Forschung für die elektrische Energietechnik des 21. Jahrhunderts

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1 Forschung für die elektrische Energietechnik des 21. Jahrhunderts Das Hochleistungs-Versuchsfeld von ABB Switchgear AB in Ludvika/ Schweden ist in den vergangenen Jahren umfassend nachgerüstet und modernisiert worden. Heute zählt es auf dem Gebiet der elektrischen Energietechnik zu den modernsten Forschungszentren der Welt. Hier lassen sich die härtesten Beanspruchungen simulieren, die in elektrischen Energienetzen auftreten können. Die Kurzschlußleistung wurde bei der Nachrüstung auf MVA erhöht; es können jetzt Spannungen bis zu 1600 kv und Kurzschlußströme bis zu 80 ka (Effektivwert) erzeugt werden. Das Versuchsfeld ist nach Euro-Norm EN akkreditiert. H ochleistungs-prüfanlagen spielen bei der Forschung auf dem Gebiet der elektrischen Energietechnik und bei der Entwicklung von Schaltgeräten und anderen Ausrüstungen für elektrische Energienetze eine zentrale Rolle. Mit dem kürzlich modernisierten Hochleistungs-Versuchsfeld in Ludvika/Schweden stärkt ABB ihre Position als eines der führenden Unternehmen auf diesem Gebiet 1. Hochleistungs-Versuchsfeld Ludvika erfüllt internationale Ansprüche Das Hochleistungs-Versuchsfeld Ludvika entspricht in jeder Beziehung den Anforderungen, die an effiziente Forschungs- und Entwicklungsanlagen für die elektrische Energietechnik gestellt werden. Hier können sowohl heutige als auch künftige Produkte sowie komplette Energienetze simuliert und geprüft werden. Mit Hilfe der neuesten Prüf-, Leit- und Überwachungstechnik sowie modernsten Geräten für die Meßdatenaufbereitung und -verarbeitung lassen sich im Versuchsfeld alle erforderlichen Entwicklungs- und Typprüfungen durchführen 2. Dies ist eine wichtige Vor- aussetzung dafür, daß die Schaltanlagen die Forderungen erfüllen, die Energieversorgungsunternehmen und internationale Organisationen in ihren Normen und Vorschriften formuliert haben. Bereits 1933 wurde in Ludvika das erste Hochleistungs-Versuchsfeld gebaut. Von Anfang an war es bezüglich der verfügbaren Kurzschlußleistung eine der größten Anlagen der Welt. Hier wurden u. a. die entscheidenden Schritte für die Entwicklung der Hochspannungs-Gleichstrom- und der 400-kV-Drehstromübertragung getan. Im Jahre 1958 war die Zeit reif für ein neues Versuchsfeld. Dieses wurde jetzt im Hinblick auf die künftigen elektrischen Energienetze nachgerüstet. Die heute überall in der Welt zu beobachtende Liberalisierung der nationalen Elektrizitätsmärkte führt zu einer verschärften Konkurrenz. Hand in Hand damit geht Magnus Olofsson ABB Switchgear AB eine Weiterentwicklung der Hochspannungssnetze und der Schaltanlagen in Richtung immer effizienterer und größerer Funktionseinheiten. Verdoppelte Kapazität und Leistungsfähigkeit Durch die Nachrüstung haben sich die Prüfkapazität und die Leistungsfähigkeit des Hochleistungs-Versuchsfelds Ludvika nahezu verdoppelt. Zudem stehen heute doppelt so viele Prüfstromkreise zur Verfügung. Damit kann das Versuchsfeld vermehrt qualifizierte Ganzheitslösungen anbieten, d. h. nicht nur die Prüfung einzelner Komponenten, sondern auch die Funktionsprüfung kompletter Systeme. Die in einem elektrischen Energienetz 3 installierten Schutzgeräte haben die Aufgabe, Fehler zu entdecken und abzuschalten. Sie müssen dabei sehr schnell und zuverlässig arbeiten. Aus diesem Grunde ist es außerordentlich wichtig, alle erdenklichen Fehlerarten simulieren zu können nach Möglichkeit auch die unwahrscheinlichsten. Denn nur so läßt sich nachweisen, daß jederzeit ein sicheres Auslösen der Schaltgeräte gewährleistet ist. Die Typprüfung heutiger und die Weiterentwicklung künftiger Komponenten, wie Leistungsschalter, Trennschalter, Überspannungsableiter und Meßwandler, müssen unter möglichst realistischen Verhältnissen erfolgen. Dazu dient das neue Hochleistungs- Versuchsfeld in Ludvika. Modernste Meßdatenerfassung Die Qualität der Prüfergebnisse hängt davon ab, ob die gemessenen Werte korrekt sind. Hochleistungsversuche verursachen jedoch Störungen in Form von hochfrequenten Strömen und starken Magnetfeldern, so daß im Erdungspunkt große Potentialunterschiede auftreten können. In extremen Fällen kann der Potentialunterschied mehrere Kilovolt betragen. Um die bei Versuchen in großen Mengen anfallenden Meßdaten effizient und störungsfrei erfassen zu können, entschied man sich für die Installation eines der modernsten Meßdatenerfassungssysteme der Welt 4. Dieses System wurde vom ABB Technik 1/

2 Anlagen und Gebäude des Hochleistungs-Versuchsfelds in Ludvika/Schweden 1 Personal des Hochleistungs-Versuchsfelds Störungsfreie Übertragung in Zusammenarbeit mit einem niederländischen Spezialunternehmen entwickelt. mit Hilfe der Optoelektronik der Meßdaten Es ist bezüglich Genauigkeit und Zuverlässigkeit kaum zu übertreffen. tragen, denn Lichtwellen als Informa- Die Signale werden optoelektronisch über- Kurzschlußversuch im Hochleistungs-Versuchsfeld Ludvika 2 tionsträger ermöglichen eine störungsfreie Übertragung. Zudem ist das Meßdatenerfassungssystem galvanisch vom Prüfkreis getrennt und damit gegen auftretende Störungen unempfindlich. Die analogen Ausgangssignale der Meßfühler werden vor der Übertragung über Lichtwellenleiter mit Hilfe von speziellen Signalumsetzern in digitale Lichtimpulse umgeformt 5. Die Signalumsetzer werden möglichst nahe an den Meßgebern montiert. Sie verfügen über eine eigene batteriegestützte Stromversorgung und sind speziell abgeschirmt, damit ihre Elektronik nicht von den starken während der Prüfungen auftretenden elektromagnetischen Feldern beeinflußt wird. Meßdaten auf CD-ROM für die Aufbereitung Ein leistungsfähiges Computersystem ermöglicht eine effiziente Aufbereitung und eine eingehende Analyse der erfaßten Meßdaten. Bereits s nach der 18 ABB Technik 1/1998

3 Prüfung liegt dem Prüfungsleiter die Bestätigung darüber vor, ob der Prüfling die aufgestellten Kritereien erfüllt hat. Früher erforderte diese Prozedur erheblich mehr Zeit. Der Kunde erhält außerdem eine CD- ROM mit den noch nicht aufbereiteten Daten. Damit lassen sich die Daten leicht zur Auswertung in eigenen Analyse- und Berechnungsprogrammen heranziehen. Der Wert der gesamten aus der jeweiligen Prüfung hervorgehenden Daten wird dadurch weiter erhöht. Zugleich hilft diese Methode, den Entwicklungsprozeß für neue Produkte zu beschleunigen. Nach Abschluß der Versuche wird ein ausführlicher und detaillierter Prüfbericht erstellt, der in bestimmten Fällen gleichzeitig die Zertifikation des geprüften Produkts darstellt 6. Eine der größten Kondensatorbänke der Welt Mit einer Entladeenergie von 4 MJ verfügt das Hochleistungs-Versuchsfeld Ludvika über eine der größten Kondensatorbänke der Welt. Die Kurzschlußleistung wurde bei der Nachrüstung auf MVA erhöht. Mit dieser hohen Kurzschlußleistung lassen sich die Prüflinge mit den extremen Beanspruchungen beaufschlagen, die in den heutigen komplexen elektrischen Energienetzen bei hoher Übertragungsleistung auftreten können. Zur Veranschaulichung kann man sich vorstellen, daß MVA bei einem Leistungsfaktor von cos ϕ = 1 einer Leistung entspricht, wie sie für zwei Milliarden 40-W-Glühlampen oder zehn Millionen elektrisch beheizte Einfamilienhäuser benötigt wird. Bei einem Kurzschluß in einem solchen Netz entsteht ein hoher Kurzschlußstrom. Von den Leistungsschaltern wird dann verlangt, daß sie das Netz in Bruchteilen einer Sekunde abschalten. Andernfalls verursacht der Kurzschlußstrom umfangreiche Schäden. Bis der Fehler abgeschaltet ist, müssen Trennschalter und andere Ausrüstungsteile den hohen Kurzschlußstrom tragen können. Prinzipielle Darstellung eines elektrischen Energienetzes 3 Große Prüfhalle Die Prüfhalle, die den Spannungskreis enthält, ist 30 m breit, 60 m lang und hat eine lichte Höhe bis zu 30 m 7. Die Wände mit einer Fläche von rund 3000 m 2 sind mit isolierten Blechplatten bekleidet. Der Betonfußboden ist für eine durchschnittliche Aufbau der Kondensatorbatterien Die Energie, die für die Kurzschlußabschaltversuche erforderlich ist, wird in zwei Kondensatorbatterien gespeichert 8. Jede Batterie besteht aus in Reihe geschalteten und turmförmig in 12 Etagen montiermessensatorbatterie Belastung von 5 t/m 2 beten Kondensatoren. Die schwerste Konden- hat eine Masse von rund 40 t. Meßcomputer im Hochleistungs-Versuchsfeld Ludvika 4 ABB Technik 1/

4 weise Spannvorrichtungen oder Prototypen hergestellt werden. Prüfungen für externe Kunden Das Hochleistungs-Versuchsfeld Ludvika nimmt auch Prüfungen und Zertifizierungen für Unternehmen außerhalb der ABB-Gruppe vor. Um in diesen Fällen die Geheimhaltung zu gewährleisten, wird das Hochleistungs-Versuchsfeld als selbständige Einheit innerhalb von ABB Switchgear AB betrieben. Externe Kunden können zusammen mit ABB-Personal eine Projektgruppe bilden, die dann vertraulich für diesen Auftrag zusammenarbeitet. Während der Entwicklungsphase können weitere Dienstleistungen hinzugekauft werden. Wenn das Produkt für die Typprüfung bereitsteht, kann der Kunde eine akkreditierte Prüfung bestellen. Um unparteiische Seite eines Prüfberichtes mit Diagrammen 6 Analog-Digital-Umsetzer für die Meßdatenerfassung 5 Bei einem typischen Ausschaltversuch können bei dieser Anlage Kurzschlußströme bis 80 ka (Effektivwert) und Wiederkehrspannungen bis 1600 kv (Scheitelwert) auftreten. Nachrüstung der Kurzschlußgeneratoren Das Hochleistungs-Versuchsfeld kann sich in bezug auf Ströme und Spannungen, die für die Prüfungen erforderlich sind, selbst versorgen. Die Kurzschlußgeneratoren 9 wurden so modifiziert, daß auch 60-Hz- Versuche durchgeführt werden können. Damit können in Ludvika jetzt auch Produkte für elektrische Energienetze mit dieser Frequenz geprüft werden. Große Montagefläche Viele Kunden des Hochleistungs-Versuchsfelds Ludvika arbeiten an der Entwicklung neuer Produkte und Systeme. Für Montage und Prüfungsaufbau wurde das Hochleistungs-Versuchsfeld deshalb mit einer eigenen Montagewerkstatt mit einer Grundfläche von 1000 m 2 ausgestattet. Zusätzlich steht eine Werkstatt zur Verfügung, die die notwendigen Hilfsaufgaben übernehmen kann. Hier können beispiels- 20 ABB Technik 1/1998

5 Innenansicht der Prüfhalle. Sie ist 30 m breit, 60 m lang und 30 m hoch. 7 Versuche zu garantieren, wird hierzu anderes Personal herangezogen als dasjenige, das für das Projekt gearbeitet hat. Alle Prüfungen erfolgen in abgesperrten Räumen, zu denen kein Außenstehender Zutritt hat. Alle Meßdaten und Prüfergebnisse sind Eigentum des Kunden. Bei der Analyse und Interpretation der Meßergebnisse steht dem Kunden auf Wunsch auch das erfahrene ABB-Personal zur Verfügung. Darüber hinaus werden die erforderlichen Prüfberichte und Protokolle als Bestätigung für die bestandene Typprüfung angefertigt. Eine der beiden Kondensatorbatterien für die Kurzschlußabschaltversuche 8 Internationale Akkreditierung für die Typprüfung Seit 1994 ist das Hochleistungs-Versuchsfeld vom Swedish Board for Technical Accreditation (SWEDAC) für die internationale Typprüfung von Hochspannungsprodukten gemäß der Euro-Norm EN akkreditiert. ABB Technik 1/

6 Die beiden Kurzschlußgeneratoren für eine Kurzschlußleistung von insgesamt 4000 MVA und Frequenzen von 16 bis 60 Hz im Hochleistungs-Versuchsfeld Ludvika 9 Das Hochleistungs-Versuchsfeld ist Mitglied der Prüforganisation Scandinavian Association for Testing of Electric Power Equipment (SATS), die international arbeitet und ihrerseits Mitglied des Dachverbandes European Organisation for Testing and Certification (EOTC) ist. Über die Mitgliedschaft in der SATS kann Personal dieser Organisation für unparteiische Prüfungen hinzugezogen werden. Das bedeutet, daß die Kunden international akzeptierte Prüfzertifikate erhalten. Die im Hochleistungs-Versuchsfeld durchgeführten Prüfungen haben damit den höchsten Status und genießen volle Akzeptanz in anderen Ländern, mit denen Schweden ein entsprechendes Abkommen getroffen hat. Heute sind dies vor allem die EU-Länder, aber auch die USA und Australien treten dem Akkreditierungssystem näher. Die Organisation und die Anlagen des Hochleistungs-Versuchsfelds Ludvika wurden von unabhängiger Seite bewertet und entsprechend ISO 9001 zugelassen. Leistungsfähiges Forschungszentrum durch Bündelung der Kräfte In Ludvika befindet sich das «Center of Excellence» der ABB-Gruppe für die Übertragung elektrischer Energie vertreten durch neun ABB-Unternehmen, die ihre Geschäftstätigkeit vornehmlich an diesem Ort haben. Das Hochleistungs-Versuchsfeld Ludvika kann zudem zusammen mit dem benachbarten Hochspannungs-Prüffeld von ABB Transformers sowie dem von ABB, dem Energieversorgungsunternehmen Vattenfall und der Organisation Svenska Kraftnät gemeinsam betriebenen Swedish Transmission Research Institute (STRI) sämtliche Prüfungen für komplexe elektrische Netze durchführen. STRI entwickelt und prüft Systeme und Techniken für die elektrische Energieübertragung und -verteilung. Mit der Bündelung dieser Kräfte ist das Hochleistungs-Versuchsfeld Ludvika zu einem der modernsten und leistungsfähigsten Forschungszentren der elektrischen Energietechnik geworden mit großer Bedeutung sowohl für die konzerneigene strategische Forschungs- und Entwicklungsarbeit als auch für die kundenorientierten Aktivitäten der ganzen ABB-Gruppe. Ergänzende Informationen: highpower lab.seswg@seswg.mail.abb.com Redaktionelle Bearbeitung Detlef P. H. Prien Adresse des Autors Magnus Olofsson ABB Switchgear AB S Ludvika/Schweden Fax: +46 (0) magnus.olofsson@seswg.mail.abb.com 22 ABB Technik 1/1998