Die grundlegenden Dinge über Umspannwerke, die Sie mitten in der Nacht wissen MÜSSEN!

So, was ist das Umspannwerk?

Um in sehr einfachen Worten zu erklären, würde ich sagen, dass Umspannwerk ist ein Bündel von elektrischen Geräten gesammelt und an einem Ort verbunden. An der Spitze stehen clevere elektrische Geräte, die die anderen steuern und schützen, damit alles richtig funktioniert. Und alle Geräte im Umspannwerk sind glücklich, zumindest bis etwas schief geht…

Die grundlegenden Dinge über Umspannwerke, die Sie mitten in der Nacht wissen MÜSSEN!
Die grundlegenden Dinge über Umspannwerke, die Sie mitten in der Nacht wissen MÜSSEN!

Auf eine weniger einfache Art und Weise ist das Umspannwerk der Schlüsselteil der elektrischen Erzeugungs-, Übertragungs- und Verteilungssysteme. Die Unterstation transformiert die Spannung je nach Bedarf von hoch auf niedrig oder von niedrig auf hoch. Außerdem leitet die Unterstation den Strom von der Erzeugungsanlage zur Verbrauchsstelle.

Der Strom kann zwischen der Erzeugungsanlage und dem Verbraucher durch mehrere Unterstationen fließen, wobei die Spannung in mehreren Stufen verändert werden kann.

Inhalt:

  1. Einteilung der Unterstationen
    1. Übertragungsunterstationen
    2. Sub-.Übertragungsstationen
    3. Verteilungsstationen
  2. Umspannstationstechnik
    1. Transformatoren
    2. Leistungsschalter
    3. Trennschalter
    4. Umspannstation Bus
    5. Blitzableiter
    6. Isolatoren und Leiter
    7. Schutzrelais
    8. Sicherungen
  3. Stationsstandort

1. Klassifizierung von Umspannwerken

Umspannwerke können generell in drei Haupttypen (nach Spannungsebenen) eingeteilt werden:

1.1 Übertragungsumspannwerke

Übertragungsumspannwerke integrieren Übertragungsleitungen in ein Netz mit mehreren parallelen Verbindungen, so dass Strom über große Entfernungen von jedem Erzeuger zu jedem Verbraucher frei fließen kann.

Dieses Übertragungsnetz wird oft als Bulk Power System bezeichnet. Typischerweise arbeiten die Übertragungsleitungen mit Spannungen über 138 kV. Umspannwerke beinhalten oft eine Transformation von einer Übertragungsspannungsebene in eine andere.

Elektrisches Energieübertragungs- und -verteilungssystem
Abbildung 1 – Elektrisches Energieübertragungs- und -verteilungssystem

Die primäre Funktion des Übertragungsnetzes ist die Übertragung von Energie von den gewünschten Erzeugungsquellen zu den Übergabepunkten.

Zu den Vorteilen gehören traditionell niedrigere Stromkosten, der Zugang zu erneuerbaren Energien wie Wind- und Wasserkraft, die Ansiedlung von Kraftwerken außerhalb großer Ballungszentren und der Zugang zu alternativen Erzeugungsquellen, wenn primäre Quellen nicht verfügbar sind.

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1.2 Unterübertragungsstationen

Unterübertragungsstationen arbeiten typischerweise auf den Spannungsebenen 33 kV bis 138 kV. Diese Art von Umspannwerken transformiert die Hochspannungen, die für eine effiziente Fernübertragung durch das Netz verwendet werden, auf die Unterspannungsebenen

Dieser Weg der Stromübertragung durch Versorgungsleitungen zu den Verteilerstationen in den umliegenden Regionen ist weitaus kostengünstiger.

Diese Versorgungsleitungen sind radiale Einspeisungen, die jeweils das Umspannwerk mit einer kleinen Anzahl von Verteilerstationen verbinden.

Radiale Unterübertragungssysteme
Abbildung 2 – Radiale Unterübertragungssysteme

Die Konfiguration mit zwei Unterübertragungsleitungen ist zuverlässiger: Fehler in einem der radialen Unterübertragungsstromkreise sollten keine Unterbrechungen in den Unterstationen verursachen. Fehler in zwei Stromkreisen können zu Unterbrechungen in mehreren Stationen führen.

Einzelquelle, radiale Unterübertragungskonfiguration ist weniger zuverlässig: Fehler auf dem radialen Unterübertragungsstromkreis können Unterbrechungen in mehreren Unterstationen verursachen.

Die meisten Unterübertragungsleitungen sind Freileitungen. Viele von ihnen werden direkt entlang von Straßen und Wegen gebaut, genau wie Verteilungsleitungen.

Außerdem werden neue Unterverteilungsleitungen in der Regel unterirdisch verlegt, da die Entwicklung von fest isolierten Kabeln die Kosten reduziert hat.

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1.3 Verteilungsstationen

Verteilungsstationen arbeiten typischerweise auf den Spannungsebenen 11KV/0,4KV und liefern elektrische Energie direkt an Industrie- und Privatkunden. Beachten Sie, dass die Spannungsebene in den einzelnen Ländern weltweit variieren kann.

Die Verteilereinspeisungen transportieren den Strom von den Verteilerstationen zu den Endverbrauchern. Die Einspeisungen versorgen eine große Anzahl von Verbrauchern und enthalten in der Regel viele Abzweigungen.

Bei den Verbrauchern transformieren Verteilertransformatoren die Verteilerspannung auf die in Haushalten und Industrieanlagen direkt verwendete Betriebsspannung. Das sind meist 230 V oder 400 V.

Einzeiliges Diagramm der Hauptkomponenten des Stromsystems von der Erzeugung bis zum Verbrauch
Abbildung 3 – Einzeiliges Abbildung 3 – Einzeiliges Diagramm der Hauptkomponenten des Stromnetzes von der Erzeugung bis zum Verbrauch (zum Vergrößern anklicken)

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2. Ausrüstung der Unterstation

Die Unterstation kann die folgenden Ausrüstungen umfassen:

  1. Leistungstransformator oder Verteiltransformator (je nach Umspannwerkstyp)
  2. Leistungsschalter
  3. Trennschalter
  4. Isolatoren
  5. Sammelschienen
  6. Stromwandler
  7. Potentialtransformatoren
  8. Blitzableiter
  9. Schutzrelais
  10. Stationsbatterien
  11. Erdungsanlage

Ein typisches Anschlussschema einer Unterstation ist in Abbildung 4 dargestellt.

Typisches Einstrangschema einer Unterstation
Abbildung 4 – Typisches Einleitungsdiagramm einer Unterstation

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2.1 Transformatoren

Transformatoren sind ein wesentlicher Bestandteil jeder elektrischen Anlage. Es gibt sie in verschiedenen Größen und Spannungsstärken.

Wechselstromtransformatoren sind einer der Schlüssel, um die weit verbreitete Verteilung von elektrischem Strom, wie wir sie heute kennen, zu ermöglichen. Transformatoren wandeln Strom effizient in höhere Spannungen für die Fernübertragung und wieder zurück in niedrige Spannungen, die für die Nutzung durch den Kunden geeignet sind.

Umspannstationstransformator
Abbildung 5 – Umspannstationstransformator

Die Verteilungstransformatoren sorgen für den notwendigen Spannungsübergang von der Übertragungs- (oder Unterübertragungs-) Spannungsebene auf eine für die Stromverteilung geeignete Ebene. Ein Beispiel für einen solchen Übergang wäre ein Wechsel von 66 kV auf 11 kV.

Die Größe eines Verteilungsleistungstransformators variiert typischerweise zwischen 16 MVA und 63 MVA und wiegt zwischen 20 und 50 Tonnen. Der Transformator ist typischerweise eine dreiphasige Einheit.

Dreiphasige Bänke, die aus einphasigen Einheiten aufgebaut sind, können auch aus bestimmten Gründen, wie z. B. Transportbeschränkungen auf der Straße oder Bedarf an einphasigen Ersatzeinheiten, implementiert werden.

Der Leistungstransformator ist im Allgemeinen die teuerste Einzelkomponente in einer primären Verteilerstation. Im Folgenden werden die Eigenschaften, der Aufbau und der Schutz von Verteilungstransformatoren und deren Einfluss auf die Leistung des gesamten Verteilungssystems diskutiert.

Der Schwerpunkt liegt auf mineralölisolierten (ölgefüllten) dreiphasigen Einheiten, die die Mehrheit der Verteilungstransformatoren in Anwendungen unter IEC-Einfluss bilden.

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2.2 Leistungsschalter

Auch in Umspannwerken befinden sich Leistungsschalter, die hohe Spannungen steuern und andere Geräte der Unterstation schützen. In vielen Freiluftschaltanlagen werden ölgefüllte Leistungsschalter eingesetzt. Bei dieser Art von Leistungsschalter sind die Kontakte in ein Isolieröl getaucht, das sich in einem Metallgehäuse befindet.

Eine andere Art von Hochspannungs-Leistungsschaltern ist der magnetische Luftschalter, bei dem sich die Kontakte in der Luft trennen, wenn die Stromleitung überlastet wird.

Magnetische Blasspulen werden verwendet, um ein Magnetfeld zu entwickeln, das den Lichtbogen erzeugt, wenn die Kontakte brechen. So konzentriert sich der Lichtbogen in die Schächte, wo er gelöscht wird.

Eine Abwandlung dieses Typs ist der Druckluft-Leistungsschalter. Bei diesem Typ wird ein Strom von Druckluft auf den Kontakt konzentriert, wenn die Stromleitung geöffnet wird. Die Druckluft hilft, den Lichtbogen, der beim Öffnen der Kontakte entsteht, zu löschen.

Es ist darauf hinzuweisen, dass immer dann, wenn ein Hochspannungsstromkreis unterbrochen wird, große Lichtbögen entstehen. Dieses Problem tritt bei Niederspannungs-Schutzeinrichtungen nur in geringem Umfang auf.

Hochspannungsschutzschalter
Abbildung 6 – Hochspannungsschutzschalter

Zwei Haupttypen von Schutzschaltern, die auf einer Konstruktion beruhen, sind die spannungsführenden Kesselschutzschalter und die toten Kesselschutzschalter. Bei spannungsführenden Kesselschaltern ist die Außenfläche der Schaltkammer nicht geerdet und steht unter primärseitigem Spannungseinfluss, also „unter Spannung“.

Bei toten Kesselschaltern ist die Außenfläche der Schaltkammer geerdet, also „tot“. Totkesselschalter sind in der Regel nur für Freiluftanlagen ab 33 kV erhältlich.

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2.3 Trennschalter

Trennschalter dienen zum Trennen elektrischer Betriebsmittel von den sie versorgenden Stromleitungen. Normalerweise werden Trennschalter nicht betätigt, wenn Strom durch sie fließt.

Ein Hochspannungs-Lichtbogenproblem würde auftreten, wenn Trennschalter geöffnet werden, während Strom durch sie fließt.

Sie werden hauptsächlich geöffnet, um Geräte aus Sicherheitsgründen von den Stromleitungen zu trennen.

Die meisten Trennschalter sind vom Typ „Luftunterbrecher“, der in seiner Konstruktion den Messerschaltern ähnelt. Diese Schalter sind für den Innen- oder Außenbereich in manueller oder motorbetriebener Ausführung erhältlich.

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2.4 Umspannwerksbus

Die elektrische und physikalische Verbindung von Umspannwerksbussen wird typischerweise durch Sicherheit, Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit, Wartungsfreundlichkeit und einfache Bedienung bestimmt.

Bus ist eigentlich die elektrische Struktur, an die alle Stromleitungen und Transformatoren angeschlossen sind. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten: offene und geschlossene. Geschlossene Sammelschienen werden in Gebäuden oder im Freien eingesetzt, wo der Platz knapp ist.

Sammelschienenstrukturen müssen so ausgelegt sein, dass sie hohen Kurzschlussströmen und in der Folge großen mechanischen Kräften standhalten.

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2.5 Überspannungsableiter

Die elektrischen Anlagen sind Überspannungsbelastungen ausgesetzt, die durch verschiedene Quellen verursacht werden. Die durch die Quellen hervorgerufenen Überspannungen haben naturgemäß unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Größe, Frequenz, Dauer und Anstiegsgeschwindigkeit.

Die Überspannungserscheinungen werden traditionell in drei verschiedene Kategorien eingeteilt:

  1. Temporäre Überspannungen
  2. Schaltüberspannungen
  3. Blitzüberspannungen

Typen von Überspannungen
Abbildung 7 – Arten von Überspannungen

In primären Verteilerstationen, ist die Hauptschutzeinrichtung für die installierten Betriebsmittel gegen Überspannungen der Zinkoxidkappen-freie Überspannungsableiter. Die Auswahl des geeigneten Überspannungsableiters hängt von mehreren Faktoren ab.

Die Hersteller von Überspannungsableitern haben Richtlinien und Auswahlbeispiele veröffentlicht, um den Auswahlprozess zu demonstrieren und zu unterstützen.

Der Überspannungsableiter sollte den kontinuierlichen und temporären Netzfrequenz-Überspannungen standhalten, die im System während des normalen Betriebs, bei Systemfehlern und bei Schaltvorgängen auftreten. Die Überspannungsableiter müssen auch in der Lage sein, die Stoßüberspannungen unter den spezifizierten Widerstandswert der Geräte in der Anlage zu begrenzen.

Ein ein- oder zweiphasiger Erdschluss führt zu einer vorübergehenden Überspannungssituation in der/den gesunden Phase(n) und auch im Neutralleiter von Y-geschalteten Leistungstransformatoren. Die Amplitude wird durch die Netz-Erdungsbedingungen und die Dauer durch die Schutzeinstellungen (Fehlerauslösezeit) bestimmt.

Die Ableiter müssen den thermischen Beanspruchungen während dieser Situationen standhalten können.

Blitzstromableiter mit geerdeter Bodenklemme (144kV)
Bild 8 – Blitzstromableiter mit geerdeter Fußklemme (144kV)

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2.6 Isolatoren und Leiter

Alle Stromübertragungsleitungen müssen isoliert werden, um Sicherheitsrisiken zu vermeiden. Große Stränge von Isolatoren werden in Umspannwerken und an anderen Stellen des Stromverteilungssystems verwendet, um die stromführenden Leiter von ihren Stahlträgern oder anderen erdgebundenen Geräten zu isolieren.

Die Isolatoren können aus Porzellan, Gummi oder einem thermoplastischen Material bestehen.

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2.7 Schutzrelais

Schutzrelais bieten eine genaue und empfindliche Methode, um elektrische Verteilungsanlagen vor Kurzschlüssen und anderen anormalen Bedingungen zu schützen.

Überstromrelais werden verwendet, um die schnelle Öffnung elektrischer Stromleitungen zu bewirken, wenn der Strom einen vorgegebenen Wert überschreitet. Die Reaktionszeit der Relais ist sehr wichtig, um die Ausrüstung vor Schäden zu schützen.

Einige häufige Fehlerarten, die durch Relais geschützt werden können, sind Kurzschlüsse von Leitung zu Erde, Kurzschlüsse von Leitung zu Leitung, doppelte Kurzschlüsse von Leitung zu Erde und dreiphasige Kurzschlüsse von Leitungen. Jeder dieser Zustände wird durch fehlerhafte Schaltzustände verursacht, die einen ungewöhnlich hohen Strom (Fehlerstrom) aus den Stromleitungen ziehen.

Die Schutzrelais sind extern versorgte fortschrittliche intelligente elektronische Geräte (IEDs), die auch als Abzweigklemmen bezeichnet werden.

In einer modernen Primärschaltanlage werden die feldspezifischen Funktionen wie Schutz, Steuerung und Messung mit Abzweigklemmen ausgeführt. Die Abzweigklemme übernimmt die zugeordneten Schutzfunktionen, führt die Vorort- und Fernsteuerung von Schaltgeräten durch, sammelt und verarbeitet Messdaten und zeigt den Zustand der Schaltgeräte an.

Sammelschienenschutzpläne
Abbildung 9 – Sammelschienenschutzfeld mit MICOM-Relais

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2.8 Sicherungen

Da elektrische Leitungen häufig kurzgeschlossen werden, kommen verschiedene Schutzeinrichtungen zum Einsatz, um Schäden sowohl an den Leitungen / Geräten als auch am Personal zu verhindern. Diese Schutzeinrichtungen müssen für hohe Spannungen und Ströme ausgelegt sein.

Zum Schutz von Hochspannungsleitungen können entweder Sicherungen oder Leitungsschutzschalter verwendet werden.

Hochspannungssicherungen (solche, die für über 600 Volt verwendet werden) gibt es in verschiedenen Ausführungen. Eine Auslösesicherung hat ein Element, das bei Überlastung schmilzt und verdampft, wodurch die mit ihr in Reihe geschaltete Stromleitung geöffnet wird.

Expulsionssicherung
Abbildung 10 – Expulsionssicherung

Flüssigsicherungen haben ein flüssigkeitsgefülltes Metallgehäuse, das das Sicherungselement enthält. Die Flüssigkeit wirkt als Unterdrückungsmedium. Wenn das Sicherungselement aufgrund eines übermäßigen Stroms in einer Stromleitung schmilzt, wird das Element in die Flüssigkeit eingetaucht, um den Lichtbogen zu löschen.

Dieser Sicherungstyp reduziert das Problem der Hochspannungslichtbögen.

Eine Feststoffsicherung ist einer Flüssigkeitsicherung ähnlich, außer dass der Lichtbogen in einer mit Feststoff gefüllten Kammer gelöscht wird. Normalerweise werden Hochspannungssicherungen in Umspannwerken in der Nähe von Lasttrennschaltern montiert.

Das Gehäuse der Sicherung und des Schalters wird in der Regel in der Nähe der Freileitungen in einer Unterstation montiert.

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3. Standort der Unterstation

Verteilerstationen sollten so nah wie möglich an der zu versorgenden Last liegen. Außerdem sollte der zukünftige Lastbedarf genau geplant werden.

Die Höhe der Verteilerspannung ist ebenfalls ein sehr wichtiger Aspekt. Generell gilt: Je höher die Verteilungsspannung ist, desto weiter können die Umspannwerke voneinander entfernt sein. Sie werden jedoch in ihrer Kapazität und in der Anzahl der versorgten Kunden größer, wenn der Abstand zunimmt.

123-kV-Freiluftschaltanlage mit Doppelsammelschienen, Reihenschaltung
Abbildung 11 – Beispiel einer 123-kV-Freiluftschaltanlage mit Doppelsammelschienen, Reihenschaltung. Die Sammelschienen sind röhrenförmig.

Die Entscheidung über den Standort einer Umspannanlage muss auf der Grundlage von Systemzuverlässigkeit und wirtschaftlichen Faktoren getroffen werden. Zu diesen Faktoren gehören:

  • Die Verfügbarkeit von Grundstücken,
  • geschätzte Betriebskosten,
  • Steuern,
  • örtliche Bebauungsvorschriften,
  • Umweltfaktoren und
  • die öffentliche Meinung.

Auch die Tatsache, dass die Leitergröße mit der Größe der versorgten Last zunimmt, wird berücksichtigt. Die Primärspannungsebene wirkt sich nicht nur auf die Größe der Leiter aus, sondern auch auf die Größe der Regelungseinrichtungen, die Isolierung und andere Geräteleistungen.

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