Schalt- und Umspannanlage

Ein Arbeiter in blauer Schutzkleidung und Sicherheitsgeschirr steht auf einer Hebebühne und führt Wartungsarbeiten an einer Hochspannungsanlage durch. Die Anlage besteht aus zahlreichen großen braunen Isolatoren und metallenen Leitungen, die in regelmäßigen Reihen angeordnet sind. Im Hintergrund sind Stromleitungen, grüne Wiesen und Bäume zu sehen.

Schalt- und Umspannanlagen sind die Knotenpunkte unseres Übertragungsnetzes. Sie übernehmen verschiedene Aufgaben, die für den reibungslosen Betrieb unseres Netzes entscheidend sind. Ihre Hauptaufgaben sind das Ein- und Ausschalten der Stromleitungen und das Umspannen der elektrischen Energie auf eine andere Spannungsebene.

Spannung rauf oder runter – das Umspannen

Unsere Anlagen verbinden das Übertragungsnetz mit den Verteilnetzen, den Betriebsstätten großer Industrieunternehmen sowie den Stromerzeugungsanlagen. Damit der Stromtransport reibungslos funktioniert, muss die Spannung den Anforderungen der Kunden entsprechend angepasst werden. Für das Umspannen elektrischer Energie – zum Beispiel von 380 auf 110 Kilovolt – sind leistungsstarke Transformatoren zuständig.

Leitung ein oder aus – das Schalten

In unseren Schaltanlagen laufen Freileitungen und Erdkabel zusammen, die sich bedarfsgerecht ein- oder ausschalten lassen.

Das Schalten übernehmen dabei sogenannte Leistungsschalter, die im Normalbetrieb ein sicheres Abschalten des elektrischen Stroms ermöglichen. Im Fehlerfall schalten sich Teile der Anlage oder betroffene Leitungen automatisch aus. Unsere Anlagen steuern und überwachen wir von zentraler Stelle. Diese Aufgabe übernehmen unsere Ingenieur*innen in den Netzleitstellen in Rommerskirchen und Hoheneck. Bei ihnen gehen Messwerte aus allen Anlagen ein, die unter anderem darüber Auskunft geben, wie stark einzelne Leitungen ausgelastet sind. Durch diese Daten können wir sicherstellen, dass der Strom seinen Bestimmungsort erreicht und dabei unser Netz nicht überlastet. Des Weiteren überwachen wir die Höhe der Spannung sowie die Frequenz und stellen sie bedarfsgerecht ein.

Auf Nummer sicher – Redundanzen

Schaltanlagen sind bereits mehr als 80 Jahre Teil des Höchstspannungsnetzes. Ihr Aufbau und ihre einzelnen Bestandteile haben sich aber seither grundlegend weiterentwickelt. Heute arbeiten wir mit innovativen Technologien und Schaltungskonzepten, die uns zahlreiche Vorteile bieten. Dazu zählt der Betrieb unserer Anlagen mit mehreren Sammelschienen. Wir haben also Reserven beziehungsweise Redundanzen geschaffen.

Dadurch verfügen wir über mehrere Möglichkeiten, die in der Anlage ankommenden und abgehenden Stromleitungen miteinander zu verbinden. Diese Flexibilität führt auch zu einer höheren Zuverlässigkeit und Sicherheit unseres Netzes. Denn im Falle eines Fehlers können wir auf eine Reserveschiene zurückgreifen und den Strom über eine alternative Route leiten. Ein weiterer Vorteil: Durch die flexible Verschaltung der Leitungen lässt sich der Fluss der elektrischen Energie im Netz in gewissen Grenzen steuern. Das hilft uns, einzelne Leitungsabschnitte proaktiv zu steuern. Da unsere Schaltanlagen außerdem eine zusätzliche Umgehungsschiene enthalten, können wir die Leitung auch bei Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten an den Schaltern unterbrechungsfrei weiterbetreiben.

Neue Anlagen und moderne Technik

Unsere Anlagen haben zunehmend eine weitere wichtige Funktion: Sie stabilisieren das Spannungsniveau im Netz. Beim Transport von Wechselstrom bauen sich permanent magnetische und elektrische Felder auf und ab – das ist eine physikalische Eigenschaft von Wechselstromleitungen. Dafür wird die sogenannte Blindleistung benötigt. Diese belastet jedoch die Leitungen im Netz und reduziert die nutzbare Übertragungsleistung, die sogenannte Wirkleistung.

Blindleistungskompensation – Spannung stabilisieren

Bisher wurde Blindleistung vor allem durch die Generatoren von konventionellen Großkraftwerken bereitgestellt. Im Zuge der Energiewende gehen viele dieser Kraftwerke vom Netz. Gleichzeitig steigt der Blindleistungsbedarf des Netzes, weil immer größere Leistungen über große Distanzen übertragen werden müssen. Deshalb errichtet Amprion verstärkt sogenannte Blindleistungs-Kompensationsanlagen, welche die Bereitstellung von Blindleistung übernehmen. Dabei wird zwischen statischen Kompensationsanlagen (zum Beispiel Drosselspulen oder MSCDN-Anlagen) und dynamischen Kompensationsanlagen (zum Beispiel STATCOM oder rotierende Phasenschieber) unterschieden. Im Gegensatz zu statischen können dynamische Kompensationsanlagen eine stufenlos einstellbare Blindleistung abgeben oder aufnehmen und sehr schnell auf sich ändernde Netzzustände reagieren.

Die Lastflusssteuerung – Leitungen entlasten

Seit einigen Jahren wächst die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien schneller als das Übertragungsnetz. Dadurch gerät es zunehmend an seine Grenzen. Die Folge sind kostspielige Eingriffe in den Netzbetrieb. Die Kosten dafür werden über die Netzentgelte auf private Haushalte und Unternehmen umgelegt. Damit Strom aus erneuerbaren Energien zuverlässig fließen kann, setzt Amprion im Netz systematisch leistungsfähige Technologien ein, wozu auch Phasenschiebertransformatoren gehören. Mit ihrer Hilfe können die Netzbetreiber den Weg steuern, den der Strom nimmt.

Der Aufbau einer Umspannanlage

Obwohl es unterschiedliche Bauformen gibt, sind doch alle Umspannanlagen von Amprion nach einem ähnlichen Prinzip modular aufgebaut. Das sichert den effizienten Bau und Betrieb unserer Anlagen. Grundsätzlich sind die erforderlichen Schaltgeräte und Messeinrichtungen für jeden Leitungs-Stromkreis und Transformator innerhalb der Umspannanlage nah beieinander angeordnet. Wir sprechen hier von dem sogenannten Schaltfeld. Verbunden sind die Schaltfelder durch Sammelschienen und Kupplungen. Konkret besteht eine Umspannanlage aus folgenden wesentlichen Bauteilen:

Eine isometrische Illustration eines Umspannwerks. Die Anlage ist von einem Zaun umgeben und enthält mehrere Hochspannungsmasten, Transformatoren und Stromleitungen in verschiedenen Farben (blau und rot), die unterschiedliche Stromkreise darstellen. Die Leitungen verlaufen von den Hochspannungsmasten über Isolatoren und Verteilerstrukturen. Es gibt zwei große graue Transformatorstationen sowie kleinere Gebäude. Das Gelände ist grün, mit Bäumen und Sträuchern an den Rändern. — Schematischer Aufbau einer Umspannanlage

Der Weg des Stroms in der Umspannanlage

Von der ankommenden Leitung bis zur abgehenden Leitung fließt der Strom über verschiedene Schaltgeräte, Sammelschienen und Transformatoren, die die Spannung ändern. Zu jedem Leitungs-Stromkreis gehören drei Leiterseile. Erreicht der Strom die Umspannanlage, wird er deswegen über jeweils drei nebeneinander angeordnete Schaltgeräte weitergeleitet.

Eine isometrische, graue 3D-Illustration eines Transformators. Das Modell zeigt einen großen, rechteckigen Hauptkörper mit mehreren Isolatoren und Anschlüssen auf der Oberseite. Zwei größere Kästen an den Seiten könnten Kühl- oder Steuerungseinheiten darstellen. Drei hohe, schräge Isolatoren ragen aus der Oberseite heraus, vermutlich für Hochspannungsanschlüsse. Das Design ist minimalistisch und technisch gehalten. — TRANSFORMATOR Die Aufgabe der Transformatoren (kurz: Trafos) in unseren Umspannanlagen ist es, große Leistungen zwischen Netzen unterschiedlicher Spannungsebenen zu übertragen. Hierzu wandeln sie die Spannung beispielsweise von 380 Kilovolt auf 220 oder 110 Kilovolt um. Transformatoren bestehen aus einer Anordnung von Eisenblechen, die zu magnetischen Kreisen zusammengefügt sind – dem sogenannten Eisenkern. Sie sind von Kupferleitern („Wicklungen“) umgeben. Zum Transport der Abwärme sowie zur elektrischen Isolation sind Eisenkern und Wicklungen im Trafokessel vollständig von Isolieröl umgeben. Unsere größten Transformatoren haben heute eine elektrische Leistung von bis zu 600 Megavoltampere (MVA) und ein Gewicht von bis zu 450 Tonnen. Mit ihnen können wir etwa 600.000 Menschen mit Strom versorgen.

Eine isometrische 3D-Illustration. Die Struktur besteht aus einer stabilen Basis, einem gerippten Isolator in der Mitte und einem zylinderförmigen Gehäuse an der Oberseite. Das Design ist technisch und minimalistisch. — MESSWANDLER Messwandler sind die wichtigsten Messgeräte in der Umspannanlage. Sie erfassen die Spannung sowie die Stromstärke. Diese Werte werden an die örtlich installierten Schutz- und Leittechnikeinrichtungen sowie an unsere Netzleitstellen in Rommerskirchen und Hoheneck übermittelt. Unsere dortigen Ingenieur*innen erkennen unter anderem anhand dieser Werte, wie stark ein Stromkreis ausgelastet ist und wie hoch die Spannung ist.

Eine isometrische 3D-Illustration. Die Konstruktion besteht aus zwei hohen, gitternetzartigen Türmen, die oben durch einen horizontalen Träger verbunden sind. An den Spitzen der Türme verlaufen Stromleitungen. Das Design ist minimalistisch und technisch gehalten. — ABSPANNGERÜST Ein meist in Gitterkonstruktion ausgeführtes Portal, an dem sowohl die Seile der Freileitung als auch die Anlagenseile abgespannt werden. Diese Konstruktion nimmt die horizontalen Seilzugkräfte auf, trägt das Eigengewicht der Seile und muss zusätzlich den äußeren Einwirkungen wie Wind, Eis, Erdbeben oder Kurzschlüssen standhalten.

Eine isometrische 3D-Illustration. Das Modell zeigt eine vertikale Struktur mit einer stabilen Basis, einem mittleren Abschnitt mit gerippten Isolatoren und einer oberen Kappe, die von einem Schutzring umgeben ist. Das Design ist technisch und minimalistisch. — ÜBERSPANNUNGSABLEITER Der Überspannungsableiter schützt die wesentlichen Bauteile der Umspannanlage vor zu hohen elektrischen Spannungen (zum Beispiel bei Gewittern). So bewahrt er Anlagenteile wie etwa die Transformatoren vor Schäden.

Eine isometrische 3D-Illustration. Die Struktur besteht aus mehreren vertikalen Isolatoren, einer horizontalen Sammelschiene und mechanischen Komponenten zur Steuerung des Schalters. Das Design ist technisch und minimalistisch. — LEITUNGSTRENNSCHALTER Er trennt den Freileitungsstromkreis und die Umspannanlage sichtbar voneinander. Dieser Schalter darf nicht „unter Last“ – also wenn Strom fließt – geschaltet werden. Das ist vergleichbar mit dem Ziehen des Steckers eines Haushaltsgerätes – es sollte dabei stets abgeschaltet sein. Die eigentliche Stromunterbrechung erfolgt dagegen durch den Leistungsschalter.

Eine isometrische 3D-Illustration. Die Struktur besteht aus einer stabilen Basis, einem vertikalen Isolator und einer horizontalen stromführenden Leitung mit Isolatoren an beiden Enden. An der Basis ist ein kleiner Kasten angebrach. Das Design ist technisch und minimalistisch. — LEISTUNGSSCHALTER Dieses Bauteil dient als Sicherung sowie als Hauptschalter der Schaltfelder. Nur der Leistungsschalter kann die hohen Stromstärken im Regelbetrieb oder bei Kurzschlüssen schalten. Dafür ist er besonders konstruiert: Seine Kontakte laufen in einer Kapsel, die mit Isoliergas gefüllt ist. Es löscht den Lichtbogen, der beim Schalten in der Kapsel entsteht. Leistungsschalter und Trennschalter werden von den Netzleitstellen aus ferngesteuert.

Eine isometrische 3D-Illustration einer elektrischen Sammelschiene (Busbar) in einem Umspannwerk. Die Struktur besteht aus mehreren parallel verlaufenden Leitern, die von vertikalen Stützen getragen werden. Diese Sammelschienen dienen dazu, elektrische Energie zwischen verschiedenen Schaltanlagen und Transformatoren zu verteilen. Das Design ist minimalistisch und technisch gehalten. — SAMMELSCHIENE Eine Sammelschiene lässt sich mit einer Mehrfachsteckerleiste vergleichen. Sie verbindet verschiedene Schaltfelder miteinander. Eine Umspannanlage besteht meistens aus mehreren Sammelschienen. So können wir Stromkreise oder Transformatoren bedarfsgerecht flexibel in getrennten Gruppen zusammenschalten und somit die Leistungsflüsse im Netz besser steuern.

Eine isometrische 3D-Illustration eines Hochspannungs-Trennschalters. Die Struktur besteht aus einer stabilen Basis, gerippten Isolatoren in der Mitte und einem beweglichen oberen Teil mit mehreren stromführenden Leitungen. Das Design ist technisch und minimalistisch gehalten. — SAMMELSCHIENENTRENNSCHALTER Er funktioniert wie der Leitungstrennschalter und verbindet die unterschiedlichen Elemente der Umspannanlage, also die Freileitung, die Kupplung oder den Transformator, mit der Sammelschiene.

Eine isometrische 3D-Illustration eines kleinen, rechteckigen Gebäudes mit einem abgeschrägten Dach. Die Struktur ist schlicht und grau, ohne sichtbare Fenster oder Türen. . Das Design ist minimalistisch und funktional. — BETRIEBSGEBÄUDE Im Betriebsgebäude befindet sich die Schutz-, Leit- und Nachrichtentechnik. Hier laufen die Messwerte der gesamten Umspannanlage zusammen, sodass alle Elemente sehr schnell gesteuert und kontrolliert werden können. Diese Daten werden auch an unsere Leitstellen in Rommerskirchen und Hoheneck übertragen. Außerdem beherbergt das Betriebsgebäude eine eigene Stromversorgung inklusive Batterieanlagen. Sie tragen dazu bei, den störungsfreien Betrieb der Umspannanlage jederzeit zu gewährleisten.

Broschüre "Schalt- und Umspannanlagen – Knotenpunkte unseres Stromnetzes" (pdf)