Wie verbessert ein Mittelspannungs-Schaltanlagensystem die Netzverlässlichkeit

Kernarchitektur und Funktion von Mittelspannungs-Schaltanlagen in der Energieverteilung

Ringhauptschaltanlage (RMU) in der Energieverteilung: Kernarchitektur und Integration

Mittelspannungs-Ringhauptschaltanlagen, kurz RMUs, fungieren in Ringnetz-Anordnungen als kompakte Unterverteilwerke, die eine effiziente Stromverteilung in Städten und Industriegebieten ermöglichen. Ihr besonderes Merkmal ist die komplette Integration aller Komponenten in einer Einheit, einschließlich Vakuumschaltgeräte, Lasttrennschalter sowie verschiedenster Überwachungseinrichtungen. Das Ziel dieser Konstruktion besteht darin, vor Ort weniger Platz zu beanspruchen, gleichzeitig aber nahtlos mit der bestehenden Infrastruktur zusammenzuwirken. Für Energieversorger, die ihre jahrzehntealten Netzsysteme modernisieren möchten, wird diese kompakte Lösung unverzichtbar, wenn der Platz begrenzt und die Budgets knapp sind.

Mittelspannungs-Verteilungssysteme: Herausforderungen und die Notwendigkeit zuverlässiger Schalttechnik

Spannungsnetze zwischen 6,6 kV und 33 kV lösen alle möglichen Probleme, einschließlich Lastschwankungen, gefährlichen Lichtbogenblitzen und dieser unangenehmen Kaskadenfehler, die ganze Systeme zum Einsturz bringen können. Die heutigen Stromnetze brauchen bessere Schaltgeräte, die diese massiven 25 kA-Fehlströme abschneiden können, bevor sie Schaden anrichten, idealerweise innerhalb von nur 50 Millisekunden. Eine kürzlich im "Grid Stability Report 2024" veröffentlichte Studie fand etwas ziemlich Schockierendes heraus: Mehr als drei Viertel der Netzstörungen in überfüllten Stadtgebieten sind auf langsame Reaktionszeiten bei der Isolierung von Störungen zurückzuführen. Genau hier sind die Ring Main Units (RMUs) von großer Bedeutung, da ihre schnellen Trennfunktionen dazu beitragen, diese kritische Schutzhöhle zu schließen.

Schlüsselkomponenten einer Mittelspannungs-RMU

Drei Teilsysteme definieren die Leistung der RMU:

• Vakuumschalter : Unterdrückung von Lichtbögen in 20 ms mit magnetisch gesteuerten Vakuumunterbrechern
• Schalter für die Belastungsunterbrechung : Ermöglicht sichere Wartung, ohne die gesamten Speiseleitungen abzuschalten
• Schutzrelais : Überwachung von Parametern wie Strom (0,5–1250 A) und Spannungseinbrüchen (₠85 % Nennwert)

Jüngste Analysen zeigen, dass Schaltanlagen mit numerischen Relais Fehlauslösungen im Vergleich zu elektromechanischen Modellen um 63 % reduzieren und somit die Betriebssicherheit erhöhen.

Standardkonfigurationen und Funktionsprinzipien

Die meisten Versorger setzen Doppelbusschienen-Schaltanlagen mit SF₆- oder Vakuumisolierung ein, die den Normen IEC 62271-105 entsprechen. Diese Systeme legen Wert auf Fehlertoleranz – wenn eine Leitung ausfällt, leitet die Automatisierung die Energie innerhalb von 300 ms über alternative Pfade um. Typische Anlagen halten während des Umschaltens Spannungseinbrüche unter 0,5 %, was den Anforderungen der EN 50160 an die Netzqualität genügt.

Fehlerisolierung und schnelle Wiederherstellung des Betriebs mit RMU-Technologie

Wie Mittelspannungs-RMUs eine präzise Fehlerisolierung in Ringnetzen ermöglichen

Mittelspannungs-Schaltanlagen verwenden fortschrittliche Sensoren und Leistungsschalter, um Fehler innerhalb von 50 Millisekunden zu erkennen – 80 % schneller als herkömmliche Speisetechnik (European Power Research Institute 2023). In Ringnetzen ermöglicht dies die bidirektionale Isolierung beschädigter Kabelabschnitte, während die Spannungsstabilität für nicht betroffene Zonen erhalten bleibt.

Umschaltung der Energieversorgung und Minimierung von Ausfallbereichen: Betriebsmechanismen in Schaltanlagen

Nach Erkennung eines Fehlers leiten Lasttrennschalter die Energie innerhalb von 300 ms über alternative Pfade um, wodurch die Auswirkungen eines Stromausfalls bei typischen Leitungsstörungen auf weniger als 0,5 % der angeschlossenen Kunden begrenzt werden. Automatisierungssteuerungen priorisieren kritische Infrastrukturen wie Krankenhäuser, indem sie die Flusspfade dynamisch anpassen.

Statistische Belege: Geringere Ausfallhäufigkeit durch den Einsatz von Schaltanlagen in intelligenten Städten

Smart Cities, die Mittelspannungs-Schaltanlagen (RMU) verwenden, weisen gemäß einer Umfrage aus dem Jahr 2023 unter 47 städtischen Netzbetreibern 62 % weniger andauernde Ausfälle (>5 Minuten) auf als Strahlennetze. Die Technologie unterstützt selbstheilende Netze und senkt die Betriebskosten um jährlich 740.000 USD pro 100.000 Kunden (Ponemon 2023).

Ringnetz-Konfiguration und dynamische Netzumkonfiguration

Rolle von Ringhauptschaltanlagen bei der Verbesserung der Zuverlässigkeit durch Ringnetz-Topologie

Mittelspannungs-RMUs bilden das Rückgrat widerstandsfähiger Verteilnetze, indem sie Ringnetz-Topologien ermöglichen. Diese Konzepte bieten redundante Strompfade und erlauben die Isolierung von Störungen ohne Versorgungsunterbrechung. Im Gegensatz zu radialen Systemen verringern ringbasierte Netze die Anzahl einzelner Ausfallstellen – Netze mit RMU-gestützten Ringen wiesen in einer IEC-Studie aus dem Jahr 2022 42 % weniger ungeplante Ausfälle auf.

Schalt- und Umkonfigurationsfähigkeiten von RMUs während von Netzstörungen

Bei Störungen rekonfigurieren RMUs das Netzwerk automatisch, indem sie Leistungsschalter und Lasttrennschalter öffnen oder schließen. Diese bidirektionale Steuerung leitet die Energie innerhalb von Millisekunden um und minimiert so Ausfallzeiten. Beispielsweise verschieben RMUs bei einem Transformatorenversagen die Lasten auf benachbarte Abschnitte, während sie die fehlerhafte Einheit isolieren.

Fallstudie: Durch RMUs ermöglichte Resilienz in dicht besiedelten asiatischen Megastädten

Der Tokioter Stadtteil Shibuya installierte 48 Mittelspannungs-RMUs vor der Taifunsaison 2023 und verringerte dadurch die Dauer von Stromausfällen um 79 %, obwohl die Anzahl der Störfälle um 35 % stieg. Eine ähnliche Strategie in Seoul reduzierte wetterbedingte Ausfallzeiten um 62 %, wie in einer netzresilienzanalyse städtischer Stromversorgungssysteme .

Betriebliche Vorteile des bidirektionalen Energiemanagements mittels RMUs

Moderne RMUs unterstützen Rückstromfluss, was für die Integration von Solarparks und EV-Ladezentren unerlässlich ist. Diese Fähigkeit ermöglicht eine Lastverteilung und berücksichtigt dezentrale Erzeugung, wodurch die Optimierung von Verteilnetzen im Rahmen der Energiewende unterstützt wird.

Integrierte Schutzfunktionen gegen elektrische Fehler

Schutz vor Kurzschlüssen und Überlastungen: Kernfunktionen von Mittelspannungs-Schaltanlagen (RMU)

Mittelspannungs-Schaltanlagen schützen Netze durch mehrschichtigen Schutz. Lichtbogenerkennungsmodule identifizieren gefährliche Lichtbögen innerhalb von 3 Millisekunden ( Fuji Electric 2023 ), während thermomagnetische Auslöseeinrichtungen Fehlerströme bis zu 25 kA abdecken. Dieser zweifache Ansatz gewährleistet Spannungseinbrüche von <3 % bei transienten Überlastungen und sichert so die Betriebskontinuität für nachgeschaltete Geräte.

Erweiterter Fehlereinbau mit integrierten Schutzrelais in RMUs

Mikroprozessorbasierte Relais analysieren Stromdifferenzen und Oberschwingungsmuster und erreichen dabei eine Genauigkeit von 99,2 % bei der Unterscheidung echter Fehler von transienten Spannungsspitzen (IEC 62271-2023). Im Vergleich zu elektromechanischen Relais reduzieren sie Fehlauslösungen um 47 %. Eine Selbstdiagnosefunktion überprüft alle 15 Minuten die Integrität des Relais und stellt somit jederzeit einsatzbereite Funktion sicher.

Abwägung zwischen hoher Zuverlässigkeit und Komplexität bei der Schutzkoordination in RMUs

Fortgeschrittene RMUs verwenden zonenselektives Verriegeln, um den Schutz über Segmente hinweg zu koordinieren, wodurch die gesamte Ausschaltzeit um 58 % reduziert wird, während gleichzeitig die selektive Auslösung erhalten bleibt – entscheidend in Netzen mit mehr als acht Speisepunkten. IEC-61850-kompatible Logikmodule verwalten Einstellungen über 15+ Szenarien hinweg ohne manuelles Eingreifen und vereinfachen so den Betrieb.