Mechanical Switched Capacitor with Damping Network (MSCDN)-Anlagen

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1 Sonderdruck Betrieb und Monitoring von MSCDN-Anlagen Mechanical Switched Capacitor with Damping Network (MSCDN)-Anlagen erfreuen sich im deutschen Übertragungsnetz steigender Beliebtheit. Dies ist im Wesentlichen den geänderten Aufgaben des Transportnetzes, Höherauslastung nicht nur bei Engpässen und Wegfall von regional verteilten Möglichkeiten der Blindleistungsbereitstellung durch fossile bzw. nukleare Kraftwerke zur Spannungsstützung, geschuldet. Zusätzlich kommt der relativ einfache Aufbau der Anlagen auch der Forderung einer kosteneffizienten Nutzung entgegen. Durch die generell steigende Anzahl an MSCDN-Anlagen müssen zuverlässige Möglichkeiten zur Überwachung des Betriebs und damit Methoden zur Früherkennung und möglichst genauen Detektion von Fehlern in den Anlagen, insbesondere mit Blick auf die große Anzahl von verbauten Einzelkondensatoren, gefunden werden. Hierbei spielt das von TenneT TSO GmbH Bayreuth (TenneT) und A. Eberle GmbH & Co. KG Nürnberg gemeinsam entwickelte Betriebsinformationssystem für MSCDN-Anlagen eine wesentliche Rolle. Dr.-Ing. Florian Martin, Dipl.-Ing. Till Sybel, Dr.-Ing. Jörg Gärtner * ew Reprint

2 Betrieb und Monitoring von MSCDN-Anlagen Die niederländisch-deutsche TenneT ist der erste grenzüberschreitende Übertragungsnetzbetreiber für Strom in Europa. Mit etwa km an Hoch- und Höchstspannungsleitungen und 36 Millionen Endverbrauchern in den Niederlanden und Deutschland gehört TenneT zu den fünf größten Netzbetreibern in Europa. Der Fokus von TenneT richtet sich auf die Errichtung eines nord-westeuropäischen Energiemarktes und auf die Integration von erneuerbaren Energien. 1 MSCDN-Anlagen TenneT betreibt seit 2008/2009 drei MSCDN-Anlagen auf dem Nord-Süd Korridor zwischen Hamburg und Kassel. Im Bau befindlich sind zurzeit zwei weitere Anlagen zwischen Kassel und Ingolstadt, die im März 2013 in Betrieb gehen sollen. Die primäre Aufgabe der mechanisch geschalteten Kondensatorbank ist die Einspeisung von Blindleistung in das elektrische Netz mit dem Ziel einerseits bei hoher Auslastung die Spannung zu stützen, andererseits bei geringer Auslastung durch automatische, spannungsabhängige Zu- und Abschaltung der Kompensationsanlage, vor Überspannungen zu schützen. Durch die Struktur Hilfskondensator, in Reihe geschaltete Spule und einem parallel zum Hilfskondensator und zur Spule geschalteten Widerstand können die Belastungen beim Einschalten verringert, eine Netzdämpfung erzielt und Oberschwingungen gefiltert werden (C-Typ Filter). Neben der Spannungsstabilisierung tragen die MSCDN-Anlagen auch zur Verbesserung der Netzdynamik bei. Detaillierte Angaben zu der Wirkungsweise und dem Aufbau der Anlagen können den Veröffentlichungen Kompensationsanlagen im 380-kV-Netz [I] und Mehr Energie von Nord nach Süd [II] entnommen werden. Ein Beispiel für eine MSCDN-Anlage ist in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 1: 300 Mvar / 380 kv MSCDN-Anlage -L1: Filterkreisdrossel -R1: Filterkreis-Dämpfungswiderstand -T12 und -T13: Unsymmetrie-Stromwandler -C1: Hauptkondensator -C2: Hilfskondensator -Q52: Arbeitserder -T1: Primärstromwandler -Q0: Leistungsschalter

3 1.1 Kondensatorbank Hauptaugenmerk gilt bei diesen Anlagen dem Haupt- bzw. dem Hilfskondensator ( C 1 bzw. C 2 ). Um im Folgenden eine einheitliche Sprachregelung zu finden, müssen folgende Definitionen beachtet werden: Kondensatorelement: Ein Bauelement, bestehend aus zwei Elektroden getrennt von einem Feststoffdielektrikum. Kondensatoreinheit: Anordnung von ein oder mehreren Kondensatorelementen in einem mit flüssigem Dielektrikum gefüllten Gehäuse und isoliert herausgeführten Anschlüssen ( Kondensatorkanne ). Kondensatorrack: Ein Rack ist eine mechanische Struktur, in deren Verbund alle Kondensatoreinheiten dasselbe elektrische Potenzial aufweisen. Kondensatorstack: Eine mechanische Konstruktion, bestehend aus mehreren Kondensatorracks auf unterschiedlichem Potential und Isolatoren. Kondensatorbank: Kondensatorverbund der Kondensatorstacks mit dem Hauptkondensator C 1 und dem Hilfskondensator C 2. Die MSCDN-Anlagen der TenneT haben bis auf eine Ausnahme eine Leistung von 300 Mvar bei einer Spannung von 380 kv. Diese Blindleistung wird durch den Hauptkondensator C 1 mit 6,61 µf zur Verfügung gestellt. Die Kapazität, bei einer Spannung von bis zu 440 kv (t 30 Min.), kann lediglich durch eine Kombination aus Abbildung 2: Aufbau einer Kondensatoreinheit in Serie und parallel geschalteten Kondensatoreinheiten gewährleistet werden. Innerhalb einer Kondensatoreinheit gibt es nochmals eine Vielzahl von Kondensatorelementen, die wiederum in Serie und parallel geschaltet sind. Abbildung 2 zeigt den beispielhaften Aufbau einer Kondensatoreinheit. Die Herausforderung besteht nun darin, fehlerhafte Kondensatoreinheiten zu detektieren. Hierfür ist sowohl der Hauptkondensator, als auch der Hilfskondensator als H-Brückenschaltung mit je einem Unsymmetrie-Stromwandler ( T12 und T13) aufgebaut. Betrachtet man eine Phase des Hauptkondensators, so sind je nach Hersteller ca. 200 Kondensatoreinheiten mit je rd. 50 Kondensatorelementen in mehreren Kondensatorracks, die eine Untergruppe des Kondensatorstacks bilden, verbaut. Der Ausfall eines dieser ca Kondensatorelemente pro Phase hat in Abhängigkeit des Einbauortes eine Änderung des Unsymmetriestroms von ca. ± 50 ma zur Folge. Der Verlust eines einzelnen Elementes führt nicht zur Abschaltung der Anlage, da je Kondensatoreinheit mehrere Elemente ausfallen dürfen, bevor eine unzulässige Spannungsbelastung auftritt. Einzelne Ausfälle müssen jedoch protokolliert werden, da sich der Ausfall von Elementen in unterschiedlichen Brückenzweigen wieder aufheben kann. Existiert eine kontinuierliche Überwachung, so sind Vorzeichensprünge im Unsymmetriestrom erkennbar und können einfach protokolliert werden. 2 Abgrenzung Schutztechnik - Monitoring Schutztechnisch sind für die Gesamtanlagen Differential-, Überstrom- und Leistungsschalterversagerschutz vorgesehen. Einzelkomponenten, insbesondere die Kondensatoren und Widerstände, werden darüber hinaus mit zusätzlichen Schutzeinrichtungen wie Kondensator-Unsymmetrie-, Überspannungs-, Grundschwingungsüberstrom-, RMS-Überstrom-, thermischem Überlast- und Phasen-Unsymmetrieschutz ausgestattet. Diese Schutzfunktionen sind für einen sicheren Betrieb der Anlagen ausreichend, jedoch nicht für eine Fehlerfrüherkennung zur Beobachtung von Komponentenbelastungen und deren Trenddokumentation sowie der erläuterten Problematik des Unsymmetriestroms, geeignet. Hierfür wurde das bereits erwähnte MSCDN-Monitoring entwickelt.

4 3 Monitoring Neben dem in Absatz 2 beschriebenen zwingend erforderlichen Monitoring der Unsymmetriewerte des Haupt- und Hilfskondensators zur Überwachung der Kondensatorelemente und zur Fehlerortbestimmung, sind folgende Funktionen integriert: Überprüfung der Funktionalität des synchronisierten Zu- und Abschaltens Aufzeichnung der Ein- und Ausschaltvorgänge Erfassung der maximalen Stromamplitude beim Zuschalten Überwachung der Belastung des Filterwiderstandes Protokollierung der gesamten Einschaltdauer und der dabei erzeugten Blindenergie Um diese Funktionen realisieren zu können, werden als Minimum drei Spannungs- und elf Stromeingänge benötigt. Die genaue Belegung der einzelnen Kanäle und das Anschlussprinzip des Monitoring Systems ist dem Absatz 3.1 mit Abbildung 3.2 zu entnehmen. 3.1(Wandler)-Anschlüsse Die Spannungssignale werden über das Sammelschienenabbild (induktive oder kapazitive Standard -Spannungswandler) auf die Geräte aufgelegt, da im MSCDN- Feld keine Spannungswandler verbaut sind und der Schwerpunkt nicht auf Power Quality-Messungen, sondern dem eigentlichen Anlagenmonitoring liegt. Neben den Betriebsströmen I L1T1 bis I L3T1 werden weitere Ströme wie Unsymmetrieströme im Haupt- und Hilfskondensator I L1T12 bis I L3T12 und I L1T13 bis I L3T13, der Einschwingstrom im Widerstandszweig der Phase L 2 I L2T14 und I L2T10, und der Strom im 50 Hz- Schwingkreis als Eingangssignale aufgelegt. Alle Stromsignale kommen aus dem Feld der MSCDN-Anlage. Zur Triggerung von Ein- und Ausschaltvorgängen in der Anlage werden zusätzlich folgende Binärsignale aufgelegt: Auslösung Hauptschutz Auslösung Reserveschutz EIN Kommando AUS Kommando Abbildung 3.1: Startbildschirm des Monitoring-Systems mit alphanumerischer und grafischer Echtzeitanzeige (3-Sekunden Mittelwerte)

5 SSx: Sammelschiene Nr. x (x=1 3); -Qx: SS-Trennschalter Nr. x (x=1 3); -Q0: Leistungsschalter; -Q51, -Q52: Arbeitserder; -T1: Primärstromwandler; -T12, -T13: Unsymmetrie-Stromwandler; -C1: Hauptkondensator; -C2: Hilfskondensator; -L1: Filterkreisdrossel; -R1: Filterkreis-Dämpfungswiderstand -Fi: Überspannungsableiter Abbildung 3.2: Einphasiges Ersatzschaltbild einer MSCDN-Anlage mit Anschlussprinzip 1 Monitoringsystem PQSys (3 x PQI-D (3 x U, 11 x I) und REG-COM (TCP/IP) 3.2 Geräteauswahl Für das Monitoring der MSCDN-Anlagen müssen aufgrund des speziellen Anwendungsgebietes sehr flexibel parametrierbare Messgeräte und eine übersichtliche, kundenspezifische, aber auch anpassbare Anwendersoftware zum Einsatz kommen. Darüber hinaus müssen alle Anforderungen zum Einsatz der Geräte in energietechnischen Anlagen erfüllt sein. Als Grundlage gilt hier [III]. Alle Geräte müssen eine zentrale Datenspeicherung, damit verbunden eine Fernauslesbarkeit und auch Fernparametrierbarkeit über TCP/IP- Protokoll, aufweisen. Die benötigte Anzahl an Eingangskanälen führt zwangsläufig zur Verwendung von mehreren Geräten PQI- D für eine MSCDN-Anlage, die über einen internen Trigger- und Zeitbus verfügen, damit die Signale unterschiedlicher Endgeräte gemeinsam verwendet werden können. Des Weiteren muss die Einheit sehr kompakt aufgebaut sein (Abbildung 3.3). Abbildung 3.3: Monitoringsystem PQSys (3 x PQI-D und REG-COM (TCP/IP))

6 3.3 Parametrierung Es wird generell mit Fernparametrierung gearbeitet. Die Zeitsynchronisation erfolgt mittels NTP-Server über das Netzwerk. Um die Funktionalität des Monitorings langfristig aufrecht zu erhalten, muss eine geeignete Auswahl der hardwarebasierten Funktionen und Speicher auf den PQI-Ds sowie eine sinnvolle Serverauswahl getroffen werden. Da einige Daten für den automatisierten MSCDN- Bericht im PQSys-Erfassungssystem nur jeweils für eine bestimmte Zeit zur Verfügung stehen, wird ein Teil der Auswertungen bereits auf dem Gerät durchgeführt. Es sind spezielle Auswertungsalgorithmen erforderlich, die nicht zum Standard des Messgerätes gehören, die aber In der folgenden Tabelle sind beispielhaft die Bedeutung einiger Messgrößen und ihre Auswertung beschrieben: Betriebsstrom I T1 Referenzstrom I L1T1 Maximalstrom I T1max Blindleistung Q Blindenergie WQ Maximale Amplitude im Einschwingvorgang I T1peak sekundengenau mit den online verfügbaren Daten ausgeführt werden. Diese Auswertealgorithmen sind als freie Programme direkt im Messsystem hinterlegt und werden im Hintergrund fortlaufend ausgeführt. Die so berechneten Daten werden im Ereignisspeicher des Gerätes mit weiteren Parametern abgelegt und sind auch nach mehreren Monaten noch abrufbar. Prinzipiell werden alle erforderlichen Gerätedaten zeitnah in eine SQL-Datenbank übertragen, wo die Informationen dann quasi zeitlich unbegrenzt verfügbar und gesichert sind. Dient zur Ermittlung der Einschaltdauer der Anlage. Der Messwert wird aus den 3-Sekunden- Mittelwerten des Gerätes gewonnen. Bei Über- und Unterschreitung eines Schwellwertes werden Einschalt- und Ausschaltzeitpunkt registriert. Zur Bewertung der Phasenwinkel im Haupt- und Nebenkondensator wird die Phase des Betriebsstromes I L1T1 als Referenz verwendet. Größter 10-Minuten-Mittelwert während der jeweiligen Einschaltdauer. Gerechneter Mittelwert über die 10-Minuten-Mittelwerte während der gesamten Einschaltdauer. Berechnung aus der Differenz der Blindenergie beim Abschalten im Vergleich zum Zuschaltzeitpunkt (Diese Werte werden sekundengenau von den oben näher erläuterten, sogenannten Hintergrundprogrammen (MSCDN-spezifische Programmierung) erfasst). Maximalwert der Ströme eines Oszilloskop-Störschriebs (Abtastfrequenz 10,24 khz) über alle Phasen im Augenblick der Einschaltung. Die Triggerung dieses Schriebs erfolgt über einen Binäreingang. 3.4 Funktionsbeschreibung Prinzipiell können für das Monitoring alle Hardware- und Softwarefunktionen der Geräte PQI-D und der Software WinPQ, wie Störschrieberfassung, Effektivwertrekorder, Speicherung und Anzeige von 3s-, 10 Min.-Mittelwerten, usw. genutzt werden. Zusätzlich werden die wichtigsten Ereignisse und betriebsrelevanten Eckdaten über einen frei wählbaren Starttermin wöchentlich, monatlich, halbjährlich oder auch jährlich ausgewertet, indem in Abhängigkeit der erforderlichen Parameter die Informationen aus der SQL-Datenbank auf dem Server oder der hardwarebasierten Ereignisliste gewonnen werden (siehe Tabelle). Als Resultat erhält der Anwender eine pdf-datei, die manuell oder über einen automatischen Windowstask in beliebigen Abständen erzeugt, gespeichert und per versendet werden kann (siehe Absatz 3.4.3). Als Beispiele gehen die folgenden drei Abschnitte nochmals detaillierter auf ausgewählte Funktionen ein: Oszilloskopfunktion In erster Linie werden bei der Zu- und Abschaltung der MSCDN-Anlagen über die von der Steuerung der Anlage empfangenen Binärsignale im System PQSys Oszilloskopschriebe mit einer Abtastung von 10,24 khz (100 µs) erzeugt. Es können jedoch auch beliebige andere Ereignisse (du/dt, di/dt, df/dt, Überstrom, Überspannung, usw.) als Trigger eingestellt werden. Aufgezeichnet werden alle am Monitoring aufgelegten Signale. Als Beispiel ist der Betriebsstrom bei Zuschaltung in Abbildung 3.4 dargestellt. Es ist gut erkennbar, dass phasenselektiv und -synchron mit Hilfe eines Leistungsschalter-Synchronschaltgerätes kurz nach dem Nulldurchgang der Spannung, die Amplitude des Stromes ansteigt. Auch ist die Verzögerung der Einschaltung durch Laufzeiten und Synchronschaltgerät, wenn zusätzlich das Binärsignal des Kommandos betrachtet wird, sofort ersichtlich.

7 Abbildung 3.4: Typischer Einschaltvorgang einer MSCDN-Anlage (Visualisierung WinPQ) Abbildung 3.5: Typischer Verlauf des Unsymmetriestroms im Hauptkondensator (Visualisierung WinPQ) Permanentaufzeichnung (3s- / 10 Min.-Mittelwerte) Zusätzlich zur Oszilloskopfunktion ist eine Permanentaufzeichnung realisiert. Ausgewählt wurden 3s- und 10 Min.-Mittelwerte, die in Abhängigkeit der Serverkapazität über mehrere Jahre gespeichert werden können. Auch hier werden alle an das Monitoringsystem angeschlossenen Signale aufgezeichnet. Abbildung 3.5 zeigt beispielsweise einen typischen Verlauf des Unsymmetriestroms im Hauptkondensator. Dieser kann völlig unterschiedlich verlaufen, solange keine Sprünge von mehreren ma (Defekt eines Kondensatorelements) auftreten. Der zeitliche Verlauf des Stroms ist hauptsächlich von der Betriebsspannung sowie der Erwärmung der Kondensatoren und damit von den Harmonischen und den Umgebungsbedingungen (Sonneneinstrahlung, Wind und Regen) abhängig.

8 3.4.3 Automatisierter MSCDN- Report (Betriebsdatenauswertung) Diese Funktion ist manuell oder automatisch, ausgehend von einem beliebigen Starttermin über flexible Auswertezeiträume, anwendbar. Die wichtigsten Funktionen sind die Überwachung und Trendbeobachtung der Unsymmetrieströme von Haupt- und Hilfskondensator sowie die Fehlerortbestimmung und die Überwachung der maximalen Einschwingamplitude (Überwachung des synchronisierten Schaltens). Alle Betriebsereignisse werden übersichtlich grafisch und tabellarisch dargestellt, so dass in kürzester Zeit die wesentlichen Informationen über den Betriebszustand der Anlage gewonnen werden können. Diese und weitere Funktionen sind Abbildung 3.6 und Abbildung 3.7 zu entnehmen. Abbildung 3.6: Graphische und tabellarische Auswertung der natürlichen Unsymmetrie C1, Beispiel aus dem automatisierten MSCDN-Report (Visualisierungssoftware WinPQ)

9 Abbildung 3.7: Auswertung der MSCDN-Einschaltungen, Beispiel aus dem automatisierten MSCDN-Report (Visualisierungssoftware WinPQ)

10 Zusammenfassung Die Zunahme an installierter kapazitiver Blindleistung durch MSCDN-Anlagen verlangt mit Blick auf die Kondensatoren nach einem effizienten Instandhaltungskonzept. Einen Beitrag hierzu liefert das im Artikel beschriebene MSCDN-Monitoring. Durch die kontinuierliche Überwachung und Früherkennung von einzelnen Ausfällen der Kondensatorelemente können Ausfallzeiten durch gezielten Tausch bei routinemäßigen Inspektionen minimiert und somit Wartungskosten reduziert werden. Die Eingrenzung des Fehlerortes mittels der Überwachung der Richtung des Unsymmetriestroms halbiert die Messzeit aufgrund der Eingrenzung potentiell fehlerhafter Kondensatoren. Der automatisch generierte Bericht erlaubt dem Betriebspersonal innerhalb kürzester Zeit eine Analyse der wichtigsten Funktionen der gesamten MSCDN-Anlage. Die Vielfältigkeit weiterer Auswertemöglichkeiten, die das Monitoring bietet, können genutzt werden, um weitere Funktionen wie beispielsweise das phasenselektive und -synchrone Schalten der Leistungsschalter, das Verhalten des Filters und die Auslastung des Widerstandzweigs zu analysieren. Sollte es dennoch zum Ausfall der Anlage kommen, können durch die geschickte Wahl der Quellen, notwendige Parameter und Daten für Auswertungen und Analysen auch nachträglich über Jahre genutzt werden. Das Monitoring ist somit einer der Bausteine, die als Basis für einen effizienten, kostenoptimierten und ausfallfreien Betrieb der Anlage notwendig sind.

11 Autoren Literaturverzeichnis [I] U. Kaltenborn, A. Wegener, F. Martin, Kompensationsanlagen im 380-kV-Netz Teil 1 und Teil 2, EW Jg. 109 (2010) Heft 6 und 7/8 [II] H. Kühn, F. Martin, M. Schmale, W. Winter, R. Puffer, Mehr Energie von Nord nach Süd Teil 1 und Teil 2, EW Jg. 110 (2011) Heft 3 und 4 [III] IEC TS Generic standards Immunity for power station and substation environments Dr.-Ing. Florian Martin TenneT TSO GmbH in Bayreuth Asset Management Umspannwerke Tel.: +49 (0) 921 / Florian.Martin@tennet.eu [IV] [V] Dipl.-Ing. Till Sybel Geschäftsführer der A. Eberle GmbH & Co. KG in Nürnberg Tel.: +49 (0) 911 / Till.Sybel@a-eberle.de Dr.-Ing. Jörg Gärtner Software-Applikationsingenieur der A. Eberle GmbH & Co. KG in Nürnberg Joerg.Gaertner@a-eberle.de

12 SD_tennet_d_1112_nü TenneT TSO GmbH Bernecker Straße 70 D Bayreuth Fon +49(0) A. Eberle GmbH & Co. KG Frankenstraße 160 D Nürnberg Fon +49(0) Fax +49(0)