Im Labor, das Supergrid-Leistungsschalter an ihre Grenzen bringt

Jun 17, 2023

The Guardian: KEMA Laboratories testet einen Leistungsschalter unter extremen Bedingungen, um sicherzustellen, dass er nicht ausfällt, wenn es darauf ankommt.

Stellen Sie sich einen glühend heißen Tag in Zentralchina vor. wenn in jeder Megacity alle Klimaanlagen auf Hochtouren laufen. Durch die abgelegenen Berge der Provinz Shanxi sind die großen Übertragungsleitungen, die Ultrahochspannungsstrom in die Städte transportieren, nahezu voll ausgelastet. Durch die Sonneneinstrahlung und die fließende Strömung erhitzt, hängen die Übertragungsleitungen nahe den Baumwipfeln gefährlich durch. Plötzlich springt der Strom von der Leitung zum Ast, sucht sich den Weg des geringsten Widerstands und ergießt sich durch den Baum in den Boden. Es gibt einen hellen Blitz, während der Strom die Luft ionisiert.

Bei diesem Kurzschluss erreicht der schlagartig freigesetzte Strom innerhalb eines Wimpernschlags das 10- bis 20-fache seines Normalwertes. Jetzt muss das Schutzsystem des Stromnetzes schnell reagieren. Innerhalb von Millisekunden müssen Schutzrelais den Fehler erkennen und den Leistungsschaltern an beiden Enden der Leitung befehlen, den Strom abzuschalten und so die fehlerhafte Leitung zu isolieren. Es steht viel auf dem Spiel: Ein anhaltender Kurzschlussstrom kann eine Kettenreaktion von Ausfällen im gesamten Netz auslösen und großflächige Stromausfälle verursachen, die teure Anlagen schwer beschädigen. Der Stromausfall im Nordosten Nordamerikas im Jahr 2003 wurde durch die Berührung eines Baumes mit Übertragungsleitungen in Ohio ausgelöst, was zu einer Kaskade von Ausfällen führte, die mehr als 260 Kraftwerke lahmlegte, den Stromfluss von 60.000 Megawatt im Nordostnetz stoppte und New York verdunkelte Stadt.

In unserem hypothetischen chinesischen Kurzschluss hängt alles von der Wirkung riesiger Leistungsschalter ab. Genau wie ein Haushaltsschutzschalter öffnen diese Industrieschutzschalter ihre Kontakte innerhalb von Sekundenbruchteilen. Aufgrund der enormen Energiemenge im System kann der Strom jedoch nicht allein durch das Trennen der Kontakte unterbrochen werden. Stattdessen erzeugt der Strom einen Lichtbogen im Inneren des Leistungsschalters. In diesem kleinen Raum mit einem Volumen von nur wenigen Litern brodelt nun ein Plasma, das Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius erreichen kann. Der Brecher kann das Plasma nicht lange halten; Wenn es nicht schnell beseitigt wird, wird es eine schreckliche Explosion geben.

Nun kommt die alternierende Natur des Wechselstroms ins Spiel: Bei jedem Richtungswechsel (alle 10 Millisekunden im chinesischen 50-Hertz-System) geht der Strom vorübergehend auf Null zurück und die Energiezufuhr zum Lichtbogenplasma wird vorübergehend unterbrochen. In einem dieser „Stromnull“-Momente muss der Fehlerstrom unterbrochen werden. In diesem entscheidenden Moment injiziert ein Kühlsystem im Leistungsschalter einen Hochdruckgasstrahl in den Spalt und bläst alle Rückstände des heißen Lichtbogenplasmas weg.

Unmittelbar nach dem Verschwinden des Lichtbogens und der Beseitigung der Störung fährt das Stromnetz wieder hoch. Bei diesem Wiederherstellungsprozess steigt die Spannung an der Lücke steil auf über 1 Million Volt an, bevor sie sich auf ihr normales Betriebsniveau einpendelt. In den Mikrosekunden vor und nach dem Stromnullpunkt müssen die Kontakte also von der Kanalisierung eines Stroms von etwa 50 Kiloampere durch das Lichtbogenplasma auf eine Spannung von 1 Megavolt umstellen. Dieser schnelle Wechsel stellt eine enorme Belastung für die Komponenten der Hämmer dar.

Die meisten Hochspannungsübertragungssysteme sind durch Gasschutzschalter vor Kurzschlüssen geschützt. Diese vereinfachte Animation zeigt Schritt für Schritt, wie ein Leistungsschalter den gefährlich hohen Stromfluss unterbricht, der durch einen Kurzschluss entsteht.Animation: Erik Vrielink

Dennoch müssen die Leistungsschalter einwandfrei funktionieren, denn die Übertragungsleitung muss wieder in Betrieb genommen werden. Sie müssen funktionieren, auch wenn sie längere Zeit und bei jedem Wetter inaktiv waren. Wie kann der Netzbetreiber in unserem chinesischen Beispiel darauf vertrauen, dass diese Leistungsschalter ihre Aufgabe erfüllen und sicherstellen, dass eine Megacity nicht im Dunkeln tappt? Nur strenge Tests können diese Gewissheit geben. Ich bin Innovationsdirektor für KEMA Laboratories, eine niederländische Abteilung des norwegischen Beratungs- und Zertifizierungsunternehmens DNV GL. Unsere Aufgabe: die stressigen Betriebsbedingungen eines Ultrahochspannungs-Wechselstromsystems im Extremfall nachzuahmen. Die Nachbildung dieser Umgebung ist eine äußerst schwierige technische Herausforderung, die jedoch bewältigt werden muss, wenn wir den Energiebedarf der kommenden Jahrzehnte decken wollen.

Das Stromnetz von morgen wird wahrscheinlich sein verlassen sich auf große Anlagen für erneuerbare Energien wie Wasserkraftwerke, Solarparks und Offshore-Windparks, die weit entfernt von stromhungrigen Städten liegen. Um diese Energie über große Entfernungen zu transportieren, planen und bauen Netzbetreiber riesige Übertragungsleitungen. Diese Leitungen müssen unter Hochspannung stehen, damit sie durch den Widerstand in den Leitungen nur einen kleinen Teil der Energie verlieren. Der Bau dieser hochmodernen Hochspannungssysteme ist recht teuer. Doch viele Energieversorger sind der Meinung, dass die Möglichkeit, große Energiemengen über große Entfernungen zu transportieren, die Kosten rechtfertigt.

Die Entscheidung für den Bau eines Hochspannungsübertragungssystems ist der erste Schritt. Im nächsten Schritt gilt es zu entscheiden: DC oder AC? Hochspannungs-Gleichstromübertragungssysteme werden immer attraktiver, da Gleichstrom-Freileitungen weniger Platz benötigen und weniger Strom verlieren als Wechselstromleitungen. Die Wechselstromtechnologie ist jedoch ausgereifter und die leistungsstärksten Übertragungssysteme der Welt sind immer noch für Wechselstrom ausgelegt. Die neuesten Wechselstrom-Supernetze nutzen Ultrahochspannung (UHV) von mindestens 1.000 Kilovolt, ein erstaunlicher Wert, der bei Gleichstrom noch nicht erreicht wurde. In diesem Artikel konzentriere ich mich auf die für Wechselstromnetze erforderliche Ausrüstung.

Überprüfung der Leitungen: Die State Grid Corp. aus China führt ein Experiment zu Ultrahochspannungsübertragungsleitungen in der Provinz Hubei durch.Foto: Li Jinyong/Xinhua

Das erste kommerzielle UHV-AC-Netzsegment ging im Januar 2009 in China in Betrieb. Die State Grid Corp. of China gab 5,7 Milliarden chinesische Yuan (ca. 900 Millionen US-Dollar) für dieses 1.100-kV-Projekt aus, eine 640 Kilometer lange Freileitung, die die Verbindung herstellt Chinas nördliche und zentrale Stromnetze. Insgesamt 1.284 Türme, von denen jeder etwa zehnmal so hoch ist wie die Chinesische Mauer, ragen über die Landschaft im Landesinneren Chinas und senden Strom über die Flüsse Gelber Fluss und Han. Die Türme tragen 25.000 Tonnen stahlverstärkte Aluminiumleiter, die 5.000 MW transportieren können. Die drei Umspannwerke der Anlage verfügen über Leistungsschalter, die einen Kurzschlussstrom von bis zu 63 kA unterbrechen können. Im Jahr 2013 nahm State Grid eine ähnlich beeindruckende Ost-West-UHV-AC-Leitung in Betrieb, die sich über 650 km zwischen Huainan und Shanghai erstreckt und Strom aus Kohlekraftwerken im Landesinneren in die Küstenstädte bringen wird.

Unterdessen versucht Indien, durch den Bau eines 1.200-kV-Wechselstrom-Supernetzes einen neuen Spannungsrekord aufzustellen. Im Jahr 2012 hat die indische Power Grid Corp. eine Teststation für ihre UHV-Ausrüstung in Betrieb genommen, und ein 350 km langer Abschnitt der 400-kV-Leitung Wardha-Aurangabad wird derzeit auf 1.200 kV aufgerüstet. Aufgrund der Ungleichgewichte in der Stromversorgung des Landes sind solche UHV-Projekte besonders vorteilhaft. Die Wardha-Aurangabad-Leitung wird Strom aus Kohlekraftwerken im Zentrum des Landes in die Stadt Aurangabad bringen, ein aufstrebendes IT- und Produktionszentrum, das mit Stromknappheit zu kämpfen hat.

Auch in den kommenden Jahrzehnten werden wir zukunftsweisende Projekte sehen, die Hochspannungs-Wechselstrom- und Gleichstromübertragungsnetze zu einem „Hybridnetz“ kombinieren. (IEEE Spectrum untersuchte diese Möglichkeit in seinem Artikel „A Globe-Spanning Supergrid“ vom August 2015.) In Europa und China und in geringerem Maße auch in den Vereinigten Staaten ist die Rede von Hybridsystemen, die die Vorteile beider Ansätze nutzen würden. Beispielsweise könnte ein Hochspannungs-Gleichstrom-Unterseekabel effizient Energie aus einem abgelegenen Windpark in der Nordsee beziehen und sie in ein Wechselstrom-Supernetz einspeisen, wo diese Energie bei Bedarf leicht umgewandelt und durch ganz Europa geleitet werden könnte.

Stresstest: In den KEMA Labs wird ein Leistungsschalter (blauer Zylinder) für einen Test vorbereitet. Zwei Kondensatorbänke (hohe Vordergrundstrukturen) sorgen für die erforderliche Ultrahochspannung.KEMA Laboratories

In UHV-Übertragungssystemen , das wichtigste Teil der Technologie ist der Leistungsschalter. Der Unterbrecher ist der Wächter des Systems: Er muss stets wachsam und bereit sein, sofort zu handeln. Und es muss unter allen Umweltbedingungen und trotz großer systemweiter Belastung funktionieren. In der KEMA-Testanlage in Arnheim, Niederlande, haben wir diese Leistungsschalter einer außergewöhnlichen Belastung ausgesetzt, um eine unabhängige Bewertung ihrer Leistung zu ermöglichen. Es besteht ein klarer Bedarf für diesen Service: Etwa ein Viertel der Leistungsschalter, die in unsere Labore gebracht werden, bestehen ihre Tests nicht.

Warum nicht auf Simulationen zurückgreifen, um die Belastungen am Arbeitsplatz zu untersuchen? Leider sind Computermodelle der Aufgabe, Wechselwirkungen zwischen elektrischen Schaltkreisen und extrem heißen und chemisch komplexen Plasmen im Mikrosekundenbereich zu simulieren, noch nicht gewachsen. In einer von CIGRÉ, dem International Council on Large Electric Systems, durchgeführten Studie wurden die von sieben großen Herstellern verwendeten Simulationstools bewertet. Erstens die gute Nachricht: Diese verschiedenen Tools haben die elektrischen Felder an kritischen Stellen innerhalb eines Leistungsschalters mit großer Genauigkeit und Übereinstimmung modelliert. Aber als die Werkzeuge den Ausfall eines Leistungsschalters modellierten – den Punkt, an dem er der elektrischen Belastung erlag –, lieferten sie Werte, die sich stark voneinander und vom tatsächlich getesteten Wert unterschieden. Es ist, als würde man die Biegung eines Zahnstochers modellieren: Die inneren Spannungen lassen sich leicht berechnen, aber Zeitpunkt und Ort des Holzbruchs lassen sich nicht genau vorhersagen.

Deshalb schaffen wir in unserem Labor reale Bedingungen, um zu bestimmen, wie sich die Leistungsschalter im Feld verhalten. Natürlich entspricht der Strom, der in unser Labor fließt, nicht ganz den Anforderungen unserer Tests, daher mussten wir ein paar clevere Tricks entwickeln, die es uns ermöglichen, starke Strom- und Spannungsstöße auszulösen. In einem zweistufigen Testprozess ahmen wir die beiden potenziell katastrophalen elektrischen Belastungen eines UHV-Leistungsschalters in einer präzise abgestimmten Abfolge nach.

Um eine Katastrophe nachzuahmen: Leistungsstarke Generatoren liefern den nötigen Strom, um die Art von Kurzschlüssen nachzubilden, die die umfangreichsten und teuersten Übertragungsnetze von heute ruinieren können.KEMA Laboratories

Zunächst muss ein Kurzschlussstrom durch den Leistungsschalter fließen, während sich seine Kontakte trennen, wodurch im Inneren ein Lichtbogen entsteht. Derzeit erzeugen wir diesen Strom mit vier Generatoren, von denen jeder über einen 54 Tonnen schweren Rotor verfügt, der sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die der gewünschten Wechselstromfrequenz von 16,7 bis 60 Hz entspricht; sehr bald werden sich noch zwei weitere drehen. Um den Kurzschluss auszulösen, aktivieren 12 synchronisierte Schalter den Stromkreis und wandeln die in den Rotoren der Generatoren gespeicherte mechanische Energie in elektrische Energie um. Wir können aus jedem Generator einen maximalen Strom von 100 kA ziehen, genug, um den Kurzschlussströmen von 80 bis 90 kA in den leistungsstärksten Übertragungsnetzen der Welt zu entsprechen.

Jetzt haben wir die verheerend hohen Ströme reproduziert, die im ersten Moment eines Kurzschlusses auftreten. Aber die Arbeit des Brechers ist noch nicht getan. Es muss seinen Gasstrahl verwenden, um den Lichtbogen im kritischen Strom-Null-Moment aus der Lücke zu befreien und dann innerhalb von Mikrosekunden mit der Wiederherstellung des Stromkreises zu beginnen. Während des Wiederherstellungsschritts müssen die Komponenten einem vorübergehenden Spannungsstoß standhalten, der weit über der typischen Spannung des Stromkreises liegt.

Feuerprobe: Ein Kurzschluss bei hohem Strom belastet einen Übertragungsleitungsisolator in einer Labordemonstration.KEMA Laboratories

Der von uns erzeugte 100-kA-Kurzschlussstrom ist bei nur 17 kV verfügbar. Ein halbes Dutzend Spezialtransformatoren erhöhen diese Spannung auf 250 kV, aber das ist immer noch viel zu niedrig, um einen UHV-Leistungsschalter ordnungsgemäß zu testen. Der Einsatz zusätzlicher Transformatoren zur weiteren Spannungserhöhung ist nicht sinnvoll, da der Strom entsprechend sinken würde. Also mussten wir einen anderen Weg finden.

Für unseren zweiten Trick verwenden wir Kondensatorbatterien in der Größe vierstöckiger Gebäude, die auf etwa 700 bis 800 kV vorgeladen sind. Im kritischen Moment lösen wir eine Funkenstrecke aus, die nacheinander die Kondensatoren entlädt. Die erste Kondensatorbank liefert zunächst ein Megavolt, und einige hundert Mikrosekunden später fügt eine zweite Kondensatorbank ein weiteres Megavolt hinzu. Auf diese Weise beaufschlagen wir den UHV-Leistungsschalter mit einer Spannung, die der Spannung im Feld entspricht.

Im Jahr 2008 haben wir Leistungsschalter, die den Spezifikationen des chinesischen Supergrids entsprachen, anhand einer UHV-Pilotanlage getestet, die nach einer Kurzschlussunterbrechung innerhalb einer Millisekunde 2 MV lieferte. Jetzt bauen wir für 80 Millionen US-Dollar eine permanente Anlage, die es uns ermöglichen wird, sowohl UHV-Leistungsschalter als auch eine weitere Schlüsselkomponente des Supernetzes zu testen: Hochspannungstransformatoren. Unsere Tests haben gezeigt, dass rund 25 Prozent dieser Transformatoren durch die enormen elektrodynamischen Kräfte, die mit Kurzschlüssen einhergehen, intern beschädigt werden. Diese Transformatoren müssen den durch sie fließenden Kurzschlussstrom für die kurze Zeit überstehen, bevor die Leistungsschalter ihre Aufgabe erfüllen, was keine leichte Aufgabe ist.

Es mag einige Elektroingenieure überraschen um zu erfahren, dass solche High-Tech-Testgeräte auf etwas so Alltägliches wie einen Leistungsschalter angewendet werden müssen. Haben wir nicht schon vor Jahrzehnten alles über die Leistungsschaltertechnologie herausgefunden? Tatsächlich entwickelt sich die Technologie noch weiter, und damit auch unsere Fähigkeit, ihre Leistung zu bewerten.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts dominierten ölbasierte Leistungsschalter. Bei diesen Geräten sitzen die Kontakte in einem mit Öl gefüllten Tank; Wenn sich der Lichtbogen bildet, verwandelt es einen Teil des Öls in eine Hochdruckgasblase, die den Lichtbogen umgibt und löscht. Aber diese Öltanks sind unhandliche und gefährliche Vorrichtungen. In den 1970er Jahren kamen Leistungsschalter auf den Markt, die Schwefelhexafluorid verwenden, ein Inertgas mit guten Isoliereigenschaften, das durch den Spalt geblasen wird, um den Lichtbogen zu löschen. Allerdings ist SF6 ein extrem starkes Treibhausgas, weshalb die Elektrizitätsindustrie jetzt alternative Technologien entwickelt.

Viele Forscher untersuchen eine Art Leistungsschalter, der den Strom in einer Vakuumumgebung unterbricht. Die Hauptschwierigkeit besteht hier in der Beherrschung des elektrischen Feldes im Vakuum. Da kein Gas oder keine Flüssigkeit vorhanden ist, erzeugt das Lichtbogenplasma sein eigenes Medium, indem es Metalldampf aus den Kontakten selbst freisetzt und ionisiert. Wenn das heiße Plasma die Kontakte verbrennt, verformt es ihre Oberflächen und erzeugt mikroskopisch kleine Vertiefungen und Spitzen. Die Vorsprünge, die aus der Oberfläche eines Kontakts herausragen, ähneln hohen Bäumen, die über die Erdoberfläche hinausragen und daher eher vom Blitz getroffen werden. Die aufgerauten Kontakte können weiterhin Strom leiten, wenn dies nicht der Fall sein sollte, nämlich wenn der Leistungsschalter versucht, den Lichtbogen zu löschen.

Um diese Vakuumschalter weiterzuentwickeln, müssen wir sie unter Volllastbedingungen testen und den Strom von nur mehreren zehn Mikroampere untersuchen, der durch den quantenmechanischen Tunneleffekt aus den Vorsprüngen der Kontakte gezogen wird. Signalisieren diese winzigen Ströme ein bevorstehendes Wiederaufflammen des Lichtbogens und damit den Ausfall des Leistungsschalters? Das ist eine heftig diskutierte Frage in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Bei KEMA Labs suchen wir nach Antworten, indem wir die Wirkung dieser winzigen Ströme in realen Geräten unter Volllast bewerten.

Tatsächlich geht es bei vielen unserer Forschungsprojekte um die Arbeit in den kleinsten Maßstäben, die man sich vorstellen kann. Überraschenderweise entscheiden oft sehr schnelle Prozesse im Mikromaßstab darüber, ob die massiven Komponenten eines Übertragungsnetzes ausfallen – und möglicherweise, ob eine ganze Stadt ausfällt.

Mit dem Neuen: Ein spezieller Transformator, der für die neue Laborerweiterung von KEMA vorgesehen ist, wird vor der Installation auf einem Lastkahn überprüft. Foto: KEMA Laboratories

Wir müssen beispielsweise in der Lage sein, die Ereignisse innerhalb des Leistungsschalters während der wenigen Mikrosekunden rund um den Stromnullpunkt zu untersuchen. In dieser winzigen Zeitspanne muss sich der Leistungsschalter von einem sehr guten Leiter in einen nahezu perfekten Isolator verwandeln. Mit den neuesten Tools sind wir nun in der Lage, diesen Übergang zu überwachen. Eine von uns entwickelte hochauflösende Methode kann Ströme erkennen, die kleiner als ein einzelnes Ampere sind und nur wenige Mikrosekunden dauern, während Kurzschlusstests im Originalmaßstab durchgeführt werden, bei denen Ströme verwendet werden, die in Hunderten von Kiloampere gemessen werden. Wir suchen nach diesen winzigen Strömen nach dem Strom-Null-Moment, in dem der Lichtbogen vollständig hätte erlöschen sollen. Wenn wir sie finden, haben wir einen Hinweis darauf, dass mit der Wiederherstellung des Leistungsschalters etwas nicht stimmt und dass der volle Lichtbogen möglicherweise erneut in seinem Spalt aufflammt.

Die Strom-Supernetze des 21. Jahrhunderts werden auf diese stromkreisunterbrechenden Wächter angewiesen sein, die wie Wächter entlang kontinentaler Übertragungsleitungen stationiert sind. Und die Leistungsschalter wiederum verlassen sich auf Ingenieure in den Testlabors, die starke Stromfluten freisetzen, um diese Komponenten maximal zu beanspruchen, und gleichzeitig die intimen Prozesse im Herzen der Leistungsschalter erforschen. Nur solche umfassenden Tests stellen sicher, dass die Ausrüstung eine chinesische Megacity auch an den heißesten Tagen kühl hält.

Dieser Artikel erschien ursprünglich in gedruckter Form unter dem Titel „Safeguarding the Supergrid“.