Herausforderungen an die elektrischen Netze der Zukunft aus Systemsicht

In der 150-jährigen Geschichte der elektrischen Energie­versorgung haben wir grosse Verbundsysteme entwickelt, welche unsere Länder zuverlässig und kostengünstig mit Strom versorgen. Die grosse Herausforderung unserer Zeit besteht darin, diese bestehenden Systeme so zu trans­formieren, dass die Infrastruktur, die Energieerzeugung und die Energienutzung nachhaltiger werden. Diese He­raus­forderungen können wir nur bewältigen, wenn wir Lösungen für die Energiespeicherung, die Flexibilisierung des Verbrauchs sowie für die Digitalisierung und Automatisierung auf allen Netzebenen finden.

Optionen zur Lebensdauerverlängerung von Primärgeräten

Dieser Beitrag berichtet von den Ergebnissen der CIRED Arbeitsgruppe WG 2020-1. Elektrische Anlagen stellen einen erheblichen wirtschaftlichen Wert dar, weshalb eine Lebensdauer > 40 Jahre angestrebt wird. Allerdings wird es bei dem notwendigen Netzausbau nicht möglich sein, die Primärgeräte im ausreichenden Masse zu erneuern. Daher stellt sich die Frage, welche Optionen zur Verlängerung der Lebensdauer bestehen. Hierzu werden effiziente Strategien, wie Instandhaltungsmassnahmen, Diagnostik oder gezielte Teilerneuerung betrachtet, aber auch Grenzen benannt und Praxisbeispiele gegeben.

Herausforderungen an Isoliersysteme bei Gleichspannung

Die Anwendungen hoher Gleichspannungen gewinnen immer mehr an Bedeutung, bringen jedoch für die elektrischen Isoliersystemen völlig neue Herausforderungen mit sich, die bei Wechselspannung nicht bekannt sind. Die Ausbildung elektrischer Gleichfelder, ihre Beeinflussung durch Temperaturgradienten, die Instabilität der Material­eigenschaften, kritische Belastungsszenarien und Prüf­strategien erfordern ein grundsätzliches Umdenken. Es werden Ansätze für ein sicheres und wirtschaftliches Design von Isoliersystemen, unter anderem, bei Konvertertransformatoren, Durchführungen, Kabeln und Garnituren aufgezeigt.

Transientes Verhalten von HVDC-Isoliersystemen

Damit HVDC-Isoliersysteme auch für künftige Anwendungen mit immer weiter steigenden Anforderungen sicher ausgelegt werden können, ist ein fundamentales Verständnis für die Leitfähigkeits-, Polarisations- und Raumladungsprozesse nötig. Insbesondere muss das transiente Verhalten der Isoliersysteme im Übergang vom Verschiebungs- in das Strömungsfeld und damit das Verhalten der Isolierwerkstoffe noch besser untersucht werden. Hierzu wird am IEHT, unter anderem, mit einer Anlage geforscht, die gleichzeitig die elektrische Feldstärke mittels Kerr-Effekt sowie den Strom durch das Isoliersystem erfassen kann.

Materialien in der Isoliertechnik insbesondere deren Erosions- und Kriechstromfestigkeit

Im Referat wird zunächst ein kurzer Überblick über die Anforderungen an Isolierstoffe für den Einsatz in der Hochspannungstechnik gegeben, insbesondere für Freiluftanwendungen im Mittel- und Hochspannungsnetz. Dabei wird im Detail auf die Materialeigenschaft der Erosions- und Kriechstromfestigkeit polymerer Isolierstoffe eingegangen und zukünftige Herausforderungen durch den vermehrten Einsatz in HGÜ-Anwendungen aufgezeigt. Ein zentraler Punkt sind dabei aktuelle Untersuchungen zur Entwicklung eines Prüfverfahrens zur Bestimmung der Erosions- und Kriechstromfestigkeit für Gleichspannungsanwendungen.

Rolle und Entwicklung des schweizerischen Übertragungs­netzes von Swissgrid 

Das Stromnetz und der sichere Netzbetrieb sind Grund­voraus­setzungen für die hohe Lebensqualität und den Wohlstand in der Schweiz. Die Anforderungen an das Stromnetz haben sich in den letzten Jahren stark gewandelt. Diese Entwicklung wird sich mit der Energiewende in den nächsten Jahrzehnten noch verstärken. Für die langfristige Versorgungssicherheit der Schweiz ist ein bedarfsgerecht ausgebautes Netz un­erlässlich. Deshalb ist es wichtig, dass die Modernisierung des Übertragungsnetzes durch effiziente Bewilligungs- und Genehmigungsverfahren beschleunigt wird.

CO₂ freies Unterwerk

Hochspannungsschaltanlagen hinterlassen einen CO₂-­Fuss­abdruck aufgrund der verschiedenen Hoch­spannungs­pro­dukte, Bauarbeiten und elektrischen Verluste. In seinem Vor­trag beschreibt er die verschiedenen Quellen direkter und indirekter CO₂-Emissionen aus der Sicht eines Netzbetreibers. Der Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung des CO₂-Fuss­­ab­drucks in der Nutzungsphase und der richtigen Wahl der Technologie. Daher werden Umweltparameter bei der Auswahl des Produkts immer wichtiger. Es gibt zwar SF6-freie Lösungen, aber diese Technologie macht nur einen kleinen Teil des CO₂-Fussabdrucks eines Unterwerks aus. Daher müssen andere Wege gefunden werden, um endgültig CO₂-frei zu werden.

Herausforderungen und Innovationen im Rahmen der Energiewende aus Sicht eines deutschen Übertragungsnetzbetreibers

Das deutsche Übertragungsnetz zur Klimaneutralität wurde im Jahr 2023 als Zielnetz 2037/2045 das erste Mal vorgestellt. Neben Netzausbau On- & Offshore AC wie DC sind inno­vative Betriebsmittel zur Sicherstellung der Netzstabilität erforderlich. Im Vortrag werden die Herausforderungen bei der Planung, Realisierung und auch dem Betrieb des aktuellen sowie des Zielnetzes gezeigt. Ein Fokus wird auf die Voraussetzungen und die antizipierten Entwicklungen im Stromsektors gelegt. Innovationen sowohl auf Betriebsmittelseite als auch in den Lieferketten werden diskutiert, wobei der konkrete Projektbezug nicht verloren geht.

Energiewende 2045 – wie kann ein beschleunigter Ausbau des 110 kV Netzes der Netze BW gelingen?

Die Dekarbonisierung der Energieversorgung bis 2045 und der damit verbundene Netzbau wird exemplarisch am 110 kV Netz der Netze BW dargestellt. Der Referent geht auf die Herausforderungen eines schnellen und ver­sor­gungs­sicheren Netzumbaus ein, denn ein weiter so wird nicht genügen. Es werden hierbei technische und prozessuale Beschleunigungsmassnahmen aufgezeigt, die ein Gelingen ermöglichen werden.

Digitales Umspannwerk am Beispiel des Transformators

Trafos stellen das Herzstück des Energiesystems. Das sind teure Betriebsmittel mit langen Lieferzeiten. Deren Ausfall stellt Probleme in Energieversorgung dar und verursacht sehr hohe Kosten. Das Ziel ist, die Trafos so lang wie möglich wirtschaftlich in Betrieb zu behalten. Thermische, Elektrische und Mechanische Beanspruchungsfaktoren führen dazu, dass die Lebensdauer des Trafos reduziert werden kann. Um die Alterungsfaktoren besser beobachten zu können, werden die Leistungstransformatoren mit Sensoren ausgestattet und «digitalisiert». Mithilfe der implementierten Softwarelösungen kann der Betrieb der Transformatoren optimiert werden, sämtliche Fehler können frühzeitig erkannt und diagnostiziert werden und Störungen und nicht geplante Abschaltungen vermieden werden.

Nachhaltigkeit – Perspektiven für die Transformatorenindustrie

Die Nachhaltigkeit des Energiesektors ist von entscheidender Bedeutung für die Sicherung  einer attraktiven Lebenswelt für heutige und zukünftige Generationen. Es werden Milliarden in Nachhaltigkeitsinitiativen investiert. Solche Investitionen sollten mit einem Verständnis der rele­van­ten Trends, ein­schliess­lich der Anforderungen und Prioritäten, vorbereitet werden – nicht nur heute, sondern auch in der Zukunft. Transformers Magazine hat Nachhaltigkeitstrends re­cherchiert und durch die Anwendung solider Methoden, der Analyse relevanter Daten und der Berücksichtigung von Expertenwissen eine Reihe von Informationen zu­sammen­ge­stellt, die im Bericht «Sustainability 2023» ver­öffen­tlicht wurden. Diese Ergebnisse bieten wertvolle Einblicke für alle, die sich für diesen Bereich interessieren und die in diesem Bereich, als Unternehmensleiter, Nach­haltig­keits­beauftragte, Innovationsmanager oder andere Führungskräfte, Entscheidungen treffen. In dieser Prä­senta­tion werden die wichtigsten Nachhaltigkeitstrends in der Transformatorenindustrie behandelt.

Entwicklung eines umweltfreundlichen Leistungsschalters 

Die Pfiffner-Gruppe, ein in der Schweiz ansässiger Spezialist für T&D-Komponenten, gab im Mai 2022 die Entwicklung eines neuen luftisolierten Hochspannungs-Leistungsschalters bekannt, der eine F-Gas-freie Isolierung und ein Löschmittel verwendet. Die Entwicklung des neuen Leistungsschalters stellt einen bedeutenden Schritt für das Unternehmen dar, das damit sein wachsendes Portfolio an Hochspannungslösungen vervollständigt: Die Entscheidung für die Entwicklung eines vollständig umweltfreundlichen Leistungsschalters zeigt den Willen der Pfiffner-Gruppe, Ihre Kunden dabei zu unterstützen, ihren ökologischen Fussabdruck zu reduzieren.

Herausforderungen bei der Entwicklung eines Zweisäulen-Drehtrennschalters

Die Erfahrungen und die Herausforderungen bei der Entwicklung und den Typenprüfungen des neuen Zweisäulen-Drehtrennschalters (inkl. Erdungsschalter, Typ CBDE) stehen im Zentrum der Präsentation. Es wird über die spektakulärsten Typenprüfungen und Erfolge und Misserfolge berichtet. 

Erstes Pilotprojekt realisiert mit dem neuen Trenner Typ CBD 170 kV

Was braucht es, um Geräte zu entwickeln, die den Menschen und Systemen gerecht werden? Und welche Rolle spielt das Projektmanagement noch, wenn die Spezifikationen doch eigentlich alles vorgeben? Ein Fallbeispiel zeigt die Problematik auf.

RC-Hochspannungsteiler für HVDC-Anwendungen

Ohmsch kapazitive Spannungsteiler werden in Hochspannungs­schaltanlagen eingesetzt. Sie teilen die Primärspannung in eine standardisierte, äquivalente Sekundärspannung und dies in einem Frequenzbereich von Gleichspannung bis in den hohen kHz-Bereich mit einer hohen Präzision. Dabei gewinnt der Aspekt «Power Quality» immer mehr an Bedeutung und das Wissen betreffend dem aktuellen Netzzustand kann helfen, die vorzeitige Alterung der installierten Anlageteile zu reduzieren. Im Beitrag werden die Vorteile von RC-Teilern dargestellt und einige Anwendungsbeispiele diskutiert.

Anwendungsbeispiele für den neuen HV-DC Stromwandler für bis zu 20 kA

Der DC-Stromwandler ist ein neues Produkt der PFIFFNER Messwandler AG für Anwendungen in der Nieder-, Mittel- und Hochspannungstechnik. In das Produkt fliessen sowohl die 95-jährige Erfahrung in der Isolationstechnik als auch modernste digitale Signalverarbeitung ein. Die Messung und Digitalisierung erfolgt im Gerät, unabhängig von der spezifischen Anwendung und der Kundenschnittstelle. Eine Vielzahl an konfigurierbaren Schnittstellen erlaubt ein Höchstmass an Flexibilität bezüglich der Einbindung in die Sekundärtechnologie. Die Präsentation gibt einen Überblick über diese Möglichkeiten bei industriellen und akademischen Anwendungen.

Hochgenaue Wandlermessung mit den neuen digitalen Messbrücken CITAS & VITAS

Am Beginn der Präsentation steht eine Übersicht der IEC-Standards von CT- und VT-Instrumenten-Wandler mit den daraus resultierenden Anforderungen an eine Wandlermessbrücke. Darauf folgt eine Einführung in die modulare Sensorplattform (HW & SW) von HAEFELY und eine Präsentation der neuen hochgenauen digitalen Messbrücken CITAS & VITAS mit einem Einblick in die Produkteentwicklung und in das «Design by Virtual Model»-Vorgehen. Es erfolgt ein Aufzeigen der Anforderungen, eine Evaluation der HW bezüglich hoher Präzision und Stabilität und eine Demonstration der SW auf Expertenlevel. Zum Abschluss wird die Wichtigkeit einer Remote-Schnittstelle im industriellen Umfeld erläutert, um ein effizientes Einbinden in vorhandene SW-Infrastrukturen und Prozessabläufe zu ermöglichen.

Vorstellung HAVECO anhand des Projektes «Erneuerung 170 kV AIS-Schaltanlage»

Damit HAVECO die Montageaufwendungen aufs Genaueste abschätzen sowie das Angebot ausführen konnten, war es auf die Hilfe der zuständigen Projektleiter von ALPHA Elektrotechnik, Pfiffner Messwandler und Pfiffner Systems angewiesen. Die Techniker hatten zu Beginn dieses Projektes noch keine Erfahrung mit dem Montieren solcher Komponenten und mussten sich erst an die neue Situation herantasten. Entscheidend war, dass  das Team während der ganzen Umbauarbeiten jederzeit auf die Unterstützung der erfahreneren Projektleiter der jeweiligen Schwesterunternehmungen zählen konnten. Dies ermöglichte  es, die ersten zwei Etappen termin- und kostengerecht sowie in geforderter Qualität umzusetzen. Dieses Projekt hat auf eine eindrückliche Art und Weise gezeigt, welches Wissen in der Pfiffner Gruppe gebündelt ist und wie wichtig der stetige Austausch sowie auch die Kommunikation in der Projektumsetzung ist.

Nachhaltiges Schweizer Projekt – Retrofit einer ewz Schaltanlage für Zürich

Die Pfiffner Gruppe stellt strategisch und lösungsseitig Weichen für die Zukunft, mit innovativen Lösungen ihren Beitrag zu einer nachhaltigen Energieversorgung zu leisten. Nachhaltigkeit im Betrieb der elektrischen Anlagen in Zürich ist für ewz Netze von grosser Bedeutung. Gemeinsam mit der Pfiffner Gruppe plant ewz ein Retrofit an einer MS-Schaltanlage in einem ewz Unterwerk. Diverse Komponenten im Schaltfeld werden ersetzt und in die bestehende Infrastruktur implementiert. Mit diesem Retrofit wird nachhaltig ein reibungsloser und effizienterer Betrieb des Unterwerks sichergestellt. Pfiffner und ewz starten nun mit einem Pilotfeld, um die technische Machbarkeit in der Praxis zu verifizieren.

Nachhaltiges Projekt Elektrobus «Citywide»

In Zeiten steigender Energiekosten und des Klimawandels bekommen nachhaltige Projekte eine zusätzliche Be­deu­tung. Das vorgestellte Mobilitätsprojekt des öffentlichen Personennahverkehrs verknüpft die erneuerbare Ener­gie­er­zeugung mit der Mobilität. So erfolgt das Laden des Elektrobusses «Citywide» durch eine Photovoltaikanlage mit Batteriespeicher, gesteuert durch ein zentrales Ener­gie­ma­na­ge­mentsystem (EMS). Das EMS berücksichtigt dabei die Netzlast, die Wetterdaten wie auch den aktuellen Fahrplan. Lokale Solarenergie wird lokalen Verbrauchern zur Verfügung gestellt, das Netz stabilisiert und die Netzwerkkosten gesenkt.

TE-Detektor DDX 9160/61 als Instrument der Teilent­ladungs­messung

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Teilentladungsmessung (TE) zu einer der beliebtesten Diagnose- und Qualitäts­sicherungs­methoden für Hochspannungsgeräte wie Leistungs-, Verteilungs- und Messwandler, rotierende Maschinen, Schaltanlagen, Überspannungsableiter, Durchführungen, Kabel, Leistungskondensatoren, usw., entwickelt. Im Gegensatz zu anderen Diagnosemethoden bietet die TE eine umfassendere Sicht auf den Zustand des Prüfobjekts und liefert einen Hinweis auf die Interpretation der Fehlerart. Der neue TE-Detektor DDX 9160/61 ist ein perfektes Hilfsmittel, das alle notwendigen Werkzeuge zur Durchführung vergleichbarer, wiederholbarer und plausibler Messungen bietet.

Vororterfahrung mit mobilem Testsystem für 525 kV-DC-Kabeln

Die Präsentation «Vororterfahrung mit mobilem Test­sys­tem für 525 kV-DC-Kabeln» stellt das Gleichstrom-Prüfsystem und seine Komponenten vor, insbesondere die Gleichstromquelle, den Schutzwiderstand, den Teiler, den Entladewiderstand und die Containerlagerung. Die Auslegungsparameter für die Komponenten und spezifische Anforderungen, wie Windlast oder optimierte Prüfspannungszeit, werden erörtert. Abschliessend werden einige Beispiele von Gleichstromkabelsystemen mit ihren technischen Daten vorgestellt.

AC Vorort-Kabel-Tests mit mobilem Testsystem bis 520kV Prüfspannung (RSKF)

Das «RSKF» ist Haefelys mobiles Testsystem für AC-Kabel, bis 260 kV / 520 kV-Prüfspannung. In den Jahren 2021 / 2022 wurde die Version 2.0 entwickelt, basierend auf einem Fixkern-Reaktor, gespiesen von einem Frequenzumrichter, welcher bereits auch in den Trafotestsystemen eingesetzt wird. Wesentliche Neuerungen sind der gefilterte Sinus am Ausgang, so dass TE-Messung ohne «Gating» von Schaltflanken möglich ist, und eine vollautomatische Regelung für Frequenz und Spannung im Resonanzpunkt. Im Dezember 2022 konnte in Italien das erste Kabel erfolgreich getestet werden.

Erweiterung der Trafodurchführungs­familie um den 420 kV- und 550 kV-Bereich

Dank den kontinuierlichen Investitionen in die MGC Fabrik kann die Durchführungsfamilie nun die wichtigsten Anforderungen der Kunden erfüllen; MGC bietet eine breite Palette von Durchführungen mit Standard- und kundenspezifischen Abmessungen an, die austauschbare Lösungen gewährleisten. Mit den 420 kV und 550 kV schliesst sich der Kreis der Fertigungsleistung.

DURESCA-Stromschienen für Wasserkraftwerke und Offshore-Windparks 

Die Präsentation behandelt die Anwendung von DURESCA-Stromschienen für Wasserkraftwerke und Offshore-Windparks. Im Falle der Wasserkraftwerke wird der Einsatz beim Neubau wie beim Um- und Ausbau bestehender Anlagen betrachtet. Die Vorteile dabei sind geringer Platzbedarf, hohe Stromtragfähigkeit und Kurzschlussfestigkeit bei minimalem Wartungsaufwand. Bei den Offshore-Windparks wird die Geschichte des Einsatzes seit 2007 betrachtet und der Blick in die Zukunft gerichtet.