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Schutz- und Messtechnik für eine sichere Energieversorgung

01 Die Struktur der Verteilung elektrischer Energie auf dem Universitätsgelände ähnelt der einer Kommune mit entsprechenden Schaltanlagen für das Mittelspannungsnetz sowie den erforderlichen Mess- und Steuergeräten

01 Die Struktur der Verteilung elektrischer Energie auf dem Universitätsgelände ähnelt der einer Kommune mit entsprechenden Schaltanlagen für das Mittelspannungsnetz sowie den erforderlichen Mess- und Steuergeräten

02 In enger Abstimmung zwischen den Bedürfnissen des Kunden und den Lösungsvarianten des Herstellers haben Werner Henke (links) als zuständiger Fachmann für die Stromversorgung auf dem Universitätsgelände und Andreas Rauwolf, Vertriebs-Geschäftsführer bei Kries, die Nachrüstung mit moderner Erfassungstechnik realisiert

02 In enger Abstimmung zwischen den Bedürfnissen des Kunden und den Lösungsvarianten des Herstellers haben Werner Henke (links) als zuständiger Fachmann für die Stromversorgung auf dem Universitätsgelände und Andreas Rauwolf, Vertriebs-Geschäftsführer bei Kries, die Nachrüstung mit moderner Erfassungstechnik realisiert

03 Zu den eingebauten Komponenten gehören unter anderem der Grid-Inspector IKI-50 (unten Mitte) und Capdis-Geräte (unten rechts) zur Prüfung auf Spannungsfreiheit

03 Zu den eingebauten Komponenten gehören unter anderem der Grid-Inspector IKI-50 (unten Mitte) und Capdis-Geräte (unten rechts) zur Prüfung auf Spannungsfreiheit

04 Der Grid-Inspector vereint unter anderem die drei Funktionen Messwerterfassung, Fehlererfassung und Anlagensteuerung zur intelligenten Verteilnetzoptimierung in einem Gerät

04 Der Grid-Inspector vereint unter anderem die drei Funktionen Messwerterfassung, Fehlererfassung und Anlagensteuerung zur intelligenten Verteilnetzoptimierung in einem Gerät

05 Das wartungsfreie Spannungsprüfsystem Capdis erlaubt die vollständige Isolationsüberwachung des primären und sekundären Teils des Spannungsteilers und zeigt entsprechende Störungen im Signalpfad sofort an

05 Das wartungsfreie Spannungsprüfsystem Capdis erlaubt die vollständige Isolationsüberwachung des primären und sekundären Teils des Spannungsteilers und zeigt entsprechende Störungen im Signalpfad sofort an

Um die Energieversorgung der 1966 gegründeten Universität Konstanz auf einem hohen technischen Niveau zu halten, wurde diese mit umfangreicher Schutz- und Messtechnik, unter anderem von Kries-Elektrotechnik, ausgestattet.
Die Universität Konstanz ist die südlichste Einrichtung ihrer Art in Deutschland und vermittelt Wissen an rund 12 000 Studenten. Diesen wird ein umfassendes Studienspektrum im Bereich der Natur- und Geisteswissenschaften angeboten. Als große Campus-Universität wurden alle Gebäude der Einrichtung im Südwesten der Stadt landschaftlich ansprechend an einem Berghang errichtet.
Stromversorgung ähnlich einem kommunalen Netz
Die Versorgung mit elektrischer Energie wird über eine Doppeleinspeisung seitens der Stadtwerke Konstanz sichergestellt, die im Regelbetrieb eine Leistung von 3,5 MW bis 4 MW übertragen. Um eine Redundanz sicherzustellen, gibt es zusätzlich eine Reserveeinspeisung. Die Struktur der Verteilung auf dem Universitätsgelände ähnelt der einer Kommune: In den Gebäuden sind vier Transformatorstationen mit vier Trafos vorhanden. Zur Aufrechterhaltung der wichtigsten Funktionen bei einem Ausfall der öffentlichen Stromversorgung sind zwei 800-kVA-Notstromgeneratoren vorhanden. Diese sind in einem auf dem Gelände errichteten Heizwerk untergebracht und starten bei Bedarf automatisch. Sie speisen dann über drei Transformatoren in den Mittelspannungsring der Liegenschaft ein.
Energetisch optimiert und technisch aufgerüstet
Vor einigen Jahren errichtete die Universität im Zuge energetischer Maßnahmen zwei Blockheizkraftwerke (BHKW). Da deren beide Gasmotoren nicht das erforderliche Drehmoment aufbringen, müssen sie zunächst hochlaufen und können erst dann mit Last beaufschlagt werden. Deshalb sind diese beiden BHKW Notstrom-unterstützt. Durch diese Vorsorgemaßnahme ist man in Konstanz in der Lage, bei einem Stromausfall bis zu zwei Drittel der Universität weiterhin zu versorgen.
Diese technische „Aufrüstung“ hatte zur Folge, dass man alle Leistungsschalter auf der Niederspannungsseite fernschaltbar machen musste. „Damit lässt sich seither quasi ein Lastmanagement realisieren und auch eine Visualisierung wurde damit möglich“, erklärt Werner Henke, der Experte für die Planung der elektrotechnischen Anlagen in dieser Liegenschaft. Diese kleine „Netzleitstelle“ wird mittels PC oder Laptop bedient. So lassen sich Schalthandlungen ausführen, die auf dem Bildschirm visualisiert werden. Außerhalb der Dienstzeit kann sich der zuständige Betriebsmeister beispielsweise bei einer Störung von der Ferne aus einwählen und entsprechende Maßnahmen einleiten. Bezüglich der Messtechnik wurde lediglich die Spannungsqualität gemessen (Bild 1).
Im Laufe der Zeit kristallisierte sich heraus, dass es sinnvoll und wünschenswert wäre, auf weitere Informationen und Messwerte aus dem Mittelspannungsring zugreifen zu können. „Wir haben uns bei unserem Vorlieferanten – den Stadtwerken Konstanz – darüber informiert, welches System man dort einsetzt“, erläutert Experte W. Henke. Dies betraf beispielsweise die Erkennung und Meldung von Erdschluss und Kurzschluss. Denn wenn ein Störfall im Netz auftritt, möchte man ihn möglichst schnell analysieren, um Gegenmaßnahmen einleiten zu können. „Uns war von Anfang an klar: Der Einbau von Erdschluss- und Kurzschlussanzeigern wird uns einen Mehrwert bringen. Neben der Fehlerdetektierung können wir die zusätzlich vom Gerät erfassten Messwerte der Mittelspannung in einer Datenbank abspeichern und analysieren“, beschreibt W. Henke die Intention zur Nachrüstung. Bei dieser griffen die Experten der Universität – wie auch die örtlichen Stadtwerke – auf Produkte der Kries-Energietechnik zurück. „Wir haben uns das Ziel gesetzt, intelligente Sensoren, Aktoren sowie Zustands- und Fehlererfassungssysteme für die sich wandelnden Energieverteilnetze zu entwickeln, um sowohl höchsten Verfügbarkeitsansprüchen als auch den Anforderungen des Netzbetriebs in intelligenten mehrdirektionalen Verteilnetzstrukturen Rechnung zu tragen“, fasst Dipl.-Ing. Andreas Rauwolf, der dieses Projekt betreut hat und als Geschäftsführer Vertrieb bei Kries tätig ist, die Unternehmensphilosophie zusammen (Bild 2).
Analysemöglichkeiten optimiert
Die Nachrüstung mit den vorstehend genannten Komponenten aus dem Hause Kries erlaubt neue Möglichkeiten der Fehlererfassung im universitätseigenen Netz. Dazu gehört auch der Grid-Inspector IKI-50, mit dem die Lastflussmessung, die Fehlererfassung und die ferngesteuerte, selektive Freischaltung möglich sind (Bild 3).
Denn bisher war bei einem Erdfehler nur bekannt, dass es sich um einen Fehler im eigenen Netz handelt. In der Regel gibt der übergeordnete Versorger seinem Verteilnetzbetreiber zwei Stunden Zeit, um den Fehler zu finden – andernfalls schaltet er ihn ab. „Ohne entsprechende Anzeigeinstrumente sind sogenannte Suchschaltungen erforderlich. Man verlagert die Trennstelle der Ringe und schaut, ob die Fehlerrichtungsrelais an der Einspeisestelle umschlagen oder nicht. Das dauert eine gewisse Zeit und ist immer mit dem Risiko eines Doppelerdschlusses belegt“, beschreibt A. Rauwolf die Konsequenzen mangelnder Erfassungstechnik.
Nach der Ausrüstung jeder Station mit dem Grid-Inspector (Bild 4) besteht nun auch im Netz der Universität Konstanz die Möglichkeit, sofort das betroffene Kabelstück zu identifizieren, herauszutrennen und das Netz weiter zu betreiben, ohne dass es zu einem Versorgungsausfall kommt.
Der Grid-Inspector vereint drei Grundfunktionen zur intelligenten Verteilnetzoptimierung in einem Gerät:

  • gerichtete Lastflussmessung und Lastflussüberwachung,
  • gerichtete Fehlererfassung (Kurzschluss und Erdschluss) für alle Netzarten,
  • Fehlerfreischaltung oder Trennstellenverlagerung mittels Auslöser oder Motor zur Verkürzung der Wiedereinschaltzeit.

Optimale Positionierung der Trennstellen reduziert Verluste
Neben der Lastflussüberwachung bekommt der Nutzer des IKI-50 unter anderem Spannungen, Leistungen mit Richtung sowie den Leistungsfaktor cos φ angezeigt. Damit ist die Visualisierung verbunden, welche Leistung an welchem Schaltfeld benötigt wird. Aufgrund der Blockheizkraftwerke treten im Netz der Universität variable Lastflussverteilungen auf. Diese können die Techniker nun ebenfalls besser überwachen. Aufgrund der Erkenntnisse aus der Lastflussüberwachung kann man die Trennstelle in seinem Ring verbrauchsoptimiert legen und damit die Effizienz steigern. Inzwischen erhielten die Experten in Konstanz aufgrund dieser Überwachung auch Indizien dafür, dass sich beide BHKW vermutlich gegeneinander aufschaukeln und eine sehr hohe Blindleistung erzeugen.
Nach gründlicher Prüfung der Erfordernisse entschied man sich in Konstanz, die Produkte Capdis-S1+ zur Prüfung auf Spannungsfreiheit in Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen mit integrierter dreiphasiger Daueranzeige und Capdis-PI einzubauen. Letztgenanntes Gerät dient der Umwandlung einer hochohmigen (HR high resistive) oder niederohmigen (LMR low resistive) Schnittstelle in ein integriertes Spannungsprüfsystem.
Capdis erlaubt die vollständige Isolationsüberwachung des primären und sekundären Teils des Spannungsteilers und ermöglicht die Anzeige im Falle von Isolationsverlusten (Bild 5). Das Gerät lässt sich als Spannungsschnittstelle für Spannungsmessung und Fehlerüberwachung einsetzen. Dies ist beispielsweise mit dem Gerät IKI-50 aus dem Kries- Lieferprogramm möglich – dem Grid-Inspector zur Lastflussmessung, zur Fehlererfassung und zur ferngesteuerten, selektiven Freischaltung.

Blaupause für die Netze der Zukunft
Die viel zitierte „Energiewende“ mit dem Ausstieg aus der Atomenergie und der zunehmenden Einspeisung aus regenerativen Quellen hat auch erhebliche Auswirkungen auf die Übertragungs- und Verteilnetze in Deutschland. Vor allem die Verteilnetze sind erheblich höheren Belastungen ausgesetzt, als dies in der Vergangenheit der Fall war. Denn in ihnen findet der Transport der in der Fläche durch Wind- und Solaranlagen oder Biomasseanlagen erzeugte Strom vom Erzeuger hin zum Verbraucher statt. Um einen überproportional großen Netzausbau zu vermeiden, geht man nach dem Slogan „Intelligenz statt Kupfer“ vor. Bausteine dafür sind beispielsweise intelligente Ortsnetzstationen mit entsprechender Sensorik und Steuerungsmöglichkeiten oder regelbare Transformatoren.
Deshalb werden in den Verteilnetzen der Zukunft die Themen Transparenz und die Sicherstellung einer hohen Verfügbarkeit entscheidende Rollen spielen. Ohne entsprechende technische Aufrüstung wird dies nicht möglich sein. W. Henke sieht sein Netz als Blaupause für Netze mit ähnlichen Strukturen. Nur wer sein Verteilnetz entsprechend überwacht, kann rechtzeitig auf Veränderungen und Störungen reagieren und so die Versorgungssicherheit gewährleisten. (hz)
Autor Günter Fenchel ist Chefredakteur der Zeitschrift Netzpraxis. guenter.fenchel@t-online.de