglich, wenn die Isolationskoordination für die Schaltanlage einen geringeren Isolationspegel ergibt.


Kombigeräte


In der klassischen Schaltanlage hat jede Komponente bestimmte Grundaufgaben zu erfüllen, z. B.

  • 
Potentiale trennen – Trennschalter

  • Erden – Erdungsschalter

  • Leistungsflüsse schalten – Leistungsschalter
  • 
Kurzschlüsse abschalten – Leistungsschalter

  • Ströme/Spannungen messen – Strom-/Spannungswandler
  • 
Überspannungen begrenzen – Überspannungsableiter.

Mit diesen Grundkomponenten können sehr flexibel alle denkbaren Grundschaltungen realisiert werden. Die Kombination von Geräten verschiedener Hersteller ist problemlos möglich. Werden bestimmte Aufgaben in einem neuen Gerät vereinigt, verringert sich diese Flexibilität und die Spezialisierung wächst. Allerdings ermöglichen derartige Kombigeräte Schaltanlagen mit weniger Komponenten, mithin kann von einer größeren Verfügbarkeit der Anlage ausgegangen werden. Drehbare oder schwenkbare Leistungsschalter kombinieren die Schaltfunktion mit der Trennfunktion ebenso wie ausfahrbare Leistungsschalter. Dabei kann der Schalter für Revisionszwecke entfernt werden, ähnlich dem Prinzip in der Mittelspannungstechnik. Leistungsschalter, deren Schaltstrecke auch Trennstreckenbedingungen erfüllen, kombinieren gleichfalls beide Funktionen und besitzen weniger bewegliche Teile, die Trennstrecke ist im Isoliergas eingebettet und damit nicht der Atmosphäre ausgesetzt. Wird dieser Kombischalter als Dead-Tank-Schalter ausgeführt, fließen keine Kriechströme zwischen den Hochspannungskontakten. Kombischalter sind überall dort zweckmäßig einzusetzen, wo Schaltfunktion und Trennfunktion in einem Strompfad (d. h. ohne Abzweigung) aus netzbetrieblichen Gründen gefordert sind, z. B. bei H-Schaltungen und deren Varianten, Einfachsammelschienen-, 1,5- und 2 Leistungsschalteranlagen. Bei Mehrfachsammelschienenanlagen würden demgegenüber zusätzliche Trennschalter benötigt, sofern nicht auch die Funktion der Knotenauswahl im Kombigerät integriert ist. Ebenso wären die Vorteile des Kombischalters aufgehoben, wenn für Wartungszwecke zusätzliche Trennschalter eingebaut würden.


Gasisolierte Anlagen


So wie der SF6-Schalter um Funktionen erweitert wird und damit neue Gerätetypen entstehen, können aus Grundbausteinen von SF6-Anlagen neue freilufttaugliche SF6-Module zusammengesetzt werden, selbst komplette SF6-Anlagen stehen als Freiluftausführung zur Verfügung. Das klassische Anlagendesign berücksichtigt die Wartung einzelner Komponenten mit möglichst wenigen Einschränkungen für den Betrieb der Schaltanlage und autark von den vom Netz gegebenen Möglichkeiten zur Reservierung. So sind Sammelschienenanlagen mit Umgehungsschienen ausgerüstet worden, H-Schaltungen haben eine zweite Möglichkeit zur Durchschleifung der beiden Leitungen und mit provisorischen Verbindungen können Anlagenteile überbrückt werden.

Bei ausreichend starker Vermaschung der Netze und Reserven in der Übertragungskapazität, ergibt sich die Möglichkeit zur Reservierung durch das Netz selbst. So können durch Umschaltungen im Netz teilweise ganze Einspeise- und Transformatorfelder freigeschaltet werden, ohne daß Versorgungsunterbrechungen in Kauf genommen werden müssen. Deshalb ist beispielsweise beim (Ersatz-) Neubau von Sammelschienenanlagen die Errichtung von Umgehungsschienen hierzulande selten, in Ländern mit geringer Netzvermaschung jedoch durchaus üblich.

Zusammenfassung


Mit neuen Geräten und Konzepten ist auf der einen Seite mit geringerem Wartungsaufwand und geringerer Ausfallwahrscheinlichkeit zu rechnen. Andererseits sind die eventuell größeren Auswirkungen für die Abnehmerversorgung zu beachten, wenn Wartungen oder Reparaturen an Anlagenteilen durchzuführen sind. Dieses Risiko ist zu bewerten unter Berücksichtigung der Aufgaben der Schaltanlage, ihrer Bedeutung im Netz und den Möglichkeiten zur Reservierung durch das Netz. Die meisten der in Deutschland zu errichtenden Schaltanlagen sind Erweiterungen vorhandener Anlagen oder deren Ertüchtigung. Oft werden die Anlagen für höhere Kurzschlußströme ausgelegt. Charakteristisch für solche Umbaumaßnahmen sind sehr strenge Zeitvorgaben für die Freischaltung von Anlagenteilen. Hierbei können kompakte Anordnungen und Geräte in die Umbaustrategien einfließen.

Nachfolgend die für den Freiluft-Schaltanlagenbau wesentlichen Bestimmungen: DIN VDE 0100 Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen bis 1000 Volt DIN VDE 0101 (HD 637 S1) Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen über 1 kV DIN VDE 0103 (EN 60865-1) Bemessung von Starkstromanlagen auf mechanische und thermische Kurzschlussfestigkeit DIN VDE 0105 (EN 50110-1) Betrieb von Starkstromanlagen DIN VDE 0111 (EN 60071-1) Isolationskoordination für Betriebsmittel in Drehstromnetzen über 1 kV DIN VDE 0143 (EN 50186-1) Abspritzeinrichtungen für Starkstromanlagen mit Nennspannungen über 1 kV
Quelle: Vortragsauszüge (Dr.-Ing. Ulrich Küchler RWE Westfalen-Weser-Ems Netzservice GmbH, Dr.-Ing. Gert Hentschel AREVA Energietechnik GmbH) der jährlich stattfindenden Tagung Hochspannungsschaltanlagen.

Transformator

Der Transformator entspricht der Stelle der Verknüpfung der Spannungsebenen und stellt somit eine galvanische Trennung der Netzteile dar. Wegen seines induktiven Wirkprinzips kann er nur Wechselgrößen übertragen.

Schaltanlage

Das Netz muss entsprechend den technischen Bedürfnissen konfigurierbar sein. Außerdem sind unzulässige Fehlzustände zu erkennen und abzustellen. Dafür gibt es im Rahmen der Schaltanlagen die beiden Funktionen Schalten und Trennen.

 

 

SF6-Schaltanlagen und – Betriebsmittel

Auszug aus BGI 753 (verfasst von Herrn Reimüller, ABB und Prof. Valtin)

Schaltanlagen und elektrische Betriebsmittel sind wichtige Bestandteile der elektrischen Energieübertragung und -verteilung. Die jeweils angewandte Spannungsebene wird dabei von der Übertragungsleistung und der Übertragungslänge der Netze vorgegeben.

Schaltanlagen können in luftisolierter bzw. gasisolierter Bauweise ausgeführt werden. Die Hauptkomponenten einer Schaltanlage sind die Sammelschienen, die Schaltgeräte, Strom- und Spannungswandler, die Bauteile für den Leitungs- und Kabelanschluss sowie die Komponenten für die Steuerung/Überwachung, den Netzschutz und die Automatisierung.

Beim Einsatz von SF6 kann grundsätzlich zwischen den Funktionen Isolieren und Schalten (Löschen von Schaltlichtbögen) differenziert werden.

Bei den MS-Anlagen und -Betriebsmitteln (Bemessungsspannungen größer 1 kV bis einschließlich 52 kV) unterscheidet man zwischen der primären- und sekundären Verteilungsebene.

Auf der primären Verteilungsebene kommen in der Regel gasisolierte bzw. luftisolierte Leistungsschalteranlagen zur Anwendung. Leistungsschalter in der Mittelspannung werden vorzugsweise mit Vakuumschaltkammern ausgeführt. Die Vakuumschaltkammern sind zusammen mit allen anderen Spannung führenden Teilen in Schotträume eingebaut, die mit SF6 bzw. Luft als Isolationsmedium gefüllt sind.

Auf der sekundären Verteilungsebene werden in der Hauptsache gasisolierte Lasttrennschalteranlagen (RMU) eingesetzt. Die SF6-Lasttrennschalter in diesen Schaltanlagen müssen Lastströme schalten und sie dienen zusätzlich dem Freischalten elektrischer Betriebs- und Netzteile zum Zwecke von Arbeiten. Die gängige gasisolierte Schaltanlagentechnik in der Sekundärverteilebene verwendet SF6 als gemeinsames Isolier- und Schaltmedium in einem gasgefüllten Schottraum.

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