Letzte Aktualisierung am 14. Januar 2025.
Dieser Beitrag(sserie) wurde von Marcel Linnemann (LinkedIn) übernommen 🙏.
Die Stromnetzführung ist mehr als nur das reine Wirkleistungsmanagement. Wenn wir unser Stromnetz fit für die Energiewende machen wollen, müssen wir das gesamte Spektrum der Elektrotechnik miteinbeziehen.
SchnelleSpannungseinbrüche: Ursachen, Herausforderungen und Auswirkungen
Spannungseinbrüche sind unvorhergesehene Ereignisse und können zu einer Vielzahl von Problemen führen, die von Funktionsbeeinträchtigungen bis hin zu Prozessstillständen reichen. In diesem Beitrag beleuchten wir die verschiedenen Auswirkungen schneller Spannungseinbrüche auf elektrische Systeme.
Funktionsbeeinträchtigungen:
Schnelle Spannungseinbrüche können zu erheblichen Funktionsbeeinträchtigungen in elektrischen Geräten und Anlagen führen. Viele elektronische Komponenten sind empfindlich gegenüber Spannungsschwankungen und können bei einem plötzlichen Einbruch beschädigt werden. Dies kann zu Fehlfunktionen führen, die von vorübergehenden Aussetzern bis hin zu dauerhaften Schäden reichen können. Insbesondere elektronische Steuerungen und Sensoren sind gefährdet und können ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit verlieren.
Prozessstillstand:
In industriellen Umgebungen können schnelle Spannungseinbrüche zu einem kompletten Stillstand von Produktionsprozessen führen. Maschinen und Anlagen, die für ihren Betrieb eine konstante Stromversorgung benötigen, können bei einem Spannungseinbruch abrupt stoppen. Dies kann nicht nur zu Produktionsausfällen führen, sondern auch zu Materialverschwendung und finanziellen Verlusten für Unternehmen.
Unterspannungsauslösungen:
In elektrischen Netzwerken können schnelle Spannungseinbrüche zu Unterspannungsauslösungen führen, bei denen Schutzvorrichtungen wie Leistungsschalter oder Relais aktiviert werden. Diese Schutzvorrichtungen reagieren auf Unterspannungen, indem sie den Stromfluss unterbrechen, um die angeschlossenen Geräte und Anlagen zu schützen. Während dies dazu beitragen kann, Schäden zu vermeiden, kann es auch zu unerwünschten Unterbrechungen im Betrieb führen, insbesondere wenn die Schutzvorrichtungen zu sensibel eingestellt sind.
Schalterfall:
Ein weiteres Problem, das bei schnellen Spannungseinbrüchen auftreten kann, ist der Schalterfall. Dies tritt auf, wenn Spannungseinbrüche dazu führen, dass Schalter oder Schütze ungewollt ausgelöst werden. Dies kann zu unerwünschten Unterbrechungen im Stromkreis führen, die wiederum zu Störungen im Betrieb oder sogar zu Beschädigungen von Geräten führen können.
Schützflattern:
Schütze sind elektromechanische Schalter, die häufig in elektrischen Steuersystemen eingesetzt werden. Bei schnellen Spannungseinbrüchen können Schütze flattern, was bedeutet, dass sie schnell ein- und ausschalten. Dieses Flattern kann zu Überlastungen führen und die Lebensdauer der Schütze verkürzen. Darüber hinaus kann es zu Störungen in den Steuerungssystemen führen, die zu unvorhersehbarem Verhalten von Maschinen und Anlagen führen können.
Schnelle Spannungseinbrüche erfordern somit eine zuverlässige Stromversorgung und Schutzmaßnahmen und sind für eine steigende Anzahl von Mikrounterbrechungen verantwortlich (<3 Minuten, die von der SAIDI-Statistik nicht erfasst werden).
Spannungsbandverletzungen und die Energiewende
Kein stabiles Stromnetz ohne eine stabile Spannung. Damit es zu keiner Beschädigung von Betriebsmitteln kommt, ist eine stabile Spannung zwingende Voraussetzung. Das Toleranzband im Niederspannungsnetz beträgt aktuell +- 10% und ist von den Netzbetreibern einzuhalten.
Zu Spannungsbanderhöhungen kann es kommen, wenn dezentrale Erzeugungsanlagen in das öffentliche Stromnetz einspeisen. Spannungsbandabfälle können hingegen durch einen stärken Verbrauch hervorgerufen werden. Da sich Spannungsbandverletzungen nicht immer vermeiden lassen, sind die technischen Anlagen gegen Grenzwertverletzungen abzusichern, um für einen gewissen Zeitraum am Netzanschlusspunkt sicher betrieben werden zu können.
Wie auch bei der Frequenz ist der Zeithorizont entscheidend. Denn im Gegensatz zur Frequenz, die überall im Netz 50 Hz beträgt und Frequenzabweichungen schnell das gesamte Netz betreffen, wirken sich Spannungsbandverletzungen regional auf einzelne Netzabschnitte aus.
Zur Stabilisierung der Spannung wird auf der Übertragungsnetzebene auf das Blindleistungsmanagement zurückgegriffen. Durch eine Erhöhung der Blindleistung kann die Spannung angehoben werden, wobei die Blindleistung meist durch konventionelle Kraftwerke bereitgestellt wird. Im Verteilnetz kann die Spannungshaltung auch über das Wirkleistungsmanagement erfolgen, durch das Abregeln von Erzeugern oder Verbrauchern. Alternativ könnten die Anlagen aber auch verpflichtet werden, Blindleistung über eine Änderung des Leistungsfaktors cos(phi) bereitzustellen, sofern die Wechselrichter dies unterstützen.
Durch den Wegfall der konventionellen Kraftwerke muss die Bereitstellung der Blindleistung vermehrt auf regionaler Ebene in den Verteilnetzen erfolgen. Ein Baustein kann sicherlich die Umsetzung des §14a sein, mit der die Wirkleistung der Netznutzer gedrosselt, genauso sind aber auch alternative Maßnahmen wie der Einsatz von Spannungsregeln, intelligenten Wechselrichtern etc. möglich. Das Managen des Spannungsbandes wird somit vermehrt in den Fokus der VNBs rücken. Der Aufbau eines Netzüberwachungssystems (ob nun zentral oder dezentral) ist daher die logische Konsequenz.
Die schnelle Ausbreitung von Fehlern im Stromnetz
Herausforderungen und Lösungsansätze
In einem elektrischen Stromnetz können sich Fehler unglaublich schnell ausbreiten und ernsthafte Konsequenzen haben. Ein kleiner Fehler an einer Stelle kann sich rasch zu einem großflächigen Problem entwickeln, das ganze Regionen lahmlegt. Die Geschwindigkeit, mit der sich Fehler im Netz ausbreiten, ist beeindruckend und alarmierend zugleich.
Ein typisches Szenario: ein Stromausfall in einer Nachbarschaft aufgrund eines Kurzschlusses oder eines überlasteten Transformators. Dieser lokale Fehler kann sich in Sekundenschnelle auf benachbarte Bereiche ausbreiten. Durch die hohe Belastung des Netzes versuchen andere Stromquellen, die entstandene Lücke zu füllen, was oft zu einer Überlastung führt. Dies wiederum kann zu weiteren Kurzschlüssen oder Ausfällen führen.
Die Geschwindigkeit, mit der sich Fehler verbreiten, wird durch die hohe Leitfähigkeit von Strom und die schnelle Reaktionszeit der Schutzmechanismen im Netz verstärkt. Moderne Stromnetze sind mit automatischen Schutzvorrichtungen ausgestattet, die dazu beitragen, die Ausbreitung von Fehlern zu begrenzen und größere Schäden zu verhindern. Doch selbst diese Systeme haben ihre Grenzen.
Ein weiterer Faktor, der die Ausbreitung von Fehlern beschleunigt, ist die zunehmende Vernetzung und Interdependenz von Stromnetzen. Durch den Austausch von Energie zwischen verschiedenen Regionen können Fehler leicht von einem Netz auf ein anderes übergreifen und so die Auswirkungen eines lokalen Problems verstärken.
Um die Ausbreitung von Fehlern im elektrischen Stromnetz zu minimieren, sind daher eine kontinuierliche Überwachung, eine schnelle Reaktion und robuste Schutzvorrichtungen unerlässlich. Dennoch bleibt die Geschwindigkeit, mit der sich Fehler ausbreiten können, eine konstante Herausforderung für die Stromnetzbetreiber weltweit.
💡 In elektrischen Leitungen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit kleiner. Als Richtwert kann eine 0,65-fache Lichtgeschwindigkeit in einem Energiekabel angenommen werden.
(ca. 200.000 km / 1 Sekunde oder 200km / 1 ms oder 2km / 0,01ms)
💡 Die Geschwindigkeit, mit der Fehler sich im Stromnetz ausbreiten, ist beeindruckend und kann schwerwiegende Folgen haben. Investitionen in Überwachung und schnelle Reaktion sind entscheidend, um Schäden zu minimieren. Denn in der Welt der Elektrizität zählt nicht nur die Kraft, sondern auch die Geschwindigkeit.
1 km Entfernung zwischen zwei Messstellen (Einspeisung oder Verteilung) entspricht einer Fehlerlaufzeit eines Ereignisses von ca. 5 Mikrosekunden. Ein Winkelfehler von 1° (z. B. bei einem Trafo) entspricht einer Fehlerlaufzeit von 55 Mirkosekunden und einer Entfernung von 11 km.
