Elektrotechnik
VDE/ETG-Workshop in Frankfurt/Main: Hohe Versorgungssicherheit
ep9/2002, 3 Seiten
Nach Einführungsvorträgen, die im Tagungsband [1] abgedruckt sind, wurden Diskussionsbeiträge zu den Themen Versorgungsqualität, Anlagentechnik, Anwendungen und Betrieb sowie USV und Netze gehalten [2]. Die etwa 90 Teilnehmer aus Deutschland, Österreich, der Schweiz und der Tschechischen Republik zeigten das große Interesse an der Thematik und erlebten eine gelungene Veranstaltung. Die Themenschwerpunkte werden nachstehend zusammengefasst. Versorgungsqualität Eine Versorgungsqualität von 100 Prozent ist technisch nicht erreichbar. Der Anwender wünscht dies zwar, aber gegen eine Reihe von Störungen sind die angeschlossenen Verbraucher ohnehin immun und für die restlichen Fälle müssen Maßnahmen getroffen werden, um Auswirkungen von Störungen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Grundlage hierfür ist die Verständigung zwischen Energieerzeuger und -verwender. Der Erzeuger muss die Grenzen seiner Versorgungssicherheit benennen und der Anwender die für seine Anlage sich daraus ergebenden erforderlichen Maßnahmen ableiten. Ein Spannungseinbruch ist gemäß EN 50160 ein plötzlicher Rückgang der Versorgungsspannung auf einen Wert zwischen 1 % und 90 % der Nennspannung. Die Dauer des Einbruchs liegt zwischen 10 ms und 1 Minute. Die Ursachen liegen vorrangig in Erdschlüssen, Kurzschlüssen, athmosphärischen Störungen (Blitzeinschläge) und mechanischen Zerstörungen (Bauarbeiten). Automatische Schalthandlungen im Netz minimieren die Zeit des Einbruchs, zusätzlich stützen mitlaufende motorische Antriebe im Bereich von einigen 100 ms durch ihre generatorische Wirkung die aufzubringende elektrische Leistung, so dass der Spannungseinbruch im allgemeinen nur zu etwa 80 bis 90 % an die unterlagerten Netze weitergegeben wird. Bei Spannungsunterbrechungen ist definitionsgemäß die Restspannung kleiner als 1 %. Die Unterbrechungszeit hängt vom Netz und den Umschaltmöglichkeiten ab und beträgt im besten Fall immer noch einige 100 ms , kann aber auch bis zu einigen Stunden dauern. Die Bilder bis zeigen von Dipl.-Ing. K. Heidenreich gezeigte Statistiken des Versorgungsnetzes der HEW (Hamburgische Electricitäts-Werke). Die Werte in Bild betreffen das 110- und 380-kV-Netz und sind streng genommen nur für diese Spannungsebenen gültig. Da jedoch die überwiegende Anzahl der im Nieder- und Mittelspannungsnetz festgestellten Spannungseinbrüche ursprünglich aus dem Hochspannungsnetz stammt, ist die Auswertung mit gewissen Einschränkungen auch für diese Netze gültig. Aus den Auswertungen der HEW geht hervor, dass die elektrische Versorgungssicherheit auch nach der Marktliberalisierung nicht gesunken ist. Die Netzbetreiber kontrollieren in hohem Maße die relevanten Versorgungszahlen auch im Vergleich zu anderen Unternehmen. Dabei stellte sich heraus, dass die Versorgungsqualität in Deutschland nicht nachgelassen hat und im Vergleich zu Werten aus anderen europäischen Ländern ein hohes Niveau behauptet. Trotz dieser hohen Verfügbarkeit sind technisch bedingte Einbrüche unvermeidlich. Gleichzeitig wächst die Anzahl von Verbrauchern, die sensible Prozesse betreiben. Für diese bringen Unterbrechungen oder sogar kurze Spannungseinbrüche Störungen mit eventuell gravierenden wirtschaftlichen Nachteilen mit sich. Deshalb sind auch zukünftig Maßnahmen zur Sicherung der Elektroenergieversorgung auf der Anwenderseite und insbesondere der Einsatz von USV-Anlagen zwingend erforderlich. Klassifikation von USV Die IEC 62040-3 empfiehlt eine detailliertere Bezeichnung der USV, um die verschiedenen Varianten der unterbrechungsfreien Stromversorgung besser den einzelnen Anwendungsfällen zuordnen zu können. Buchstaben und Ziffern geben die Ausgangsabhängigkeit vom Netz, die Ausgangskurvenform und die Ausgangstoleranzen an. Die Darstellung in Tafel beschreibt typische Netz-Störungen und zeigt die Empfehlung für einzusetzende USV-Typen. Die USV-Hauptklassifikationen zeigen die bisherigen und die neuen Bezeichnungen. Einsatzszenarien für USV-Anlagen Beispiele für Anlagen, die eine extreme Versorgungssicherheit benötigen, wurden in einem weiteren Beitrag dargestellt. Energie- und Versorgungssicherheit wird nach VDEW „als die Fähigkeit eines Elektrizitätsversorgungssystems gesehen, seine Versorgungsaufgaben unter vorgesehenen Randbedingungen während einer bestimmten Zeitspanne zu versehen“. Dies gilt auch für die Industriebereiche Elektropraktiker, Berlin 56 (2002) 9 710 Branche aktuell VDE/ETG-Workshop am 20.06.2002 in Frankfurt/Main Hohe Versorgungssicherheit Ziel des Workshops war es, Herstellern und Anwendern von USV-Anlagen sowie Betreibern der elektrischen Netze einen Überblick über den derzeitigen Stand der Technik, Einsatzmöglichkeiten und Entwicklungstrends aufzuzeigen. 1988 Anzahl 2001 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000 Registrierte Spannungseinbrüche im HS-Netz (Mittelwerte aus den drei von HEW betriebenen galvanisch getrennten 110-kV-Netzen, deshalb ungerade Zahlenwerte). 250 200 150 100 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Durchschnittliche Spannungseinbruchszeiten 1-30 31-60 61-90 91-120 121-150 min Häufigkeitsverteilung der Unterbrechungsdauer bei Störungen im 0,4-kV-Netz 1-30 31-60 61-90 91-120 121-150 min Häufigkeitsverteilung der Unterbrechungsdauer bei Störungen im 10-kV-Netz Quelle: HEW mit umfangreichen technischen Prozessen (Halbleiterfertigung, Bildröhrenfertigung, Serverfarmen, Datacenter), die im Beitrag angesprochen wurden. Die durch den Anlagenlieferanten getroffenen Maßnahmen zur Versorgungssicherheit wurden beschrieben. Dabei werden folgende Lastkategorien unterschieden, um eine sinnvolle Dimensionierung der USV-Anlage zu erreichen: · Verbraucher, die keine Versorgungslücke zulassen, · Lasten, die eine Unterbrechung bis etwa 20 ms vertragen, · Lasten, die kurze Unterbrechungen ( im Sekundenbereich) vertragen und · Verbraucher, für die Unterbrechungen tolerierbar sind. Die USV-Anlage kann dementsprechend aus mehreren Einzel-USV, Parallelschaltungen und weiteren Komponenten bestehen. Insbesondere sind bei der Ersatzstromversorgung mit Dieselaggregaten die Anfahr- und Betriebsparameter des Aggregates genau zu beachten. Durch Kurzkupplungen auf Basis selbstgeführter Leistungselektronik kann gegebenfalls die Bauleistung von Netzersatzanlagen reduziert werden. Konzepte für die sichere Stromversorgung Eine qualitativ hochwertige Stromversorgung kann nur erreicht werden, wenn das Gesamtsystem optimiert wird. Es sind alle Komponenten der Versorgung zu betrachten, von der Einspeisung über die USV-Konfigurationen bis zu Lastschaltern, Sicherungen und sogar Rückwirkungen der Verbraucher auf die USV. Die Zuverlässigkeit der eingesetzten Komponenten spielt ebenso eine entscheidende Rolle wie die Netzgestaltung am Ort des Verbrauchers. Es wurden ausführlich redundante Systeme beschrieben, die Rolle von Transferschaltern dargestellt und besonders auf die Sternpunktbehandlung und Erdung eingegangen. Neutralleiterbelastungen können durch den Anschluss einphasiger Gleichrichter (für DC-Versorgung, Schaltnetzteile) an die dreiphasige USV entstehen. Die hierbei auftretenden durch 3 teilbaren Oberwellen addieren sich im Sternpunkt nicht und müssen über den Neutralleiter zurückfließen. Dieser kann somit das 1,7-fache der Phasenströme führen. Die Anlagendimensionierung ist entsprechend vorzunehmen. Branche aktuell Netz 2 Netz 1 elektronischer by-pass = = empfindliche Last Kältetechnik USV-Gleichrichter USV-Wechselrichter Ladegleichrichter 1-Quadrantensteller SMES DEW Wasserlabor Die Konfiguration der Versorgung des Wasserlabors der Wasserwerke Westfalen besitzt eine Kurzzeit-USV-Anlage mit supraleitendem magnetischen Energiespeicher (SMES) und ist für diesen Einsatzfall die erste ihrer Art in Europa. Diskussionsbeiträge In den Diskussionsbeiträgen wurden Ergänzungen zu den Einführungsvorträgen gegeben und es wiesen vorrangig USV-Hersteller auf Vorteile und besondere Eigenschaften ihrer Anlagen hin. Noch im Anfangsstadium ist der Einsatz von SMES (Supraleitender Magnetischer Energie Speicher). Durch die EUS Gmb H und Alstom wurden realisierte Mustereinsätze dargestellt. Trotz des Aufwandes für Tief- und Hochtemperatur-SMES - es muß auf 4,2 K bzw. 30 K gekühlt werden - überwiegen die Vorteile insbesondere bei Kurzzeitspeichern. Sie liegen in der nahezu unbegrenzten Zyklenfestigkeit und im deutlich reduzierten Platzbedarf und Wartungsaufwand. Die Konfiguration der im Rahmen der Landesinitiative Zukunftsenergien des Landes Nordrhein-Westfalen unter Federführung der EUS Gelsenkirchen entwickelten Anlage der Wasserwerke Westfalen mit maximaler Leistungsabgabe von 800 kW bei einem Energieinhalt von 2 MJ ist im Bild dargestellt. ALSTOM stellte eine USV vor, bei der der SMES über Mittelspannungsumrichter und Trafo parallel zum Netz mitläuft. Es wird ein Anschlusswert von 10 MVA/8 MW gestützt. Dabei wird noch selbst bei bis auf 40 % abgesenkter Netzspannung die volle Wirkleistung dem Netz entnommen. Auch Siemens verwies in Zusammenarbeit mit der Uni Bochum auf SMES-USV. Die Uni Dortmund beschrieb ein Einsatzszenario mit Brennstoffzellen, das sicher in Zukunft eine Rolle spielen könnte, aber gegenwärtig mit noch zu hohen Kosten verbunden ist. Einen weiteren Schwerpunkt stellten Wartung und Wartungsvertrag dar. Die Möglichkeiten der Vertragsgestaltung reichen nach ABB Gebäudetechnik vom einfachsten Fall „nur Störungsbehebung“ über „Wartungsvertrag mit Fernüberwachung“ bis zu „Vollwartung“ und „Verfügbarkeitsgarantie“. Die Wartung sollte sich über die Gesamtanlage von der Einspeisung/Verteilung, Netzersatzanlage, USV mit Batterien, Klima/Lüftung bis zur Kompensation und zu Filtern erstrecken. Die Masterguard Gmb H stellte die Vorteile des bidirektionalen Datenaustauschs mit ihrem System LIFE 2000 heraus. Das System ist Ferndiagnose- und Fernüberwachungs-Service zugleich, inklusive der Fernsteuerung bzw. der Meldung an einen autorisierten Servicetechniker. Die Überwachung erfolgt für die angeschlossenen Anlagen ganzjährig und rund um die Uhr über die Zentrale in Erlangen. Literatur [1] USV-Anlagen, ETG-Workshop, 20.Juni 2002: www.vde.com/usv2002 [2] Folien und Diskussionsbeiträge zu [1] zum Download: www.vde.com/de/fg/etg/ publikationen [3] European Guide USV, ZVEI, Stresemannstr. 19, 60596 Frankfurt/Main W.-D. Sieberth Elektropraktiker, Berlin 56 (2002) 9 712 Branche aktuell Tafel Netzstörungen und USV-Klassen Quelle: ZVEI Phänomene und... ...Zeit ihres Auftretens 1 Netzausfälle > 10 ms 2 Spannungseinbrüche < 16 ms 3 Spannungsspitzen < 16 ms 4 Unterspannungen kontinuierlich 5 Überspannungen kontinuierlich 6 Blitzeinwirkungen sporadisch 7 Spannungsstöße (Surge) < 4 ms 8 Frequenzschwankungen sporadisch 9 Spannungsverzerrungen (Burst) periodisch 10 Spannungsoberschwingungen kontinuierlich Bezeichnungen der einsetzbaren USV Anlagen Phänomene: nach IEC 62040-3 bisherige Bezeichnungen 1 bis 3 VFD (Voltage and Frequency Klassifizierung 3 Dependent; Spannungs- und (Offline) Frequenzabhängig) 1 bis 5 VI (Voltage Independent; Klassifizierung 2 Spannungsunabhängig) (Line Interactive) 1 bis 10 VFI (Voltage and Frequency Klassifizierung 1 Independent; Spannungs- und (true) Online Frequenzunabhängig) real Double-Conversion
Autor
- W.-D. Sieberth
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