8. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2013

Einfluss des Sammelschienendifferentialschutzes bei unterschiedlichen 110-kV-Netzkonzepten auf die

Zuverlässigkeit

Hans-Peter Vetö

TU Wien, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe

Kurzfassung:

Zunehmender Lastanstieg, steigende dezentrale Erzeugung, … stellen zunehmend höhere Anforderungen an die Verteilnetze. Ein sicherer und zuverlässiger Netzbetrieb kann bei vermehrter Einbindung von regenerativen Energien (Wind, Photovoltaik, Kleinwasserkraft, …) nur durch den Netzausbau (Leiterseilverstärkungen, Neubau von Umspannwerken, …) sichergestellt werden. Der damit einhergehende Anstieg der Kurzschlussleistung an den 110-kV-Netzknoten wird zukünftig zu einem vermehrten Einsatz des Sammelschienendifferentialschutzes führen. Dabei stellt sich die Frage, in wie weit sich hierdurch Auswirkungen auf die Versorgungszuverlässigkeit ergeben?

Keywords: Sammelschienendifferentialschutz, Zuverlässigkeit, Netzkonzepte

1 Einleitung An Hand eines 110-kV-Netzabschnittes, welcher 7 Umspannwerke umfasst, werden die Auswirkungen des Sammelschienendifferentialschutzes auf die Versorgungssicherheit gezeigt. Dabei werden die Ergebnisse mit und ohne Sammelschienendifferentialschutz für verschiedene Einbindungsvarianten und Schaltanlagenkonzepte gegenübergestellt. Sämtliche Schaltanlagen sowie unterschiedliche Schaltzustände werden im Detail berücksichtigt. Die Systemgrenze bildet die Mittelspannungsschaltanlage, welche als „ideal“, sowie nur vereinfacht berücksichtigt wird.

Insgesamt wurden 10 unterschiedliche Netzkonzepte untersucht! 4 Konzepte davon werden nachfolgend betrachtet.

Berücksichtigte Schaltanlagenkonzepte:

- H4-2 Schaltung (2 Sammelschienenlängstrenner)

- H5 Schaltung (Leistungsschalter zur Sammelschienenlängskupplung)

- Einfachsammelschiene (Leistungsschalter zur Sammelschienenlängskupplung)

- Doppelsammelschiene (gekuppelter Zweischienenbetrieb)

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Berücksichtigte Einbindungsvarianten:

- Blockanspeisung (Keine 110-kV-Sammelschiene vorhanden)

- Zweisystemige Einschleifung

- Viersystemige Einschleifung

- Doppelstich (beide Stiche zugeschalten)

- Doppelstich (nur ein Stich zugeschalten)

Für fünf Umspannwerke (beidseitig über eine 60 km lange Freileitung von zwei Umspannwerken gespeist) werden unterschiedlichste Kombinationen aus den obigen Schaltanlagenkonzepten und Netzeinbindungsvarianten betrachtet. Die „äußeren“ beiden Umspannwerke (jene die den Netzabschnitt speisen) sind standardmäßig als Doppelsammelschiene ausgeführt. In sämtlichen Umspannwerken sind zwei 110/20-kV-Umspanner installiert, welche jeweils eine Last von 10MW im Mittelspannungsnetz speisen.

1.1 Netzeinbindung

Bei der Netzeinbindung werden 4 Varianten berücksichtigt:

• Sämtliche UW´s als Doppelstiche (Doppeldreibein) eingebunden (Abb.: 1) • Das UW D ist viersystemig eingeschliffen, die restlichen UW´s sind als Doppelstiche

(Doppeldreibein) eingebunden (Abb.: 2)

• Die UW´s C und E sind viersystemig eingeschliffen, die restlichen UW´s sind als Doppelstiche (Doppeldreibein) eingebunden (Abb.: 3)

• Die UW´s C und E sind viersystemig, die restlichen UW´s zweisystemig eingeschliffen (Abb.: 4)

1.2 Schaltanlagenkonzepte

Bei den Schaltanlagenkonzepten werden 4 Konzepte berücksichtigt:

• Blockanspeisung (B) o Keine Sammelschiene vorhanden – (Abb.: 7)

• H-Schaltung (H4, H5)

o Sammelschienenlängstrennung über 2 Trenner (H4-2 Schaltung) – (Abb.: 5) o Sammelschienenlängskupplung (H5 Schaltung) – (Abb.: 6)

• Einfachsammelschiene (ESS) - (Abb.: 8)

o Sammelschienenlängskupplung

• Doppelsammelschiene (DSS) - (Abb.: 9)

o Gekuppelter Zweischienenbetrieb

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Netz- und Schaltanlagenkonzepte:

Abb.: 1 Netzkonzept 1

Abb.: 2 Netzkonzept 2

UW A

DSS…Doppelsammelschiene H… H-Schaltung

FLTG1-A

Legende:

UW B

FLTG1-BC

FLTG2-A FLTG2-BC

FLTG2-B

FLTG1-B

UW C

FLTG2-C FLTG1-C

UW D

FLTG2-D FLTG1-D

UW E

FLTG2-E FLTG1-E

UW F

FLTG2-F FLTG1-F

UW G FLTG1-CD

FLTG2-CD

FLTG1-DE

FLTG2-DE

FLTG1-EF

FLTG2-EF

FLTG1-G

FLTG2-G

10 km 10 km 10 km 10 km 10 km 10 km

0,1 km

DSS

B, H4, H5 B, H4, H5 H4, H5 B, H4, H5 B, H4, H5

DSS

UW… 110-kV-Umspannwerk FLTG…Freileitung

Mastabzweig

ESS…Einfachsammelschiene

B… Blockanspeisung

UW A FLTG1-A

UW B

FLTG1-BC

FLTG2-A FLTG2-BC

FLTG2-B

FLTG1-B

UW C

FLTG2-C FLTG1-C

UW D UW E

FLTG4-E FLTG3-E

UW F

FLTG4-F FLTG3-F

UW G FLTG1-D

FLTG2-D

10 km 10 km 10 km 10 km 10 km 10 km

0,1 km

DSS

B, H4, H5 B, H4, H5 ESS, DSS B, H4, H5 B, H4, H5

DSS

FLTG3-D FLTG3-EF FLTG3-G

FLTG4-D FLTG4-EF FLTG4-G

DSS…Doppelsammelschiene H… H-Schaltung

Legende:

UW… 110-kV-Umspannwerk FLTG…Freileitung

Mastabzweig

ESS…Einfachsammelschiene

B… Blockanspeisung

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Abb.: 3 Netzkonzept 8

Abb.: 4 Netzkonzept 9

UW A FLTG1-A

UW B

FLTG1-BC

FLTG2-A FLTG2-BC

FLTG2-B

FLTG1-B

UW C

FLTG4-C FLTG2-C

UW D UW E

FLTG6-E FLTG4-E

UW F

FLTG6-F FLTG5-F

UW G

10 km 10 km 10 km 10 km 10 km 10 km

0,1 km

DSS

H4, H5 ESS, DSS H4, H5 ESS, DSS H4, H5

DSS

FLTG3-DE

FLTG4-DE

FLTG3-CD

FLTG4-CD FLTG3-D

FLTG4-D

FLTG6-EF FLTG6-G

FLTG5-EF FLTG5-G FLTG1-C

FLTG3-C FLTG3-E

FLTG5-E

DSS…Doppelsammelschiene H… H-Schaltung

Legende:

UW… 110-kV-Umspannwerk FLTG…Freileitung

Mastabzweig

ESS…Einfachsammelschiene

UW A FLTG1-A

UW B

FLTG2-A

FLTG3-B

FLTG2-B

FLTG5-C FLTG3-C

UW D UW E

FLTG8-E FLTG6-E

UW F

FLTG9-F FLTG8-F

UW G

10 km 10 km 10 km 10 km 10 km 10 km

0,1 km

DSS

H4, H5 H4, H5 ESS, DSS H4, H5

DSS

FLTG4-CE

FLTG5-CD FLTG5-D

FLTG6-D

FLTG8-EF

FLTG7-G FLTG1-C

FLTG4-C FLTG4-E

FLTG7-E FLTG3-BC FLTG6-DE FLTG9-G

UW C

ESS, DSS

DSS…Doppelsammelschiene H… H-Schaltung

Legende:

UW… 110-kV-Umspannwerk FLTG…Freileitung

Mastabzweig

ESS…Einfachsammelschiene

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Schaltanlagenkonzepte für zweisystemige Netzeinbindung:

Abb.: 5 H4-2 Konzept Abb.: 6 H5 Konzept Abb.: 7 Blockanspeisung

Schaltanlagenkonzepte für viersystemige Netzeinbindung:

Abb.: 8 Einfachsammelschiene Abb.: 9 Doppelsammelschiene

20-4

20-3

20-1

T1 T2

SS1C

LAST 1 LAST 2

SSLTR

110-1

110-2 110-3

110-4

20-2

SS1C

SSLTR

FLTG..

SS1A

SS1A

FLTG..

SSLTR SSLTR

20-4

20-3

20-1

T1 T2

SS1C

LAST 1 LAST 2

SSLTR

110-1

110-2 110-4

110-5

20-2

SS1B

SSLTR

110-3

SS1A

SS1A

FLTG.. FLTG..

SSLK

20-4

20-3

20-1

T1 T2

SS1C

LAST 1 LAST 2

SSLTR

110-1 110-2

20-2

SSLTR

FLTG..

SS1A

FLTG..

SS

FLTG..

Info: Bei den Varianten H4-2# und H5# wird ein Schaltfeld offen betrieben!

20-4

20-3

20-1

T1 T2

SS1C

LAST_1 LAST_2

SSLTR

110-2

110-3 110-5

110-6

20-2

SS1B

SSLTR

110-4

SS1A

SS1A

FLTG.. FLTG..

SSLK 110-1

FLTG..

110-7

FLTG..

20-4

20-3

20-1

T1 T2

SS1 SS2

SS1A SS1C

LAST 1 LAST 2

SSLTR

110-2

110-5

110-6

20-2

SS1 SS2

SSLTR

110-4

110-3

FLTG..

110-1 110-7

FLTG.. FLTG.. FLTG..

SSQK

110-kV-Sammelschiene 20-kV-Sammelschiene 110-kV-Leistungsschalter (geschlossen) 110-kV-Trenner (geschlossen) 110-kV-Leistungsschalter (offen) 110-kV-Trenner (offen)

110-6

Schaltfeld

20-kV-Lastabgang

LEGENDE:

SSLTR… Sammelschienenlängstrenner SSLK… Sammelschienenlängskupplung SSQK… Sammelschienenquerkupplung

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2 Statistische Auswertung

2.1 110-kV-Umspannwerke in Österreich

Im Vorfeld wurde eine statistische Erhebung über die im österreichischen 110-kV-Verteilnetz vorkommenden Schaltanlagen/Umspannwerke nach der „Schaltanlagentype“ (AIS, HIS, GIS) durchgeführt.

AIS… Air insulated switchgear – Freiluftschaltanlage HIS… Hybrid switchgear (highly integrated switchgear) – Hybridschaltanlage GIS… Gas insulated switchgear – Gasisolierte Schaltanlage

2.1.1 Schaltanlagentypen komplett Insgesamt wurden 447 110-kV-Umspannwerke in dieser Auswertung berücksichtigt, lediglich ein Netzbetreiber hat hierfür seine Daten nicht zur Verfügung gestellt. Bei 23 Umspannwerken ist jedoch keine Schaltanlage mit Sammelschiene ausgeführt, lediglich ein Abgangsschaltfeld ist realisiert (Keine SA).

Abb.: 10 Schaltanlagen je Typ - gesamt

2.1.2 Schaltanlagentypen ohne städtischer Netzbetreiber 369 110-kV-Umspannwerke wurden in dieser Auswertung berücksichtigt, die Schaltanlagentypen der städtischen Netzbetreiber gehen darin nicht ein. Bei 16 Umspannwerken ist lediglich ein Abgangsschaltfeld ausgeführt und keine Schaltanlage mit Sammelschiene realisiert.

Abb.: 11 Schaltanlagen je Typ – ohne Stadt

77,9%

0,7% 16,3%

5,1%

AISHISGISKeine SA

85,9%

0,8% 8,9%

4,3%

AISHISGISKeine SA

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2.2 Sammelschienendifferentialschutz im 110-kV-Netz

Ergänzend zur Erhebung der Schaltanlagentype (AIS, HIS, GIS) wurde eine Auswertung über den dabei je Schaltanlagentype zum Einsatz kommenden Sammelschienendifferentialschutz getroffen.

2.2.1 SS-Schutz bei sämtlichen Schaltanlagen Von den insgesamt ausgewerteten 447 110-kV-Umspannwerken sind ca. 78% (laut Abb.: 10) Freiluftschaltanlagen, bei welchen zu 25,6% (Abb.: 12) ein Sammelschienendifferentialschutz zum Einsatz kommt. Bei den gasisolierten Schaltanlagen, welche nur ca. 16% (laut Abb.: 10) der gesamten Schaltanlagen sind, ist ein Sammelschienendifferentialschutz jedoch bei ca. 62% (Abb.: 13) der Anlagen installiert.

Abb.: 12 AIS-Schaltanlagen (gesamt) Abb.: 13 GIS-Schaltanlagen (gesamt)

2.2.2 SS-Schutz ohne städtischer Schaltanlagen Von den 369 110-kV-Umspannwerken sind ca. 86% (laut Abb.: 11) Freiluftschaltanlagen, bei welchen zu 19,6% (Abb.: 14) ein Sammelschienendifferentialschutz zum Einsatz kommt. Bei den gasisolierten Schaltanlagen, welche nur ca. 9% (laut Abb.: 11) der gesamten Schaltanlagen sind, ist ein Sammelschienendifferentialschutz bei ca. 18% (Abb.: 15) der Anlagen installiert.

Abb.: 14 AIS-Schaltanlagen (ohne Stadt) Abb.: 15 GIS-Schaltanlagen (ohne Stadt)

25,6%

74,4%

SS-Diff.Schutz Kein SS-Schutz

61,6% 38,4%

SS-Diff.Schutz Kein SS-Schutz

19,6%

80,4%

SS-Diff.Schutz Kein SS-Schutz

18,2%

81,8%

SS-Diff.Schutz Kein SS-Schutz

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3 Ergebnisse der Zuverlässigkeitsberechnung

3.1 Netzkonzept 1

Abb.: 16 Vergleich – Defizitleistung – Netzkonzept 1

Abb.: 17 Vergleich – Defizitenergie – Netzkonzept 1

11,7

3

11,5

8

9,04

8,54

52,0

1

53,0

3

44,0

0

43,9

7

50,9

5

51,0

0

42,3

1

42,2

1

40

44

48

52

56

8

9

10

11

12

H4-2 H5 H4-2# H5# B_H4-2 B_H5

P [MW/a] P [MW/a] Kein SS-Schutz SS-Diff. Schutz

-22,9% -26,3%

-2,0% -3,8%

-3,8% -4%

20,9

4

20,9

1

20,4

9

20,4

0

27,3

2

27,4

9

26,6

4

26,6

3

27,1

5

27,1

5

26,3

6

26,3

4

26,0

27,0

28,0

20,0

20,5

21,0

H4-2 H5 H4-2# H5# B_H4-2 B_H5

W [MWh/a] W [MWh/a] Kein SS-Schutz SS-Diff. Schutz

-2,1%

-1,1%

-2,4%

-1,1%

-0,6%

-1,2%

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3.2 Netzkonzept 2

Abb.: 18 Vergleich – Defizitleistung – Netzkonzept 2

Abb.: 19 Vergleich – Defizitenergie – Netzkonzept 2

5,88

5,83

5,71

5,66

4,54

4,25

4,52

4,24

23,0

1

23,1

1

22,8

4

22,9

4

22,6

1

22,6

1

21,6

8

21,7

3

21,6

6

21,7

1

21,2

9

21,2

7

20

21

22

23

24

25

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0H4

-2_D

SS

H5_D

SS

H4-2

_ESS

H5_E

SS

H4-2

#_DS

S

H5#_

DSS

H4-2

#_ES

S

H5#_

ESS

B_DS

S

B_ES

S

P [MW/a] P [MW/a] Kein SS-Schutz SS-Diff. Schutz

Ø5 - 6%

Ø20 - 27% 8,

16

8,15

8,13

8,12

7,94

7,89

7,93

7,89

10,9

6

10,9

8

10,9

3

10,9

5 11,1

1

11,0

8

10,7

4

10,7

5

10,7

4

10,7

4 10,8

9

10,8

9

10,5

10,6

10,7

10,8

10,9

11,0

11,1

11,2

11,3

7,80

7,85

7,90

7,95

8,00

8,05

8,10

8,15

8,20

H4-2

_DSS

H5_D

SS

H4-2

_ESS

H5_E

SS

H4-2

#_DS

S

H5#_

DSS

H4-2

#_ES

S

H5#_

ESS

B_DS

S

B_ES

S

W [MWh/a] W [MWh/a] Kein SS-Schutz SS-Diff. Schutz

Ø2,4 - 3,2%

Ø1,7 - 2%

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3.3 Netzkonzept 8

Abb.: 20 Vergleich – Defizitleistung – Netzkonzept 8

Abb.: 21 Vergleich – Defizitenergie – Netzkonzept 8

4,06

4,04

3,86

3,84

3,17

2,99

3,14

2,96

2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

3,9

4,1

4,3

H4-2_DSS H5_DSS H4-2_ESS H5_ESS

P [MW/a] Kein SS-Schutz SS-Diff. Schutz

-21,8% -26%

-18,6% -22,9%

4,21

4,21

4,18

4,18

4,06

4,03

4,06

4,03

4,0

4,1

4,2

4,3

H4-2_DSS H5_DSS H4-2_ESS H5_ESS

W [MWh/a] Kein SS-Schutz SS-Diff. Schutz

-3,5% -4,2%

-2,9% -3,5%

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3.4 Netzkonzept 9

Abb.: 22 Vergleich – Defizitleistung – Netzkonzept 9

Abb.: 23 Vergleich – Defizitenergie – Netzkonzept 9

2,14

2,12

2,08

2,06

1,98

1,83

1,9

4

1,80

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

H4-2_DSS H5_DSS H4-2_ESS H5_ESS

P [MW/a] Kein SS-Schutz SS-Diff. Schutz

-7,8% -14%

-6,4% -12,8% 0,

451

0,44

8

0,44

8

0,44

5

0,42

4

0,39

9

0,42

6

0,40

2

0,38

0,40

0,42

0,44

0,46

H4-2_DSS H5_DSS H4-2_ESS H5_ESS

W [MWh/a] Kein SS-Schutz SS-Diff. Schutz

-6,1% -11% -4,9% -9,8%

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3.5 Übersicht Netzkonzepte

Abb.: 24 Übersicht - Defizitleistung

Abb.: 25 Übersicht - Defizitenergie

0

2

4

6

8

10

12

20

40

50

60

H4-2 H5

H4-2

#

H5#

B_H4

-2

B_H5

H4-2

_DSS

H5_D

SS

H4-2

_ESS

H5_E

SS

H4-2

#_DS

S

H5#_

DSS

H4-2

#_ES

S

H5#_

ESS

B_DS

S

B_ES

S

H4-2

_DSS

H5_D

SS

H4-2

_ESS

H5_E

SS

H4-2

_DSS

H5_D

SS

H4-2

_ESS

H5_E

SS

Netzkonzept 1 Netzkonzept 2 Netzkonzept 8 Netzkonzept 9

P [MW/a] Gesamte Defizitleistung im Netz

Kein SS-Schutz SS-Diff. Schutz

0

0,5

5

10

15

20

25

30

H4-2 H5

H4-2

#

H5#

B_H4

-2

B_H5

H4-2

_DSS

H5_D

SS

H4-2

_ESS

H5_E

SS

H4-2

#_DS

S

H5#_

DSS

H4-2

#_ES

S

H5#_

ESS

B_DS

S

B_ES

S

H4-2

_DSS

H5_D

SS

H4-2

_ESS

H5_E

SS

H4-2

_DSS

H5_D

SS

H4-2

_ESS

H5_E

SS

Netzkonzept 1 Netzkonzept 2 Netzkonzept 8 Netzkonzept 9

W [MWh/a] Gesamte Defizitenergie im Netz

Kein SS-Schutz SS-Diff. Schutz

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3.6 Vergleich Netzkonzepte 8 und 9 (SS-Diff. Schutz)

Abb.: 26 Vergleich Netzkonzepte – Defizitleistung je Station

Abb.: 27 Vergleich Netzkonzepte – Defizitenergie je Station

0,24

0,25

0,26

0,27

0,28

0,29

0,3

0,6

0,7

0,8

V8 V9 V8 V9 V8 V9 V8 V9 V8 V9 V8 V9 V8 V9

Station A Station B Station C Station D Station E Station F Station G

P [MW/a] Defizitleistung je Station

H4-2_ESS H4-2_DSS H5_ESS H5_DSS

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

1,2

1,3

1,4

V8 V9 V8 V9 V8 V9 V8 V9 V8 V9 V8 V9 V8 V9

Station A Station B Station C Station D Station E Station F Station G

W [MWh/a] Defizitenergie je Station

H4-2_ESS H4-2_DSS H5_ESS H5_DSS

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4 Zusammenfassung

4.1 Zuverlässigkeit der Netzkonzepte

4.1.1 Netzkonzept 1 Wie aus der Abb.: 16 ersichtlich, ergibt sich bei den Schaltanlagenkonzepten H4-2 und H5 ein deutlicher Rückgang der Defizitleistung durch den Einsatz eines Sammelschienendifferentialschutzes. Können auf Grund des Leitungsschutzes nicht beide Stiche zugeschalten werden, so bewirken die Konzepte H4-2# und H5# einen starken Anstieg der Defizitleistung, die Anwendung eines Sammelschienendifferentialschutzes bringt dabei nur eine geringe Verbesserung. Selbiges gilt für die Konzepte B_H4-2 und B_H5.

Bei der Defizitenergie stellt sich lediglich nur eine unwesentliche Verbesserung laut Abb.: 17 ein.

Das Schaltanlagenkonzept selbst spielt nur eine untergeordnete Rolle!

4.1.2 Netzkonzept 2 Laut Abb.: 18 ergibt sich eine wesentliche Reduktion der Defizitleistung bei den Schaltanlagenkonzepten H4-2_DSS, H5_DSS, H4-2_ESS und H5_ESS durch den Einsatz eines Sammelschienendifferentialschutzes. Im Vergleich zum Netzkonzept 1 ergeben sich ähnliche prozentuelle Werte, jedoch weist das Netzkonzept 2 nur mehr ca. 50% der Defizitleistung auf! Durch die 4-systemige Einbindung des UW D ergibt sich eine deutlich höhere Versorgungssicherheit im Netzabschnitt.

Wird bei den Konzepten H4-2# und H5# auf Grund des Leitungsschutzes nur ein Stich zugeschalten, bzw. eine Blockanspeisung (B_DSS, B_ESS) realisiert, so ergibt sich ein starker Anstieg der Defizitleistung. Die Anwendung eines Sammelschienendifferentialschutzes bringt dabei nur eine geringe Verbesserung und würde ohnedies in der Praxis für die UW´s B, C, E und F nur bedingt in Frage kommen.

Bei der Defizitenergie stellt sich lediglich nur eine unwesentliche Verbesserung laut Abb.: 19 ein. Allerdings reduziert sich die Defizitenergie im Vergleich zum Netzkonzept 1 um mehr als 60%! Grund hierfür ist der Common-Mode-Ausfall!

Das Schaltanlagenkonzept selbst spielt nur eine untergeordnete Rolle!

4.1.3 Netzkonzept 8 Laut Abb.: 20 ergibt sich bei sämtlichen Schaltanlagenkonzepten durch den Einsatz eines Sammelschienendifferentialschutzes eine wesentliche Reduktion der Defizitleistung. Im Vergleich zum Netzkonzept 2 ergibt sich ein ähnlicher prozentueller Rückgang, jedoch weist das Netzkonzept 8 eine um ca. 30% geringere Defizitleistung auf! Durch die 4-systemige Einbindung der UW´s C und E ergibt sich eine deutlich höhere Versorgungssicherheit im Netzabschnitt. Die Unterschiede der einzelnen Schaltanlagenkonzepte sind dabei gering.

Bei der Defizitenergie stellt sich lediglich nur ein geringer prozentueller Rückgang laut Abb.: 21 ein. Der Vergleich zum Netzkonzept 2 zeigt allerdings, dass sich die Defizitenergie um ca. 50% reduziert.

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4.1.4 Netzkonzept 9 Gemäß Abb.: 22 ergibt sich lediglich eine geringe Reduktion der Defizitleistung durch den Einsatz eines Sammelschienendifferentialschutzes. Im Vergleich zum Netzkonzept 8 fällt der prozentuelle Rückgang geringer aus, jedoch weist das Netzkonzept 9 eine um ca. 50% geringere Defizitleistung auf! Durch die Einschleifung sämtlicher UW´s ergibt sich eine deutlich höhere Versorgungssicherheit im Netzabschnitt. Die Unterschiede der einzelnen Schaltanlagenkonzepte sind dabei gering.

Die Defizitenergie weist im Vergleich zu den übrigen Netzkonzepten den größten prozentuellen Rückgang auf, im Vergleich zum Netzkonzept 8 stellt sich ein enormer Rückgang der Defizitenergie um ca. 90% laut Abb.: 25 ein. Wie beim Netzkonzept 2, bewirkt auch hier der Common-Mode-Ausfall den starken Rückgang der Defizitenergie.

5 Resümee

5.1 Netzeinbindung Lediglich bei der Defizitleistung bewirkt der Einsatz eines Sammelschienendifferentialschutzes einen merklichen Rückgang. Bei der Defizitenergie ergeben sich außer beim Netzkonzept 9 nur geringe Verbesserungen. Der Grund hierfür liegt in der kurzen Umschaltzeit zur Wiederversorgung (10 min.).

Das Netzkonzept 9 weist im Vergleich die geringste Defizitleistung und mit Abstand die geringste Defizitenergie auf. Durch die Einschleifung der Stationen wirkt sich der Common-Mode-Ausfall wesentlich weniger stark aus, als bei Doppelsticheinbindungen.

Blockanspeisungen, sowie H-Schaltungen welche auf Grund des Leitungsschutzes (einfacher Distanzschutz) bei Doppelsticheinbindung nicht vermascht betrieben werden können bewirken wesentlich höhere Defizitleistungen. Eine Änderung der Netzeinbindung, Umstellung von Doppelsticheinbindung auf Einschleifung, oder das Nachrüsten eines entsprechenden Leitungsschutzes sind einfache Maßnahmen und die Versorgungssicherheit zu steigern.

5.2 Schaltanlagenkonzepte Der Unterschied der einzelnen Schaltanlagenkonzepte im Hinblick auf deren Auswirkung auf die Versorgungsicherheit ist nicht wirklich markant. Das H5 Konzept beim Netzkonzept 1 sowie das Konzept H5_ESS bei den verbleibenden Netzkonzepten stellen sich als die besten punkto Defizitleistung heraus. Die Doppelsammelschiene liefert „schlechtere“ Zuverlässigkeitskennwerte als die Einfachsammelschiene mit Längskupplung. Der Grund hierfür liegt in der Annahme, dass die Ausfallhäufigkeit der Sammelschiene in Abhängigkeit der Schaltfeldanzahl berücksichtigt wurde.

Für die Defizitenergie gilt gleiches, außer für das Netzkonzept 9, bei welchem das Schaltanlagenkonzept H5_DSS, jedoch nur bei Einsatz eines Sammelschienendifferentialschutzes, das beste Ergebnis liefert. Der Grund hierfür liegt im Ausfallmodell „Handabschaltung (Wartung) + unabhängiger Einfachausfall“, welches die höhere Flexibilität der Doppelsammelschiene bei Wartungsabschaltungen widerspiegelt. Eine Verbesserung der Defizitenergie stellt sich jedoch nicht in jenen Stationen ein in welchen die Doppelsammelschiene zum Einsatz kommt, sondern in den umliegenden Stationen! Details dazu siehe Abb.: 27.

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5.3 Wirtschaftlichkeit Die Frage ab wann sich der Einsatz eines Sammelschienendifferentialschutzes zur Steigerung der Versorgungssicherheit als wirtschaftlich erweist, hängt maßgeblich von der Definition der Ausfallkosten ab.

Mögliche Definitionen:

𝐾 = 𝑘𝑃 ∙ 𝑃 + 𝑘𝑊 ∙ 𝑊, oder 𝐾 = 𝑘𝑃(𝑡𝐴) ∙ 𝑃

𝐾… Ausfallkosten [€/a] 𝑘𝑃… Leistungsabhängiger Kostenfaktor [€/MW] 𝑃… Defizitleistung [MW/a] 𝑘𝑊… Energieabhängiger Kostenfaktor [€/MWh] 𝑊… Defizitenergie [MWh/a] 𝑡𝐴… Mittlere Ausfalldauer [min. bzw. h] 𝑘𝑃(𝑡𝐴)… Leistungsabhängiger Kostenfaktor (abhängig von der Ausfalldauer) [€/MW] Solange der Verteilnetzbetreiber für Versorgungsunterbrechungen keine Entschädigungszahlungen an die Kunden leisten muss, ist der Einsatz eines Sammelschienendifferentialschutzes rein aus Gründen der Versorgungssicherheit nur bedingt erforderlich.

Kann der Kunde hingegen einen Anspruch geltend machen, so hängt die Entscheidung für oder wider einen Sammelschienendifferentialschutz davon ab, wie stark der rein leistungsabhängige Kostenanteil in die Gesamtkosten eingeht. Weiters müssen dem die notwendigen Investitionskosten gegenübergestellt werden.

Um im Netz eine hohe Versorgungssicherheit zu erzielen und die „Ausfallkosten“ dabei gering zu halten muss das Hauptaugenmerkt auf die Netztopologie und die Einbindung der Umspannwerke gelegt werden!

Kommt der Sammelschienendifferentialschutz auf Grund der hohen Kurzschlussleistung und zur Sicherstellung einer raschen Abschaltung im Fehlerfall ohnedies zum Einsatz um mögliche Schäden an den Betriebsmitteln und rotierenden Maschinen zu vermeiden, so ergibt sich dadurch eine Steigerung der Versorgungssicherheit in zweierlei Hinsicht.

• Prävention gegen Schäden ⇒ Vermeidung von hohen Reparaturkosten • Höhere Selektivität ⇒ höhere Versorgungssicherheit

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6 Anhang

6.1 Einstellungen

• Netzzustandsanalyse: Reine Strukturanalyse, kein AC Lastfluss • Dauer für automatische Umschaltmaßnahmen: 10 min. (für Wiederversorgung) • Kein Lastabwurf bei Unterspannung • Keine Teilversorgung der Lasten möglich • Keine unterschiedlichen Lastprioritäten für Wiederversorgung • Sammelschienenschutz: Kein Schutz bzw. Differentialschutz • Lastganglinien wurden nicht berücksichtigt • Sämtliche Betriebsmittel der 20-kV-Schaltanlage sind „zuverlässigkeitsmäßig“ ideal • Verteilter Slack: 50% an Station A, 50% an Station B • Netznennspannung: UN = 110kV • Nachfolgende Ausfallmodelle wurden berücksichtigt:

o Unabhängiger Einfachausfall, kurz o Unabhängiger Einfachausfall, lang o Handabschaltung, verzögert – Wartung o Handabschaltung, unverzüglich – nur bei Freileitungen berücksichtigt! o Common-Mode-Ausfall o Einpoliger Erdschluss o Ungeplantes Schalteröffnen o Unabhängige Mehrfachausfälle o Unabhängiger Einfachausfall + Handabschaltung o Unabhängiger Einfachausfall + einpoliger Erdschluss o Unabhängiger Einfachausfall + Schutzversager o Unabhängiger Einfachausfall + Schutzüberfunktion

6.2 Angenommene Parameter

6.2.1 Freileitung Seilquerschnitt: Al/St 240/40mm²

R‘1 = 0,1133 Ω/km X‘1 = 0,3716 Ω/km Werte haben bei der reinen Strukturanalyse keine Relevanz! C‘1 = 9,47 nF/km Irmax = 665A

6.2.2 Umspanner UN1 = 110kV UN2 = 20kV Sr = 40MVA

6.2.3 Lasten PLAST1 = PLAST2 = 10MW cos(φ) = 0,9

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6.3 Zuverlässigkeitskennwerte

Den Schaltgeräten wurden Zuverlässigkeitskennwerte der VDN Störungsstatistik zugewiesen [VDN]. Häufigkeiten und Dauern für Wartungsabschaltungen wurden angenommen.

6.3.1 Freileitung 𝐻𝐸𝐴_𝑘𝑢𝑟𝑧_𝐹𝐿𝑇𝐺_110𝑘𝑉 = 0,00675 1/(𝑘𝑚 ∙ 𝑎) … VDN Wert

𝑇𝐸𝐴_𝑘𝑢𝑟𝑧_𝐹𝐿𝑇𝐺_110𝑘𝑉 = 0,919 ℎ

𝐻𝐸𝐴_𝑙𝑎𝑛𝑔_𝐹𝐿𝑇𝐺_110𝑘𝑉 = 0,00044 1/(𝑘𝑚 ∙ 𝑎) … Wert laut Auswertung TU Wien

𝑇𝐸𝐴_𝑙𝑎𝑛𝑔_𝐹𝐿𝑇𝐺_110𝑘𝑉 = 27,46 ℎ

𝐻𝐻𝐴_𝑣𝑒𝑟_𝐹𝐿𝑇𝐺_110𝑘𝑉 = 0,1 1/(𝑘𝑚 ∙ 𝑎) … Wert angenommen

𝑇𝐻𝐴_𝑣𝑒𝑟_𝐹𝐿𝑇𝐺_110𝑘𝑉 = 10 ℎ

𝐻𝐻𝐴_𝑢𝑛𝑣_𝐹𝐿𝑇𝐺_110𝑘𝑉 = 0,000519 1/(𝑘𝑚 ∙ 𝑎) … VDN Wert

𝑇𝐻𝐴_𝑢𝑛𝑣_𝐹𝐿𝑇𝐺_110𝑘𝑉 = 4 ℎ … Wert angenommen

𝐻1𝑝.𝐸𝑆_𝐹𝐿𝑇𝐺_110𝑘𝑉 = 0,000607 1/(𝑘𝑚 ∙ 𝑎) … VDN Wert

𝑇1𝑝.𝐸𝑆_𝐹𝐿𝑇𝐺_110𝑘𝑉 = 12 ℎ … Wert angenommen

𝐻𝐶𝑀_𝑘𝑢𝑟𝑧_𝐹𝐿𝑇𝐺_110𝑘𝑉 = 0,000866 1/(𝑘𝑚 ∙ 𝑎) … VDN Wert

𝑇𝐶𝑀_𝑘𝑢𝑟𝑧_𝐹𝐿𝑇𝐺_110𝑘𝑉 = 3,334 ℎ

6.3.2 Umspanner 𝐻𝐸𝐴_kurz_𝑈𝑀_110/20𝑘𝑉 = 0,001387 1/a … VDN Wert

𝑇𝐸𝐴_𝑘𝑢𝑟𝑧_𝑈𝑀_110/20𝑘𝑉 = 0,05 ℎ

𝐻𝐸𝐴_𝑙𝑎𝑛𝑔_𝑈𝑀_110/20𝑘𝑉 = 0,004756 1/𝑎 … VDN Wert

𝑇𝐸𝐴_𝑙𝑎𝑛𝑔_𝑈𝑀_110/20𝑘𝑉 = 8,87 ℎ

𝐻𝐻𝐴_𝑣𝑒𝑟_𝑈𝑀_110/20𝑘𝑉 = 0,5 1/𝑎 … Wert angenommen

𝑇𝐻𝐴_𝑣𝑒𝑟_𝑈𝑀_110/20𝑘𝑉 = 32 ℎ

𝐻𝐻𝐴_𝑢𝑛𝑣_𝑈𝑀_110/20𝑘𝑉 = … nicht berücksichtigt

𝑇𝐻𝐴_𝑢𝑛𝑣_𝑈𝑀_110/20𝑘𝑉 =

𝐻1𝑝.𝐸𝑆_𝑈𝑀_110/20𝑘𝑉 = 0,000976 1/𝑎 … VDN Wert

𝑇1𝑝.𝐸𝑆_𝑈𝑀_110/20𝑘𝑉 = 36 ℎ … Wert angenommen

6.3.3 Sammelschiene 𝐻𝐸𝐴_𝑘𝑢𝑟𝑧_𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = 0,000084 1/(𝑎 & 𝐹𝑒𝑙𝑑) … VDN Wert

𝑇𝐸𝐴_𝑘𝑢𝑟𝑧_𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = 0,45 ℎ

𝐻𝐸𝐴_𝑙𝑎𝑛𝑔_𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = 0,000202 1/(𝑎 & 𝐹𝑒𝑙𝑑) … VDN Wert (220-kV-Wert)

𝑇𝐸𝐴_𝑙𝑎𝑛𝑔_𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = 8,06

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𝐻𝐻𝐴_𝑣𝑒𝑟_𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = 0,2 1/𝑎 … Wert angenommen

𝑇𝐻𝐴_𝑣𝑒𝑟_𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = 3 ℎ … 3h je Schaltfeld!!

𝐻𝐻𝐴_𝑢𝑛𝑣_𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = … nicht berücksichtigt

𝑇𝐻𝐴_𝑢𝑛𝑣_𝑆𝑆_110𝑘𝑉 =

𝐻1𝑝.𝐸𝑆_𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = 0,000073 1/𝑎 … VDN Wert

𝑇1𝑝.𝐸𝑆_𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = 8 ℎ … Wert angenommen

6.3.4 Sammelschienentrenner 𝐻𝐸𝐴_𝑘𝑢𝑟𝑧_𝑇𝑅−𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = 0,000026 1/𝑎 … VDN Wert

𝑇𝐸𝐴_𝑘𝑢𝑟𝑧_𝑇𝑅−𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = 0,16 ℎ

𝐻𝐸𝐴_𝑙𝑎𝑛𝑔_𝑇𝑅−𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = 0,000044 1/𝑎 … VDN Wert

𝑇𝐸𝐴_𝑙𝑎𝑛𝑔_𝑇𝑅−𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = 3,7 ℎ

𝐻𝐻𝐴_𝑣𝑒𝑟_𝑇𝑅−𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = … Wartung des Sammelschienentrenners

𝑇𝐻𝐴_𝑣𝑒𝑟_𝑇𝑅−𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = erfolgt gemeinsam mit der Sammelschiene

𝐻𝐻𝐴_𝑢𝑛𝑣_𝑇𝑅−𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = … nicht berücksichtigt

𝑇𝐻𝐴_𝑢𝑛𝑣_𝑇𝑅−𝑆𝑆_110𝑘𝑉 =

𝐻1𝑝.𝐸𝑆_𝑇𝑅−𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = 0,000043 1/𝑎 … VDN Wert

𝑇1𝑝.𝐸𝑆_𝑇𝑅−𝑆𝑆_110𝑘𝑉 = 6 ℎ … Wert angenommen

6.3.5 Abgangstrenner 𝐻𝐸𝐴_𝑘𝑢𝑟𝑧_𝑇𝑅−𝐴𝐴_110𝑘𝑉 = 0,000032 1/𝑎 … VDN Wert

𝑇𝐸𝐴_𝑘𝑢𝑟𝑧_𝑇𝑅−𝐴𝐴_110𝑘𝑉 = 0,09 ℎ

𝐻𝐸𝐴_𝑙𝑎𝑛𝑔_𝑇𝑅−𝐴𝐴_110𝑘𝑉 = 0,000132 1/𝑎 … VDN Wert

𝑇𝐸𝐴_𝑙𝑎𝑛𝑔_𝑇𝑅−𝐴𝐴_110𝑘𝑉 = 6,63 ℎ

𝐻𝐻𝐴_𝑣𝑒𝑟_𝑇𝑅−𝐴𝐴_110𝑘𝑉 = 0,266 1/𝑎 … Wartung erfolgt gemeinsam

𝑇𝐻𝐴_𝑣𝑒𝑟_𝑇𝑅−𝐴𝐴_110𝑘𝑉 = 20 ℎ mit dem Leistungsschalter

𝐻𝐻𝐴_𝑢𝑛𝑣_𝑇𝑅−𝐴𝐴_110𝑘𝑉 = … nicht berücksichtigt

𝑇𝐻𝐴_𝑢𝑛𝑣_𝑇𝑅−𝐴𝐴_110𝑘𝑉 =

𝐻1𝑝.𝐸𝑆_𝑇𝑅−𝐴𝐴_110𝑘𝑉 = 0,000216 1/𝑎 … VDN Wert

𝑇1𝑝.𝐸𝑆_𝑇𝑅−𝐴𝐴_110𝑘𝑉 = 6 ℎ … Wert angenommen

6.3.6 Leistungsschalter 𝐻𝐸𝐴_𝑘𝑢𝑟𝑧_𝐿𝑆_110𝑘𝑉 = 0,000094 1/𝑎 … VDN Wert

𝑇𝐸𝐴_𝑘𝑢𝑟𝑧_𝐿𝑆_110𝑘𝑉 = 1,18 ℎ

𝐻𝐸𝐴_𝑙𝑎𝑛𝑔_𝐿𝑆_110𝑘𝑉 = 0,00015 1/𝑎 … VDN Wert

𝑇𝐸𝐴_𝑙𝑎𝑛𝑔_𝐿𝑆_110𝑘𝑉 = 32,1 ℎ

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𝐻𝐻𝐴_𝑣𝑒𝑟_𝐿𝑆_110𝑘𝑉 = … Wartung erfolgt gemeinsam

𝑇𝐻𝐴_𝑣𝑒𝑟_𝐿𝑆_110𝑘𝑉 = mit dem Abgangstrenner

𝐻𝐻𝐴_𝑢𝑛𝑣_𝐿𝑆_110𝑘𝑉 = … nicht berücksichtigt

𝑇𝐻𝐴_𝑢𝑛𝑣_𝐿𝑆_110𝑘𝑉 =

𝐻1𝑝.𝐸𝑆_𝐿𝑆_110𝑘𝑉 = 0,000122 1/𝑎 … VDN Wert

𝑇1𝑝.𝐸𝑆_𝐿𝑆_110𝑘𝑉 = 8 ℎ … Wert angenommen

𝐻𝑈𝑆Ö_𝐿𝑆_110𝑘𝑉 = 0,0033 1/𝑎 … Wert angenommen

𝑇𝑈𝑆Ö_𝐿𝑆_110𝑘𝑉 = 0,167 ℎ … entspricht automatischer Umschaltzeit

𝑝𝑆𝑉_𝐿𝑆_110𝑘𝑉 = 0,000418 … Addierte VDN Werte SVS + LVS

𝑝𝑆Ü_𝐿𝑆_110𝑘𝑉 = 0,004 … Aufgerundeter VDN Wert SUE

Abkürzungen: 𝑝𝑆𝑉_𝐿𝑆_110𝑘𝑉… Bedingte Wahrscheinlichkeit für Schutzversager 𝑝𝑆Ü_𝐿𝑆_110𝑘𝑉… Bedingte Wahrscheinlichkeit für Schutzüberfunktion SVS … Bedingte Wahrscheinlichkeit für Schutzversager LVS … Bedingte Wahrscheinlichkeit für Leistungsschalterversager SUE … Bedingte Wahrscheinlichkeit für Schutzüberfunktion

Literatur [VDN] VDN Störungsstatistik – Berichtsjahre 1994 - 2001

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1 Einleitung1.1 Netzeinbindung

Bei der Netzeinbindung werden 4 Varianten berücksichtigt:1.2 Schaltanlagenkonzepte

Bei den Schaltanlagenkonzepten werden 4 Konzepte berücksichtigt:Schaltanlagenkonzepte für zweisystemige Netzeinbindung:

2 Statistische Auswertung2.1 110-kV-Umspannwerke in Österreich

Im Vorfeld wurde eine statistische Erhebung über die im österreichischen 110-kV-Verteilnetz vorkommenden Schaltanlagen/Umspannwerke nach der „Schaltanlagentype“ (AIS, HIS, GIS) durchgeführt.AIS… Air insulated switchgear – Freiluftschaltanlage2.1.1 Schaltanlagentypen komplett2.1.2 Schaltanlagentypen ohne städtischer Netzbetreiber2.2 Sammelschienendifferentialschutz im 110-kV-Netz

Ergänzend zur Erhebung der Schaltanlagentype (AIS, HIS, GIS) wurde eine Auswertung über den dabei je Schaltanlagentype zum Einsatz kommenden Sammelschienendifferentialschutz getroffen.2.2.1 SS-Schutz bei sämtlichen Schaltanlagen2.2.2 SS-Schutz ohne städtischer Schaltanlagen

3 Ergebnisse der Zuverlässigkeitsberechnung3.1 Netzkonzept 13.2 Netzkonzept 23.3 Netzkonzept 83.4 Netzkonzept 93.5 Übersicht Netzkonzepte3.6 Vergleich Netzkonzepte 8 und 9 (SS-Diff. Schutz)

4 Zusammenfassung4.1 Zuverlässigkeit der Netzkonzepte4.1.1 Netzkonzept 14.1.2 Netzkonzept 24.1.3 Netzkonzept 84.1.4 Netzkonzept 9

5 Resümee5.1 Netzeinbindung5.2 Schaltanlagenkonzepte5.3 Wirtschaftlichkeit

6 Anhang6.1 Einstellungen6.2 Angenommene Parameter6.2.1 Freileitung6.2.2 Umspanner6.2.3 Lasten

6.3 Zuverlässigkeitskennwerte6.3.1 Freileitung6.3.2 Umspanner6.3.3 Sammelschiene6.3.4 Sammelschienentrenner6.3.5 Abgangstrenner6.3.6 Leistungsschalter

[VDN] VDN Störungsstatistik – Berichtsjahre 1994 - 2001