ABB entwickelt weltweit ersten Gleichstrom-Leistungsschalter für die Übertragungsnetze der Zukunft

Simulationszentrum Vasteras / Pressefoto: ABB
Simulationszentrum Vasteras / Pressefoto: ABB

(WK-intern) – ABB stellt auf der Hannover Messe 2013 den weltweit ersten, hybriden Gleichstrom-(DC-)Leistungsschalter vor.

Gleichstrom-Leistungsschalter dienen zur Unterbrechung von Fehlern mit sehr schneller Mechanik und verlustarmer Leistungselektronik

Er unterbricht den Stromfluss mit einer sehr schnellen Mechanik und verlustarmer Leistungselektronik in weniger als fünf Millisekunden. Um die Energiewende zu realisieren und die Ziele der Bundesregierung im Bereich der erneuerbaren Energien zu erreichen, wird das deutsche Stromübertragungsnetz künftig noch viel stärker auf ausgesprochene Transportaufgaben ausgerichtet werden müssen, als dies in der Vergangenheit der Fall war. Mit der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) soll diese Ferntransportinfrastruktur in den nächsten Jahren geschaffen werden. Wie im bestehenden Drehstromnetz wird es für einen zuverlässigen Betrieb der Gleichstrominfrastruktur künftig notwendig sein, fehlerhafte Bereiche ohne Beeinflussung der fehlerfreien Netzbereiche abzuschalten zu können. Hierfür hat ABB den hybriden DC-Leistungsschalter entwickelt.

Das 400-Kilovolt-(kV-)Drehstromübertragungsnetz in Deutschland und Europa ist im Verlauf der vergangenen 100 Jahre entstanden. Die in der Anfangszeit der Elektrifizierung lokalen Versorgungsnetze, deren Aufgaben es war, die in der Nähe der Verbraucher erzeugte Energie zu diesen durchzuleiten, wurden zunehmend miteinander verbunden mit dem Ziel, eine stabile und zuverlässige Stromversorgung auch im Fehlerfall zu gewährleisten. Durch den stärker werdenden Stromhandel und die zunehmend lastferne Erzeugung wurde das Netz in den vergangenen Jahren bereits stark als Transportnetz – als das es nie konzipiert war – genutzt. Die Pläne der Bundesregierung zur Energiewende sehen vor, bis zum Jahr 2022 alle Kernkraftwerke in Deutschland abzuschalten und bis 2020 bereits 35 Prozent des in Deutschland benötigten Stroms aus regenerativen Energiequellen zu erzeugen. Da vor allem in Süddeutschland der Wegfall der Kernkraftwerke nicht durch den Neubau von konventionellen Kraftwerken kompensiert wird und in Norddeutschland in großem Umfang in Form von Onshore- und Offshore-Windparks Energie-erzeugungsanlagen auf Basis erneuerbarer Energien entstehen, ist eine starke Zunahme des Nord-Süd-Stromflusses zu erwarten.

Dies wurde bereits in den dena-Netzstudien nachgewiesen. Die darin ermittelten Verstärkungen des bestehenden 400-kV-Netzes werden bis zum Jahr 2015 einen ersten Beitrag hierzu leisten. Ergänzend wird Deutschland aber auch eine spezielle, dafür ausgelegte Transport-Infrastruktur benötigen, die das bestehende 400-kV-Netz über die genannten Verstärkungen hinaus ergänzen.

Daher ist es konsequent im – final von der Bundesnetzagentur bestätigten – Netzentwicklungsplan, den die Übertragungsnetzbetreiber im Jahr 2012 vorgestellt haben und der nun in den Bundesbedarfsplan umgesetzt wird, drei Nord-Süd-Stromübertragungs-Korridore mit mehreren selbstgeführten HGÜ-Systemen als dezidierte Transportleitungen auszuweisen. Die Gleichstrom-Übertragung eignet sich aufgrund des frei einstellbaren Wirkleistungsflusses und der Möglichkeit, mit den Konverterstationen Systemdienstleistungen wie Frequenzregelung oder Blindleistungsbereit-stellung zu erbringen, ideal für Ferntransporte. Anders als beim 400-kV-Netz, wo der Leistungsfluss allein durch die Konstruktionsparameter der eingesetzten Betriebsmittel bestimmt wird, ist es bei der Gleichstrom-Übertragung möglich, den Leistungsfluss frei einzustellen: Dadurch kann die Übertragungskapazität des bestehenden 400-kV-Netzes gezielt gesteigert werden.

Um ein HGÜ-System in allen Betriebszuständen – also auch im Fehlerfall – zuverlässig zu betreiben, sind Leistungsschalter zur schnellen Fehlerklärung notwendig. Deren Aufgabe besteht darin, die fehlerbehafteten Bereiche vom restlichen System zu trennen, so dass der Betrieb der fehlerfreien Netzbereiche weitergeführt werden kann. Leistungsschalter kommen auch im bestehenden Drehstromnetz zum Einsatz, jedoch stellt die Anwendung bei Gleichstrom besondere Herausforderungen an diese Schalter. Konventionelle Leistungsschalter unterbrechen den Fehlerstrom bei seinem Nulldurchgang durch Kühlung des Lichtbogens. Bei der Gleichstrom-Übertragung gibt es allerdings keinen Stromnulldurchgang; daher sind innovative Konzepte zur Stromunterbrechung notwendig. So hat es über 100 Jahre gedauert, bis ABB den ersten Gleichstrom-Leistungsschalter für HGÜ-Systeme vorstellen konnte, der in wenigen Millisekunden den Strom unterbrechen kann.

Der neuartige hybride DC-Leistungsschalter ermöglicht erstmals die Unterbrechung von DC-Fehlerströmen ohne Abschaltung des Gesamtsystems. Er besteht aus erprobten leistungselektronischen Betriebsmitteln und einem innovativen, ultra-schnellen Trennschalter, deren Kombination einerseits eine schnelle Stromunterbrechung im Fehlerfall, andererseits minimale Durchleitungsverluste im Normalbetrieb gewährleistet. Im normalen Zustand leitet ein verlustarmer Strompfad den Strom, der nur wenige leistungselektronische Schaltelemente enthält. Bei Erkennung eines Fehlers im Gleichstromteil des Übertragungssystems erhöht ein kleines leistungselektronisches Stellglied, der Kommutierungsschalter (engl.: Load Commutation Switch), den Widerstand dieses Strompfads und der Strom kommutiert auf den leistungselektronischen Hauptleistungsschalter. Bevor aber Letzterer den Fehlerstrom unterbrechen kann, muss die Spannungsfestigkeit des ersten Strompfads hergestellt werden, da sonst die wiederkehrende Spannung nach der Stromunterbrechung den Kommutierungsschalter überlasten würde. Dafür muss der ultra-schnelle Trennschalter (engl.: Ultra-Fast Disconnector) im verlustarmen Pfad geöffnet werden. Damit kann der Strom nur noch über den Hauptstrompfad fließen und daher mit dem Hauptleistungsschalter unterbrochen werden. Die gesamte Abfolge der Einzelschritte dauert dabei nicht länger als fünf Millisekunden, schnell genug, um den ansteigenden Fehlerstrom zu unterbrechen, so dass die Konverterstationen durchgehend in Betrieb bleiben können. Damit ist eine weitere Unterstützung des bestehenden 400-kV-Drehstrom-Übertragungsnetzes mit Systemdienstleistungen gewährleistet.

Darüber hinaus ist der DC-Leistungsschalter auch Grundlage für den Aufbau von Gleichstromnetzen mit mehreren Schutzzonen. Damit können im Fehlerfall die entsprechenden Bestandteile des Netzes abgeschaltet werden und die nicht-fehlerhaften Abschnitte weiter betrieben werden – genau wie im bereits bestehenden Drehstromnetz.

Integraler Bestandteil für den Aufbau und Betrieb eines solchen Gleichstromnetzes ist aber auch ein übergeordnetes Schutz- und Leittechniksystem. ABB setzt für HGÜ-Verbindungen bereits seit vielen Jahren das speziell hierfür entwickelte Mach2-System ein. Dieses System wird zurzeit für die Steuerung großer Gleichstromnetze weiterentwickelt. Um die Zuverlässigkeit und korrekte Funktionalität dieses erweiterten Schutz- und Leittechniksystems in jedem einzelnen Entwicklungsschritt zu überprüfen, hat ABB eigens ein HGÜ-Netzsimulationszentrum aufgebaut. Hier kann mit Echtzeitsimulationen der Betrieb eines HGÜ-Overlay-Netzes in Verbindung mit Drehstrom-Netzen simuliert werden.

Mit der Entwicklung des innovativen DC-Leistungsschalters konnte die letzte verbleibendeTechnologielücke für den Bau großer HGÜ-Overlay-Netze geschlossen werden, so dass diese Netze bereits heute geplant werden können.

ABB in Deutschland erzielte im Jahr 2011 einen Umsatz von 3,43 Milliarden Euro und beschäftigte etwa 10.000 Mitarbeiter. ABB ist führend in der Energie- und Automatisierungstechnik. Das Unternehmen ermöglicht seinen Kunden in der Energieversorgung, der Industrie und im Handel ihre Leistung zu verbessern und die Umweltbelastung zu reduzieren. Weltweit beschäftigt der ABB-Konzern etwa 145.000 Mitarbeiter in über 100 Ländern.

PM: ABB

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