WALCHER beschäftigt sich seit rund 60 Jahren als Spezialist mit der Energieübertragung in Niederspannungsnetzen. Netzregler/Längsregler werden von WALCHER bereits seit 1959 zum Ausregeln von Spannungsschwankungen in 400-V-Netzen (Stich- oder Ausläuferleitungen) mit großem Erfolg eingesetzt. Ausgeregelt werden generell alle drei Phasen einzeln, unabhängig von den Belastungen in den jeweils beiden anderen Phasen. Durch den Einsatz moderner Halbleitertechnik sind heute Regelgeschwindigkeiten zwischen 70-120 ms möglich. Die standardmäßige Auslieferung erfolgt mit einer Regelgeschwindigkeit zwischen 250-300 ms. Die praxiserprobten Netzregler sind in anschlussfertigen “Kabelverteilerschränken” eingebaut und können somit schnell und einfach direkt in eine 400-V-Stichleitung eingeschleift werden.
Der Maschenstromregler WA-MSR stellt ein völlig neues Betriebsmittel unabhängig bisher bekannter Regler dar. Insbesondere mit der wachsenden E-Mobilität wird sein gezielter Einsatz in vermaschten Niederspannungsnetzen einen hohen Stellenwert erhalten. Seine Aufgabe besteht darin, vorhandene Netzstrukturen bei wachsendem Energieaufkommen weiterhin nutzen zu können, um den ansonsten teuren Netzausbau zu vermeiden bzw. über Jahrzehnte hinaus zu schieben.
Wirkungsweise von Längsregler – Netzregler/RONT
Problem: Spannungsschwankungen durch dezentrale Verbraucher oder Erzeugungsanlagen wie Photovoltaik oder Windenergie
Infolge ständig wachsender Zunahme dezentral einspeisender Energieerzeuger wie Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen, Wasserkraftwerken, Biogaskraftwerken und Kraft-Wärmekopplung wird die Problematik der hierdurch produzierten Spannungserhöhungen in Leitungen innerhalb unserer Versorgungsnetze immer größer.
Lösung: Kosteneinsparungen durch den Einsatz von Längsreglern bzw. Netzreglern
Durch den Einsatz eines Netzreglers können bei richtiger Dimensionierung die strengen Forderungen der Spannungshaltung entsprechend der VDE-ARN 4105 in vielen Problemfällen eingehalten werden. Dies gilt sowohl für Spannungserhöhungen, bedingt durch dezentrale Energieerzeuger, als auch für Spannungsabfälle auf den Leitungen, bedingt durch wachsenden Energieverbrauch. Netzregler regeln automatisch Spannungsabweichungen im 400-V-Netz in jeder einzelnen Phase, unabhängig von den anderen Phasen, innerhalb von ca. 70-120 ms aus. Spannungsabweichungen bis zu +/- 25 % können in den Griff bekommen werden.
Begriffsdefinition / Anwendung
Netzregler und Längsregler sind ein und dasselbe Gerät bzw. Funktionsprinzip. Ein Netzregler ist ein Längsregler von WALCHER. WALCHER baut Netzregler bereits seit 1959. Durch den Einsatz von WALCHER Längsreglern können in vielen Fällen teure Investitionen für den Bau von Transformatorenstationen, verbunden mit dem zusätzlichen Bau neuer Mittelspannungsleitungen, vermieden oder zumindest auf Jahre hinaus verzögert werden. Die fast 60-jährige Praxis von WALCHER hat gezeigt, dass etwa 50 % der eingebauten Netzregler in der Regel länger als 20-30 Jahre an ihrem ursprünglichen Standort verbleiben. Da Netzregler bzw. Längsregler leicht und preiswert zu montieren bzw. demontieren sind, lassen sie sich im Bedarfsfall auch schnell an einen anderen Standort versetzen, womit die Gefahr einer Fehlplanung durch nachträglichen, zunächst nicht eingeplanten Netzumbau gegen Null geht.
Regelprinzip
Das Regelprinzip des Netz-/Längsreglers besteht darin, dass in der Regel 6 oder auch nur 4 kleine Transformatorenstufen je Phase zum Hoch- oder auch Abwärtstransformieren, je nach Bedarf, zu- oder abwärtsgeschaltet werden. Nicht benötigte Stufentransformatoren werden automatisch kurzgeschlossen und verursachen somit keine Magnetisierungsverluste. Eine schnelle Regelung innerhalb von 70–120 ms ist Standard. Optional sind schnellere Regelungen möglich. Im gezeigten Beispiel in Abbildung 1 ist ein Regelbereich von +/- 48 V/Phase realisiert.
Montage und Aufbau des Netzreglers
Die Netzregler werden werkseitig in der Regel in Kabelverteilerschränke eingebaut. Sie sind dafür vorgesehen, auf handelsübliche Sockel leicht und unproblematisch montiert zu werden. Dies erleichtert den nachträglichen Einsatz in bestehende Kabelnetze wesentlich. Die Montage ist innerhalb ein bis zwei Tagen schnell durchgeführt, wodurch jederzeit schnell Abhilfe bei Spannungsproblemen erfolgen kann. Für Freileitungsnetze besteht auch die Möglichkeit, den Netzregler in einem Blechschrank zur Montage direkt am Freileitungsmast zu beziehen.
Abwägung: Ausbau des Netzes durch eine Mittelspannungsleitung alternativ Installation eines Längs-/Netzreglers
In einer langen Niederspannungsleitung NAYY 150 mm² mit 700 m Länge wird ein zusätzlicher Verbraucher am Ende der Leitung mit z. B. 100 kW angeschlossen oder eine PV-Anlage entsprechender Leistung installiert. Problem: Die bestehende Leitung kann die Leistung infolge zu hoher Impedanz (Spannungsabfall) nicht übertragen, Spannungsschwankungen außerhalb der Toleranzgrenzen von 3 % treten auf.
| Lösung: | Bau einer neuen Mittelspannungsleitung mit zusätzlicher Transformatorenstation |
Setzen eines Längsreglers 150 kVA |
| Kosten: | 100 % | ca. 15-20 % |
Aus rein technischer Sicht wäre der Ausbau der Mittelspannung zunächst wünschenswert. Da jedoch der wirtschaftliche Aspekt heute im strenger gewordenen Wettbewerb eine dominante Rolle spielt, wird man bei einer Kosten-Nutzen-Rechnung immer häufiger zur preisgünstigeren Lösung, den Einsatz eines Netzreglers, tendieren.
Vergleich zwischen RONT und Längs-/Netzregler
RONT und Längs-/Netzregler stehen nicht im Wettbewerb. Sie ergänzen sich. Der RONT wird, wie sein Name bereits sagt, direkt in die Transformatorenstationen eingebaut. Dort regelt er indirekt die auf der Mittelspannungsseite durch dezentrale Einspeisungen bedingten Spannungsschwankungen aus.
Der Längsregler (Netzregler) wird dagegen in der Regel am Ende oder auch in der Mitte der 400 V-Niederspannungsleitung platziert. Sein Einsatzgebiet liegt in sogenannten Stich- oder Ausläuferleitungen. In der Stichleitung treten zusätzliche Spannungsschwankungen auf, die unabhängig vom RONT mit einem Längsregler 3 x einphasig nachgeregelt werden müssen. Da gerade im Niederspannungsnetz starke unsymmetrische Belastungen auftreten können, muss der Längsregler in der Lage sein, diese Unsymmetrien durch die drei unabhängig arbeitenden, einphasigen Regelsysteme auszugleichen, um die Ausgangspannung innerhalb der erlaubten Toleranz nach VDE-ARN 4105 von +/- 3 % in jeder Phase einzuhalten.
In Abbildung 3 sind die vier üblichen Spannungsebenen dargestellt, die zur Übertragung der Energie aus Kraftwerken oder auch den großen Offshore-Windkraftanlagen benötigt werden. Im klassischen Anwendungsfall wird die Höchstspannungsleitung mit 380 kV genutzt, um viel Energie über große Distanzen übertragen zu können. Bestes Beispiel hierfür ist die derzeitige Diskussion zur Übertragung der durch Windkraft erzeugten Energie von der Nordsee nach Bayern. Wegen der hohen Spannung von 380 kV müssen aus Sicherheitsgründen sehr große Masten gebaut oder teure Höchstspannungskabel in der Erde vergraben werden. In der Grafik ist dies in der oberen Zeile durch die Großkraftwerke dargestellt, die prinzipiell alle in diese Spannungsebene 380.000 V einspeisen. Da die Generatoren, welche die Energie der Windkraft, Kohlekraft, Gas oder Wasserkraftanlagen in Strom umwandeln nicht für eine Spannung von 380 kV gebaut werden können, muss die Spannung über Transformatoren an die Netze, in die sie einspeisen wollen, angepasst werden. Deshalb werden zu den Kraftwerken immer entsprechende Transformatorenstationen benötigt.
Um von einer Spannungsebene in eine niedrigere oder auch höhere Ebene zu gelangen, müssen immer Transformatoren zur Wandlung der Spannung eingesetzt werden. Auf der Mittelspannungsebene 20 kV (10 kV) wird die Energie bereits bis in den Industriebetrieb oder auch Wohnsiedlungen direkt transportiert oder auch verteilt. Die möglichen Entfernungen zur Übertragung der Energie liegen etwa zwischen 15 und 30 km, je nach Belastung der Leitungen. Werden die Belastungen der Netze zu groß, zum Beispiel weil zu viele Windkraftanlagen gleichzeitig einspeisen, wird die Spannung in der Leitung unzulässig angehoben (siehe blaue Dreiecke über der Leitung). Diese symbolisieren die gleichmäßige Spannungserhöhung über den Leitungsverlauf sowohl auf der Mittelspannung als auch auf der 400-V-Niederspannungsleitung. Sind anstelle der Windkraftanlagen am Ende der Leitungen große Verbraucher angeschlossen, wird der Spannungsverlauf negativ (orangener Spannungsverlauf). Dies kann ebenfalls zur Beschädigung oder den Ausfall von angeschlossenen elektrischen Geräten oder Anlagen führen.
Mit einem RONT können die aufgetretenen Spannungsänderungen der Mittelspannung dreiphasig in der Transformatorenstation auf die Nennspannung 3 x 400 V ausgeregelt werden. Der RONT regelt also die Spannungsschwankungen auf der Mittelspannung aus. Der RONT kann keine Spannungsschwankungen auf der 400 V-Niederspannungsleitung ausregeln.
Der RONT regelt immer drei Phasen gleichzeitig. Er ist nicht in der Lage, Spannungsunsymmetrien in den drei Phasen auszugleichen.
Auf der 400-V-Leitung werden zum Ausgleich der Spannungsabweichungen bereits seit 1959 Netzregler (= Längsregler) von WALCHER erfolgreich eingesetzt. Diese Längsregler haben drei einphasige Regelsysteme eingebaut, um unabhängig voneinander die Phasenspannungen sowohl in den positiven als auch negativen Bereich wieder auf Nennspannung regeln zu können. In der Grafik wird deutlich, wie hinter dem RONT wiederum auf der langen Leitung Spannungsabweichungen durch Einspeisung (blauer Verlauf) oder durch normale Belastungen (orangener Verlauf) auftreten. Diese Spannungsabweichungen werden je nach Leitungskonfiguration am geeignetsten Standort in der Mitte oder am Ende der Leitungen durch einen Netzregler-Längsregler nachgeregelt.
| Übersicht RONT und Längsregler | ||
| RONT | Längsregler TYP WA-NRE | |
| Verluste | Der RONT, auf Basis eines Ortsnetztransformators, ist ständig mit relativ hohen Leerlaufverlusten beaufschlagt. | Beim Netzregler werden kleine Stufentransformatoren nur dann zugeschaltet, wenn Spannungsabweichungen ausgeregelt werden müssen. Im Leerlauf sinken die Verluste auf ca. 15 W. |
| Einsatzgebiet | Der RONT wird grundsätzlich am Anfang der Leitung, d. h. in der Transformatorenstation eingebaut. | Der Längs-/Netzregler wird in der Mitte oder am Ende einer Stichleitung eingesetzt. |
| Auswirkung | Der RONT beeinflusst nur die Ausgangsspannung in der Transformatorenstation. Auf weit entfernte Verbraucher wirkt sich dies in der Regel nur sehr gering aus. | Der Längsregler befindet sich direkt beim betroffenen Verbraucher und regelt dessen Spannungsabweichungen an Ort und Stelle aus. |
| Regelverhalten | Beim RONT werden Wicklungen am Transformator umgeschaltet. Die Regelhäufigkeit und Regelgeschwindigkeit ist gegenüber dem Längsregler begrenzt. | Die Regelgeschwindigkeit liegt typisch bei < 120 ms. Infolge der Halbleitertechnik ist der Längsregler (Netzregler) verschleißfrei und kann beliebig oft geschaltet werden. |
| Unsymmetrische Belastungen | Beim RONT werden die drei Phasenspannungen immer gleichzeitig geschaltet. Eine Spannungssymmetrierung kann nicht erreicht werden. | Der Längsregler regelt infolge seiner drei einphasigen Regelsysteme Sternpunktverschiebungen aus. Er symmetriert die drei Ausgangsspannungen. |
Wartung/Nutzungsdauer
Der Netzregler arbeitet über Jahre wartungsfrei, weil keine Verschleißteile zum Regeln der Spannung eingebaut sind. Ausnahme: Lüfter, welcher je nach Umweltverschmutzung alle paar Jahre auf seine Funktionalität überprüft werden sollte. Netzregler werden in Niederspannungsnetzen eingebaut, womit bei langen Leitungen teure Investitionen in eine Netzverstärkung oder auch die Installation einer Mittelspannungsleitung in der Regel vermieden werden kann. Bis zu einer Benutzungsstundenzahl von ca. 1200 h/Jahr stellt der Netzregler die wirtschaftlichste Übertragung der Energie zum Endverbraucher dar.
Wann kann der RONT nicht eingesetzt werden?
Der RONT wird generell direkt in die Transformatorenstation eingebaut. Er hat die Aufgabe, Spannungsschwankungen, die bereits auf der Mittelspannung 10 kV oder 20 kV auftreten, so auszuregeln, dass die vom RONT transformierte Niederspannung auf 400 V im zulässigen Spannungsbereich bleibt. Der RONT ist nicht geeignet, um die auf längeren Niederspannungsleitungen auftretenden zusätzlichen Spannungsabweichungen zu regeln. Der Längsregler/Netzregler übernimmt dagegen das Ausregeln aufgetretener Spannungsschwankungen auf der Niederspannungsleitung. Der Standort des Netzreglers/Längsregler wird dementsprechend so gewählt, dass der Netzregler möglichst nahe bei den Verbrauchern/Stromeinspeisern platziert wird.
Montage und Aufbau von Netzreglern
Netzregler werden in zwei Grundvarianten für die Montage im Freien hergestellt:
a) Montage in Standard-Kabelverteilerschränken
b) Schränke zur direkten Montage am Mast
Durch die große Bandbreite an Durchgangsleistungen und Regelbereichen stehen die jeweils passenden Regler kostengünstig zur individuellen Anpassung der jeweils aktuellen Netzstruktur zur Verfügung.
Forschungsprojekt FLOW-R: Entwicklung des Maschenstromreglers WA-MSR
FLOW-R, das Synonym für den Maschenstromregler WA-MSR, ist eine gemeinsame Entwicklung der TU-Kaiserslautern, Pfalzwerke, Pfalzwerke Netz, PPC und Walcher. Der Maschenstromregler steht nicht in Konkurrenz zum RONT oder Längsregler, sondern ist ein völlig neues Betriebsmittel für den Netzbetreiber. Dieses Betriebsmittel wird ausschließlich in vermaschten Netzen eingesetzt, um Überlastungen der Leitungen durch zu hohe Ströme bzw. Leistungen entgegen zu wirken. Die Stromflüsse werden dabei so gesteuert, dass stark ungleichmäßig auftretende Stromflüsse in parallelen Leitungen der Masche ausgeglichen werden.
Als Grundlage des Reglers werden die beiden Kirchhoffschen Gesetze durch den Regler FLOW-R umgesetzt. Hierzu werden innerhalb einer Masche die Ströme und Phasenspannungen und Phasenwinkel an technisch interessanten Messpunkten zyklisch ca. alle 10 Sekunden abgefragt und im WA-MSR ausgewertet. Besteht für den Regler Handlungsbedarf, wird er aktiv und schickt durch das Zu- bzw. Abschalten von angepassten Stufentransformatoren einen passenden dynamisierten Ausgleichsstrom durch die überwachte Masche. Der WA-MSR legt auch die Stromrichtung des Ausgleichstromes innerhalb der Ringleitung fest, womit in allen Punkten der Masche der Nennstrom beeinflusst werden kann.
Der WA-MSR kann auch in gewissen Grenzen eine Spannungsregelung mit übernehmen. Der WA-MSR kann optional mittels Fernwirkprotokoll IEC 60870-5-104 von der Leitwarte aus überwacht und bei Bedarf parametriert werden.
Wirkungsprinzip
Im linken Bild wird der Stromfluss durch die Masche ohne WA-MSR dargestellt.
Das rechte Bild zeigt die gleiche Masche mit eingebautem WA-MSR, aus der ersichtlich wird, wie der vom FLOW-R (WA-MSR) eingeprägte Ausgleichsstrom von 100 A einer Überlastung des rechten Stromkreises mit aktuell 220 A entgegenwirkt. Hierdurch reduziert sich der theoretisch ohne WA-MSR fließende Strom von 220 A auf 120 A. Da der eingeprägte Ausgleichsstrom zum FLOW-R zurückfließen muss, wird somit der relativ gering belastete Parallelzweig besser als zuvor ausgelastet. Ein Netzumbau kann somit vermieden oder zumindest deutlich hinausgezögert werden.
Der WA-MSR wird in einen Kabelverteilerschrank zur Montage auf einen Fundamentsockel eingebaut, womit er leicht ohne großen Aufwand zu montieren ist.
Das Bild zeigt den geöffneten FLOW-R mit den sehr wartungsfreundlich angeordneten Komponenten. Die Anordnung der Ein- und Ausgangssicherungen ermöglicht ein schnelles Umschalten in einen Bypass.
Der geschlossene WA-MSR (linker Schrank) im Ortsnetz.
Einsatz im Testnetz
Darstellung des Testnetzes der Pfalzwerke mit den eingezeichneten Messpunkten und der Transformatorenstation sowie den Standort des FLOW-R (WA-MSR). Die Daten werden über Power-Line untereinander ausgetauscht. Zum besseren Verständnis lässt sich im vereinfachten Ersatzschaltbild das Regelprinzip leicht ableiten.
Gegenüberstellung der repräsentativen Messkurven, die zeitversetzt in der gleichen Masche, einmal ohne und einmal mit eingesetztem FLOW-R, aufgezeichnet wurden. Aus der Kurve der rechten Abbildung ist deutlich die Wirkungsweise des WA-MSR abzulesen. Der blau dargestellte Strom Ilimit = 40 A wird gut eingehalten. Sobald dieser Strom ansteigen will, wird er durch den rot dargestellten vom FLOW-R eingeprägten Strom kompensiert. Die darunter gelegte grüne Kurve (Tap) zeigt die jeweils aktuell zu- bzw. abgeschalteten Transformatorenstufen.
Mit dem WA-MSR steht ein völlig neues preiswertes Betriebsmittel zur Verfügung, welches in vielen Anwendungsfällen den oft sehr teuren erforderlichen Netzausbau vermeidet.
Kontaktinformationen
Dipl.-Ing. Hartmut Walcher
Walcher GmbH & Co. KG
Technische und kaufmännische Leitung
E-Mail: info@walcher.com
Hinweis: Dieser Gastbeitrag auf ront.info wird vom Hersteller gestaltet und bei Bedarf aktualisiert.