SchuSS

Schnelle Mittelspannungs-Schalter mit integriertem Strombegrenzer schonen die Betriebsmittel des Stromnetzes

Projektstatus
Begonnen
Als Kernelement des schnellen Schalters mit integriertem Strombegrenzer konnte ein Rotationspendel (grau/rot, hier ohne Rotationsfeder dargestellt) erfolgreich getestet werden. Dieses stellt den Energiespeicher des Systems dar und definiert über seine Eigenfrequenz (abhängig von Trägheit und Rotationsfeder) die Basisdynamik des Systems. Ein Seilsystem (blau) übersetzt die Rotationsbewegung des Pendels in eine Translationsbewegung des Stößels (grün, axiale Führung innerhalb des Rotationspendels), welcher die mechanische Verbindung zum Kontaktelement (Schaltröhre) darstellt. Bild: Siemens AG

Im Zuge der Energiewende wird die Einspeiseleistung dezentraler Energiewandlungsanlagen (DEA) wie etwa Photovoltaik oder Windenergie insbesondere in die Verteilnetze stark ansteigen. Da im jetzigen Zustand die Aufnahmefähigkeit der Verteilungsnetze schon nahezu ausgeschöpft ist, muss, wenn weitere Energie aus DEA eingespeist werden soll, die Netztopologie der Verteilungsnetze durch engere Vermaschung angepasst werden. Diese engere Vermaschung führt jedoch zwangsläufig zu einer Erhöhung der Kurzschlussleistung und der Kurzschlussströme. Wird die Kurzschlussfestigkeit der vorhandenen Betriebsmittel in einem Energieversorgungsnetz durch eine Veränderung der Netzstruktur oder zusätzlicher Einspeisung von DEA überschritten, so müssen alle betroffenen Betriebsmittel ertüchtigt werden oder das Gesamtnetz wieder in Teilnetze aufgetrennt werden.

Hohe Kurzschlussströme bedeuten für vorhandene Schaltanlagen und Betriebsmittel hohe mechanische und thermische Belastungen. Die mechanische Belastung ist proportional zum Quadrat des Stroms und wird von der Höhe des Stoßkurzschlussstroms ip bestimmt, der wenige Millisekunden nach Beginn des Kurzschlusses auftritt. Die thermische Belastung wird durch das Stromintegral i2dt bestimmt, in das neben der Höhe des Stromes auch wesentlich die Kurzschlussdauer eingeht. Um die Belastungen durch Kurzschlussströme auf die Betriebsmittel zu reduzieren, ist es daher nötig, sowohl die Amplitude des Stoßkurzschlussstroms als auch die Kurzschlussdauer deutlich zu reduzieren.

Der Ausbau der Verteilnetze ist sehr kosten- und zeitintensiv. Häufig ist die Kopplung der Verteilnetze die günstigere Lösung, jedoch kann in diesem Fall die Kurzschlussleistung soweit ansteigen, dass bestehende Betriebsmittel im gesamten betroffenen Verteilnetz in erheblichem Umfang ausgetauscht oder ertüchtigt werden müssen wodurch weitere Kosten entstehen. Der Einsatz von herkömmlichen Drosselspulen ist zur Beschränkung der Kurzschlussströme wenig geeignet, da herkömmliche Drosselspulen durch ihre konstante Impedanz die Spannungsqualität und Stabilität des Netzes verschlechtern.

Schnelle Schalter mit integriertem Strombegrenzer könnten in der Lage sein, dies zu leisten, indem sie den Stoßkurzschlussstrom so lange wirksam begrenzen, bis der schnelle Schalter den Stromkreis komplett unterbricht. Damit könnte es gelingen, das Stromintegral i2dt so weit zu begrenzen, dass die thermischen Belastungen der Betriebsmittel bei Kurzschluss in einem vertretbaren Rahmen bleiben.

Kombination mit Doppelnutzen

Ziel des Projektes „SchuSS“ ist der Nachweis der technischen Funktionsfähigkeit eines neuartigen Schaltgerätes, welches im Unterschied zum Stand der Technik einen Kurzschlussstrom innerhalb von drei Halbwellen der Netzfrequenz abschalten kann und darüber hinaus durch einen integrierten Strombegrenzer den Stoßkurzschlussstrom effektiv begrenzt. Das in einem mechatronischen Entwicklungsprozess zu entwickelnde Schaltgerät soll im Vergleich zu bisherigen Schaltgeräten bzw. Leistungsschaltern, in der Lage sein, sowohl erheblich schneller abzuschalten, als auch ein phasensynchrones Wiedereinschalten zu ermöglichen. Hierzu werden zum einen neuartige Aktor-Prinzipien angewendet (z.B. Rotationspendel, siehe Bild), zum anderen sollen Prinzipien der Strombegrenzung einzeln oder in Kombination so angewendet werden, dass Massen und Trägheitsmomente im Sinne einer hohen Schaltdynamik minimiert werden können. Die Fähigkeit des Schalters zur Kommunikation mit übergeordneten Zentraleinheiten soll im Rahmen des Projektes vorbereitet werden, um eine Einbindung in intelligente dezentrale Energienetze sowie ein lückenloses übergeordnetes Monitoring der Netzkomponenten zu ermöglichen. Trotz erweiterter Funktionalität, Strombegrenzung und reversibler Schaltfunktion soll das Gerät eine kompakte Baugröße aufweisen, um in genormte Schaltanlagen integriert werden zu können. Die Baugröße ist ein wesentlicher Faktor für die Akzeptanz des Schaltgeräts.

Unterschiedliche Aktorprinzipien im Test

Zunächst wird in einer domänenübergreifenden Entwurfsphase ein modellbasiertes Konzept für ein neuartiges Schaltgerät im Rahmen einer Gesamtsystembetrachtung, also unter Berücksichtigung des Verhaltens von Verteilungsnetzen erarbeitet. Dazu gehört insbesondere die Entwicklung von Wirkprinzipien für den schnellen Antrieb wie auch für den Strombegrenzer. In der zweiten Phase werden basierend auf den Ergebnissen der ersten Projektphase domänenspezifisch der schnelle Antrieb und der Strombegrenzer als getrennte Komponenten entworfen und vorgetestet. Die in der Anfangsphase bereits durch den mechatronischen Entwurf vorbereitete Integration in ein Schaltgerät wird in der Endphase des Projekts durchgeführt. Ein einphasiges Funktionsmuster des neuartigen Schaltgerätes für Mittelspannungen wird schließlich experimentell getestet und auf Basis der zu Projektbeginn definierten Spezifikationen validiert.
Die Verbundpartner TU Ilmenau (TUI) sowie die Siemens AG, Corporate Technology (CT) arbeiten in dem Projekt eng zusammen und bringen jeweils ihre langjährige Expertise auf dem Gebiet der Entwicklung mechatronischer Aktorik sowie der Strombegrenzung ein. Die TUI ist federführend für die domänenspezifische Entwicklung des schnellen Antriebs. Die CT trägt konzeptionell zum Schaltgeräteentwurf bei und verantwortet die Entwicklung und den Bau der Strombegrenzungs-Einheit. An der Systemintegration von Schalteinheit und Strombegrenzer sowie für Test und Validierung sind beide Partner unter der Verantwortung der CT beteiligt.

Vorteil für Rotationspendel mit Seilaufhängung

In der frühen Phase des Projektes konnte ein Aktor auf Basis eines schnellen Rotationspendels mit Seilaufhängung konzipiert und erfolgreich getestet werden. Ein erster Laboraufbau befindet sich zur Zeit in der Phase grundlegender Funktionstests. Sofern diese erfolgreich verlaufen, soll dieses Prinzip als Basis für eine Systemintegration mit Schaltröhre und Strombegrenzer dienen.

Projektlaufzeit

11/2015 – 10/2018

Kontakt

Dr. Randolf Mock
Projektkoordinator
Siemens AG
Otto-Hahn-Ring 6
81739 München

+49 89 636 40052

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.

Basisinformationen

Wie ist unser Stromnetz aufgebaut? Was für Netzformen gibt es? Was bedeuten Versorgungssicherheit und -qualität?

MEHR

Wer bestimmt wann und wo eine Leitung in Deutschland gebaut wird? Der Netzausbau ist streng geregelt. Hier gibt es einen Überblick über das Verfahren.

MEHR