Kernwerte und innovative Anwendungen von 12kV-Mittelspannungsschaltanlagen in intelligenten Umspannwerken

Mit der rasanten Entwicklung von Smart Grids und der Integration erneuerbarer Energien in Mittelspannungsschaltanlagen (MV-Schaltanlagen) bestimmen diese als Kernkomponenten der Verteilungstechnik in Umspannwerken direkt durch ihre Zuverlässigkeit, Intelligenz und Raumeffizienz die Stabilität des Stromsystems. Dieser Artikel beleuchtet die Schlüsseltechnologien, lösungsorientierten Szenarien und praktischen Vorteile von Mittelspannungsschaltanlagen in Umspannwerken.

Kernanforderungen für Umspannwerkszenarien

1. Hochwertige Zuverlässigkeitsanforderungen

Umspannwerke spielen eine entscheidende Rolle in der Energieverteilung und -schutz. Wichtige Punkte bezüglich Mittelspannungsschaltanlagen:

• Betrieb von MV-Schaltanlagen: Muss stabile langfristige Leistung unter hohen Lasten und häufigem Schalten sicherstellen.
• Ausfallratenvergleich:

• Traditionelle Mittelspannungsschaltanlagen: ~1,2 Ausfälle/Einheit/Jahr
• Intelligente Mittelspannungsschaltanlagen: ~0,3 Ausfälle/Einheit/Jahr
  • Mechanische Haltbarkeit: Steigt von 10.000 auf über 20.000 Betriebszyklen.
  • Anforderungen an Kurzschlussunterbrechungen:
• 12 kV-Systeme: Typischerweise 31,5 kA–40 kA
• Projekte mit erneuerbaren Energien: Können ≥63 kA erfordern

2. Anpassungsfähigkeit an komplexe Umgebungen

Umspannwerke in städtischen Gebieten, Industrieregionen oder abgelegenen Gebieten stellen einzigartige Herausforderungen für Mittelspannungsschaltanlagen dar:

• Hohe Lagen: Elektrische Abstandskorrekturen (z.B. 12 kV-Systeme in 5000 m Höhe erfordern einen Abstand von 125 mm auf 161 mm).
• Verschmutzte Gebiete: Kriechwege müssen erhöht werden (z.B. ≥25 mm/kV für Klasse III Verschmutzung).
• Küstengebiete: Muss Salzspraytests bestehen (z.B. 1000-Stunden-CASS-Test).
• Hohe Temperaturen und Luftfeuchtigkeit: Intelligente Entfeuchtungssysteme sind unerlässlich.

3. Anforderungen an die Intelligenzaufwertung

Die digitale Transformation steigert die Nachfrage nach intelligenten Funktionen in MV-Schaltanlagen:

• Unterstützt das IEC 61850-Kommunikationsprotokoll für Datenaustausch und Fernsteuerung.
• Zustandsüberwachung (Temperatur, Strom, mechanischer Zustand), Fehlervorhersage und Fernwartung reduzieren Wartungskosten.

• Studien zeigen, dass intelligente Überwachungssysteme:
  • Die Häufigkeit manueller Inspektionen um 70% reduzieren können.
  • Die Lebensdauer der Ausrüstung um bis zu dreimal verlängern.
  • Die jährlichen Wartungskosten um 35% senken.

4. Sicherheitsvorschriften und Erdbebenvorschriften

Strenge Sicherheitsstandards für Mittelspannungsschaltanlagen:

• "Fünf-Vorsorge"-Verschlussmechanismus: Verhindert kritische Fehler (z.B. Schalten des Schalters unter Last).
• Innenschutz vor Bogenentladungen: Druckablasskanäle begrenzen den SpitzenDruck auf ≤48 kPa.
• Erdbebenresistente Konstruktion: Muss starken Erdbeben widerstehen (z.B. Deformation ≤1,2 mm bei 9-Grad-Erdbebenintensität).

5. Raumrestriktionen und Layoutoptimierung

     Modulare Designs zur effizienten Raumnutzung:

• Moderne MV-Schaltanlagen mit festisolierten Stäben reduzieren den Platzbedarf um 37,5% und senken den Hauptstromwiderstand um über 40%.        

Schlüsseltechnologische Lösungen

1. Gehäusegeschützte Mittelspannungsschaltanlagen (repräsentiert durch KYN28)

• Strukturelle Vorteile: Getrennte gepanzerte Abteilungen (Schalter, Busleitung, Kabel) verhindern die Ausbreitung von Fehlern.
• Umgebungsgerechte Anpassung: IP4X oder höherer Schutzgrad, geeignet für verschmutzte und feuchte Gebiete.
• Marktanteil: Dominiert den Markt (>60%), die vorherrschende Wahl für Umspannwerke.

2. Intelligente Steuerungssysteme für Mittelspannungsschaltanlagen

• Kernfunktionen:

• Integrierte mikroprozessorbasierte Schutzeinrichtungen, kompatibel mit IEC 61850.
• Echtzeitüberwachung mit KI-Algorithmen zur Vorhersage der Komponentenlebensdauer (z.B. mechanische Haltbarkeit des Schalters bis zu 100.000 Betriebszyklen).
  • Fallstudie: Ein Projekt des Staatsnetzes reduzierte die Ausfallraten um 30% und die Wartungskosten um 20%.

3. Sicherheitsschutz in Mittelspannungsschaltanlagen

• "Fünf-Vorsorge"-Verschlussmechanismus: Erzwingt sichere Betriebsabläufe.
• Bogenschutz: Integrierte Druckablasskanäle und Bogenlöschsysteme.   

Typische Anwendungsszenarien und Fallstudien

1. Fall 1: Modernisierung eines städtischen Umspannwerks
   • Herausforderung: Erweiterung alter Umspannwerke mit hohem Lastwachstum.
   • Lösung:

• Einsatz von gasisolierten Schaltanlagen (GIS) mit 4000 A Nennstrom, spart 30% Platz.
• Implementierung einer Cloud-Plattform für Fernwartung.
  • Ergebnisse: Die Versorgungszuverlässigkeit stieg um 15%; die Ausfallzeiten sanken um 40%.

2. Fall 2: Netzanschluss eines erneuerbaren Kraftwerks (Windpark)

• Herausforderung: Harsche Umgebung (hoher Salznebel, Temperaturschwankungen) führt zu Fehlfunktionen.
• Lösung:

• Verbesserte gehäusegeschützte MV-Schaltanlagen mit IP54-Schutz und eingebauten Heizelementen.
• Kapazitive Lastschaltmodule für stabile Windenergie.
  • Ergebnisse: Der Erfolgsrate des Netzanschlusses verbesserte sich um 15%; die Betriebskosten sanken um 10%.

Zukunftstrends: Grünere Lösungen und Digitales Zwillingskonzept

1. Umweltfreundliche Mittelspannungsschaltanlagen
   • Phasenweise Abschaffung von SF₆, Einsatz von trockener Luft oder Stickstoff-isolierten Hybridtechnologien.
   • Neue Isoliermaterialien verbessern die Energieeffizienz um 20%.

2. Digital Twin-Integration für MV-Schaltanlagen

• Verwendung von Building Information Modeling (BIM) für Vorinstallationsprüfungen.
• Echtzeit-Datenabbildung optimiert die Lastverteilung und verlängert die Lebensdauer.