Kurzschlussstrombegrenzung in elektrischen Netzen und die Anwendung von Fehlerstrombegrenzern (FCL)

0 Einführung​
Mit der Entwicklung von Stromsystemen und dem wachsenden Lastbedarf führt die Integration großer Erzeugeranlagen und Umspannwerksausrüstung - insbesondere das Auftreten großer Kraftwerke in Lastzentren und die Verbindung großer Stromsysteme - zwangsläufig zu einem ständigen Anstieg der Kurzschlussstrompegel. Ohne wirksame Begrenzungsmaßnahmen würde dieser Trend nicht nur die Investitionen in neue Umspannwerke erheblich erhöhen, sondern auch bestehende Umspannwerksanlagen, Kommunikationsleitungen und Rohrleitungen stark beeinträchtigen, was umfangreiche Mittel für Sanierungen und Modernisierungen erforderlich machen könnte.

In frühen Entwicklungsphasen, wenn die Systemkapazität klein und die Kurzschlussstrompegel niedrig sind, können ansteigende Kurzschlussströme in der Regel durch den Austausch von Schaltgeräten bewältigt werden - andere Umspannwerksausrüstung hat in dieser Phase oft ausreichend Reserven. Wenn jedoch die Kapazität des Stromsystems groß, die Kurzschlusspegel hoch und die Kurzschlussströme aufgrund der Systemverbindung oder weiterer Kapazitätserweiterungen weiter ansteigen, reicht der bloße Austausch von Schaltgeräten nicht mehr aus. Bestehende Umspannwerke könnten nicht nur den Austausch von Hauptschaltgeräten, sondern auch die Verbesserung oder den Austausch von Haupttransformator, Abscherern, Messumformern, Leitschienen, Isolatoren, Tragkonstruktionen, Fundamenten und Erdungssystemen erfordern. Darüber hinaus könnten Kommunikationsleitungen abgeschirmt oder sogar in unterirdische Kommunikationskabel umgewandelt werden müssen.

Aufgrund verschiedener Faktoren werden neue, große Erzeugeranlagen und Kraftwerke fortlaufend in das 220-kV-Netz integriert, was zu einem übermäßig schnellen Anstieg der Kurzschlussstrompegel führt. Die Unterbrechungskapazität und die dynamische Stabilität vieler 220-kV-Schaltgeräte - und sogar ganzer Umspannwerke - können den steigenden Kurzschlusspegeln nicht mehr gerecht werden, was ernsthafte technische und wirtschaftliche Herausforderungen schafft. Die Forschung zur Begrenzung von Kurzschlussströmen ist daher dringend erforderlich.

​1 Traditionelle Strombegrenzungsmaßnahmen und ihre Grenzen​
Die Begrenzung von Kurzschlussströmen kann aus Sicht von Systemstruktur, Betrieb und Ausrüstung angegangen werden. Traditionelle Maßnahmen umfassen die folgenden Kategorien, aber jede hat erhebliche Einschränkungen:

• ​a. Anpassung der Netzaufbau​
  Umfasst die Entwicklung von Nettenspannungen mit höheren Spannungsniveaus, die Aufspaltung von Niederspannungsnetzen/Leitschienen und die Trennung von Netzen.
• Entwicklung von Nettenspannungen mit höheren Spannungsniveaus: Erfordert hohe Investitionen und birgt Umweltaspekte.
• Aufspaltung/Trennung von Niederspannungsnetzen: Einfache Umsetzung mit signifikanten Strombegrenzungseffekten, reduziert jedoch die Sicherheitsreserven des Systems und einschränkt die Betriebsflexibilität, sodass sie nur in notwendigen Szenarien geeignet ist.
• ​b. DC-Verbindungstechnologie​
  DC-Verbindungen können Kurzschlussströme erheblich reduzieren, aber die Investitionen in Umspannwerke an beiden Enden sind extrem hoch. Für kurze Verbindungen mit geringem Leistungsübergang ist diese Lösung wirtschaftlich nicht tragbar.
• ​c. Hochimpedanz-Transformator​
  Die Verwendung von Hochimpedanz-Transformator zur Begrenzung von Kurzschlussströmen auf der Niederspannungsseite ist eine häufig angewandte Maßnahme. Diese Transformator zeigen jedoch höhere Verluste im stationären Betrieb, was die Wirtschaftlichkeit des Systems beeinträchtigt.
• ​d. Serienschwingkreise​
  Serienschwingkreise, mit reifer Herstellungs Technologie und klaren Strombegrenzungseffekten, werden bereits in Hilfsanlagen von Kraftwerken und 10-35-kV-Umspannwerken eingesetzt. Ihre Anwendung in Hochspannungssystemen erhöht jedoch die Netzverluste und verringert die Systemstabilität, was ihre Eignung einschränkt.
• ​e. Erweiterung und Modernisierung der Ausrüstungskapazität​
  Der Austausch von Schaltgeräten und die Modernisierung bestehender Umspannwerke, um höhere Kurzschlussströme zu bewältigen, lösen das Problem direkt, verursachen jedoch hohe Investitionen und komplizierte Bauarbeiten, was zu einer schlechten Wirtschaftlichkeit und zeitlichen Unzulänglichkeit führt.

Angesichts der erheblichen Grenzen traditioneller Maßnahmen wird die Entwicklung neuer Strombegrenzungseinrichtungen, die sich an moderne Stromsysteme anpassen, unverzichtbar. Der Fehlerstrombegrenzer (FCL) ist als Lösung entstanden und ist auch ein wichtiger Bestandteil flexibler Wechselstromübertragungssysteme (FACTS).

​2 Anwendung von Fehlerstrombegrenzern (FCL) in Stromsystemen​

​2.1 Modell und grundlegende Prinzipien des FCL​
Das grundlegende Prinzip des FCL leitet sich aus der Serienschwingkreis-Strombegrennungstechnologie ab, verbessert mit Leistungselektronik, um die Nachteile traditioneller Serienschwingkreise (z.B. hohe stationäre Verluste und Auswirkungen auf die Systemstabilität) zu überwinden. Sein Kernmodell kann abstrahiert werden als: "Keine Reaktanz im normalen Betrieb; schnelle Einführung von Reaktanz bei Fehlern, um den Strom zu begrenzen."

• Normaler Betrieb: Schaltgerät geschlossen, FCL-äquivalente Impedanz nahe Null, keine Auswirkungen auf das System.
• Fehlerbedingung: Schnelles Öffnen des Schaltgeräts, Einführung des Strombegrenzungsschwingkreises, um den Kurzschlussstrom zu unterdrücken.

Die Kernelemente des FCL umfassen vier Schlüsselkomponenten:

1. Schnelles Fehlerstromerkennungselement: Überwacht den Systemstrom in Echtzeit und erkennt schnell Kurzschlussfehler.
2. Schnelles Schaltgerät: Handelt schnell bei Fehlern, um zwischen "keine Reaktanz" und "Reaktanz" zu wechseln.
3. Strombegrenzungsschwingkreis: Kernkomponente zur Strombegrenzung, unterdrückt den Kurzschlussstrom durch Impedanz.
4. Überspannungsschutzelement: Verhindert Überspannungen bei Fehlerschaltungen, schützt Systemausrüstung.

​2.2 Funktionen und Gestaltungsvorgaben des FCL​

​2.2.1 Kernfunktionen des FCL​
Der FCL bietet einen neuen Ansatz zur Begrenzung von Fehlerströmen in Stromsystemen und ist ein kritischer Bestandteil moderner Stromsysteme. Seine Vorteile umfassen:

• Verminderung der Belastung von Schaltgeräten: Höhere Spannungsniveaus entsprechen größeren, schwerer unterbrechbaren Fehlerströmen. Der FCL reduziert direkt den Unterbrechungsstrom von Schaltgeräten und verlängert die Lebensdauer der Ausrüstung.
• Verbesserung der Systemstabilität: Die schnelle Begrenzung von Kurzschlussströmen reduziert Spannungsabfälle in Leitungen und die Wahrscheinlichkeit, dass Generatoren aus dem Takt geraten, und verbessert die Stabilität von Stromwinkel, Spannung und Frequenz.
• Erhöhung der Nutzung von Ausrüstung und Leitungen: Wenn der FCL vor dem Gipfel des Kurzschlussstroms aktiv wird, reduziert er die Anforderungen an thermische und dynamische Stabilitätsgrenzen und erhöht somit die tatsächliche Übertragungskapazität der Leitungen.
• Optimierung der Spannungsqualität: Die schnelle Strombegrenzung vor der Fehlerschaltung verkürzt die Dauer der Spannungsabfälle in nicht betroffenen Leitungen und gewährleistet die Stabilität der Netzspannung.
• Reduzierung der Störungen an umliegenden Einrichtungen: Die Begrenzung von Kurzschlussströmen in Hochspannungsnetzen reduziert elektromagnetische Störungen an benachbarten Kommunikationsleitungen und Eisenbahnsignalanlagen.

​2.2.2 Gestaltungsvorgaben für FCL​
Um sich an die Betriebsmerkmale von Stromsystemen anzupassen, muss der FCL den folgenden Gestaltungsnormen entsprechen:

• Keine Auswirkungen auf das System im normalen Betrieb (Spannungsabfall nahe Null).
• Schnelle Reaktion bei Fehlern (innerhalb von 1-2 ms), Begrenzung sowohl des Spitzen- als auch des stationären Kurzschlussstroms ohne Nebeneffekte wie Überspannung.
• Automatische Rücksetzung nach Fehlerschaltung ohne manuelle Intervention.
• Keine Beeinträchtigung der normalen Betriebslogik von Schutzrelais.
• Angemessene Kosten und hohe Kosteneffizienz, die den Anforderungen von Versorgungstechnik-Anwendungen entsprechen.

​2.3 Vergleich verschiedener FCL-Implementierungsschemata​

​2.3.1 Schema-Vergleich​

• ​Zusammenfassung: Neuwerkstoff-basierte (insbesondere supraleitende) und leistungselektronik-basierte FCLs sind derzeit die optimale Lösung. Letztere sind einfach und zuverlässig, aber durch Werkstofftechnologien limitiert; letztere bieten starke Steuerbarkeit, und mit sinkenden Kosten der Leistungselektronik sind sie technisch realisierbar geworden, was sie zu der vielversprechendsten Forschungs- und Entwicklungsrichtung macht.

​2.5 Zukünftige Forschungsrichtungen für FCL​
Zukünftige Forschungen zum FCL sollten sich auf "Leistungsoptimierung, Funktionsintegration und technische Anpassung" konzentrieren. Die wichtigsten Richtungen umfassen:

1. Ständig einstellbare Impedanzkonverter: Überwindung der aktuellen "zwei-Zustands-Impedanz (Null oder unendlich)"-Einschränkung, um reaktive, ständig einstellbare Impedanzkonverter zu entwickeln, die dynamisch höhere Impedanz mit größeren Fehlerströmen abgleichen. Diese sollten auch Leistungsfaktorkompensation und Überspannungsaufnahme integrieren, kombiniert mit Steuertheorien (z.B. negativer Feedback, PID-Steuerung), um die Automatisierung des Systems zu verbessern.
2. Integration mit FACTS-Reglern: Entwicklung umfassender Steuervorrichtungen, die FCL mit anderen FACTS-Komponenten (z.B. SVG, SVC) kombinieren, um die Gesamtkosten-Nutzen-Relation zu verbessern und die Entwicklung steuerbarer Wechselstrom-Übertragungs- und -Verteilungssysteme voranzutreiben.
3. Durchbruch in Schlüsseltechnologien:
• Auswirkungen des FCL auf die Stabilität des Stromsystems.
• Koordination der Logik zwischen FCL und Schutzrelais.
• Optimierung von ultra-schnellen Fehlersignal-Erkennungssystemen und -Reglern.
• Auswirkungen des FCL auf die Stromqualität (z.B. Harmonische, Spannungsschwankungen) und Minderungsmaßnahmen.

​3 Fazit​

• a. Die Begrenzung von Kurzschlussströmen in Stromsystemen ist ein kritisches Thema, das dringend gelöst werden muss. Als neues Schutzelement bietet der Fehlerstrombegrenzer (FCL) eine effektive Lösung, und die Entwicklung von FCLs, die sich an moderne Netze anpassen, hat erheblichen theoretischen und ingenieurtechnischen Wert.
• b. Leistungselektronik-basierte FCLs haben bereits eine theoretische Grundlage und technische Realisierbarkeit. Ihre exzellente Steuerleistung und die sinkenden Kosten für Leistungselektronikgeräte deuten auf breite Entwicklungsprospekte hin.
• c. Mit der fortschreitenden Entwicklung von FACTS/CusPow-Technologien sollte der FCL, als wesentlicher Mitglied der FACTS-Familie, nicht nur unabhängig aktuelle Begrenzungsprobleme in Übertragungs- und Verteilungsnetzen lösen, sondern auch mit anderen FACTS-Reglern zusammenarbeiten, um die Entwicklung steuerbarer Wechselstrom-Übertragungs- und -Verteilungssysteme weiter voranzutreiben.