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01 Für einen sicheren Betrieb auch bei Netzausfall sorgt in der DEA Bärenschleife ein 380-kV-Dieselaggregat zur Notstromversorgung

Aktive Filter optimieren den Notbetrieb einer Druckerhöhungsanlage

02 Im Normalbetrieb versorgen die beiden Transformatoren mit je 800 kVA die Anlage und sorgen für die benötigte Pumpleistung

03 Redundante Pumpen und moderne Antriebstechnik mit Low Harmonic Drives, Frequenzumrichtern und aktiven Filtern sorgen für hohe Verfügbarkeit der Druckerhöhungsanlage Bärenschleife

04 Der VLT AAF 006 sorgt für eine effiziente Reduzierung der Netzrückwirkungen, was vor allem im Notfallbetrieb eine sichere Versorgung der 77.000 Bewohner garantiert

Wasser – ein für unser Leben äußerst wichtiger Stoff. Daher sind auch alle Wasserversorger stets bemüht, ihre Anlagen unter allen Bedingungen betriebsbereit zu halten. Mitunter ein schwieriges Unterfangen, da viele Pumpstationen einsam in Wald- oder Feldbereichen gelegen sind. Dann kommen Notstromgeneratoren zum Einsatz, um Netzausfällen und damit Ausfällen in der Wasserversorgung vorzubeugen. Bei der Druckerhöhungsanlage Bärenschleife sorgt ein Advanced Active Filter AAF 006 von Danfoss VLT für eine optimale Auslastung des Generators.

Für eine zuverlässige und ausfallsichere Trinkwasserversorgung von Bevölkerung und Industrie stattet der in Rheinland-Pfalz beheimatete Wasserzweckverband im Kreis Birkenfeld im Zuge der Modernisierung der Druckerhöhungsanlage Bärenschleife die Anlage für den Notfallbetrieb mit einem aktiven Filter des Antriebsspezialisten Danfoss aus, als Ergänzung zu den ebenfalls vom Antriebsspezialisten stammenden VLT-Frequenzumrichtern und zwei VLT Low Harmonic Drives.

Notstromanlage für eine sichere Versorgung
Um die Versorgung der über 77.000 Einwohner von Idar-Oberstein und den ebenfalls zum Kommunalverband gehörenden Verbandsgemeinden Baumholder, Birkenfeld und Herrstein langfristig sicherzustellen und zusätzliche Leistungsreserven einzubauen, entwickelte der Verband mithilfe des Planungsbüros IGB Ingenieurgesellschaft im Kreis Birkenfeld mbH und den Spezialisten von der Gesellschaft für Automatisierung + Rationalisierung mbH ein umfassendes Erweiterungskonzept für die DEA Bärenschleife. Dabei entwickelte A+R eine Lösung, die sowohl die beiden versorgenden Transformatoren als auch den Notstromgenerator (Bild 1) im Notfall bestmöglich ausnutzt. Denn die Anlage steht weit außerhalb der nächsten Ortschaft mitten in einem Waldgebiet. Für eine permanent verfügbare Wasserversorgung sorgen redundant ausgeführte Systeme: Alle Pumpen, sowohl die zwei an die VLT LHD angeschlossenen 250-kW-Pumpen als auch die 75-kW- und 90-kW-Pumpen sind doppelt ausgeführt. Im Normalbetrieb an den zwei Transformatoren (Bild 2) können alle diese Pumpen gleichzeitig arbeiten. Fallen die Transformatoren oder die übergeordnete Spannungsversorgung aus, übernimmt ein Generator die Versorgung der Pumpstation für den Notbetrieb. Allerdings können dann nur noch ausgewählte Kombinationen der Pumpen gefahren werden: Entweder die beiden 75-kWPumpen zusammen oder alternativ eine Kombination aus einer 75- kW- sowie einer 90-kW-Pumpe. Die beiden großen 250-kW-Pumpen an den Low Harmonic Drives sind zwingend auszuschalten (Bild 3).

Netz- versus Generatorbetrieb – die Unterschiede
Gegenüber dem speisenden Netz verhalten sich Frequenzumrichter nicht neutral. Sie erzeugen Netzrückwirkungen in Form von Stromoberschwingungen oder Harmonischen, die der Frequenzumrichter ins speisende Netz zurückgibt und damit dessen Qualität negativ beeinflusst. Erst im Zusammenspiel mit der Netzimpedanz des speisenden Netzes, hier also durch die Transformator- respektive die Generatorspeisung, entstehen Spannungsverzerrungen. An der Induktivität der Energieversorgung verursachen die Oberschwingungsströme einen Spannungsfall, der sich zur gegebenen Spannung hinzuaddiert und die Spannung verzerrt. Die Anschlussleitungen (Querschnitt und Länge) bewirken ebenfalls einen Beitrag zur Netzimpedanz. Somit sind die Verbraucher zwar die Ursache, aber die Spannungsverzerrungen selbst entstehen erst in Korrelation mit der Netzimpedanz, das heißt mit dem gesamten System. An steifen Netzen ist dies meist unbedenklich; nutzen jedoch angeschlossene Systeme die Netzversorgungen leistungsmäßig stark aus, ergibt sich daraus eine steigende Belastung der Netzqualität. Bei der DEA Bärenschleife galt es, zwei Versorgungsvarianten mit ihren charakteristischen Merkmalen zu berücksichtigen – den Transformator- und den Generator- Betrieb.

Betrieb mit Transformator
Meist speist ein übergeordnetes (Mittelspannungs-)Netz den Transformator. Hier sprechen Fachleute vom „starren Netz“, das sich aus einem Verbund verschiedener Versorgungssysteme zusammensetzt, die sich gegenseitig beeinflussen, bis hin zu den eigentlichen Quellen, häufig die Generatoren der Kraftwerke. Transformatoren für die verschiedenen Spannungsebenen wandeln deren Ausgangsspannung bis auf die Niederspannungsebene herunter. Die Spannungen sind hierbei durch die Übersetzungsverhältnisse der eingesetzten Transformatoren vorgegeben, die Frequenz ist im gesamten Netz starr. Bei der DEA Bärenschleife sind es zwei 400-V-Transformatoren mit 800 kVA und einer Kurzschlussspannung uk von 6,2 %. Neben der übergeordneten Kurzschlussleistung des Mittelspannungsnetzes und den Anschlussleitungen bestimmt im Wesentlichen die Längsinduktivität des Niederspannungstransformators die Netzimpedanz. Aus den Transformatordaten, gegeben durch dessen relative Kurzschlussspannung uk, errechnet sich die Induktivität.

Notstrombetrieb mit Generator
Fallen diese Transformatoren oder die Versorgungsspannung aus, übernimmt ein Dieselaggregat mit Synchrongenerator mit 380 kVA die Versorgung. Der Generator läuft im Inselbetrieb. Ausschließlich dieser Generator gibt Spannung und Frequenz vor und regelt diese. Diese sind dann beispielsweise auf 400 V/50 Hz eingestellt. Die Netzimpedanz, neben der Leiterinduktivität ausschließlich vom Generator vorgegeben, gibt der Wert Xd´´ an, die subtransiente Synchronreaktanz. Zudem ist zu beachten, dass ein Generator bereits im Leerlauf, ohne Last bzw. mit wenig Last, signifikante Netzvorbelastungswerte haben kann. Aus dieser Beschreibung ergibt sich, dass der wesentliche Unterschied der Betriebsarten in Bezug auf Oberschwingungen deren Netzinduktivität darstellt.

Oberschwingungen: Auswirkungen und Gegenmaßnahmen bei Generatorbetrieb
Da die Spannungsverzerrungen abhängig von der Netzinduktivität sind, entstehen bei gleicher Leistungsabnahme bzw. gleichbleibenden Verbrauchern an einer großen Induktivität höhere Verzerrungen als bei einer geringeren Netzinduktivität. Aus diesem Grund ist der Generatorbetrieb als kritischer Betriebszustand anzusehen, da die nichtlinearen Verbraucher, bei gleichbleibender Stromaufnahme, aufgrund der höheren Reaktanz im Vergleich zur Trafoversorgung höhere Spannungsverzerrungen erzeugen. Betrachtet man dann noch den Realfall, bei dem die Generatoren meist kleiner ausgelegt sind als die normale Netzversorgung durch ein starres Netz mit Transformatoren, ist sofort einsichtig, dass die Betreiber und A+R Maßnahmen zur Reduzierung der Oberschwingungen ergreifen mussten. Denn in der DEA Bärenschleife stehen zwei 800-kVA-Transformatoren einem Generator von 380 kVA gegenüber. Dies erklärt die stark eingeschränkten Kombinationen der Pumpen mit wesentlich kleinerer Leistung, aber auch die zusätzlichen Maßnahmen zur Reduktion der Oberschwingungen.

Zuverlässig, kompakt und mit Sleepmode
A+R entschied sich für ein VLT Advanced Active Filter von Danfoss (Bild 4) für den Einsatz im Generatorbetrieb, um die Netzbelastung auf ein Minimum zu reduzieren. Das aktive VLT Advanced Active Filter AAF 006 mit einem maximalen Ausgangsstrom von 190 A nutzt im Leistungsbereich angepasste Halbleiter in Verbindung mit moderner Mikroprozessortechnik. Es speist einen komplementären Strom zu den Oberschwingungsströmen ein und erzeugt damit wieder einen gut sinusförmigen Strom. Hierbei stellt sich das Filter automatisch auf jegliche Belastungssituationen optimal ein. Das Filter bietet hohe Energieeffizienz, bedienerfreundliche Schnittstellen, Rückwandkühlung und hohe Schutzklassen der Gehäuse. Ein weiterer Vorteil ist der beliebige Anschlussort im zu kompensierenden Netz. Das Danfoss-Filter hat zudem einen standardmäßig integrierten Sleepmode/Energiesparbetrieb. Da der aktive Filter eigene Verluste erzeugt, geht er bei wenig Last automatisch in den Sleepmode und spart damit deutlich Energie. Daneben besteht bei Generatoren im Leerlauf die Gefahr, dass der Regler des Generators und der Regler des AAF „gegeneinander arbeiten“. Dies kann im Netz Schwingungen hervorrufen, die es stark beeinträchtigen und Spannungs- und Frequenzschwankungen zur Folge haben. Dieses Verhalten wird ebenfalls durch den Sleepmode unterbunden.

Fazit
Vor allem im Generatorbetrieb ist die Reduzierung von Oberschwingungen der nichtlinearen Verbraucher im Netz äußerst wichtig. Nur so können Betreiber vorhandene Generatoren optimal nutzen und auch Geld sparen – sowohl im Betrieb als auch bei der Auslegung. (mh)

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Autor:
Stefan Denzer ist als Sales Manager Wasser, Abwasser und Energie bei der Danfoss GmbH in Offenbach tätig. stefan.denzer@danfoss.com