Elektrische Umspannwerksplanung: Eine Einführung

Elektrische Umspannwerke bilden wesentliche Abschnitte des Stromnetzes und fungieren als Knotenpunkte für die Übertragung und Verteilung von Elektrizität. Diese komplexen Anlagen erfordern sorgfältige Planung, Gestaltung und Umsetzung, um eine stetige und effiziente Stromversorgung zu gewährleisten.

In diesem Beitrag werden wir uns mit den Grundlagen der Planung von elektrischen Umspannwerken befassen, einschließlich verschiedener Komponenten, Layoutfragen und Umweltfaktoren.

Kriterien für die Planung von Umspannwerken

Das maximale Fehlerlevel an einem neuen Umspannwerk-Bus darf nicht mehr als 80 % der Nennkapazität des Schalters betragen.

Der Puffer von 20 % berücksichtigt das Ansteigen der Kurzschlusspegel während der Systementwicklung.

Die Stromunterbrechungsrate und -generierung, sowie die Fehlerschaltzeitfähigkeiten der Schaltanlagen bei verschiedenen Spannungsebenen können wie folgt berechnet werden:

Die Kapazität einer einzelnen Umspannanlage bei verschiedenen Spannungsebenen sollte in der Regel nicht überschritten werden.

Die Größe und Anzahl der vernetzenden Transformator (ICTs) müssen so geplant werden, dass das Ausfallen einer einzelnen Einheit die verbleibenden ICTs oder das zugrunde liegende System nicht überlastet.

Ein blockierter Schalter kann bei einem 220 kV-System nicht mehr als vier Speisungen, bei einem 400 kV-System nicht mehr als zwei und bei einem 765 kV-System nur eine unterbrechen.

Anforderungen an das Umspannwerkssystem

Nomenklatur

Zuverlässigkeit: Die Zuverlässigkeit des Stromnetzes ist die ununterbrochene Versorgung mit Energie in der erforderlichen Spannung und Frequenz. Busleitern, Schaltgeräte, Transformatoren, Isolatoren und Regelanlagen beeinflussen die Zuverlässigkeit der Umspannanlage.

Ausfallrate: Es ist der jährliche Durchschnittsausfall.

Ausfallzeit: Die Ausfallzeit bezieht sich auf die Zeit, die benötigt wird, um ein defektes Bauteil zu reparieren oder auf eine andere Versorgungsquelle umzuschalten.

Schaltzeit: Zeit vom Beginn des Ausfalls bis zur Wiederherstellung des Dienstes durch eine Schaltoperation.

Schaltplan: Die Platzierung von Busleitern und Geräten berücksichtigt Kosten, Flexibilität und Systemzuverlässigkeit.

Phasen-Erde-Freistand: Der Phasen-Erde-Freistand einer Umspannanlage ist 

• Abstand zwischen Leiter und Struktur. 

• Abstand zwischen lebendigen Geräten und Strukturen &

• Abstand zwischen lebendigem Leiter und Erde.

Phasen-Phasen-Freistand: Die Phasen-Phasen-Freistände einer Umspannanlage sind 

• Abstand zwischen lebendigen Leitern. 

• Abstand zwischen lebendigen Leitern & Geräten und 

• Abstand zwischen lebendigen Anschlüssen an Schaltgeräten, Isolatoren usw.

Erdfreistand: Es ist der Mindestabstand von jedem Standort, an dem ein Mensch stehen muss, bis zum nächsten nicht erdverpotenzialen Teil eines Isolators, der den lebendigen Leiter trägt.

Sektionsfreistand: Es ist der Mindestabstand von jedem Standort bis zum nächsten ungeschützten lebendigen Leiter. Berechnen Sie den Sektionsfreistand, indem Sie die Höhe eines Mannes mit ausgestreckten Armen und den Phasen-Erde-Freistand berücksichtigen.

Sicherheitsabstand: Dies umfasst den Abstand zum Boden und den Abschnittsabstand.

Elektrostatische Felder in Umspannwerken: Energieführende Leiter oder metallische Teile erzeugen elektrostatische Felder. UHV-Umspannwerke (über 400 kV) haben elektrostatische Felder, die je nach Geometrie des energieführenden Leiters/metallischen Teils und dem benachbarten geerdeten Objekt oder Boden variieren.

Allgemein

• Hochspannungsleitungen, 

• Unterhochspannungsleitungen, 

• Erzeugerkreise, und 

• Spannungserhöher- und Spannungsreduzierer-Transformator 

verbinden sich mit Umspannwerken oder Schaltanlagen. 

Umspannwerke von 66 bis 40 kV werden als EHV bezeichnet. Über 500 kV werden sie als UHV bezeichnet.

Die Entwurfsbedenken und Methoden für EHV-Umspannwerke sind ähnlich, jedoch dominieren bestimmte Elemente bei verschiedenen Spannungsebenen. Bis zu 220 kV können Schaltüberlastungen ignoriert werden, aber über 345 kV sind sie essentiell.

Entwurfskriterien und Studien für Umspannwerke

Die Anforderungen an das Umspannwerkdesign werden durch folgende Studien bestimmt.

• Lastflussstudien

• Kurzschlussstudien

• Transiente Stabilitätsstudien

• Studien zu transitorischen Überspannungen

Lastflussstudien

• Ein Umspannwerk sorgt für eine zuverlässige Energieversorgung der Systemlasten. 

• Die Strombelastungsbedürfnisse des neuen Umspannwerks (oder) Schaltanlage werden durch Lastflussstudien bestimmt, während alle Leitungen in Betrieb sind und während ausgewählte Leitungen für Wartungsarbeiten außer Betrieb gesetzt werden. 

• Nach der Bewertung mehrerer Lastflussbedingungen können die Nenn- und Notfallwerte der Ausrüstung berechnet werden.

Kurzschlussstudien

• Neben den kontinuierlichen Stromwerten müssen Umspannwerksausrüstungen auch Kurzzeitwerte haben. 

• Diese müssen ausreichend sein, um sicherzustellen, dass die Ausrüstung Kurzschlussströme und mechanische Drücke ohne Schaden überstehen kann. 

• Um eine ausreichende Unterbrechungsfähigkeit in Schaltgeräten, Stabilität in Postisolatoren und angemessene Einstellungen für Schutzrelais, die den Fehler erkennen, zu gewährleisten. 

• Die maximalen und minimalen Kurzschlussströme für verschiedene Arten und Orte von Kurzschlüssen sowie Systemkonfigurationen müssen festgelegt werden.

Transient Stability Studies

• Der normale mechanische Eingang der Generatoren entspricht dem elektrischen Ausgang plus den Generatorverlusten. 

• Die Systemgeneratoren drehen sich mit 50 Hz, solange dies anhält. Jede Störung im mechanischen oder elektrischen Fluss führt dazu, dass die Geschwindigkeit des Generators von 50 Hz abweicht und um einen neuen Gleichgewichtspunkt oszilliert.

• Eine sehr häufige Störung ist ein Kurzschluss. Kurzschlüsse in der Nähe des Generators senken die Spannung am unteren Terminal und beschleunigen die Maschine. 

• Nach Behebung des Fehlers speist das Gerät überschüssige Energie ins Netz ein, um seinen ursprünglichen Zustand wiederherzustellen. 

• Bei starken elektrischen Verbindungen bremst die Maschine schnell ab und stabilisiert sich. Schwache Verbindungen führen zu Instabilität der Maschine.

• Faktoren, die die Stabilität beeinflussen, sind:

• Schwere des Fehlers,

• Geschwindigkeit der Fehlerbeseitigung,

• Verbindungen zwischen Maschine und System nach der Fehlerbehebung.

• Die transiente Stabilität des Umspannwerks hängt ab von

• Typ und Geschwindigkeit der Leitung- und Bus-Schutzrelais, 

• Unterbrechungszeit der Schaltgeräte und 

• Buskonfiguration, sobald der Fehler beseitigt ist. 

• Letzterer Punkt beeinflusst die Busanordnung. 

• Nur eine Leitung wird betroffen, wenn ein Fehler während der Primärrelaisierung beseitigt wird. 

• Ein blockiertes Schaltgerät kann bei einer Relaisierung bei Schaltgerätversagen zu einem Verlust mehrerer Leitungen führen und die Systembindung schwächen.

Transient Overvoltage Studies

• Transiente Überspannungen können durch Blitzschlag oder Schaltvorgänge entstehen. 

• Studien mit Transient Network Analyzers (TNA) sind die genaueste Methode, um Schaltüberspannungen zu bestimmen.

Umspannwerk Anordnung Layout

Die Anordnung des Umspannwerks wird durch physikalische und elektrische Überlegungen bestimmt, einschließlich der folgenden:

• System Sicherheit

• Betriebsflexibilität 

• Einfache Schutzeinrichtungen

• Begrenzung der Kurzschlussebenen

• Wartungseinrichtungen

• Einfache Erweiterbarkeit

• Standortfaktoren

• Wirtschaftlichkeit 

System Sicherheit

• Ideale Umspannwerke verfügen über separate Schaltgeräte für jede Leitung und ermöglichen den Austausch von Busleitern oder Schaltgeräten während Wartungsarbeiten oder bei Fehlern. 

• Die Systemsicherheit kann dadurch bestimmt werden, dass 100%ige Abhängigkeit von der Integrität des Umspannwerks zugelassen wird oder ein Prozentsatz der Ausfallzeit aufgrund periodischer Fehler (oder) Wartungsarbeiten eingerechnet wird.

• Obwohl ein Doppelbusleiter-System mit Doppelschaltgerät-Design perfekt ist, handelt es sich dabei um ein teures Umspannwerk.

Betriebsflexibilität

• Die Steuerung von MVA- und MVAR-Belastungen unter allen Schaltkreisverbindungsbedingungen ist für die Generatorbelastungseffizienz entscheidend.

• Belastungsschaltkreise müssen so gruppiert werden, dass eine optimale Steuerung sowohl in normalen als auch in Notfallsituationen gewährleistet wird.

Einfache Schutzmaßnahmen

• Wenn ein Leistungsschalter viele Schaltkreise steuert oder mehrere Leistungsschalter defekt sind, kann dies durch Bus-Sektionalisierung gemildert werden.

• Selbst wenn die Schutzrelaissteuerung einfach ist, ist ein Einbus-System für komplizierte Schutzeinrichtungen starr.

Begrenzung der Kurzschlussniveaus

• Eine Umspannstation kann entweder vollständig oder durch Reaktorverbindung in zwei Teile geteilt werden, um die Kurzschlussniveaus zu reduzieren.

• Der gezielte Einsatz von Leistungsschaltern in Ringnetzen kann ähnliche Vorteile bieten.

Wartungseinrichtungen

• Während des Betriebs einer Umspannstation ist Wartung erforderlich, sei es geplant oder im Notfall.

• Die Leistung der Umspannstation während der Wartung hängt von den Schutzmaßnahmen ab.

Einfache Erweiterung

• Die Anordnung der Umspannstation sollte die Erweiterung für neue Speisungen erlauben.

• Mit der Verbesserung des Systems kann es notwendig sein, von einer Einbus-Anordnung zu einer Doppelbus-Anordnung oder von einem Gitterknoten zu einer Doppelbus-Umspannstation überzugehen.

• Raum und Erweiterungsmöglichkeiten werden zur Verfügung stehen.

Standortfaktoren

• Die Verfügbarkeit des Standorts ist entscheidend für die Planung der Umspannstation. In begrenzten Räumen kann der Bau einer Umspannstation mit geringerer Flexibilität notwendig sein.

• Eine Umspannstation mit weniger Leistungsschaltern und einem einfacheren Schaltbild nimmt weniger Platz ein.

Wirtschaftlichkeit

• Falls die Wirtschaftlichkeit gegeben ist, kann eine verbesserte Schaltanordnung für technologische Anforderungen erstellt werden.

Anordnung der Umspannstation und Schaltanordnung

Die Anordnung der Umspannstation und der Schaltanordnung muss sorgfältig auf Grundlage von IEEE 141 gestaltet werden, um die Effizienz und Sicherheit des elektrischen Verteilersystems zu gewährleisten.

• Transformator,

• Leistungsschalter und

• Schalter

muss basierend auf Spannungs- und Lastanforderungen ausgewählt werden. 

Um den Raum optimal zu nutzen, die Wartung zu erleichtern und Erweiterungen zu ermöglichen, muss die Anordnung sorgfältig geplant werden. Busleitern sollten Geräte effizient verbinden, und Schaltkreise sollten die Energieflüsse und Zuverlässigkeit verbessern. 

Für eine schnelle Fehlererkennung und -isolation sind robuste Schutz- und Steuerungssysteme erforderlich. Regulatorische Standards und Umweltaspekte bestimmen das Umspannwerksdesign, um Sicherheit, Zuverlässigkeit und Umweltkonformität zu gewährleisten.

Bei der Gestaltung eines EHV-Layouts und der Schaltkonfigurationen sollten mehrere Aspekte berücksichtigt werden:

• Es sollte zuverlässig, sicher und einen exzellenten Dienstkontinuität gewährleisten.

Typische Umspannwerk-Busleiterschemata und -Schutzmaßnahmen werden im Detail erklärt in:

1. Was ist eine elektrische Busleitung? Arten, Vorteile, Nachteile &

2. Busleiterschutzschemata

Verschiedene Busleiterkonfigurationen bieten unterschiedliche Vorteile hinsichtlich Redundanz, Betriebsflexibilität und Wartungszugänglichkeit. 

Eine effiziente Busleiteranordnung stellt einen effizienten Energiefluss sicher und fördert zukünftige Erweiterungen.

Schaltanlagenbauwerke

Bauwerke sind notwendig, um Bus-Elektrikgeräte zu unterstützen und zu installieren sowie Transmissionskabel zu beenden. 

Bauwerke können aus Stahl, Holz, RCC oder PSC hergestellt sein. Abhängig von der Bodenbeschaffenheit benötigen sie Fundamente. 

Umspannwerke verwenden vorgefertigte Stahlkonstruktionen wegen ihrer Vorteile. 

Die 

• Phasenabstand, 

• Erdabstand, 

• Isolatoren, 

• Buslänge und 

• Gerätegewicht 

beeinflussen das Strukturdesign.

• Biegung, 

• Flanschknickung, 

• vertikale und horizontale Scherkräfte und 

• Webverformung 

müssen Stahlbalken- und Trägerausfälle verhindern. 

Gitterkastenträger sollten 1/10 bis 1/15 der Spannweite und des Quadrats betragen. Normalerweise darf die Balkenverformung nicht 1/250 der Spannweite überschreiten. 

Struktur-Schrauben und -Muttern müssen einen Durchmesser von 16 mm haben, außer in leicht belasteten Abschnitten, wo sie 12 mm haben können.

Die Bemessungsbelastung für Säulen und Träger sollte umfassen 

• Leiterzugkraft, 

• Erdschlussleiterzugkraft, 

• Gewicht der Isolatoren und Zubehör und 

• Bruchlast (ca. 350 kg), 

• Arbeiter- und Werkzeuggewicht (200 kg) 

• Wind- und Stoßlasten 

während des Betriebs der Ausrüstung.

Die Oberleitungsspannweite muss an den Unterwerkskonstruktionen enden. Sie kann bis zu +15 Grad vertikal und +30 Grad horizontal gehen.

Die Hofkonstruktionen können gestrichen oder heißzinkiert werden. 

Konstruktionen aus verzinktem Stahl erfordern minimalen Wartungsaufwand. 

Allerdings bieten gestrichene Konstruktionen in einigen extrem kontaminierten Gebieten bessere Korrosionsbeständigkeit.

Normalerweise eingesetzte Phasenabstände:

Busbar Design

Um die Verbindung zwischen den vielen Komponenten, die eine Umspannstation bilden, zu erleichtern, werden Busleiter verwendet, um elektrische Energie in der gesamten Umspannstation zu übertragen.

Elektrische Verluste werden reduziert, die Stromverteilung wird konsistenter und die Leistung der Umspannstation verbessert, wenn Busleiter richtig konzipiert und dimensioniert sind.

Umspannstation – Steuerungssysteme

Die Automatisierung von Umspannstationen optimiert den Betrieb und die Effizienz, indem Steuerungssysteme, intelligente Geräte und Kommunikationsnetze kombiniert werden.

Echtzeitüberwachung, Fernsteuerung, Datenanalyse und vorhersagende Wartung verbessern die Zuverlässigkeit und verringern Stillstandzeiten durch Automatisierung.

Erweiterte Steuerungssysteme wie SCADA verbessern die Automatisierung von Umspannstationen, die Datenerfassung und die Fernsteuerung.

Die Automatisierung von Umspannstationen nutzt SCADA-Systeme für zentrale Steuerung und Überwachung.

SCADA-Systeme sammeln Daten von Umspannstationen, um den Energiestrom zu verbessern, Entscheidungen zu treffen und Störungen schnell zu beheben.

Umspannstation Design – Kommunikationsprotokolle

Ausrüstung und Steuerzentren von Umspannstationen benötigen effiziente Kommunikationsnetze, um Daten auszutauschen und zu steuern.

Die Ausgestaltung der Umspannwerksarchitektur erfordert verlässliche Kommunikationsprotokolle wie IEC 61850, DNP3 oder Modbus für Interoperabilität, Datenintegrität und Cybersicherheit.

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