Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) ist ein Verfahren zur Übertragung von elektrischer Energie mit Gleichstrom hoher Spannung von über 100 kV. Der in der Praxis gelegentlich verwendete englische Begriff lautet HVDC (high voltage direct current).
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Einteilung
Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung wird zur elektrischen Energieübertragung in folgenden Anwendungsbereichen eingesetzt:
- Beträgt die Übertragungslänge des Gleichstroms nur wenige Meter und sind beide Stromrichter im gleichen bzw. unmittelbar benachbarten Gebäuden untergebracht, spricht man von einer HGÜ-Kurzkupplung (Gleichstromkurzkupplung, GKK). Diese Form dient dem direkten elektrischen Energieaustausch zwischen Dreiphasenwechselstromnetzen welche zueinander nicht mit synchroner Netzfrequenz betrieben werden und unterschiedlichen Regelbereichen zugeordnet sind. Beispiele dafür sind die von 1993 bis 1995 in Deutschland betriebene GKK Etzenricht oder in Kanada mehrere GKKs zwischen dem zu allen Nachbarnetzen asynchronen Drehstromnetz der Hydro-Québec [1].
- Sie dient der Energieübertragung mittels Gleichstrom über weite Entfernungen, dies sind Entfernungen von rund 750 km aufwärts, da die HGÜ ab bestimmten Entfernungen trotz der zusätzlichen Konverterverluste in Summe geringere Verluste als die Übertragung mit Dreiphasenwechselstrom aufweist. Beispiele sind die bei Endausbau 2400 km lange HGÜ Ekibastus-Zentrum in Sibirien oder die über 1000 km lange HGÜ Québec–New England zwischen Kanada und den USA.
- Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung dient des Weiteren der Energieübertragung über vergleichbare kurze Distanzen von einigen 10 km bis zu einigen 100 km, wenn das elektrische Übertragungskabel konstruktionsbedingt einen sehr hohen kapazitiven Belag aufweist. Dies ist typischerweise bei Seekabeln oder auch bei Erdkabeln der Fall, weshalb sich HGÜ-Systeme in Europa fast ausnahmslos in diesem Anwendungsbereich finden. Beispiele sind das Seekabel NorNed zwischen Norwegen und den Niederlanden oder das Seekabel Baltic Cable zwischen Norwegen und Deutschland.
- Daneben wird die Technik der HGÜ in kleineren Umfang auch für Sonderlösungen wie zur Enteisung von Freileitungen angewandt, wie bei dem Levis Enteiser in Kanada.
In der Liste der HGÜ-Anlagen findet sich eine tabellarische Auflistung realisierter Anlagen.
Geschichte
Der erste Versuch einer Fernübertragung mit Gleichstrom fand 1882 von Miesbach nach München statt. Kleinere und eher der Mittelspannung zuzurechnende GÜ-Anlagen entstanden ab den 1890er Jahren besonders in Italien und der Schweiz, beispielsweise St-Maurice–Lausanne (22 kV, 3,7 MW, 60 km; 1897). Die erste HGÜ-Anlage war das Lyon–Moutiers-System mit 150 kV bipolarer Spannung, 14,7 MW Übertragungsleistung und 200 km Länge. Die Anlage war von 1906 bis 1936 in Betrieb und funktionierte ohne Umrichtwerke. Der Strom wurde mittels in Reihe geschalteter Gleichstromgeneratoren direkt in einem Wasserkraftwerk bei Moutier erzeugt und von Gleichstrommaschinen in Lyon verbraucht.[2]
Die erste deutsche HGÜ-Anlage war die nie in Betrieb gegangene bipolare Kabelübertragung des Elbe-Projekts zwischen Dessau und Berlin 1945 (symmetrische Spannung von 200 kV gegen Erde, maximale Übertragungsleistung 60 MW). Diese Anlage wurde von der sowjetischen Besatzungsmacht abgebaut und 1950 zum Aufbau einer 100 Kilometer langen, monopolaren Hochspannungsgleichstromleitung mit einer Übertragungsleistung von 30 MW und einer Betriebsspannung von 200 kV zwischen Moskau und Kaschira genutzt. Diese Leitung ist inzwischen stillgelegt.
Im Westen wurde die erste HGÜ-Anlage 1954 zwischen der schwedischen Insel Gotland und dem schwedischen Festland in Betrieb genommen. Die älteste noch bestehende HGÜ-Anlage ist die Konti-Skan 1 zwischen Dänemark und Schweden.
1972 wurde im kanadischen Eel River die erste HGÜ-Anlage mit Thyristoren in Betrieb genommen und 1975 in England die HGÜ Kingsnorth zwischen dem Kraftwerk Kingsnorth und der Innenstadt von London mit Quecksilberdampfgleichrichtern. Das Fenno-Skan zwischen Schweden und Finnland wurde 1989 in Betrieb genommen.
In Deutschland entstand von 1991 bis 1993 die erste HGÜ-Anlage in Form der HGÜ-Kurzkupplung in Etzenricht. 1994 ging die 262 Kilometer lange Gleichstromleitung Baltic Cable zwischen Lübeck-Herrenwyk und Kruseberg in Schweden in Betrieb, der 1995 die 170 Kilometer lange vollständig verkabelte Kontek zwischen Bentwisch bei Rostock und Bjæverskov in Dänemark folgte.
Mit 580 Kilometern ist die Ende September 2008 eingeweihte NorNed genannte Verbindung zwischen Feda in Norwegen und Eemshaven in den Niederlanden derzeit (2008) längste Unterseeverbindung dieser Art. Die Betreiber sind Statnett und Tennet.[3]
Mit einer Übertragungsleistung von 5000 MW und der derzeit höchsten Übertragungsspannung von ±800 kV entsteht zwischen den chinesischen Provinzen Guangdong und Yunnan die HGÜ Yunnan-Guangdong. Die Anlage soll bis Mitte 2010 ihren kommerziellen Betrieb aufnehmen.
Zu den größten Herstellern von HGÜ-Anlagen zählen die Firmen Areva, Siemens und Asea Brown Boveri (ABB).
Technischer Hintergrund
Elektrische Energie wird in Kraftwerken fast immer durch Generatoren erzeugt, die Dreiphasenwechselstrom herstellen. Die Frequenz beträgt in Westeuropa 50 Hz, in vielen Staaten Amerikas 60 Hz. Zu Zeiten des Eisernen Vorhanges schwankte in Osteuropa die Netzfrequenz abhängig von der Belastung vergleichsweise stark zwischen 48 und 52 Hz. Seit dem Zusammenschluss osteuropäischer Staaten im europäischen Verbundsystem („Synchronschluss“) im Jahr 1995 unter Kontrolle der Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity sind diese Schwankungen auch in jenen Ländern beseitigt.
Die Übertragung großer Leistung (etwa 1000 MW) über Entfernungen von einigen 100 km über finanzierbare Drahtdurchmesser erzwingt Ströme unter 5000 A und damit sehr hohe Spannungen von über 400 kV. Diese lassen sich bei Wechselstrom im Kraftwerk mit sehr gutem Wirkungsgrad durch Leistungstransformatoren erzeugen. Am Ende der Freileitung muss diese Hochspannung in Umspannwerken auf niedrigere Wechselspannungen wie 110 kV oder Mittelspannungen im Bereich von 10 bis 30 kV heruntertransformiert werden.
Bei Gleichspannung besteht die Möglichkeit der einfachen und wirkungsvollen Transformation nicht. Es werden zusätzlich zu Transformatoren auf Wechselspannungseite hochspannungstaugliche und technisch aufwendige Wechselrichter, eine Form von speziellen Gleichrichtern, benötigt. Diese Wechselrichteranlagen werden in der so genannten Konverterhalle untergebracht.
Bei der Wechselstromübertragung ist eine Grundvoraussetzung, dass die Kapazität zwischen den Leitungen klein bleibt, das man mittels einem gewissen Abstand erreicht, um die Blindleistung gering zu halten. In Seekabeln ist diese Bedingung (Abstand) nicht erfüllbar. In diesem Fall bringt die Übertragung mit Gleichstrom große Vorteile, so dass der damit verbundene hohe technische Aufwand gerechtfertigt ist.
Stromrichteranlagen
An beiden Enden einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage befindet sich eine Stromrichterstation, auch Konverterstation genannt. Sie enthält neben den Steuerungsanlagen im Wesentlichen die Stromrichter, sowie meist im Außenbereich neben der Halle die Stromrichtertransformatoren sowie Glättungsdrosseln und Oberschwingungsfilter. Die verwendeten Stromrichter können im Regelfall in beide Richtungen sowohl als Gleich- oder Wechselrichter arbeiten und so die Richtung des Lastflusses festlegen. Es gibt auch spezielle HGÜs wie die Pacific DC Intertie an der Westküste der USA, welche die elektrische Leistung nur in einer Richtung übertragen kann.
Der Innenraum einer HGÜ-Stromrichterhalle mit dem Wechselrichter ist im Regelfall wegen der elektromagnetischen Verträglichkeit komplett metallisch vom Außenbereich geschirmt und kann im Betrieb nicht betreten werden. Als Stromrichter werden in modernen Anlagen in Zwölfpulsschaltung geschaltete Thyristoren und seit neuestem auch IGBTs verwendet. In alten Anlagen kamen Quecksilberdampfgleichrichter mit sehr großer Bauweise zum Einsatz. Um die erforderlichen Sperrspannungen von über 500 kV zu gewährleisten, werden jeweils mehrere Dutzend Thyristoren/IGBT in Reihe geschaltet, da die Sperrspannung pro Thyristor/IGBT technologisch bedingt nur einige kV beträgt. Alle in Reihe geschalteten Thyristoren müssen fast gleichzeitig binnen einer Mikrosekunde durchschalten, um einen Schaden infolge ungleicher Spannungsaufteilung am Wechselrichter zu vermeiden.
Die Thyristoren oder IGBT werden wegen der starken elektromagnetischen Störungen im Innenraum der Halle nicht direkt elektrisch mittels Kupferkabeln, sondern mit Glasfaserlichtleitern angesteuert. Die Störungen sind Folge der hohen Änderungsrate der Spannung, gleichzeitig wird dabei eine Potentialtrennung zwischen Ansteuereinheit und den auf Hochspannungspotential befindlichen Thyristoren erreicht. Bei den heute nicht mehr im regulären Betrieb befindlichen Anlagen mit Quecksilberdampfgleichrichtern erfolgte die Übermittlung der Zündimpulse mittels Hochfrequenz.
Zur Abführung der Verlustleistung von den Thyristoren werden flüssige Kühlmittel wie reines Wasser verwendet, das in elektrisch isolierten Rohrsystemen durch die Konverterhalle zu den einzelnen Thyristoren gepumpt wird. Die Verlustwärme wird im Außenbereich der Halle in Form von Wärmetauscher an die Umgebungsluft abgegeben.
Die Glättungsspule am Gleichstromausgang dient dazu, die Restwelligkeit des Gleichstroms zu reduzieren. Sie kann als Luft- oder Eisendrossel ausgeführt sein. Ihre Induktivität beträgt ca. 0,1 H bis 1 H.
Mit den Transformatoren auf Wechselspannungsseite wird nicht nur die hohe Spannung erzeugt, sie unterdrücken daneben mit ihrer Induktivität und Schaltungsweise (Serienschaltung von Dreieck- und Sternschaltung) auch bereits zahlreiche überlagerte Oberschwingungen des angelieferten Stromes. Die Oberschwingungsfilter auf der Drehstromseite unterdrücken ihrerseits weitere unerwünschte Oberschwingungen. Bei Anlagen in Zwölfpulsschaltung müssen sie nur die 11., die 13., die 23. und die 25. Oberschwingung unterdrücken. Hierfür reichen auf die 12. und 24. Oberschwingung abgestimmte Saugkreise aus.
Leitungsanlagen und Erder
Die Übertragung kann sowohl monopolar als auch bipolar erfolgen. Monopolar bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Gleichspannung mit einem bestimmten Nennwert wie z.b. +450 kV vorliegt, wobei ein Pol geerdet ist und daher ein Leiterseil, mit Erde als Rückleiter, ausreicht. Bipolar bedeutet, dass im Gegensatz zur monopolaren HGÜ zwei Leiter eingesetzt werden müssen: Ein Leiter, der gegenüber dem Erdpotential eine positive Spannung aufweist, und ein Leiter, der gegenüber dem Erdpotential eine negative Spannung aufweist, beispielsweise ±450 kV. In diesem Fall beträgt die Gleichspannung zwischen den beiden Leitern die doppelte Spannung, wie zwischen einem Leiter und Erde, also in diesem Beispiel 900 kV.
Bei einer bipolaren Anlage dient die Erdung des Mittenpotentials dazu, Schäden an der Isolation zufolge einer ungleichmäßigen Spannungsaufteilung zwischen den Leitern zu vermeiden, da die Isolation der beiden Leiter gegen Erdpotential erfolgt. Der Erder führt bei bipolaren Anlagen keinen Betriebsstrom, sondern nur einen kleinen Ausgleichstrom. Bei einer monopolaren HGÜ wird der Betriebsstrom der Anlage von einigen Kiloampere über den Erder geführt. Entsprechend großräumig, mit einer Ausdehnung von einigen Kilometern, muss die Erderanlage ausgeführt sein und gut leitfähig, beispielsweise in Küstennähe im Meer oder im Bereich von Flüssen, im Erdreich verankert sein. Wie bei jedem Erder ist für einen geringen Erdungswiderstand primär die Fläche und Form des Erders und die elektrische Leitfähigkeit in unmittelbarer Nähe des Erders bestimmend. Aufgrund der großen Querschnittsfläche spielt die elektrische Leitfähigkeit des restlichen Erdmaterials zwischen den beiden Erderelektroden der weit voneinander entfernten HGÜ-Konverteranlagen keine Rolle.
Außerdem kommt es, da es sich um Gleichstrom handelt, je nach Stromrichtung und verwendetem Material zu einer elektrolytischen Zersetzung am Erder. Insbesondere die Anode unterliegt einem Zersetzungsprozess, ähnlich einer Opferanode, weshalb sie beispielsweise aus Petrolkoks oder in Form von Titannetzen ausgeführt sind. Kathoden können als große blanke Kupferringe ausgeführt sein. Zahlreiche bipolare Anlagen sind so ausgelegt, dass auch ein monopolarer Betrieb möglich ist. Wenn wie in diesen Fällen Elektroden sowohl als Kathode als auch als Anode dienen sollen, müssen alle korrosionsfest ausgelegt sein.
HG-Freileitungen besitzen meist zwei Leiterseile. Häufig werden monopolare Leitungen für einen späteren bipolaren Ausbau mit zwei Leiterseilen ausgestattet, die, solange der bipolare Ausbau nicht vollzogen wurde, parallel geschaltet werden oder von denen eines als Niederspannungsleiter für die Erder dient. Fast immer wird die Ein-Ebenen-Anordnung der Leiterseile angewandt.
Der Leiter für die Erdungselektrode kann auch die Funktion als Erdseil übernehmen, da er über die Erdungselektrode sehr niederohmig geerdet ist. Er muss aber, um elektrochemische Korrosion der Masten zu vermeiden, an diesen isoliert befestigt sein. Zur Ableitung von Blitzströmen sind daher Funkenstrecken an den Isolatoren nötig.
Zur Vermeidung elektrochemischer Korrosion darf die Erdungselektrode nicht unmittelbar bei der Leitungs-Trasse liegen, so dass zumindest für das letzte Stück der Elektrodenleitung eine separate Trassenführung nötig ist. Diese kann, wie auch im Fall der nicht parallelen Verlegung der Elektrodenleitung zur Hochspannungstrasse entweder als Freileitung (ähnlich wie eine Mittelspannungsleitung), als Erdkabel oder als Kombination von Freileitung und Erdkabel ausgelegt sein. Die Isolation der Elektrodenleitung ist meistens für eine Betriebsspannung von ca. 10 bis 20 kV (Mittelspannungsbereich) ausgelegt.
Vorteile
Bei den verbreiteten Dreiphasendrehstromnetzen sind stets Verbindungen mit mindestens drei Leitersträngen nötig; demgegenüber kommt die Gleichstromübertragung mit zwei, bei Nutzung der Erde als zweitem Pol sogar nur einem einzigen Leiter aus. Dies spart sowohl beim Leitungsmaterial als auch der Freileitungsanlage (Masten und Isolatoren etc.) hohe Kosten.
Die bei Wechselspannungs-Übertragung auftretenden kapazitiven Blindströme entfallen und damit auch die Erfordernis, in gewissen Abständen Kompensationsspulen entlang der Leitung vorzusehen – was insbesondere bei Seekabelübertragungen unmöglich ist. Deshalb muss beim Energietransport unter Wasser mittels Seekabel ab etwa 70 km Übertragungslänge eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung eingesetzt werden. Bei Drehstromleitungen ist eine Blindleistungskompensation der Leitung erforderlich um im Idealfall genau die natürliche Leistung zu übertragen. Diese Anforderung entfällt beim Einsatz der HGÜ.
Bei Gleichstrom tritt der Skin-Effekt nicht in Erscheinung, der bei Wechselstrom zur Stromverdrängung an die Ränder des Leitungsquerschnitts führt. Daher können die Leitungsquerschnitte besser ausgenutzt werden als bei einer vergleichbaren Wechselstromübertragung.
Bei Gleichspannung treten in der Kabelisolation keine dielektrischen Verluste auf, und Inhomogenitäten führen nicht zu Vorentladungen. Die Isolierung kann deshalb weniger aufwändig ausgeführt sein als für ein Drehstromkabel. Bei Freileitungen sind bei Gleichspannung die Verluste durch Koronaentladungen wesentlich geringer als bei einer gleich hohen Wechselspannung; sie erfordern bei Wechselspannung schon bei niedrigeren Spannungen über etwa 100 kV Bündelleiter um die Feldstärke an der Leiteroberfläche zu verringern.
Während innerhalb eines Wechselstromnetzes zwingend eine Synchronisierung erforderlich ist, entfällt dies bei der Gleichstromübertragung. HGÜ wird auch manchmal auf Zwischenverbindungen in einem großen räumlich ausgedehnten synchronen Wechselstromnetz verwendet, da durch die räumliche Ausdehnung Phasenverschiebungen auftreten können. Ein Beispiel einer solchen Strecke ist die HGÜ innerhalb des synchronen europäischen Verbundnetzes zwischen dem italienischen Ort Galatina und dem ca. 300 km entfernten Ort Arachthos in Griechenland - allerdings ist hier HGÜ schon wegen der Länge des Seekabels nötig.
Darüber hinaus muss im Gleichstromnetz die Isolation nicht auf einen Spitzenwert von 
ausgelegt werden, da bei Gleichstrom die Spitzenspannung der Effektivspannung entspricht.
Nachteile
Die Stromrichterstationen sind, im Vergleich zu Drehstromtransformatoren, sehr teuer, technologisch aufwändig und nur wenig überlastbar. Es ist sehr schwierig, in eine bestehende Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung nachträglich einen Abzweig einzufügen. Die HGÜ ist prädestiniert für die Energieübertragung zwischen nur zwei Punkten.
Bei kurzen Verbindungen sind die Verluste, die im Stromrichter entstehen, größer als die Verringerung der Verluste durch die Verwendung von Gleichstrom, weshalb die HGÜ für kurze Übertragungsstrecken nicht sinnvoll ist. Für den Betrieb einer HGÜ muss ein Energieversorgungsunternehmen zahlreiche anlagenspezifische Ersatzteile bereithalten. Der Stromrichter kann unter Umständen eine Quelle von Störungen im Stromnetz sein.
Da eine normale HGÜ mit einem netzkommutierten Wechselrichter immer induktive Blindleistung benötigt, wird ein bestehendes Drehstromnetz benötigt, um Energie zu übertragen. Benutzt man einen selbstgeführten Wechselrichter (z. B. mit Spannungszwischenkreis), kann auch ein Inselnetz (z. B. eine Bohrinsel ) betrieben werden. Die benötigte Blindleistung erzeugt der Stromrichter in Verbindung mit dem Energiespeicher im Gleichstromzwischenkreis. Wegen der starken Spannungsspitzen am Ausgang des Stromrichters ist der Einsatz eines Filters zum Schutz der Verbraucher notwendig.
Im stationären Zustand ergeben sich bei hohen Gleichspannungen ab ca. 500 kV Probleme durch Verschmutzung und Benetzung durch Regenwasser (Freiluftanlagen) auf den Isolatoroberflächen und Leiterdurchführungen: Bei hohen Wechselspannungen wird das räumliche elektrische Feld durch die Streu- und Betriebskapazitäten bestimmt; die Feldverzerrung durch leitfähige Schmutzschichten am Isolator bleibt jedoch wegen der dabei auftretenden und vergleichsweise großen kapazitiven Verschiebungsströme meist vernachlässigbar klein. Demgegenüber wird bei hoher Gleichspannung das elektrische Feld allein durch die (hohen) ohmschen Widerstände der Isolationsanordnung verändert. Eine feuchte Schmutzauflage kann daher eine Verzerrung des elektrischen Feldes entlang des Isolators verursachen, die zu einem Durchschlag längs des Isolierkörpers führen kann.
Zukunftsaussichten
Als Alternative zur konventionellen HGÜ-Technik mit Stromzwischenkreis kommen zunehmend Technologien mit Spannungszwischenkreis zum Einsatz. Dabei werden als schaltende Elemente zum Beispiel IGBTs genutzt. Solche Anlagen werden aber bisher nur für kleinere Leistungen eingesetzt.
Fraglich ist, ob es einmal Gleichspannungsleitungen mit mehr als zwei Stationen oder gar Gleichspannungsnetze geben wird. In der Theorie ist dies realisierbar, praktisch sind jedoch nur wenige solche Anlagen, wie die SACOI (HGÜ Italien-Korsika-Sardinien), ausgeführt worden, weil hierfür ein hoher Aufwand nötig ist und sich auch leicht die Übertragungseigenschaften verschlechtern können.
Siehe auch
Weblinks
Commons: HVDC – Sammlung von Bildern und/oder Videos und Audiodateien- High Voltage Direct Current Transmission, Siemens, Technische Applikationsschrift, (engl.)
Literatur
- Dietrich Oeding, Bernd R. Oswald: Elektrische Kraftwerke und Netze. Verlag Springer, Berlin 2004, ISBN 3540008632, S. 838ff (Auszug in der Google Buchsuche).
Einzelnachweise
- ↑ Outaouais Gleichstromkurzkupplung, Hydro-Québec, technische Beschreibung (engl.)
- ↑ Electrosuisse: René Thury.
- ↑ NorNed inaugurated. In: fingrid.fi. 30. September 2008, abgerufen am 24. Juli 2009..
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