Neubau Umrichter-Anlage im Kraftwerk Obermatt
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- Jutta Hermann
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1 Neubau Umrichter-Anlage im Kraftwerk Obermatt Vortrag anlässlich der GdI-Generalversammlung vom 21. Mai 2011, Engelberg Martin Aeberhard SBB Infrastruktur Energie Systemdesign SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
2 Inhaltsübersicht Kurzer historischer Rückblick Anforderungen / Voraussetzungen Untersuchte Lösungen Realisierte Anlage in Obermatt Ein Nebenschauplatz für die Bahnstromversorgung der SBB? SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
3 Inhaltsübersicht Kurzer historischer Rückblick Anforderungen / Voraussetzungen Untersuchte Lösungen Realisierte Anlage in Obermatt Ein Nebenschauplatz für die Bahnstromversorgung der SBB? SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
4 Stansstad Engelberg Bahn Dreiphasen 800V 33 1/3 Hz SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
5 LSE 1964 Verbindung LSE Brünigbahn in Hergiswil, Umstellung auf 15kV 16.7Hz SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
6 Bisherige Stromversorgung LSE / Zentralbahn SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
7 Inhaltsübersicht Kurzer historischer Rückblick Anforderungen / Voraussetzungen Untersuchte Lösungen Realisierte Anlage in Obermatt Ein Nebenschauplatz für die Bahnstromversorgung der SBB? SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
8 Einspeisung am falschen Ende? Mit Aufzählungszeichen. Ohne Aufzählungszeichen. SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
9 Was der Betrieb will IR Züge: Lok HGe 101 plus 165t Anhängelast SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
10 Neue Traktion der Engelbergerzüge Höhere Traktionsleistung im Vergleich zu den bisher eingesetzten Triebwagen Vor allem aber: Hoher Blindleistungsbedarf wegen Phasenanschnitt-Steuerung SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
11 Evakuierung Bis zu 3 Züge können gleichzeitig im Tunnel unterwegs sein Störung am untersten Zug (Seite Grafenort) bedeutet 2 Züge müssen bergwärts evakuiert werden können SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
12 Weitere Voraussetzungen Fahrleitung im Tunnel elektrisch sehr potent: Deckenstromschiene Fahrleitung übrige Strecke elektrisch schwach: über weite Strecken nur N-FL ohne Hilfsleitung Aus alten StEB/LSE Wasserrechten vorhandene Energie-Bezugsrechte aus KW Obermatt sinnvoll weiternutzen Aber Voraussetzungen für grossen Umrichter fehlen: Kein Anschluss ans SBB 132- kv-netz, nur 50-kV-Ebene auf Seite 50Hz SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
13 Zusammenfassung Anforderungen Wesentlich grössere Leistung (schnellere Züge, schwerere Züge, Doppelführungen) Einsatz Lokomotiven HGe 101 mit grossem Blindleistungsbedarf Evakuierung mit Unterbuch Fahrleitung im Tunnel Sinnvolle Weiternutzung der bestehenden StEB / LSE / zb - Bezugsrechte SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
14 Inhaltsübersicht Kurzer historischer Rückblick Anforderungen / Voraussetzungen Untersuchte Lösungen Realisierte Anlage in Obermatt Ein Nebenschauplatz für die Bahnstromversorgung der SBB? SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
15 Varianten-Übersicht Variante A Luzern Hergiswil Stansstad Stans Engelberg Brünig Neues Kabel Lopper HL 95mm 2 oder 120mm 2 Kabel Tunnel Engelberg Keine Einspeisung Obermatt Vorteile Nachteile - Geringe Investitionskosten - Zusätzliche Schaltungs- (Umgehungs)-Möglichkeiten in den Stationen - Spannungsstabilität kritisch - Keine Möglichkeit Inselbetrieb im oberen Streckenteil SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
16 Varianten-Übersicht Variante B Luzern Hergiswil Stansstad Stans Engelberg Neues Kabel Lopper HL 95mm 2 oder 120mm 2 Kabel Tunnel Engelberg Brünig ~ Erneuerte Maschine Obermatt (ev. mit grössere Leistung) Vorteile - Gute Spannungsverhältnisse - Reduzierter Inselbetrieb im oberen Streckenteil möglich - Potential zur zusätzlichen Nutzung Wasserkraft und energiewirtschaftlicher Optimierung - Die beiden letztgenannten Vorteile erhöhen sich, falls die Leistung der Maschine gesteigert werden kann Nachteile - Wenn die Maschine nicht ± dauernd zur Verfügung steht, kann auf die HL nicht verzichtet werden SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
17 Varianten-Übersicht Variante C Luzern Hergiswil Stansstad Stans Engelberg Neues Kabel Lopper HL 95mm 2 oder 120mm 2 Brünig ~ Erneuerte Maschine Obermatt (ev. mit grössere Leistung) Vorteile - Das Kabel im Tunnel Engelberg ist nicht erforderlich - Ansonsten gleiche Vorteile wie Var. B Nachteile - Gleiche Nachteile wie Var. B SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
18 Varianten-Übersicht Variante D (Ergänzung zu Variante A) Luzern Hergiswil Stansstad Stans 1~ 1~ Engelberg Neues Kabel Lopper HL 95mm 2 oder 120mm 2 Kabel Tunnel Engelberg Brünig Vorteile - Gleiche Vorteile wie Variante A - Zusätzlich gute Spannungsstabilität im oberen Streckenteil dank Q-Kompensation (insbesondere bei Einsatz von HGe 101) Nachteile - Gleiche Nachteile wie Variante A - Etwas teurer als Var. A (allerdings wären die benötigten Umrichter vermutlich einfach aus Traktionsumrichtern, z.b. GTW, ableitbar) SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
19 Varianten-Übersicht Variante E (Alternative zu Variante A) Luzern Hergiswil Stansstad Stans Engelberg Brünig Autotransformer Kabel Tunnel Engelberg Autotransformer Neues Kabel Lopper Negativfeeder 15kV Vorteile - Geringe Investitionskosten (allerdings etwas mehr als bei Var. A) - Verbesserte Spannungsstabilität (zu quantifizieren) Nachteile - Isolationsabstände Negativfeeder FL in Tunnels zu prüfen - Keine Möglichkeit Inselbetrieb im oberen Streckenteil - Zusätzliche Schaltungsmöglichkeiten (wie bei HL), sind zu prüfen SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
20 Varianten-Übersicht Variante F 50Hz Luzern Hergiswil Stansstad Stans 3~ 1~ 3~ 1~ Engelberg Neues Kabel Lopper Brünig Vorteile - Gute Spannungsverhältnisse - Inselbetrieb im oberen Streckenteil möglich - Das Kabel im Tunnel Engelberg ist nicht erforderlich Nachteile - Lastprofil auf 50Hz Seite (Energiekosten?) SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
21 Varianten-Übersicht Variante G (Alternative zu Variante F) 50Hz Leistung noch zu definieren 3~ 3~ 1~ 1~ Luzern Hergiswil Stansstad Stans Engelberg Vorteile Brünig Neues Kabel Lopper HL 95mm 2 oder 120mm 2 Kabel Tunnel Engelberg Nachteile Keine Einspeisung Obermatt - Zusätzlicher Nutzen für die Brüniglinie - Lastprofil auf 50Hz Seite (Energiekosten?) - Kabel im Tunnel Engelberg erforderlich - Keine Möglichkeit Inselbetrieb im oberen Streckenteil - Spannungsstabilität vermutlich nur geringfügig verbessert SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
22 Varianten-Übersicht Variante H 50Hz 20MVA Standardeinheit 1~ 3~ Luzern Hergiswil Stansstad Stans UW Emmenbrücke 66 oder 132kV Engelberg Brünig Neues Kabel Lopper HL 95mm 2 oder 120mm 2 Keine Einspeisung Obermatt Vorteile Nachteile - Gute Spannungsverhältnisse - Inselbetrieb im oberen Streckenteil möglich - Das Kabel im Tunnel Engelberg ist nicht erforderlich - Standardumrichter - Zusätzliche Anspeisung UW Emmenbrücke, neuer energiewirtschaftlicher Spielraum für SBB - Hohe Kosten UL - Lange Planungs- Bauzeit UL - Ist das Potential für 20MVA in Engelberg ganzjährig vorhanden? - Wenn eine UL gebaut wird, ist der Umrichter nötig/sinnvoll? SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
23 Varianten-Übersicht Variante I Luzern Hergiswil Stansstad Stans Engelberg Brünig Neues Kabel Lopper HL 95mm 2 oder 120mm 2 Kabel Tunnel Engelberg Keine Einspeisung Obermatt UW Emmenbrücke 66 oder 132kV UW Wimmis Vorteile - Neue Möglichkeiten für die Versorgung Brünigbahn (z.b. UW im Raum Meiringen/Brienz) - Zusätzliche Anspeisung UW Emmenbrücke, neuer energiewirtschaftlicher Spielraum für SBB Nachteile - Kabel im Tunnel Engelberg erforderlich - Keine Möglichkeit Inselbetrieb im oberen Streckenteil - Spannungsstabilität vermutlich nur geringfügig verbessert - Hohe Kosten UL - Lange Planungs- Bauzeit UL SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
24 Inhaltsübersicht Kurzer historischer Rückblick Anforderungen / Voraussetzungen Untersuchte Lösungen Realisierte Anlage in Obermatt Ein Nebenschauplatz für die Bahnstromversorgung der SBB? SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
25 Nutzen eines Blindleistungskompensators (Phasenschieber) Übertragbare Leistung zum Tunnel Engelberg für Lasten ohmsch-induktiv (schwarz) ohmsch (rot) ohmsch-kapazitiv (blau) Spannung in [kv] Uebertragbare Wirkleistung in [MW] SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
26 Blindleistungskompensator mit zusätzlicher Wirkleistungseinspeisung Sehr leistungsfähiger Blindleistungskompensator ermöglicht im Normalbetrieb die Speisung im Stich ab Herigiswil mit guter Spannungsqualität bis Engelberg Zusätzliche Wirkleistungs-Einspeisung ermöglicht weiterhin Nutzung der Energie- Bezugsrechte Zusätzliche Wirkleistungs-Einspeisung ermöglicht Unterstützung bei Volllastbetrieb Zusätzliche Wirkleistungs-Einspeisung ermöglicht Evakuierung bergwärts (erfordert Bau einer 15-kV-Leitung Obermatt Südportal) Zusätzliche Wirkleistungs-Einspeisung ermöglicht Inselbetrieb der ganzen Strecke Hergiswil - Engelberg SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
27 Dimensionierung, Blindleistungskompensation (massgebend auf 16.7-Hz- Seite) Normaler Verbundbetrieb, Doppelführung IR Vollbetrieb mit Verbundnetz 15kV, Leistungen Umrichter Beide Umrichter in Betrieb, Gesamtleistungen P / Q / S [MW / MVar / MVA] P[MW] Q[MVAr] S[MVA] h h h h h h h h h h h h h Zeit SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
28 Dimensionierung, Wirkleistung (massgebend auf 50Hz-Seite) Evakuierung 2 IR bergwärts Leistungen Umrichter, Evakuieren 2 Züge bergwärts P / Q / S [MW / MVar / MVA] P[MW] Q[MVAr] S[MVA] h h h h h h h h Zeit SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
29 Anlagenschema SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
30 Schema Bahnstromversorgung zb SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
31 Anlagendisposition Schaltanlage 16.7Hz / 15kV Umrichter- Container Transformator + Filterkreis 16.7Hz / 15kV Eigenbedarf-Container Kabelschacht Wasser-Luft-Kühler Zwischenkreis-Drossel 33Hz Transformator + Filterkreis 50Hz / 50kV SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
32 Anlagendisposition SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
33 Umrichter und Kraftwerk Obermatt SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
34 Kabeleinzug beim Südportal SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
35 Inhaltsübersicht Kurzer historischer Rückblick Anforderungen / Voraussetzungen Untersuchte Lösungen Realisierte Anlage in Obermatt Ein Nebenschauplatz für die Bahnstromversorgung der SBB? SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
36 Ein Nebenschauplatz für die Bahnstromversorgung der SBB? Komplexe Anforderungen, keine Musterlösungen vorhanden Lösung mit Anpassung von bewährter Technik (Umrichtertechnik von ABB) Realisierung in extrem engem Terminplan Hohe organisatorische Komplexität (Finanzierung durch zb, Koordination mit Tunnelprojekt zb und drei Elektrizitätswerken EWL, EWN, EWO) Erstmalige Anwendung von Einspeisung ins 15-kV-Netz, neue Funktionen Erstmalige Anwendung von dynamischer Blindleistungskompensation bei SBB SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
37 Danke SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
38 Backup SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
39 Prinzip der Blindleistungskompensation I FK I F I Komp U N U R U L U F ΔU ΔU ΔU U N U F U N U F ΔU I F ΔU L ΔU R U N ΔU L ΔU IKomp U F ΔU R I FK I F ΔU L ΔU ΔU R I FK I Komp I F SBB I-ET-EN-ETW-SDE M. Aeberhard
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