Alles gere­gelt

Span­nungs­schwan­kungen und schlechte Netz­qua­lität: Indus­trie­be­triebe müssen sich selbst davor schützen. Gere­gelte Trans­for­ma­toren helfen dabei.


Blackout. Das Strom­netz bricht zusammen. Der Verkehr kolla­biert, weil Ampeln still­stehen. Die Wasser­ver­sor­gung kommt zum Erliegen, weil Pumpen nicht mehr laufen. Zapf­säulen liefern kein Benzin mehr und nach einem Tag setzt in den Kran­ken­häu­sern die Notstrom­ver­sor­gung aus. Auch die Kühlung der Brenn­ele­mente in Kern­kraft­werken braucht Strom. Ein Super-GAU droht.

Solche Horror­sze­na­rien ernten in der breiten Öffent­lich­keit große Aufmerk­sam­keit. Doch es muss nicht immer gleich die maxi­male Kata­strophe sein. Für viele Indus­trie­be­triebe sind die alltäg­li­chen Spannungs­schwankungen schon Ärger genug. Vor allem dann, wenn sie zu Produk­ti­ons­aus­fällen oder gar Schäden an elek­tri­schen Anlagen oder Produktions­mitteln führen. Spannungs­schwankungen sind ein welt­weites Phänomen – nicht nur in den per se schwä­cheren Netzen der Entwick­lungs- und Schwel­len­länder. Auch die hoch entwi­ckelten Netze der Indus­trie­na­tionen leiden unter wach­sender Vola­ti­lität. So verur­sa­chen hier vor allem Erzeuger erneu­er­barer Ener­gien Schwan­kungen der Netz­span­nung.

Der Wind weht nicht immer mit der glei­chen Stärke und Wolken sorgen für eine ständig schwan­kende Einspei­sung durch Fotovoltaik­anlagen. Fahren dann noch große Verbrau­cher wie Alumi­ni­um­werke die Schmelze an, sinkt die Span­nung und die kann nur durch eine erhöhte Einspei­sung wieder ausge­gli­chen werden. Dazu kommt, dass die Über­wa­chung der Netze ausschließ­lich auf der Mittel­spannungs­ebene orga­ni­siert ist. Treten dort Schwan­kungen auf, wird in den Umspann­werken nach­ge­re­gelt. Schwan­kungen auf der Nieder­spannungs­ebene bleiben hingegen von den Versor­gern oft unbe­merkt, weil eine syste­ma­ti­sche Über­wa­chung fehlt.

Beispiel RWE

RWE betreibt im Tagebau Hambach eine 400-Kilo­watt-Sümp­fungs­pumpe, damit der Braun­koh­le­bagger trockene Füße behält. Schalt­vor­gänge oder Last­än­de­rungen belas­teten das 6‑Ki­lo­volt-Netz. Das halten die Experten der RWE nun mit dem ECOTAP® VPD® von Rein­hausen sauber.

SICHERHEIT FÜR INDUSTRIEBETRIEBE

Gleich­zeitig reagieren die elek­tro­ni­schen Steue­rungen von Anlagen und Maschinen immer sensi­bler auf diese Schwan­kungen. Ob Indus­trie­be­triebe effi­zient und zuver­lässig produ­zieren können, hängt also zuneh­mend von der Einhal­tung eines vorge­ge­benen Span­nungs­bandes ab. Alle Abwei­chungen führen auto­ma­tisch zu Störungen der Produk­ti­ons­pro­zesse. Selbst wenn sie nur Bruch­teile einer Sekunde dauern, schalten die empfind­li­chen Frequenzum richter viele Maschinen ab, die dann wieder hoch­ge­fahren werden müssen. Bei länger anhal­tenden Verlet­zungen des Span­nungs­bandes ist der Schaden noch größer, denn entspre­chend längere Still­stands­zeiten sind die Folge; beson­ders proble­ma­tisch zum Beispiel in Glas- oder Stahl­werken. Da Netz­kunden Geräte und Anlagen nahezu beliebig und meist ohne Rück­sprache mit dem Netz­be­treiber anschließen und betreiben, sind die Betreiber besten­falls in der Lage, die Qualität der Versor­gungs­span­nung in einem statis­ti­schen Rahmen unter Kontrolle zu halten.

Somit besteht zwar in modernen Netzen ein geringes Risiko, dass ein Gerät ausfällt, doch liegt die Beto­nung auf „gering“. Die Frage ist also nicht, ob es zu schwan­kungs­be­dingten Störungen im Produk­ti­ons­pro­zess kommt, sondern wie schwer­wie­gend sie sein können. Wenn dieses tech­nisch unver­meid­bare Rest­ri­siko im Einzel­fall abge­si­chert werden soll, müssen entspre­chende Maßnahmen dort einge­leitet werden, wo der Bedarf besteht, in diesem Fall direkt an der Versor­gung der Produk­tion auf Unter­neh­mens­seite. Indus­trie­un­ter­nehmen, die auf Nummer sicher gehen wollen, müssen die Span­nungs­qua­lität also selbst in die Hand nehmen.

Frank Tiepner, Leiter Produk­ti­ons­technik bei der SBG (rechts) und Michael Bühnert, Leiter Vertrieb Deutsch­land bei der SBG. (© Thomas Abé)

EIGENE NETZE SELBST SICHERN

Das hat im vergan­genen Jahr auch die Säch­sisch-Baye­ri­sche Stark­strom-Gerä­tebau GmbH (SBG) getan. Dort kam es 2017 zu einem dras­ti­schen Abfall der Span­nung. Frank Tiepner, der bei dem führenden Hersteller von Verteil­trans­for­ma­toren und Sonder­ge­räten die Produk­ti­ons­technik verant­wortet, berichtet, wie die Störung zum Umdenken führte: „Dass die Span­nung inner­halb des Bandes schwankt, konnten wir über die Jahre hinweg immer wieder an den Mess­ge­räten in den Unter­ver­tei­lungen ablesen.“

Etliche Male seien Maschinen in Störung gegangen und der Grund dafür habe sich nicht einwand­frei bestimmen lassen: „Ob nun Span­nungs­schwan­kungen oder ein Kurz­schluss im Netz dafür verant­wort­lich waren oder ein anderer Abnehmer ein Netz­pro­blem verur­sacht hatte, lässt sich im Einzel­fall nicht fest­stellen. In der Regel konnten wir die Maschinen aber gleich wieder hoch­fahren und die Produk­tion fort­setzen.“ Doch Anfang 2017 kam es anders.

BEISPIEL SBG

SBG (Säch­sisch-Baye­ri­sche Stark­strom-Gerä­tebau GmbH) sichert das Firmen­netz mit drei parallel geschal­teten, gere­gelten Verteil­trans­for­ma­toren ab. Durch Spannungs­schwankungen bedingte Produk­ti­ons­aus­fälle gehören damit der Vergan­gen­heit an. Frank Tiepner, Leiter Produktions­technik bei der SBG, sichert die Produk­tion mit dem RONT ab. Michael Bühnert, Leiter Vertrieb Deutsch­land, sorgt dafür, dass die Kunden der SBG von dem Know-how profi­tieren.

Der Versorger hatte Baumaß­nahmen am Netz durch­ge­führt, die die Span­nung massiv durch­ein­an­der­brachten. Tiepner berichtet: „Die Span­nung fiel auf unter 350 Volt und wir konnten nur noch zuschauen, wie sich eine Maschine nach der anderen verab­schie­dete und die Produk­tion in weiten Teilen zum Erliegen kam. Das hat uns damals wach­ge­rüt­telt. In einem großen Betrieb muss man auf so was reagieren. Deshalb haben wir Möglich­keiten geprüft, unser firmen­in­ternes Netz für solche Fälle selbst abzu­si­chern.“

Tiepner begab sich mit seinen Kollegen auf die Suche nach der wirt­schaft­lichsten Vari­ante. Schnell war klar, dass es nur eine Lösung geben konnte: Die drei parallel geschal­teten, unge­re­gelten Verteil­trans­for­ma­toren, die das firmen­in­terne Netz versorgten, mussten verschwinden. Statt­dessen sollten drei regel­bare Orts­netz­trans­for­ma­toren von SBG mit ECOTAP® VPD® den Job über­nehmen. „Mit Blick auf unsere vorhan­dene Infra­struktur war der SBG-RONT mit Abstand die wirt­schaft­lichste Vari­ante, denn der ECOTAP® VPD® erlaubt den Bau gere­gelter Trans­for­ma­toren, die exakt den glei­chen Foot­print haben wie die unge­re­gelte Vari­ante. Im Grunde ist das dann fast nur noch Plug-and-play.

„Und dann fiel die Span­nung auf unter 350 Volt und wir konnten nur noch zuschauen, wie sich eine Maschine nach der anderen verab­schie­dete.“Frank Tiepner

Die Aufstell- und Anschluss­be­din­gungen sind iden­tisch, einfa­cher geht’s im Grunde nicht. Die Haupt­ver­tei­lung mit den teuren Leis­tungs­schal­tern, das Sammel­schie­nen­system, das auf die Einspei­sung der drei Trans­for­ma­toren ausge­legt ist – nichts mussten wir verän­dern.“

Mit der Paral­lel­schal­tung von RONTs betrat die SBG tech­ni­sches Neuland. Unter anderem für diese Schal­tung hatte Rein­hausen die Steue­rung ECOTAP® VPD® CONTROL PRO (siehe Kasten) entwi­ckelt. Um sicher­zu­stellen, dass die Schalter aller drei Trans­for­ma­toren gleich­zeitig iden­ti­sche Schalt­vor­gänge vornehmen und es nicht zu Stufen­dif­fe­renzen kommt, baut die Steue­rung einen Master-Slave-Betrieb auf. Das heißt, einer der Schalter gibt das Regel­kom­mando an die beiden anderen und stellt so einen reibungs­losen Betrieb sicher. Auch von den weiteren Möglich­keiten der Steue­rungs­ein­heit zeigt sich Frank Tiepner beein­druckt: „Die Steue­rung lässt sich über eine Webober­fläche sehr tief program­mieren. Es gibt zudem eine große Band­breite, wie wir die Trans­for­ma­toren regeln, über­wa­chen und steuern können.“

Das Ziel, die Netz­sta­bi­lität zu garan­tieren, sieht Tiepner heute als erreicht an. „Parallel geschal­tete Trans­for­ma­toren sind auch in Indus­trie­be­trieben die Regel. Auf Primär- und Sekun­där­seite parallel geschal­tete, gere­gelte Verteil­trans­for­ma­toren sind dagegen ein abso­lutes Novum.“ Michael Bühnert, Leiter Vertrieb Deutsch­land bei der SBG, ergänzt: „Von dem tech­no­lo­gi­schen Know-how, das wir uns zusammen mit MR aufge­baut haben, profi­tiert heute schon eine Viel­zahl unserer Kunden und immer mehr setzen die SBG-RONTs mit Rein­hausen-Rege­lungs­technik im Indus­trie­be­reich ein.“

BEISPIEL SE & EC

SE & EC Shihlin Elec­tric & Engi­nee­ring Corpo­ra­tion mit Sitz in Taiwan liefert Trans­for­ma­toren an Kunden in ganz Südost­asien. Indus­trie­be­triebe haben dort häufig mit schwa­chen Netzen und extremen Spannungs­schwankungen zu kämpfen. Joseph Kuo, Senior Vice Presi­dent,  und Larry Hsieh, Manager of Mate­rial Purcha­sing Center bei SE & EC, wollen die indus­tri­ellen Prozesse mit gere­gelten Verteil­transformatoren stabi­li­sieren.

AUF DEN RONT GEKOMMEN

Mit ähnli­chen Problemen sehen sich auch die Kunden des taiwa­ne­si­schen Trans­for­ma­to­ren­her­stel­lers Shihlin Elec­tric & Engi­nee­ring Corpo­ra­tion konfron­tiert – aller­dings vor einem anderen Hinter­grund. Während im euro­päi­schen Netz vor allem die vola­tile Einspei­sung rege­ne­ra­tiver Ener­gien die Netze belastet, haben Indus­trie­be­triebe im südost­asia­ti­schen Raum häufig mit per se schwa­chen Netzen und extremen Span­nungs­schwan­kungen zu kämpfen. Joseph Kuo, Senior Vice Presi­dent bei Shihlin, meint: „Mit den schwächsten Netzen im südost­asia­ti­schen Markt haben wir es in Myanmar, Laos und Kambo­dscha zu tun. Hier ist eine Absi­che­rung der Produk­tion unbe­dingt empfeh­lens­wert.“ Letzt­lich sieht Kuo aber in ganz Südost­asien einen enormen Bedarf an Tech­no­lo­gien für Indus­trie­un­ter­nehmen, die sich gegen die Folgen von Span­nungs­schwan­kungen absi­chern wollen.

Joseph Kuo, Senior Vice Presi­dent (links), und Larry Hsieh, Manager of Mate­rial Purcha­sing Center bei SE & EC. (© Jimmy Hong)

Als Beispiel führt er einen taiwa­ne­si­schen Kunden an. Das Unter­nehmen, das eine Produk­tion in einer länd­li­chen Gegend Viet­nams betreibt, berichtet von extremen Insta­bi­li­täten, beson­ders während der Sommer­mo­nate. Mehr­mals pro Monat kam es aufgrund starker Span­nungs­schwan­kungen zu einem Still­stand der Produk­tion von zehn bis 15 Minuten.

„Tausende Fabriken in Südost­asien kämpfen mit Span­nungs­schwan­kungen. Die Steue­rung ermög­licht unter anderem den sicheren Paral­lel­be­trieb der gere­gelten Trans­for­ma­toren. Der Wunsch nach stabilen betriebs­in­ternen Netzen ist riesig.“Joseph Kuo, Shihlin Elec­tric & Engi­nee­ring Corpo­ra­tion

Das Unter­nehmen bezif­ferte allein die Produk­ti­ons­aus­fälle auf über 25.000 US-Dollar. Zudem wurde der Haupt­schalter beschä­digt. Shihlin-Manager Kuo meint: „Genau mit diesen Problemen haben Tausende produ­zie­render Betriebe in Südost­asien zu kämpfen. Das gibt eine Vorstel­lung davon, wie groß der Bedarf an Technik zur Stabi­li­sie­rung der betriebs­in­ternen Netze ist.“

Den Bedarf bedient Shihlin Elec­tric & Engi­nee­ring Corpo­ra­tion mit Verteil­trans­for­ma­toren. Bereits im September 2017 lieferte Rein­hausen dazu einen ECOTAP® VPD® nach Taiwan. Endkunde war ein Indus­trie­un­ter­nehmen in Myanmar, das bei Shihlin Elec­tric & Engi­nee­ring Corpo­ra­tion einen gere­gelten 1,5‑MVA-Transformator bestellt hatte. Larry Hsieh, Manager of Mate­rial Purcha­sing Center bei Shihlin, erläu­tert die Entschei­dung für den Rein­hausen-Schalter: „Wir haben zuerst die Schalter eines Herstel­lers aus Schanghai in Erwä­gung gezogen.

REINHAUSEN INSIDE

ECOTAP® VPD®  — die Kompakt­klasse für Verteil­trans­for­ma­toren

Der ECOTAP® VPD® garan­tiert Indus­trie­be­trieben eine stabile Span­nung — komme, was da wolle. Dazu wird die Abwei­chung der Mittel­span­nung von der Nenn­span­nung durch eine Verän­de­rung des sonst konstanten Über­set­zungs­ver­hält­nisses kompen­siert. Span­nungs­schwan­kungen nach oben oder unten werden ausge­gli­chen, Indus­trie­pro­zesse laufen stabil und ohne Unter­bre­chungen. Das spart wert­volle Produk­ti­ons­zeit und Kosten. Der ECOTAP® VPD® ist so kompakt, dass der Verteil­trans­for­mator durch ihn nicht größer wird. Das elek­tro­me­cha­ni­sche Wirk­prinzip der bewährten MR-Vaku­um­tech­no­logie garan­tiert mit 500.000 wartungs­freien Schal­tungen einen jahr­zehn­te­langen stabilen und zuver­läs­sigen Betrieb ohne Wartung der Primär­technik.


Steue­rung ECOTAP® VPD® CONTROL und CONTROL PRO

Kompakt ist auch die Steue­rung des Schal­ters, die ECOTAP® VPD® CONTROL. Man montiert sie einfach mittels Adapter platz­spa­rend im Rastermaß einer einzigen Siche­rungs­leiste auf der Sammel­schiene. Die komplette Para­me­trie­rung erle­digt man komfor­tabel an der Steue­rung selbst – noch nicht einmal ein Laptop ist nötig. Das Zusatz­modul CONTROL PRO ermög­licht unter anderem den sicheren Paral­lel­be­trieb der gere­gelten Trans­for­ma­toren.

mehr zum ECOTAP® VPD®

Die kurzen Wege und der Sprach­vor­teil erschienen mir zunächst sehr attraktiv. Für Einkäufer sind natür­lich die Kosten das Wich­tigste. Hier ist der ECOTAP® VPD® absolut wett­be­werbs­fähig und zudem ein Produkt des welt­weit führenden OLTC-Herstel­lers. Dies war zusammen mit der Marken­stärke von Rein­hausen, der Zuver­läs­sig­keit und Qualität der Produkte sowie der starken Service­un­ter­stüt­zung ausschlag­ge­bend für unsere Entschei­dung.“

SAUBERES NETZ TROTZ 400-KW-PUMPE

Gere­gelte Trans­for­ma­toren können auch dort die Span­nung stabi­li­sieren, wo Leitungs­längen und Last­än­de­rungen zu Span­nungs­schwan­kungen führen, wie beispiels­weise bei der RWE Power AG. RWE nahm zwei regel­bare Drei­wick­lungs­trans­for­ma­toren im Braun­koh­le­ta­gebau Hambach in Betrieb. Der Tagebau befindet sich west­lich von Köln mitten im Herzen des rhei­ni­schen Braun­koh­le­re­viers. Er wurde 1978 begonnen und ist zurzeit rund 400 Meter tief.
Für eine sichere Gewin­nung der Braun­kohle im Tagebau müssen die Inge­nieure und Arbeiter das Grund­wasser absenken. Sie bohren Brunnen, instal­lieren Pumpen und verlegen Rohr­lei­tungen. Die Entwäs­se­rung erfolgt über soge­nannte Sümp­fungs­brunnen, die von Kompakt­sta­tionen oder direkt aus der Mittel­span­nung mit elek­tri­scher Energie versorgt werden. In einer Kompakt­sta­tion arbeiten ein Verteil­trans­for­mator, eine Mittel­span­nungs- und eine Nieder­span­nungs­an­lage. Ein Frequenz­um­richter (FU) treibt die Brunnen-pumpe an, die über eine Nenn­leis­tung von 400 Kilo­watt verfügt.

Die Leitungen in diesem 6‑Ki­lo­volt-Netz sind sehr lang. Darum passiert es bei Schalt­vor­gängen oder Last­än­de­rungen immer wieder einmal, dass der Strom im Netz schwankt. Und das wiederum stört manchmal den Zwischen­kreis des Frequenz­um­rich­ters. Doch dieses Problem haben die Mitar­beiter von RWE mitt­ler­weile gelöst, zusammen mit den Power Quality-Experten von MR. Schnell war klar: Die tech­nisch beste Heran­ge­hens­weise ist auch hier der ECOTAP® VPD®. Für die Entscheider von RWE ein zusätz­li­ches, starkes Argu­ment: Rein­hausen erfüllt schon heute die EU-Ökode­sign-Richt­linie für 2021.


IHR ANSPRECHPARTNER

Sie haben Fragen zu den Einsatz­mög­lich­keiten des ECOTAP® VPD®? Franco Pizzutto ist für Sie da:
f.pizzutto@reinhausen.com


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