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Betriebserfahrungen HGÜ-System

Cahora Bassa – Apollo

Michael Schubert, Berlin

gekürzt erschienen in: ETG Journal 2018, H. 1, S. 77-80

Die Anlage Cahora Bassa1 – Apollo

2 wurde nach Inbetriebnahme der dritten Ausbaustufe an

die Kunden HCB3 und Eskom übergeben. Die Betriebsdaten +/- 533 kV Leiterspannung und

1.800 A Leiterstrom wurden im Rahmen eines umfangreichen Abnahmeprogramms

nachgewiesen.

Bild 1 HCB mit dem Kraftwerk in der Schlucht von Cahora Bassa; Quelle: Autor

1 Die Cahora-Bassa-Talsperre (Bauzeit 1969–1979) in Mozambique/Provinz Tete ist eine der größten Talsperren

der Welt. 2 Station des südafrikanischen Stromversorgers Eskom nahe Pretoria.

3 Die Hidroeléctrica de Cahora Bassa ist die mozambiqueanische Betreibergesellschaft von Cahora Bassa.

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In den ersten Monaten assistierte ZAMCO-Personal4 bei Betriebsführung und Fehlersuche.

Jede Anlage dieser Größenordnung erzeugt Ausfälle und Probleme speziell in der

Anfangsphase, die hier aber nicht näher betrachtet werden sollen. Neben diversen schwer

wiegenden Ereignissen traten Störungen in erster Linie in folgenden Bereichen auf:

Relaissteuerung für die Gleichspannungs-Schaltanlage (wurde in beiden Stationen später

durch eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ersetzt)

Elektronikfehler an Impulsverstärkern und Ventilelektronik (vorzugsweise Bauelemente-

Fehler)

ungleichmäßige Spannungsverteilung an mehrstufigen Isolatoren

Gleichspannungs-Durchführungen

Überspannungsableiter

Feuchtigkeit in Druckluftversorgung

punktuelle, unzulässige Wärmeentwicklung (Hot Spots) an Pantographen-Trennern

Erdelektroden

Doppel-6-Puls-Rückwirkungen mit Zwangsabschaltung der Filter in Songo5

Instabilitäten im Übertragungssystem durch aggressiven Thyristorschutz

(Kommutierungsfehler, Zwangskippungen, Leitungsschutz)

Bild 2 HGÜ-Substation Songo in Mozambique; Quelle: Autor

4 Die ZAMCO war ein gemeinsames Konsortium internationaler Kapitalgeber und Firmen, welches als

Vertragspartner für die portugiesische Kolonialverwaltung für das Bauprojekt Cahora Bassa fungierte. 5 Songo ist der Cahora Bassa nächstgelegene Ort.

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Bis etwa 2008 gibt es keine verlässlichen Daten oder Fehlerstatistiken, da beide Betreiber,

HCB wie auch Eskom, kaum miteinander kommuniziert haben.

Zu den Faktoren, die den Übertragungsbetrieb bis heute beeinflusst haben gehören:

Isolationsproblematik von Leitungen und Stationen

Leitungsverfügbarkeit nach Inbetriebnahme

Ventilschäden nach Stillstandsphase

Überstromableiter und Transformatorschäden

Auch Leitungsüberschläge, vorzugsweise durch Gewitter und Buschfeuer hervorgerufen

(ungenügende Servitude, keine Maintenance, Kriegshandlungen) haben die Betriebsstabilität

stark beeinflusst.

Bild 3 Eskom und deren Substation Apollo in Südafrika; Quelle: Autor

Die anfänglich einheitlich mit Glasisolatoren ausgerüstete Leitung wurde aufgrund häufiger

Überschläge und daraus resultierender Rückwirkungen zum Problem für den

Übertragungsbetrieb (Bild 4).

Mehr und mehr traten jedoch Schäden durch Vandalismus (in Südafrika) und Sabotage

(Mozambique) bezüglich Stabilität und Zuverlässigkeit der Übertragung in den Vordergrund.

Die Häufigkeit dieser Ereignisse nahm zu. Die Schäden wurden immer umfangreicher

(Bild 5).

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Bild 4 Ausgangsleitungsmast bei Songo bespannt mit 533-kV-Fernleitung

und Erdelektrodenzuführung; Quelle: Autor

Bild 5 sabotierter Leitungsmast; Quelle: Autor

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Überschläge an den Porzellan-Erdseil-Isolatoren wurden für das PLC-System6 zur

Schwachstelle. Die Porzellanisolatoren wurden später durch Glasisolatoren mit

Funkenhörnern ersetzt.

Die andauernden Kriegshandlungen zwischen Frelimo7 und Renamo

8 in Mozambique führten

letztendlich zum Totalausfall des Übertragungsbetriebs. Das hier dargestellte Diagramm

(Bild 6) veranschaulicht, dass die Energieübertragung 1984 zum Erliegen kam und erst 1997

wieder aufgenommen wurde.

Bild 6 Output Cahora Bassa Power Station; Quelle: HCB

Während der Stillstandsperiode von 13 Jahren lieferte das Kraftwerk Energie praktisch nur für

die Eigenversorgung und für die Substation, die Wohnsiedlung Songo sowie die Stadt Tete.

Später wurde eine Drehstromverbindung mit einer Kapazität von 500 MW nach Zimbabwe

installiert.

6 Power Line Carrier, Telekommunikation zwischen den Stationen über die Hochspannungsleitung

7 Die FRELIMO (dt.: Mozambiqueanische Befreiungsfront) errichtete nach der Unabhängigkeit von Portugal

1975 ein kommunistisches Einparteiensystem in Mozambique. 8 Die RENAMO (dt.: Nationaler Widerstand Mozambiques) wurde nach der Unabhängigkeit Mozambiques 1975

als antikommunistische Widerstandsbewegung zur FRELIMO gegründet.

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Die unsicheren Zukunftsaussichten bei ca. 1.000 umgestürzten Leitungsmasten führten zum

Weggang des Personals in beiden Stationen und entsprechendem Verlust an Know-how.

Maintenance und sonstige Erhaltungsmaßnahmen wurden praktisch nicht mehr durchgeführt.

Bereits sichtbare Schäden an den Stromrichterventilen wurden ignoriert und Hinweise auf die

zu erhaltende Betriebsfähigkeit, z. B. durch gelegentlichen Back-to-Back-Betrieb9, in

Ermangelung geeigneten Personals nicht beachtet.

Mit dem Ende der politischen Auseinandersetzungen in Mozambique und der

Wiederherstellung der Leitungen wurden in diversen Bereichen des Übertragungssystems die

Isolationsbedingungen verbessert, die sich vorher als kritisch erwiesen hatten. Hierzu gehörte

die Erhöhung von Tragmasten sowie die Verlängerung der Isolatorketten der DC-Leitungen.

Die Eskom hatte bereits entschieden, das gesamte Leitungsstück in Südafrika anstelle der

Glasisolatoren mit Silicon-Rubber-Isolatoren auszurüsten. Ein erstes Teilstück, d.h. die

Durchquerung des Krügerparks ist bereits vollendet (Stand: 2011), mit besten

Betriebsergebnissen. Resultat: Kein einziger Überschlag innerhalb eines Jahres. Der

verbleibende Rest auf südafrikanischem Territorium soll innerhalb der nächsten Monate

gleichfalls mit Silicon-Rubber-Isolatoren ausgerüstet werden. Der Vorteil: Es bedarf keiner

Maintenance und bietet ein erhebliches Sparpotenzial, verglichen mit der bisher

durchgeführten Helicopter-Spray-Reinigung der Glasisolatoren. Die Stationsisolation wurde

durch generelles Aufbringen von Silicon-RTV10

an den Gleichspannungs-Isolationsstrecken

verbessert.

In Mozambique werden die Isolatoren weiterhin in Bereichen starker Verschmutzung manuell

gewaschen, was zur Stilllegung des betroffenen Pols führt. Diese Prozedur erfordert innerhalb

eines Jahres an ca. sechs Wochenenden die Abschaltung der Leitung, was besonders Eskom

wegen ihres hohen Energiebedarfs schmerzt (Bild 7).

Auch in Songo wurde die Behandlung der Gleichspannungs-Isolatoren weitestgehend mit

Silicon-RTV durchgeführt.

9 Betrieb einer Brücke als Gleichrichter und einer zweiten als Wechselrichter

10 Siliconpaste zur Verbesserung der Hochspannungsfestigkeit von Isolationsstrecken

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Bild 7 Service-Team auf einem Leitungsmast; Quelle: Autor

Nach Wiederaufnahme des Übertragungsbetriebes wurden u.a. bei Öl- und Gasanalysen des

Ventilkühlöls Zersetzungen festgestellt, die auf hohe Temperatureinwirkungen

zurückzuführen waren. Eine Inspektion der Ventile ergab Schäden an der inneren

Kühlölverteilung der Thyristoraufbauten. Hier waren in erster Linie die diversen

Kunststoffschläuche, die zur Einspeisung von Thyristorstacks und Drosseln vorgesehen

waren, betroffen. Bild 8 zeigt ein unbeschädigtes Thyristormodul im Neu-Zustand.

Bild 8 Thyristormodul mit intakten Kühlschläuchen; Quelle: Autor

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Nach mehrjähriger Stillstandszeit und kurzzeitigen Betriebsperioden war das

Schlauchmaterial völlig verhärtet und meist an den Übergängen zu Anschlussnippeln der

Geräte aufgrund von Vibrationen abgeschert bzw. abgebrochen (Bilder 10 bis 12). Diese

Vibrationen (Impulsverstärker) waren auch Ursache für das Zerbrechen der Spannbänder an

den Drosselkernen (Bild 9).

Bild 9 defektes Spannband eines Schnittbandkerns aus einer Etagendrossel; Quelle: Autor

Das Schadensbild zog sich durch alle Ventile in beiden Stationen. Trotz der Unterbrechung

der forcierten Kühlölzuführung zu den Kühlkörpern der Scheibenzellen wurde keine erhöhte

Ausfallhäufigkeit von Thyristoren festgestellt (Bilder 10 bis 12).

Bild 10 defekte Thyristor-Ventilschläuche; Quelle: Autor

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Bild 11 defekte Anschlüsse an einem Thyristormodul; Quelle: Autor

Bild 12 defekter Kühlöl-Schlauch an einer Etagendrossel; Quelle: Autor

Bild 13 Etagendrosseldefekt aufgrund ausgefallener Kühlung; Quelle: Autor

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Anders bei den Drosseln: Ein hoher Prozentsatz der Etagendrosseln war durch Überhitzung

beschädigt. Die Trägerplatten aus Hartpapier waren verkohlt und zum Teil zerbrochen

(Bild 13). Trotz allem wurde mit diesen stark beschädigten Ventilen der Betrieb

aufrechterhalten.

Ende der 1990er Jahre wurden Reparaturmaßnahmen eingeleitet, um diese Schäden

kurzfristig zu beheben. Weitere Schritte zur Verbesserung des Systems (refurbishment)

wurden diskutiert, kamen aber nicht zur Ausführung, da Eskom entschied, den gesamten

Ventilbereich inklusive Steuerung und Regelung durch Ventile mit Wasserkühlung für

Freiluftaufstellung zu ersetzen.

Die Stromrichtertransformatoren wurden beibehalten. Die HCB betreibt noch heute die

Station mit der Original-Ausrüstung, d.h. mit den soweit wie möglich reparierten eigenen

Ventilen und einigen von Eskom nach dem Stationsumbau überlassenen Apollo-Ventilen.

Entscheidenden Einfluss auf den Betriebsverlauf nahm eine Schutzeinrichtung für die

Thyristorventile, die für den Worst Case unter diversen Störfällen, d.h. Überschlag eines

Brückenzweigs, vorgesehen ist. Die Überstromableiter (ÜSA) entlasten zwar die zu

schützende Ventilgruppe, verursachen aber einen Klemmenkurzschluss an den zugehörigen

Stromrichtertransformatoren (Bilder 14 und 15). Diese sollten kurzschlussfest sein, haben den

Beweis dafür aber nie antreten können.

Bild 14 Überstromableiter in Songo; Quelle: Autor

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Bild 15 abgeklemmte Überstrom-Ableiter in Apollo; Quelle: Autor

Es gab ca. 20 ÜSA-Schutzansprechungen in Apollo und insgesamt etwa 230 (208 nach

Aufzeichnungen zwischen 1975 und 2005) in Songo, die für den Totalausfall von

Transformatoren in Apollo und Songo verantwortlich waren. In Songo sind ca. zehn

Transformatoren ausgefallen, die direkt auf der Station repariert werden bzw. wurden (aus

Gründen ungenügender Transportinfrastruktur). Vier Transformatoren sind in Apollo

verschrottet worden. Die Reparatur des letzten Trafos wurde erst Mitte 2012 beendet. Vorher

war kein Betrieb mit 4-Brücken/-Pol möglich.

In Apollo hat die Eskom 1996 wegen der geringeren Belastung der Ventile im Überschlagfall

(Wechselrichter, keine Energierichtungsumkehr) die ÜSA abgeklemmt. Auch auf das

Nachspannen der bisher nicht behandelten Transformatoren wurde verzichtet. Für die neuen

Ventile ist dies ohnehin nicht notwendig.

In Songo lässt sich die HCB von Manitoba Hydro beraten, mit welchen Maßnahmen, z. B.

schnellere Erfassungs- und Schalterzeiten, das Risiko für ein Ansprechen der ÜSA im

Worst Case-Fall für die Thyristoren minimieren lässt.

Mit der Umrüstung der Thyristorventile in Apollo (Bild 16; beendet im April 2008) hat sich

eine Beruhigung in den Betriebsabläufen eingestellt.

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Bild 16 wassergekühlte Ersatzventile Apollo; Quelle: Autor

Die im Ventilschutzkonzept vorgesehenen Zwangskippungen haben einen wesentlichen Teil

zur Beruhigung beigetragen. Die hohe Anzahl von Eskom-Netzstörungen, die solche

Notzündungen auslösten, ist stark zurückgegangen. Da die modernen Ventile diese Art von

Schutzreaktionen nicht mehr erfordern, reduzieren sich auch die Leistungs-, Strom- und

Spannungsänderungen in Songo, das mit einer zuverlässigeren Energieübertragung reagiert.

Zum Vergleich: Kommutierungsfehler aufgrund von Eskom-Netzfehlern treten heute ca.

einmal im Monat auf, ursprünglich waren es etwa fünf pro Tag.

Die Stabilität der Übertragung könnte z. B. bei Ausfall eines Pols noch verbessert werden,

wenn die zugelassene Überlastung des verbleibenden Pols erhöht würde (bisher 125 % für

2 s), da dann die nachteiligen Folgen (Frequenzerhöhung, Filterausfall) in Songo vermieden

werden könnten. Für eine solche Maßnahme bestehen bei der Wechselrichterstation keine

Einschränkungen mehr, da die Stromtragfähigkeit der Thyristoren 3.300 A beträgt und 10 s

totaler Kühlungsausfall zugelassen werden. Die Zulässigkeit für Durchführungen,

Gleichspannungsschaltanlage (DC-yard) und Transformatorstufenschalter (Tap-changer) ist

zu überprüfen.

Die Entscheidung für den Umbau der Station Apollo erfolgte einseitig von Eskom im Jahr

2005. In der Ausführungsphase waren diverse Einbrüche bei der zu übertragenden Leistung

die Folge. Die Verfügbarkeit des Systems wurde durch die gleichzeitig laufenden

Reparaturarbeiten an den Transformatoren in Songo weiterhin reduziert.

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Zurzeit (Stand: 2011) ist die Gleichspannungs-Leitung 1 in Südafrika die Leitung mit der

schlechtesten Betriebsstatistik in Bezug auf die Anzahl der Überschläge pro 100 km

(verursacht durch Buschfeuer, Staub, Vögel etc.). Sie hat positive Polarität und läuft mit

533 kV, wogegen Leitung 2 negative Polarität hat und wegen der Traforeparatur in Songo nur

mit 400 kV betrieben wird. Die Polaritätswahl wurde so festgelegt, da auf diese Weise die

bestmögliche Telekommunikation erreichbar ist.

Wegen dauerhafter Trafoausfälle in Songo war Betrieb mit voller Spannung auf beiden Polen

seit Anfang der 1980er Jahre nicht mehr möglich. Beide Stationen haben jeweils eine

Glättungsdrossel verloren. Eskom hat eine neue Drossel bestellt; HCB will Öldrosseln durch

je drei Luftdrosseln/Pol ersetzen. Apollo hat jeweils einen Satz Transformatoren für Brücke

5/6 und 7/8 geordert, um eventuellen Ausfällen vorzubeugen. Zahlreiche Ausfälle an Öl

gefüllten Papier-Gleichspannungs-Durchführungen sowohl in Songo als auch in Apollo

machen Probleme. Eine Reserve ist nicht vorhanden. Apollo hat Druckluftschalter gegen

Feder getriebene SF6-Schalter ersetzt. Daher besteht nur noch geringer Bedarf für Druckluft,

da auch Überstromableiter und Signalübertrager eliminiert wurden. DC-yard-Schaltgeräte

werden weiterhin mit Druckluft versorgt.

In Songo sind die Stromrichter häufig wegen Ausfällen von Impulsverstärkern und

Ventilelektronik gestört. Durchschnittlich war ein Ausfall alle ein bis zwei Wochen zu

verzeichnen. Zwei mal 6-Puls-Betrieb der Brücken in Songo führte zu Filterabschaltungen mit

entsprechender Reduzierung der zu übertragenden Leistung. Der Betrieb mit 533 kV ab 2007

hat nur etwa zu 75 % stattgefunden. In der vorangegangenen Phase war der Anteil noch

geringer wegen zeitlicher Überlappung von Ventil-Reparaturen und Transformator-Fehlern.