Umspannwerke und Übertragungsleitungen 101 – Hochspannung, Schutzrelais und HGÜ anhand des Netzverhaltens verstehen

Wenn man zu einem Hochspannungsmast hinaufblickt, scheint der Strom nur in eine Richtung vom Kraftwerk zum Haus zu fließen. In Wirklichkeit überwachen Umspannwerke permanent Spannung, Phasenlage und Fehlerstrom und isolieren nur den benötigten Abschnitt, während sie gleichzeitig Erzeugung und Verbrauch im Gleichgewicht halten. Ein Umspannwerk ist nicht einfach nur „ein Kasten, der die Spannung ändert“ – es ist ein Netzwerkknotenpunkt, der den Stromfluss sicher umleitet.

Höchstspannungs-Schaltanlage

Bild: Switchyard eines 750-kV-Umspannwerks (Novoklimov, CC BY 4.0), Wikimedia Commons. Ein repräsentatives Schaltwerk, keine Aussage über ein bestimmtes japanisches Umspannwerk.

Die 30-Sekunden-Version

• Um dieselbe Wirkleistung zu übertragen, senkt eine Spannungserhöhung den Strom, wodurch die Kupferverluste der Übertragungsleitung reduziert werden.

• Ein Transformator tauscht Spannung und Strom aus, ohne die Frequenz zu ändern. Aufwärtstransformatoren in Kraftwerken und Abwärtstransformatoren in der Nähe von Verbrauchsstellen unterteilen das Netz in mehrere Spannungsebenen.

• Leistungsschalter unterbrechen den Fehlerstrom in Millisekunden; Trennschalter isolieren Geräte erst, wenn der Strom null ist. Falsche Einstellungen der Schutzrelais können dazu führen, dass sich der Fehler zu weit ausbreitet oder nicht betroffene Geräte unnötigerweise abgeschaltet werden.

• Wechselstromübertragung (WWÜ) ist gut mit dem bestehenden synchronen Netz kompatibel. Bei großen Entfernungen, Seekabeln und asynchronen Verbindungen ist die HGÜ mit Stromrichtern vorteilhaft.

Digitale Umspannwerke übertragen Strom und Spannung als abgetastete Werte über Glasfaser. Cybersicherheit und Zeitsynchronisation sind dabei genauso wichtig wie die traditionelle Isolationsauslegung.

1. Ein Umspannwerk ist der zentrale Knotenpunkt des Stromnetzes.

Zwischen Kraftwerk und Kunde besteht typischerweise eine Hierarchie von Spannungsstufen (die Werte variieren je nach Land und Netz):

Generator  11–30 kV
   │ Step-up transformer
Trunk transmission  154–500 kV ───── Long-distance transmission line ─────
   │ Transmission substation (switching, protection, reactive-power compensation)
Regional grid  66–154 kV
   │ Distribution substation
Distribution line    6.6–22 kV
   │ Pole-mounted transformer / service equipment
Customer    100/200 V, 400 V, factory high-voltage service

Ein Umspannwerk beherbergt Sammelschienen zur Stromverteilung, Leistungsschalter und Trennschalter zum Schalten von Stromkreisen, Messwandler zur Messung von Spannung und Strom, Überspannungsableiter zum Ableiten von Blitzüberspannungen, Schutzrelais zur Fehlererkennung sowie Steuerungs- und Kommunikationseinrichtungen. Da der Stromfluss auf eine andere Übertragungsleitung umgeleitet oder ein Wartungsabschnitt separat abgeschaltet werden kann, variiert die Netzstabilität je nach Umspannwerkskonfiguration, selbst bei gleicher Erzeugungskapazität.

Abbildung 1 – Ein Umspannwerk in einem einpoligen Schaltplan. Dreiphasenleiter sind als eine Linie dargestellt, Fehlererkennung (Relais) und Leistungsschalter sind in jedem Stromkreis angeordnet.

2. Warum wird Strom mit Hochspannung übertragen?

Bei Drehstromübertragung hängen Wirkleistung (P), Strangspannung (V_{LL}), Strangstrom (I) und Leistungsfaktor (\cos\phi) wie folgt zusammen:

woraus sich ergibt:

Beispiel: Bei einem Leistungsfaktor von 1, einem Widerstand (R=0.2\ \Omega) pro Phase und einer Übertragungsleistung von 100 MW beträgt der Strom bei 66 kV etwa 875 A, bei 275 kV etwa 210 A. Da die ohmschen Verluste quadratisch mit dem Strom skalieren, ergibt die idealisierte Berechnung eine Reduzierung um etwa den Faktor 17. In der Praxis setzen Koronaentladungen, Isolationsabstand, Transformatorverluste und die mechanische Belastung des Mastes die obere Grenze für die Spannung.

Eine Erhöhung der Spannung führt nicht automatisch zu einer Leistungssteigerung. Das Prinzip besteht darin, dass eine Erhöhung der Spannung eine Verringerung des Stroms ermöglicht und somit die Übertragungskapazität derselben Leitung bis zu ihrer thermischen Belastungsgrenze erhöht. Transformatoren werden weiterhin in der Wechselstromübertragung eingesetzt, da die elektromagnetische Induktion diesen Spannungsaustausch mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht.

3. Betrachtung eines Transformators als „Flussgetriebe“

Bei einem idealen Transformator verhalten sich Windungszahl N_1:N_2 und Spannungszahl wie folgt:

Durch Anlegen einer Wechselspannung wird im Kern ein magnetischer Fluss \Phi erzeugt, der in der Sekundärwicklung eine Spannung gleicher Frequenz induziert. Bei Gleichstrom sättigt sich der Fluss in einer Richtung, daher kann ein herkömmlicher Transformator Gleichspannung nicht direkt umwandeln.

Großleistungstransformatoren werden unter Berücksichtigung von Kupferverlusten (Wicklungswiderstand), Eisenverlusten (Hysterese- und Wirbelstromverluste), Streureaktanz und Kühlleistung ausgelegt. Ölgefüllte Transformatoren nutzen die Zirkulation von Isolieröl, um Wärme zum Kühlkörper abzuführen. Die Analyse gelöster Gase (DGA) überwacht Anzeichen von Überhitzung oder Entladung. Ein Stufenschalter (OLTC) ändert das Übersetzungsverhältnis, ohne die Last zu unterbrechen und hält so die Verteilungsspannung konstant.

Die Kurzschlussimpedanz eines Transformators unterdrückt den Fehlerstrom, erhöht aber den Spannungsabfall im Normalbetrieb. Eine höhere Transformatorleistung reduziert die Verluste, erhöht jedoch den Fehlerstrom, der die Nennleistung des Leistungsschalters überschreiten kann. Die praktische Schwierigkeit besteht darin, dass man ein Gerät nicht isoliert optimieren kann – die Optimierung muss im Zusammenhang mit der Kurzschlussfestigkeit des Netzes und der Schutzkoordination erfolgen.

4. Wie Leistungsschalter, Trennschalter und Sammelschienen die Arbeit aufteilen

Leistungsschalter (LS)

Ein Leistungsschalter unterbricht sicher nicht nur den Normalstrom, sondern auch den Fehlerstrom. Bei Hochspannung reicht das bloße Öffnen der Kontakte nicht aus, um den Lichtbogen zu löschen. Daher werden Lichtbogenlöschmedien – SF₆-Gas, Vakuum, Luft – mit schnell wirkenden Betätigungsmechanismen kombiniert. Die Entwicklung zielt derzeit aus Umweltschutzgründen auf die Reduzierung von SF₆ ab, beispielsweise durch Vakuum-Leistungsschalter und alternative Gasmischungen.

Trennschalter (DS)

Ein Trennschalter erzeugt eine sichtbare Trennlücke und versetzt die Anlage in einen Zustand, in dem Wartungspersonal sicher arbeiten kann. Er kann den Laststrom nicht unterbrechen, daher muss immer zuerst ein Leistungsschalter den Strom abschalten. Verriegelungen bilden die letzte Sicherheitsebene gegen Fehlbedienungen.

Sammelschienen und Schaltkonfigurationen

Eine einzelne Sammelschiene ist kostengünstig, aber ein Kurzschluss an der Sammelschiene führt zur Abschaltung aller Stromkreise. Doppelsammelschienen, Sammelschienen-Leistungsschalter, das 1,5-Leistungsschalter-System und gasisolierte Schaltanlagen (GIS) werden unter Berücksichtigung von Kosten, Platzbedarf, Wartungsfreundlichkeit und Fehlerauswirkungen ausgewählt. In städtischen Gebieten ist die Gasisolierung (GIS) – bei der die Geräte mit Isoliergas umschlossen sind – platzsparend; in Freiluft-Umspannwerken im Umland ist die Wartung durch luftisolierte AIS einfacher.

5. Schutzrelais als „Algorithmus zur Fehlererkennung“

Ein Schutzrelais empfängt Strom und Spannung von Stromwandlern (CTs) und Spannungswandlern (VTs/PTs) und schätzt Art und Ort eines Fehlers. Repräsentative Elemente sind:

Das Distanzrelais einer Übertragungsleitung misst die Impedanz zum Fehlerpunkt als

Da die Leitungsimpedanz annähernd proportional zur Entfernung ist, löst der Leistungsschalter aus, wenn Z_{app} innerhalb einer konfigurierten Zone liegt. Die Auslegung muss jedoch Fehlinterpretationen von „Lastimpedanzüberschreitungen“ vermeiden, bei denen die Lastimpedanz unter hohem Lastfluss in die Schutzzone eindringt, sowie die durch Serienkondensatoren verursachte Impedanzverschiebung.

Die Zeit von der Fehlererkennung bis zur Leistungsschalterauslösung setzt sich aus der Relaisberechnung, der Kommunikation und der mechanischen Betätigung des Leistungsschalters zusammen. Schnelle Schutzmaßnahmen zielen auf Reaktionszeiten im Bereich von Millisekunden ab, wobei zur selektiven Abschaltung in Abstimmung mit nachgelagerten Systemen mitunter eine bewusste Zeitverzögerung eingestellt wird. Zuverlässigkeit bedeutet nicht nur Geschwindigkeit, sondern auch Selektivität, um intakte Stromkreise zu erhalten.

6. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften einer Übertragungsleitung

Eine Übertragungsleitung ist ein verteilter Stromkreis mit Widerstand (R), Induktivität (Induktivität), Kapazität (Kapazität) und Streuleitwert (Längenleitwert). Eine kurze Leitung kann näherungsweise durch eine Serienimpedanz beschrieben werden. Bei Längen von mehreren hundert Kilometern müssen jedoch Wanderwellen und Reflexionen sowie der Spannungsanstieg am Empfangsende, bekannt als Ferranti-Effekt, berücksichtigt werden. Unter geringer Last liefert die Leitungskapazität Blindleistung, wodurch die Spannung am Empfangsende die Spannung am Sendeende übersteigt.

Eine vereinfachte Formel für die übertragbare Leistung lautet:

Sie wird durch die Spannung auf der Generatorseite E , die Spannung auf der Empfängerseite V , die Leitungsreaktanz X und den Leistungswinkel \delta zwischen den beiden Enden bestimmt. Mit steigendem Leistungsfluss wächst auch \delta und nähert sich der Grenze der Synchronstabilität. Neben zusätzlichen Übertragungsleitungen können Serienkompensation, STATCOM, Synchrongeneratoren und die Leistungsflussregelung von HGÜ zusätzliche Reserven schaffen.

Mechanisch gesehen müssen gleichzeitig der Durchhang der Leiterseile, Wind- und Eislasten, die thermische Ausdehnung und die Bodentragfähigkeit der Masten berücksichtigt werden. Mit steigender Leitertemperatur nimmt der Durchhang zu und die Bodenfreiheit ab. Daher findet die dynamische Leitungsbemessung (DLR) – die Berechnung des zulässigen Stroms dynamisch anhand von Wetterdaten – zunehmend Anwendung. Die Idee ist, Temperatur, Windgeschwindigkeit und Vibrationen mithilfe von Sensoren zu messen und die Übertragungskapazität vorsorglich anzupassen.

7. Wechselstrom (HVAC) oder Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) – welche Technologie ist die richtige?

Wechselstrom (HVAC) (Hochspannungs-Wechselstrom)

Wechselstrom lässt sich mithilfe eines Transformators leicht in seine Spannung umwandeln und problemlos an das bestehende Synchronnetz anschließen. Da mehrere Generatoren und Lasten auf dieselbe Frequenz synchronisiert sind, teilen sie sich im Fehlerfall auch die Trägheit. Blindleistung und Stabilität begrenzen jedoch die Übertragungsdistanzen, und der Ladestrom ist bei Seekabeln begrenzt.

Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) (Hochspannungs-Gleichstrom)

HGÜ wandelt Wechselstrom mittels eines Umrichters in Gleichstrom um und an Sende- und Empfangsende wieder in Wechselstrom. Gleichstrom weist einen geringeren Skin-Effekt und geringere Blindleistungsprobleme auf und ist ab einer bestimmten Entfernung vorteilhaft für die Verluste in langen Freileitungen und Seekabeln. Er eignet sich auch zur Verbindung von Netzen mit unterschiedlichen Frequenzen oder für asynchrone Verbindungen, die Strom übertragen, ohne zwei Netze an denselben Synchronismus zu koppeln.

Konventionelle LCC-Systeme (Thyristor-basiert) verarbeiten große Leistungen mit hohem Wirkungsgrad, benötigen jedoch Blindleistung auf der Wechselstromseite und stoßen in schwachen Netzen an ihre Grenzen. VSC-Systeme (Spannungszwischenkreisumrichter mit selbstgeführten Bauelementen wie IGBTs) regeln Wirk- und Blindleistung unabhängig voneinander und lassen sich leichter in Offshore-Windparks und Mehrpunkt-Gleichstromnetzen einsetzen. Herausforderungen sind die Kosten der Umrichter, ausreichend schnelle Gleichstrom-Leistungsschalter zur Unterbrechung von Gleichstromfehlerströmen und die Interaktion der Steuerung.

8. Digitale Umspannwerke und Cybersicherheit

In digitalen Umspannwerken gemäß IEC 61850 erfassen Zusammenführungseinheiten analoge Strom- und Spannungswandlersignale und verteilen diese als Abtastwerte (SV) über ein Glasfasernetz. Schaltanlagenstatus und Auslösesignale werden über GOOSE-Nachrichten ausgetauscht. Die Reduzierung der Kupferverkabelung verringert die Verdrahtungslast und vereinfacht die Rekonfiguration der Schutzlogik in der Software.

Die Kehrseite der Medaille ist, dass Netzfehler und Zeitdrift die Schutzfunktion direkt beeinflussen. Es erfordert die Kombination von Zeitsynchronisation (z. B. IEEE 1588 PTP), redundanten Ringen, authentifizierter Kommunikation, Konfigurationsdatei-Änderungsmanagement und Whitelist-basiertem Endpunktschutz. Digitalisierung bedeutet nicht einfach nur „IT hinzufügen“ – sie ist eine Designänderung, die das Fehlerspektrum von elektromagnetischen Störungen auf Paketverzögerungen und Spoofing erweitert.

9. Stand der aktuellen Technologie und Forschung

• SF _6 alternative Schaltanlagen: Reduzierung von Treibhausgasen durch Vakuumleistungsschalter, Trockenluft und CO _2 Gasmischungen. Bewertet hinsichtlich Abschaltverhalten, Lebensdauer, Leckageerkennung und Kompatibilität mit bestehender Ausrüstung.

• Netzbildende Umrichter: Wechselrichter für Solar-, Batterie- und Offshore-Windenergie, die als Spannungsquellen fungieren und Frequenz und Spannung in Netzen mit weniger Synchronmaschinen unterstützen.

• Digitale Zwillinge: Integration von thermischen Transformatormodellen, gelösten Gasen, Schaltzyklen von Leistungsschaltern und Wetterdaten von Übertragungsleitungen zur Abschätzung der Restlebensdauer.

• Zuverlässiger Schutz: Bei GPS-Störungen oder Kommunikationsausfällen wird ein adaptiver Schutz implementiert, der allein mit lokalen Messungen sicher arbeitet, ergänzt durch einen Schutz mittels Flächenmessung.

• Supraleitende und Hochtemperaturleiter: Potenzial zur Erhöhung der Übertragungskapazität innerhalb derselben Trasse, jedoch stellen Kühlgeräte und die Freisetzung von Energie im Fehlerfall weiterhin Hürden für die praktische Anwendung dar.

Beim Lesen von Forschungsergebnissen ist es hilfreich, neben dem Wirkungsgrad auch die Schutzansprechzeit, das Kurzschlussverhalten, den Wartungszyklus und das ausfallsichere Verhalten bei Kommunikationsausfall zu berücksichtigen. Umspannwerke sind Infrastrukturen, die über Jahrzehnte genutzt werden. Daher müssen die heutigen Testergebnisse unter Berücksichtigung zukünftiger Komponentenverfügbarkeit und Normenänderungen bewertet werden.

Fazit: Ein Umspannwerk offenbart die Designphilosophie des Stromnetzes

Grundlegend für die Übertragung sind die Reduzierung von Strom und Verlusten durch höhere Spannungen. Die Zuverlässigkeit im realen Betrieb wird jedoch durch die Schaltkonfiguration des Umspannwerks, die Selektivität der Schutzrelais, die Stabilität der Übertragungsleitung sowie die Kommunikations- und Wartungskonzeption bestimmt. HVAC und HVDC, AIS und GIS, Einzel- und Doppelbus – die Gründe für die Wahl eines Systems liegen in der Standortwahl, den Kosten und den Auswirkungen von Fehlern.

Bei der Prüfung von Anlagen ist es hilfreich, die folgenden vier Punkte in der angegebenen Reihenfolge zu überprüfen:

1. Welche Spannungsebene und in welche Richtung des Leistungsflusses verarbeitet die Anlage?

2. Was misst sie im Fehlerfall, in wie vielen Millisekunden und welchen Stromkreis isoliert sie?

3. Wo liegt der Engpass – Blindleistung, Kurzschlussfestigkeit oder Leistungswinkel?

4. Wie ist die Anlage auf Kommunikationsausfälle, Cyberangriffe, extreme Wetterbedingungen und Komponentenverschleiß vorbereitet?

Mit diesem Verständnis können Sie über das Typenschild eines Transformators oder die Nennspannung eines Mastes hinausblicken und die eigentliche Konzeption eines Netzes verstehen, das für die Integration erneuerbarer Energien und Batteriespeicher ausgelegt ist.

Referenzen

• Organisation für die überregionale Koordinierung der Übertragungsnetzbetreiber, Japan (OCCTO) (Japanisch)
• Agentur für natürliche Ressourcen und Energie – Übertragung/Verteilung und das Netz (Japanisch)
• IEC 61850 – Kommunikationsnetze und -systeme für die Automatisierung von Energieversorgungsunternehmen

• CIGRE – Internationaler Rat für große elektrische Systeme

• IEEE Power & Energy Society

• NREL – Netzmodernisierung