Wirksamer Schutz gegen Spannungsschwankungen
Laut Verteilnetzstudie von 2014 wird sich die installierte Windkraft- und Photovoltaikleistung bis zum Jahr 2032 verdoppeln oder sogar verdreifachen. Durch die volatile EE-Einspeisung werden in den nächsten fünf Jahren weit mehr als 25 % der ländlichen Netze Probleme mit Spannungsbandverletzungen haben. Das Netzspannungsstabilisierungssystem (NESSY) ist ein wirksamer Schutz und eine wirtschaftliche Alternative zum regelbaren Ortsnetztransformator (rONT).
In Niederspannungsnetzen darf das Spannungsband maximal ± 10 % gegenüber der Nennspannung abweichen (EN 50160). Gleichzeitig dürfen dezentrale Energieerzeuger (EE) während des Einspeisevorgangs die Spannung lediglich um 3 % anheben (BDEW). Die Einhaltung beider Normen und Vorschriften führt zu großen Problemen bei der Einhaltung des Spannungsbandes im Verteilnetz, denn durch die weiter steigenden EE-Anteile nehmen die Spannungsschwankungen deutlich zu.
Die RWTH Aachen kam bereits 2012 zu dem Ergebnis, dass bis 2020 ca. 25 % der ländlichen Netze Probleme mit Spannungsbandverletzungen haben werden. Durch den rascheren EE-Zubau werden diese Probleme vermutlich sogar noch früher und in größerem Umfang eintreffen.
Eine Spannungsanhebung um 3 % wird bereits bei Einspeiseleistungen erreicht, die deutlich unter der Übertragungskapazität der MS- und NS-Leitungen liegen können ( BMWi, Verteilnetzstudie 2014).
Spannungsschwankungen gefährden IT-Systeme, Maschinen und Anlagen
IT-Systeme, Industriesteuerungen, Maschinen oder Krankenhausanlagen können durch Spannungsabweichungen ausfallen, erheblich geschädigt oder Leistungen von Antrieben und prozesstechnischen Anlagen verändert werden. Der Umfang der Spannungsschwankungen in Niederspannungsnetzen ist wegen fehlender Messeinrichtungen allerdings oft gar nicht bekannt.
„Die Ansprüche der Stromverbraucher an die Qualität der Spannung sind insbesondere durch die hohe Empfindlichkeit von IT-Geräten deutlich gestiegen. So reagieren elektronische Steuerungen in höchstem Maße sensibel auf Spannungsschwankungen, auch wenn sich diese nur innerhalb eines Bruchteils von Sekunden abspielen“ (Forum Netztechnik / Netzbetrieb im VDE). Dies hat für Netzbetreiber auch rechtliche Auswirkungen: Laut Bundesgerichtshof haften Netzbetreiber nach dem Produkthaftungsgesetz für Überspannungsschäden (BGH, 25.02.2014 – VI ZR 144/13).
Intelligente Technologien zur Spannungsstabilisierung
Der EE-Zubau führt zu einem grundlegenden Umbau der Verteilnetze. Die Verteilnetzstudie hat nochmals bestätigt, dass durch den Einsatz intelligenter Technologien wie regelbare Ortsnetztransformatoren (rONT) und Niederspannungsregelsysteme / Spannungslängsregler der Netzausbau in der Niederspannung nahezu vollständig vermieden werden kann. Bei diesen Systemen wird die Spannung lokal gemessen, verarbeitet und selbstständig eine Regelung durchgeführt. Eine Verbindung zu einer externen Steuerung oder einem Leitsystem ist möglich aber in 95 % der Einsatzfälle nicht erforderlich (Verteilnetzstudie).
NESSY macht vorhandene Ortsnetztransformatoren „regelbar“
Das Netzspannungsstabilisierungssystem (NESSY) oder der regelbare Ortsnetztransformator (rONT) sind gleichermaßen wirksam, haben aber unterschiedliche Stärken und Einsatzbereiche. NESSY ist eine Entwicklung des Unternehmens Ruhstrat, einem Spezialisten von Spannungsoptimierungssystemen und Transformatoren für den Nieder- und Mittelspannungsbereich. Das Unternehmen verfügt über 80 Jahre Erfahrung in der Spannungskonstanthalte-Technologie und entwickelt moderne Anlagen zum Schutz vor Spannungseinbrüchen und zur Spannungsstabilisierung.
NESSY basiert auf einer mikrocontrollerbasierten Steuerung und ist eine Weiterentwicklung der etablierten Strangregler-/Spannungslängsregler-Technik. Mit NESSY können auch existierende Ortsnetztransformatoren nachgerüstet werden. Diese ONT werden dadurch „regelbar“ gemacht. Hier hat NESSY einen Kostenvorteil, weil die vorhandenen Transformatoren nicht ersetzt werden müssen. NESSY ist sowohl für Öl- als auch für Gießharztransformatoren einsetzbar. Das ist vor allem für Industrienetze oder Einkaufszentren mit eigener Mittelspannungseinspeisung relevant. Diese setzen häufig Gießharztransformatoren ein, die durch rONT nicht ausgetauscht werden können.
Strangregler für ländliche und vorstädtische Netze
NESSY ist auch als Strangregler / Spannungslängsregler verwendbar und regelt Asymmetrien aus. „Der Einsatz eines Spannungslängsreglers ist vor allem dort vorteilhaft, wo sich die installierte Leistung von EE-Anlagen sehr ungleichmäßig auf die Abgänge eines Niederspannungsnetzes verteilt. Eine Regelung der Sammelschienenspannung und damit gleichmäßige Spannungsreglung aller Abgänge durch einen regelbaren Ortsnetztransformator würde dafür eventuell nicht ausreichend sein“ (BMWi-Verteilnetzstudie). Vor allem in ländlichen und vorstädtischen Netzen mit großen Einspeisern ist die gezielte Regelung des betroffenen Strangs daher effektiver und kostengünstiger.
Durch den Einsatz von NESSY für existierende Ortsnetztransformatoren wird die Netzspannung dauerhaft innerhalb des Toleranzbands von ± 10 % gehalten.
Netzspannung dauerhaft innerhalb des Toleranzbands von ± 10 %
Durch den Einsatz von NESSY für existierende Ortsnetztransformatoren wird die Netzspannung dauerhaft innerhalb des Toleranzbands von ± 10 % gehalten. Die Werte für Spannung und Strom werden auf der Verbraucherseite gemessen und durch eine SPS erfasst. Mithilfe einer Steuerung werden wartungsfreie Halbleiterbauelemente (Triacs) als Stellglieder angesteuert. Die Steuerung ist reaktionsschnell und erreicht eine Regelgeschwindigkeit von 150 ms pro Stufe. Der Wirkungsgrad ist > 99 %.
Je nach Spannungsabweichung werden ein bis sechs Transformatoren zugeschaltet (Spannungserhöhung bei Unterspannung) oder gegengeschaltet (Spannungsabsenkung bei Überspannung). Der Regelbereich liegt z. B. bei ± 10 % in ± 4 x 2,5%-Stufen. Die Spannungsstufen sind wählbar. Die Regelung bezieht Spannungswerte von der Sammelschiene, nach der die Stufen ermittelt werden. Mit dem Einsatz von NESSY erhöht sich die Aufnahmefähigkeit des Verteilnetzes für EE-Einspeisungen ohne kostenintensive Netzausbaumaßnahmen.
NESSY ist in unterschiedlichen Leistungsvarianten von 50 kVA bis 200 kVA verfügbar. Das Stabilisierungssystem erfordert keinen Netzumbau, ist einfach installierbar und sofort verfügbar.
Je nach Spannungsabweichung werden ein bis sechs Transformatoren zugeschaltet.
Elektrotechnische Firewall für Industrieverbraucher
Bei einer Vielzahl von Ortsnetzen ist die komplette Erneuerung des Ortsnetztrafos unwirtschaftlich. Oft sind kleine dezentrale Spannungsregler sinnvoller, um beispielsweise nur einzelne Netzstränge zu stabilisieren. Während Ortsnetztrafos immer alle drei Phasen regeln, kann es in einem Industrienetz mit einer sehr unterschiedlichen Lastenverteilung sinnvoller sein, gezielt einzelne Phasen zu regeln. Eine solche Spannungsoptimierung ist wirtschaftlicher und erhöht als „elektrotechnische Firewall“ die Betriebssicherheit und die Anlagenverfügbarkeit. Eine geregelte Spannung stabilisiert außerdem sensible Antriebe und Prozesse.
Bei einer Einstellung des Toleranzbandes von beispielsweise ± 5 % erweitert sich der Regelbereich mit ± 10 % auf ± 15 % der Nennspannung UN. Durch das frei einstellbare Toleranzband und einer verringerten Versorgungsspannung lassen sich dadurch in einem Industrieunternehmen Energie- und Kostenoptimierungen erreichen.
Autor: Martin Ortgies, Fachjournalist, Hannover
Kontaktinformationen
Eisenmann Thermal Solutions GmbH & Co. KG
Leinetal / Auf der Mauer 1
37120 Bovenden – Germany
Andreas Möbus
Leiter Business Segment Electrical Technology
E-Mail: andreas.moebus@ruhstrat.com
Geschäftsfelder: Spannungsoptimierung, Transformatoren, Drosseln, Leistungswiderstände, elektrische Prüftechnik
Hinweis: Dieser Gastbeitrag auf ront.info wird vom Hersteller gestaltet und bei Bedarf aktualisiert.