Energietechnik/-Anwendungen
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Elektrotechnik
HGÜ-Technik erreicht neue Dimensionen
ep4/2009, 3 Seiten
5000-MW-Übertragung über 1400 Kilometer Für die HGÜ-Strecke „Yunnan-Guangdong“ (Bild ) liefert Siemens Energy insgesamt zehn der 800-kV-HGÜ-Transformatoren sowie weitere zehn 600-kV-Einheiten. Nach ihrer Fertigstellung Mitte 2010 soll über die Anlage eine elektrische Leistung von 5000 MW über eine Entfernung von 1400 km zwischen der Provinz Yunnan im Südwesten Chinas und der im Süden liegenden Provinz Guangdong übertragen. Damit wird ein großer Beitrag zu mehr Effizienz in der Energieübertragung erbracht. Zum Vergleich: Die Verluste bei Übertragung via HGÜ sind um rund 50 % niedriger als mit Drehstrom-Systemen. Mit dem Bau dieser Anlagen wird aber auch in eine neue Dimension der HGÜ-Technik vorgestoßen: Die Strecke in China ist weltweit die erste, bei der elektrische Energie mit einer Gleichspannung von ±800 kV übertragen wird. Die dafür benötigten Stromrichtertransformatoren sind sehr wichtige Komponenten, weil sie die Netzspannung entsprechend umspannen müssen. Gegenüber der bisher bei HGÜ-Anlagen von Siemens üblichen Spitzenübertragungsgleichspannung von 500 kV wurde die Betriebsspannungen zur weiteren Steigerung der Übertragungsleistung immerhin um 60 % erhöht. Umfangreiche Forschungs-und Entwicklungsarbeiten Die Ingenieure konnten sich bei der Konstruktion des 800-kV-Stromrichtertransformators nicht nur allein auf ihre langjährigen Erfahrungen stützen. Es waren zusätzlich umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten notwendig. Dabei ging es vor allem darum, die bei einer Ultrahochspannung von 800 kV außergewöhnlich hohen Anforderungen an die Isoliersysteme der Transformatoren zu beherrschen. Um ein sicheres Arbeiten zu gewährleisten, mussten die Ausmaße der Transformatoren neu bestimmt werden. So haben zum Beispiel die zwei Ventildurchführungen, durch die der Strom vom Inneren des Transformators in die Stromrichter fließt, aufgrund der nötigen Isolierabstände in Luft eine Länge von 14 m. Dabei ist der Transformator schon ohne Durchführungen 26 m lang, 15 m hoch und wiegt mit eingefülltem Isolieröl rund 500 t. Nicht zuletzt musste das Prüffeld des Werkes auf stark gestiegene Prüfpegel angepasst werden, um zu testen und die Endprüfung vornehmen zu können. Isolierung als große Herausforderung Bei den Entwicklungsarbeiten war eine der wichtigsten Aufgaben, den Bedarf der äußeren und inneren Isolierung des Aktivteils des neuen Transformators zu berechnen. Die äußere Isolierung liegt dabei über weite Luftstrecken offen oder auf der Oberfläche von Isolatoren, die Verschmutzungen ausgesetzt sind. Als innere Isolierung wird jene bezeichnet, die in einem ölisolierten Transformatorkessel liegt. Im Höchstspannungsbereich verhalten sich bestimmte Parameter der Isolierung eines Leistungstransformators extrem nichtlinear. So kann etwa der Luftabstand zwischen Hochspannungsteilen und dem Boden bei 500-kV-HGÜ- Systemen 4 bis 5 m betragen. Der Anstieg der Spannungsebene um 60 % bei 800-kV-Systemen bedeutet jedoch, dass ein fast doppelt so großer Luftabstand von rund 10 m erforderlich wird. Die einfachste Möglichkeit, diese Distanz zu erreichen, wäre gewesen, die Komponenten und den Abstand zwischen ihnen so weit zu vergrößern, bis eine ausreichende Isolierfestigkeit sichergestellt ist. Dies hätte aber die Konstruktion und die Ausrüstung des gesamten Transformators derart vergrößert, dass danach der Transport zum Einsatzort nicht mehr möglich gewesen wäre. Auch bei der Fertigung bestimmter Komponenten wäre man an Grenzen gestoßen. Deshalb entschlossen sich die Entwickler für eine komplette Neukonzeption aller Hauptkomponenten, die der 268 BRANCHE AKTUELL HGÜ-Technik erreicht neue Dimensionen Nach einer erfolgreich verlaufenen Endabnahme im Werk in Nürnberg hat Siemens Ende letzten Jahres den weltweit ersten 800-kV-Transformator für Ultra-Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsanlagen (HGÜ) auf die lange Reise nach China geschickt. Dort soll der Stromrichtertransformator in der HGÜ-Anlage „Yunnan-Guangdong“ zum Einsatz kommen. Elektropraktiker, Berlin 63 (2009) 4 Aktuelle Meldungen, Branchengeflüster, Produktinformationen Fachartikel-/Leseranfragen-Datenbank mit Volltextsuche und vieles mehr: www.elektropraktiker.de Die HGÜ-Anlage zwischen der Provinz Yunnan im Südwesten Chinas und der im Süden Chinas liegenden Provinz Guangdong überträgt den Strom weltweit zum ersten Mal mit einer Übertragungsgleichspannung von ±800 kV. Die Strecke ist rund 1400 km lang. Gleichzeitig ist dieses Projekt mit einer Übertragungsleistung von 5000 MW die bisher leistungsstärkste HGÜ-Fernverbindung Nach der erfolgreich verlaufenen Endabnahme steht der weltweit erste 800-KV-Ultra-Hochspannungs-Stromrichtertransformator zur Auslieferung nach China bereit Quelle: Siemens Energy Fühlen... sehen... schalten... der neue Berker Q.1 www.berker-schalter.de Spannungsebene von 800 kV ausgesetzt sind. Damit konnte für den Transformator ein optimales Verhältnis zwischen den elektrischen Feldern und den Abmessungen hergestellt werden (Bild ). Hohe Prüfspannung bei der Endabnahme Es mussten also neue Isolierungstechniken entwickelt werden, um überhaupt die elektrische und mechanische Auslegung der Hochspannungskomponenten in ein optimales Verhältnis zueinander zu bringen. Eine besondere Schwierigkeit war in diesem Zusammenhang die Auswahl der benötigten Werkstoffe und deren Herstellung, aber auch die Entwicklung und Konstruktion neuer Durchführungen für den Anschluss der Stromrichterventile sowie eines neuen Trennsystems. Auch die Erzeugung derart hoher Prüfspannungen für die Endabnahme im Prüffeld stellten die Ingenieure vor Herausforderungen. Der Aufbau teilentladungsfreier Testmöglichkeiten sowie eine spezielle Konstruktion des Außengehäuses, um innerhalb der Grenzwerte des chinesischen Schienentransportsystems zu bleiben, waren ebenfalls Probleme, die gelöst wurden. Damit stiegen die Komplexität des gesamten Fertigungsprozesses und die Qualitätsanforderungen. Neue Produktionsanlagen und -prozesse mussten eingerichtet werden. Um die Durchführungen für den neuen Transformator in den für eine Spannung von 800 kV erforderlichen Abmessungen liefern zu können, baute der Hersteller HSP eigens eine neue Fertigungsanlage auf. Diese Aufgabe wurde noch dadurch erschwert, dass es derzeit noch keine internationalen Konstruktionsnormen für die 800-kV-Technik gibt. HGÜ-Technik senkt Übertragungskosten Zweifelsohne stellt die Ultra-Hochspannungs-Gleichstromübertragungstechnik mit 800 kV die wirtschaftliche Übertragung großer Energiemengen über sehr weite Entfernungen sicher. Sie ist über derart große Strecken wie bei dem Projekt in China (Bild ) eindeutig kostengünstiger als die Drehstromtechnik. Die Freileitungskosten sinken, weil nur ein Bipol benötigt wird. Darüber hinaus kann der geringere Flächenbedarf für die Sicherstellung der erforderlichen Trassen von Vorteil sein. Die Gesamtkosten des neuen 800-kV-Systems könnten zudem im Vergleich zur vorhandenen 500-kV-HGÜ-Technik um bis zu 25 % niedriger liegen. Darüber hinaus sind die Leitungsverluste bei den neuen 800-kV-Anlagen äußerst gering, sodass die Übertragungsleistung pro Anlage auf 7000 MW und mehr erhöht werden kann. Berücksichtigt man die geringeren Verluste, kann die Ultra-HGÜ- Technik in dieser Anwendung helfen, CO2-Emissionen von rund 33 Mio. t jährlich einzusparen. Dem ersten der nun für „Yunnan-Guangdong“ bestimmten zehn Stromrichtertransformatoren in 800-kV-Technik werden in schneller Folge weitere folgen: Siemens liefert im Zuge eines weiteren Auftrages u. a. ebenfalls zehn Höchstspannungs-Stromrichtertransformatoren - fünf davon in 800-kV-Ausführung - für die Stromrichterstation auf der Erzeugerseite der künftigen HGÜ- Strecke vom Wasserkraftwerk Xiangjiaba im Südwesten Chinas nach Shanghai an der Ostküste des Landes. Mit einer Übertragungsleistung von 6400 MW und einer Länge von mehr als 2000 km wird die geplante Verbindung die leistungsstärkste und längste der Welt sein. H.-U. Tschätsch Elektropraktiker, Berlin 63 (2009) 4 270 BRANCHE AKTUELL So wird die 800-kV-HGÜ-Anlage in Yunnan nach ihrer Fertigstellung im nächsten Jahr aussehen. Wie in China geht es heute weltweit darum, zuverlässige Energiequellen zu finden, die es ermöglichen, den steigenden Energiebedarf zu decken und gleichzeitig die Umwelt zu schützen. Die nachhaltige und ökologisch verantwortungsvolle Energieerzeugung ist dabei allerdings nur ein Aspekt: Ebenso wichtig ist es, die Energie auch auf effiziente und umweltverträgliche Weise zu den Verbrauchszentren zu transportieren. Die Hochspannungs-Gleichstromübertragung mit 500 kV war in den letzten 30 Jahren ein probates Mittel für den Transport großer Energiemengen über große Entfernungen. Mit dem weiter steigenden Bedarf an Übertragungskapazitäten über immer größere Entfernungen stoßen 500-kV-Gleichstromübertragungssysteme aber allmählich an die Grenze ihrer Übertragungsleistung. In China liegen zwischen den Wasserkraftwerken in der Landesmitte und den Mega-Städten entlang der Küste Entfernungen von fast 2000 km. Über diese Distanz müssen die Energieversorger mehr als 5000 MW Leistung übertragen, um beispielsweise rund 2 Mio. Haushalte ausreichend mit Strom versorgen zu können. Angesichts der erkannten Leistungsgrenzen der vorhandenen Übertragungstechnik traten Energieversorgungsunternehmen mit der Bitte an Siemens heran, ein Übertragungssystem zu entwickeln, das den gestiegenen Anforderungen den Landes gerecht wird. Daraufhin bot der Konzern ein HGÜ-System mit einer Übertragungsspannung von 630 kV an. Doch während die Forschungs-und Entwicklungsabteilungen noch dabei waren, der 630-kV-Lösung die endgültige Gestalt zu geben, entschlossen sich die chinesischen Stromversorger, lieber gleich auf die 800-kV-HGÜ- Technik umzusteigen. So begannen die Entwickler gleich nach dem Erhalt des Auftrages zum Bau der ersten 800-kV-HGÜ- Anlage Yunnan-Guangdong mit der Entwicklung des ersten 800-kV-Stromrichtertransformators für dieses ehrgeizige Projekt. Effizienter und umweltverträglicher Stromtransport mit HGÜ
Autor
- H.-U. Tschätsch
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