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HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge – Hybrid Tagungsgesellschaft Energie „Forum Netzbau und -betrieb“ 08. Mai 2014 | Leipzig

M.Sc. Stefan Steevens

Inhalt

Grundsätze der Umstellung

Dimensionierungskriterien einer AC/DC-Hybridfreileitung

Zusammenfassung

Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014 2

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Grundsätze der Umstellung

Kapitel 1

NEP: Korridor A (Süd) „Ultranet“

Es ist eine 2 GW DC Verbindung zwischen Nordrhein-Westfalen und Baden-Württemberg notwendig

Eine schnelle Umsetzung ist insbesondere wegen des Kernenergieausstieges erforderlich (z.B. KKW Philippsburg 2019)

Nutzung vorhandener Freileitung als Beschleunigungsoption zur Realisierung des Korridors „Ultranet“

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Ultranet

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+

- n

± 380-kV DC-System

R

S T

380-kV- AC-System

110-kV- AC-System

R S T R S T

AC Mast AC/DC Hybridmast

110-kV- AC-System

380-kV- AC-System

380-kV- AC-System

110-kV- AC-System

110-kV- AC-System

R

S T

R

S T

R S T R S T

Idee und Prinzip der AC/DC-Umstellung


Aufgabenstellung für das bestehende Gestänge

Umgang mit den unterschiedlichen Kopplungsphänomenen Festlegung der elektrischen Abstände (Isolationskoordination) – zu benachbarten AC- und DC-Phasen – zum Boden – zu benachbarten Objekten Entwicklung der Freileitungsisolatoren inklusive aller Freileitungskomponenten

6 Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014

Unterschiedliche Kopplungsphänomene

Kapazitive und induktive Kopplungsphänomene sind allgemein aus der Literatur bekannt Ohmsche Kopplung kommt bei AC/DC-Hybridfreileitungen hinzu – abhängig von der Raumladung – derzeit nicht dynamisch rechenbar

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M L1 L2

C

R

AC Leiter

Ohmsche Kopplung

Kapazitive Kopplung

Induktive Kopplung

DC Leiter


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Versuchsanordnung

DC-Spannungsquelle

Trenn- und Erdungsschalter Spulen der Resonanz AC-Spannungsquelle

Anschluss an die Freileitung

Messung der Lastströme


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1: Ladung der Leitung (transienter Vorgang) 2: Statischer Zustand (kein Regen) 3: Regenphase 4: Nach der Regenphase

(Beispiel: monopolar) Ohmsche Kopplung

Ohmsche Kopplung

Höchster Ionenstrom im nächstgelegenen Leiter

Geringerer Einfluss im Bipolarbetrieb

Starke Regenabhängigkeit (bis Faktor 10 gegenüber „guten Bedingungen“)

Erhöhung des Ionenstromes bei einem in Betrieb befindlichen AC-Leiter (ca. 30%)


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Dimensionierungskriterien einer AC/DC-Hybridfreileitung

Kapitel 2

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0

380-kV- AC-System

± 380-kV DC-System

R

S T Min. Luftstrecke zwischen DC-Pol und Erde

Min. Luftstrecke zwischen den DC-Polen

Min. Luftstrecke zwischen DC-Pol und einer Phase des 380-kV-AC-Systems

Minimaler Abstand zum Boden

+

-

Nennspannung

Min. Abstand zu benachbarten Objekten

Dimensionierung einer AC/DC-Hybridfreileitung


Dimensionierung einer AC/DC-Hybridfreileitung

Auslegung der Abstände im Mastgestänge

– Zurzeit keine Norm für Hybridgestänge (Erarbeitung der AR 421.0.100)

– Anlehnung bei AC-Normen für

mechanische Auslegung DIN EN 50341,

elektrische Auslegung DIN EN 60071 und DIN EN 50341

Isolationskoordination – Schnell ansteigende Überspannung (z. B. Blitzüberspannungen bis

ca. 30 kA, >1,7 p.u.) – Langsam ansteigende Überspannung (z. B. transiente Vorgänge bei

Erdkurzschlüssen bis ca. 1,7 p.u.) – Max. zulässige Betriebsspannung (besteht aus der DC-Spannung und der

AC-Kopplungsspannung) 13 Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014

Berechnete elektrische Abstände

DC Leiter – Erde (innerer Abstand): 3,2 m DC Leiter – DC Leiter: 4,1 m DC Leiter – AC Leiter: 3,9 m DC Leiter – Erde (äußerer Abstand): 5 m (nach 50341) + 3,2 m AC Leiter – Erde (äußerer Abstand): 5 m (nach 50341) + 2,8 m


Allgemeine Anforderungen an AC/DC-Isolatoren

Die Dimensionierung erfolgt bei AC-Isolatoren in drei Schritten – Bestimmung des

Verschmutzungsgrades vor Ort (SPS = Site Pollution Severity)

– Daraus Herleitung des notwendigen Kriechweges

– Anwendung von Korrektur und Profilfaktoren (u. a. Wahl des Schirmprofils)

Bei DC führt die Verschmutzung zu einer höheren Beanspruchung und damit zu größeren Kriechwegen


Methoden der Isolatorendimensionierung

Für DC sind zwei Methoden zur Dimensionierung des Kriechweges anwendbar – Deterministische Methode: unter der Annahme eines SDD-Wertes (Salt

Deposit Density, leitfähiger Salzanteil in der Verschmutzungsschicht) wird unter Berücksichtigung geeigneter Korrekturfaktoren ein Kriechweg berechnet

– Statistische Methode: erfordert hinreichend genaue Informationen zur Verschmutzung vor Ort und Kenntnisse der Isolationseigenschaften (u.a. Hydrophobie)

Zwischenfazit: Die statistische Methode stellt das geeignetere Verfahren dar, da dort durch Verwendung empirischer Größen auf nicht hinreichend bekannte Korrekturfaktoren verzichtet werden kann


Isolatorendimensionierung nach der statistischen Methode 1/3 - Beispiel

Es wurde als Isolatortyp ein Verbundisolator gewählt (besseres Fremdschichtverhalten als Porzellan- und Glasisolatoren aufgrund der Oberflächenhydrophobie und des Hydrophobietransfers)

Für die Auslegung des Isolators wurde die Verschmutzungsklasse d (Mittlere Verschmutzung) nach IEC 60815 gewählt.



Der Isolator ist nach den Ergeb-nissen von Verschmutzungs-versuchen bei STRI I Schweden und dem daraus abgeleiteten IST®-Entwurfsprogramm dimensioniert worden (Anwendung statistischer Isolationskoordinationsmethoden bzgl. Verschmutzung)


Einsatz von Isolatoren mit Wechselschirmprofil ohne Unterrippen (Glattschirme)

Mit dem gewählten Isolator werden die Profilanforderungen (Schirmwinkel, Abstände Schirme, Kriechwegfaktor, ...) gemäß IEC 60815-4 sowie den zukünftigen Anforderungen des DKE Ad-hoc Arbeitskreises zu "Hybride AC-DC–Übertragung, DC-Übertragung“ eingehalten

Gewähltes Schirmprofil bereits erfolgreich auf der 533-kV-DC-Ltg. „Cahora Bassa“ in Südafrika (ESKOM) im Einsatz

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Dimensionierung der DC-Ketten 1/2 - Beispiel

Kriechwegbestimmung – Verifizierung der bisherigen Auslegungskriterien – z.B. 43 mm/kV (Starke Verschmutzung - Porzellan) – z.B. 33,6 mm/kV (Mittlere Verschmutzung – Verbundstoff) – Annahme Hydrophobie: Faktor 0,75 Berechnung der Schlagweite (für Verbundwerkstoffe) – 380 kV * 33,6 mm/kV = 12,77m * 0,75 = 9,58 m – Empfehlung: Kriechweg / Schlagweite < 3,8 – Schlagweite > 9,58 m / 3,8 = 2,52 m


Dimensionierung der DC-Ketten 2/2 - Beispiel

Gesamte Kettenlänge ca. 4,4 m

Feldsteuerungsarmaturen – Verringerung der Koronaentladungen Lastumlagerungsfähigkeit

Aerodynamische Auslegung (Verifizierung der Geräuschemission) im Windkanal

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Sch

lagw

eite

Ket

tenl

änge

Feld steuerungs- Armaturen


Validierung von Feldsteuermechanismen anhand von Hochspannungsversuchen

Gesamte Kettenlänge ca. 4,4 m

Feldsteuerungsarmaturen – Verringerung der Korona-

entladungen Lastumlagerungsfähigkeit

Aerodynamische Auslegung (Verifizierung der Geräuschemission


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Zusammenfassung

Kapitel 3

Zusammenfassung

Hybridgestänge können technisch umgesetzt werden – Mechanische Dimensionierung erfolgt gemäß 50341 – Isolationskoordination ist mit bestehenden Normen (u.a. 60071-2) auf DC

übertragbar – Kopplungsphänomene stellen für vorhandene Betriebsmittel kein K.O. –

Kriterium dar Abstandsbemessung erfolgt unter Berücksichtigung von Mischbeanspruchungen

Vorhandene Gestänge sind für den AC/DC-Betrieb geeignet


Das starke Netz für Energie | www.amprion.net

Quellennachweis

Cigre paper 141: „Design and layout of AC-DC hybrid lines“, Auckland Symposium 2013

Cigre paper 142: „Ohmic coupling between AC and DC circuits on hybrid overhead lines“, Auckland Symposium 2013


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