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Einfach schalten

Stromkreise zu unterbrechen ist eine anspruchsvolle Aufgabe

Strom sicher zu schalten, ist eine Kernaufgabe der Energietechnik. Egal, auf welcher Spannungsebene und zu welchem Zweck: Wo Strom fließt, wird geschaltet. Mit dem hybriden HGÜ-Schalter hat ABB einen Meilenstein gesetzt – er ist Teil eines Leistungsspektrums, das vom einfachen Lichtschalter bis zu gasisolierten Schaltern für über eine Million Volt reicht.

Für den Laien ist Schalten ein einfacher Prozess: Stromkreise verbinden oder trennen, den Strom ein- und ausschalten. Allein schon die Vielfalt der in der Energietechnik verwendeten Schaltgeräte mit einer gewaltigen Bandbreite von elektrischen Kenngrößen und Anwendungen zeigt jedoch, dass die Sache nicht ganz so einfach sein kann. So schaltet ein alltäglicher Lichtschalter als Lastschalter einen Strom von 10 A bei 220 V während ein Leistungsschalter im Übertragungsnetz von China Bemessungswerte von 4.000 A und 1.100 kV hat – bei Dreiphasenwechselstrom entspricht das einer Nennleistung von 7.600 MW. Dieser Leistungsschalter könnte innerhalb von 50 ms den gesamten Strombedarf der Schweiz ein- und ausschalten.

Schalter für vielfältige Aufgaben

Entsprechend den unterschiedlichen Aufgaben lassen sich die wichtigsten Schalter nach ihren spezifischen Eigenschaften einteilen:

  • Lastschalter schalten Geräte und Anlagenteile im ungestörten Zustand ein und aus. Sie sind die alltäglichsten Schalter und werden in der Nieder- sowie Mittelspannung eingesetzt.
  • Leitungsschutzschalter – umgangssprachlich: „Sicherung“ – schützen Leitungen in der Niederspannung vor Überhitzung, indem sie bei Überlast oder Kurzschluss automatisch trennen. Erfunden wurde diese Schalterart vor knapp 100 Jahren von Hugo Stotz in Heidelberg. Das von ihm gegründete Unternehmen ist heute Teil von ABB.
  • Leistungsschalter sind in gewisser Weise Sicherungsautomaten für hohe Ströme im Mittel- und Hochspannungsbereich. Zusätzlich sind Funktionen wie Fehlerstrom- und Erdschlussschutz sowie Energiemanagement durch gezielten Lastabwurf integriert. Der wegen der hohen Leistungen unvermeidliche Lichtbogen wird durch Druckluft, Schalten im Vakuum oder in Schwefelhexafluorid-Gas (SF6) gelöscht.
  • Trennschalter schalten ohne Last, trennen also strom- und spannungslos. Sie schützen das Personal bei Arbeiten an den Betriebsanlagen. In Schaltanlagen kommen Kombinationen von Schalterarten mit weiteren Systemen für Schutz und Steuerung oder Strom- und Spannungswandlern zum Einsatz.

Lichtbogen macht den Unterschied

Auch wenn das Prinzip des Schaltens immer dasselbe ist, macht es doch einen großen Unterschied, ob ein ganzes Kraftwerk oder eine Glühbirne vom Netz getrennt wird. Der Unterschied beruht auf physikalischen Gesetzen und ihrer Beherrschung, in diesem Fall der Beherrschung des Schaltlichtbogens: „Der Schaltlichtbogen ist auf den verschiedenen Spannungs- beziehungsweise Leistungsniveaus unterschiedlich beständig“, sagt Christian Ohler, Leiter der Abteilung Energietechnikprodukte und -sensoren im ABB-Konzernforschungszentrum in Dättwill. „Beim Lichtschalter erlischt der Lichtbogen beim nächsten Nulldurchgang der Wechselspannung von selbst. In diesem Fall reicht die Kühlleistung der Umgebungsluft, ein Neuanzünden des Bogens danach zu verhindern.“

SF6 hat hohe Durchschlagsfestigkeit

Auf der Mittel- und Hochspannungsebene herrschen andere Verhältnisse. In normaler Umgebungsluft könnten die Kontakte nicht schnell genug und nicht weit genug getrennt werden. Ohne weitere Eingriffe würde ein Lichtbogen gezündet, der immer weiter brennt. Deshalb müssen für diese Spannungsbereiche Leistungsschalter konstruiert werden, die den Schaltlichtbogen aktiv auslöschen. In Freiluft-Anlagen wird er mit starker Druckluft ausgeblasen, ähnlich einer Kerze. Zum Einsatz kam auch Öl als isolierendes Medium. In diesem Fall zersetzt die hohe Temperatur des Lichtbogens das Öl in den Löschkammern teilweise zu Gas, das das Öl umwälzt und den Lichtbogen verlöscht. Heute wird jedoch immer häufiger SF6 in hermetisch abgeschlossenen Schaltern eingesetzt. SF6 hat eine weit höhere Durchschlagsfestigkeit als Luft und leitet Wärme besser. Beim Öffnen der Kontakte in einem SF6-Leistungsschalter wird gleichzeitig das Druckgas komprimiert. Der durch eine Düse geführte Gasstrom bläst in den Lichtbogen und löscht ihn rasch aus.

Komplexe Technik im Sicherungsautomat

Alltägliche Ingenieurskunst

Nicht nur bei Geräten zum Schalten höchster Ströme und Spannungen bringen die ABB-Fachleute ihre Expertise ein. Auch ein alltäglicher Leitungsschutzschalter ist ein Stück anspruchsvoller Ingenieurstechnik. „Bei der Entwicklung arbeiten Konstrukteure für die mechanischen Teile und Elektrotechniker eng zusammen“, sagt Joachim Becker, Produktmanager bei ABB Stotz Kontakt. „Die Entwicklung einer neuen Gerätegeneration dauert ungefähr drei Jahre. Eine Simulation am Computer kann bis heute nicht alles zeigen. Deshalb müssen verschiedene Elemente und Schritte möglichst einzeln getestet werden, beispielsweise das Einwandern des Lichtbogens in die Löschkammer.“

Vakuum für die Mittelspannung

Auf der Mittelspannungsebene sind häufig Vakuumschalter das geeignete Schaltprinzip. Weltweit sind über drei Millionen Vakuum-Schaltkammern in Betrieb, die bei ABB in Ratingen produziert wurden. Mit einer Jahresproduktion von 400.000 Stück ist ABB Weltmarktführer.

„Für die Hochspannung ist das Vakuum keine echte Alternative“, sagtChristian Ohler. „Die Durchschlagfestigkeit von Hochvakuum ist zwar beträchtlich, aber in Bezug auf die Feldstärke, die es ohne Überschlag bewältigen kann, existiert im Hochvakuum eine Sättigungsgrenze. Über 72 Kilovolt wächst der erforderliche Kontaktabstand überproportional an, womit der spezifische Vorteil eines Vakuumschalters – seine Kompaktheit – verloren geht.“

„Grundsätzlich ist mit der Entwicklung der selbstgeführten HGÜ und dem von uns vorgestellten hybriden Leistungsschalter nun die Basis geschaffen, eine effiziente und zukunftssichere Gleichstrom-Infrastruktur in Deutschland zu realisieren.“

CO2 mit besserer Ökobilanz

Eine Alternative zu SF6, das als stärkstes bekanntes Treibhausgas äußerst sorgfältig befüllt und kontrolliert werden muss, könnte CO2 darstellen. ABB arbeitet an einer neuen Generation von Leistungsschaltern ab 72,5 kV, die mit CO2 befüllt sind. „Der Vorteil des CO2-isolierten Schalters ist die bessere Ökobilanz über die gesamte Lebensdauer gerechnet. Die technische Funktion ist vollständig die gleiche wie bei Leistungsschaltern mit SF6“, sagt Christian Ohler.

Durchbruch beim Gleichstrom

Im Gegensatz zur Wechselstrom- Übertragung bleibt die Spannungsrichtung bei der Gleichstrom-Übertragung immer gleich. Damit hat der Gleichstrom auch keinen Nulldurchgang – und der Schaltlichtbogen stellt damit ein essenzielles Problem dar. Bereits im Niederspannungsbereich ist der Schaltlichtbogen bei Gleichstromanwendungen sehr stabil. In der Hochspannung schien es über viele Jahrzehnte nahezu unmöglich, einen Gleichstrom-Lichtbogen zu löschen – man sprach in diesem Zusammenhang sogar von einem Rätsel der Elektrotechnik. Doch in mehrjähriger Forschungsarbeit wurde dieses 100 Jahre alte Rätsel gelöst: Ende 2012 konnte ABB die Entwicklung des weltweit ersten Leistungsschalters für die Hochspannungsgleichstrom-Übertragung (HGÜ) bekannt geben. Der Schalter kombiniert einen aus Leistungshalbleitern bestehenden Schalter mit einem ultraschnellen mechanischen Trenner – deshalb auch die Bezeichnung hybrider HGÜ-Leistungsschalter. Er kann in nur fünf ms Gleichstrom unterbrechen, der der Leistung eines Großkraftwerks entspricht.

Der hybride HGÜ-Leistungsschalter ist einer der Schlüssel für die weitere Planung von Gleichstromübertragungsnetzen, die eine effiziente Integration von erneuerbaren Energien über große Entfernungen ermöglichen. Unter anderem musste bisher bei HGÜ-Systemen zur Beherrschung eines Fehlers auf der Übertragungsstrecke das Gesamtsystem einschließlich der Konverterstationen abgeschaltet und der Leistungsschalter auf der Drehstromseite geöffnet werden. Dieser relativ langwierige Vorgang ist dann kritisch zu sehen, wenn die Gleichstromübertragung in Zukunft ein wichtiger Teil des vermaschten Übertragungsnetzes werden wird. Der hybride HGÜ-Leistungsschalter beseitigt diesen kritischen Punkt und sorgt auf der Gleichstromseite dafür, dass die Konverterstationen bei einem kurzzeitigen Fehler – beispielsweise bei einem Blitzeinschlag in eine Freileitung – weiter am Netz bleiben und damit durchgängig Systemdienstleistungen erbringen können. Doch nicht nur der kontinuierliche Betrieb von Konverterstationen wird durch den HGÜ-Leistungsschalter ermöglicht. „Der nächste logische Schritt besteht nun darin, die Planung der aktuellen HGÜ-Projekte so vorzubereiten, dass man die einzelnen Gleichstrom-Übertragungssysteme in der Zukunft zu einem Gleichstromnetz erweitern kann“, sagt Raphael Görner, Leiter Marketing und Vertrieb für den Geschäftsbereich Grid Systems bei ABB in Mannheim. Die Interaktion zwischen Gleichstrom- und Drehstromnetzen kann heute schon in einem von ABB eingerichteten Simulationszentrum in Echtzeit simuliert und getestet werden. Frühzeitig können die Beteiligten so Erkenntnisse für den späteren Betrieb gewinnen. „Grundsätzlich ist mit der Entwicklung der selbstgeführten HGÜ vor mehr als 15 Jahren und dem von uns 2012 vorgestellten hybriden Leistungsschalter nun die Basis geschaffen, eine effiziente und zukunftssichere Gleichstrom-Infrastruktur in Deutschland zu realisieren“, sagt Raphael Görner.

Bundeskanzlerin Angela Merkel – in Begleitung von Forschungsministerin Johanna Wanka und des niederländischen Ministerpräsidenten Mark Rutte (2.v.r.) – informiert sich bei ABB im Gespräch mit Ulrich Spiesshofer, Vorsitzender der Konzernleitung von ABB (l.), und Peter Terwiesch, Vorstandsvorsitzender der deutschen ABB (3.v.l.), über den HGÜ-Leistungsschalter.

Weltrekord beim aktiven Schutz

In Sachen Schaltgeschwindigkeit setzt ABB mit dem Ultraschnellen Erdungsschalter vom Typ UFES auf der Mittelspannungsebene seit 2010 neue Maßstäbe: Angetrieben durch einen Mikro-Gasgenerator – ähnlich dem Funktionsprinzip, nach dem auch Airbags in Kraftfahrzeugen ihre lebensrettende Wirkung entfalten– benötigt das UFES-Primärschaltelement (PSE) weniger als 1,5 ms für den schützenden Schaltvorgang. Die PSE werden in kürzester Zeit durch die UFES-Elektronik ausgelöst, die den Störlichtbogenfehler über die Fehlerkriterien Überstrom und Licht erfasst. Nach der elektronischen Ansteuerung erzeugt der Mikro-Gasgenerator einen schlagartigen Druckanstieg innerhalb des ihn umgebenden Volumens im Antriebskolben und treibt diesen samt beweglichem Kontakt über die Schaltstrecke in die Festkontaktseite. Die PSE stellen eine 3-phasige Kurzschlusserdung her und sorgen gemeinsam mit der schnellen Elektronik dafür, dass der UFES einen Störlichtbogen in weniger als vier ms nach seiner Erfassung verlöscht – das ist Weltrekord in der Mittelspannung.

In der Praxis reduziert die extrem kurze Schaltzeit die wesentlichen Gefährdungen für Personen und Anlage auf ein Minimum. „Thermische und mechanische Schäden an der Schaltanlage können wir nahezu ausschließen“, sagt Wolfgang Hakelberg von ABB Energietechnik-Produkte in Ratingen. „Die Druckspitze innerhalb der Schaltanlage wird üblicherweise in 10 bis 15 ms nach dem Entstehen des Störlichtbogens erreicht, ab 100 ms sind thermische Schäden an der Anlage zu erwarten. Der UFES reagiert im Fehlerfall jedoch so schnell, dass diese kritischen Grenzen nicht erreicht werden.“

Das kompakt aufgebaute Schaltgerät ist prinzipiell in jeder neuen oder bereits installierten, kurzschlussfesten Schaltanlage mit Bemessungsspannungen bis 40,5 V und Bemessungs-Kurzzeitströmen bis 63 kA (1 s) einsetzbar. „Mit dem UFES haben wir ein Schutzgerät im Portfolio, das Herausragendes leistet. Die Motivation der einzelnen Kunden für den Einsatz dieses aktiven Störlichtbogenschutzes ist hierbei ganz unterschiedlich. Generell profitieren jedoch alle von einem deutlich erhöhten Personen-, Anlagen- und Gebäudeschutz sowie von einer signifikanten Kostenreduzierung im möglichen Fehlerfall“, sagt Wolfgang Hakelberg. „Eine ganz wesentliche Rolle spielt auch, ob Ausfallzeiten wie beispielsweise auf einer Ölplattform besonders kritisch sind – da sind die höchstens zwei Stunden, die der Austausch der UFES-Primärschaltelemente nach einer Auslösung üblicherweise dauern würde, ein starkes Argument.“

Der Ultraschnelle Erdungsschalter UFES ist aus einer elektronischen Einheit und den dazugehörigen Primärschaltelementen kombiniert. Im Fehlerfall stellt der UFES in weniger als vier ms eine 3-phasige Kurzschlusserdung her.