Schalt- und Umspannanlage

Schalt- und Umspannanlagen sind die Knotenpunkte unseres Übertragungsnetzes. Sie übernehmen verschiedene Aufgaben, die für den unterbrechungsfreien Betrieb unseres Übertragungsnetzes entscheidend sind. Ihre Hauptaufgaben sind das Ein- und Ausschalten der Stromleitungen und das Umspannen der elektrischen Energie zwischen unterschiedlichen Spannungsebenen.

Hintergrundbild zur Einverständniserklärung für die Ansicht von externen Medien.

Schaltanlagen verbinden Stromkreise der gleichen Spannungsebene innerhalb eines Schaltfeldes miteinander und können diese untereinander schalten. Die Lastflüsse werden gezielt gesteuert und verteilt. Ist ein Transformator an ein Schaltfeld angeschlossen, können zwei Stromkreise unterschiedlicher Spannungsebenen miteinander durch die Transformation miteinander verbunden werden. Kurz gesagt: Jede Anlage verfügt über ein Schaltfeld, aber nicht in jeder Anlage ist ein Transformator angeschlossen.

Spannung rauf oder runter – das Umspannen

Transformatoren 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 Schaltfeldern laufen Freileitungen und Erdkabel zusammen, die sich bedarfsgerecht und zentral aus der Ferne ein- oder ausschalten lassen. Das technische Schalten der Stromkreise übernehmen dabei die Leistungsschalter, die ein sicheres Abschalten des elektrischen Stroms ermöglichen. Im Fehlerfall schalten sich Teile der Anlage oder betroffene Leitungen automatisch aus.

Die Anlagen steuern und überwachen unsere Ingenieur*innen in den Netzleitstellen in Rommerskirchen, Hoheneck und in der Hauptschaltleitung in Brauweiler bei Köln. 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.

Der Aufbau einer Umspannanlage

Alle unsere Umspannanlagen sind standardisiert und modular aufgebaut. Die Standardisierung ergibt sich u.a. aus der VDE 0101. Die modulare Bauweise sichert den effizienten Bau und Betrieb unserer Anlagen. Die erforderlichen Schaltgeräte und Messeinrichtungen sind innerhalb eines Schaltfeldes, für beispielsweise Leitungen und Transformatoren, nah beieinander angeordnet. Sammelschienen und Kupplungen verbinden einzelne Schaltfelder miteinander. Das ergibt technisch gesehen eine Schaltanlage. Konkret besteht eine Anlage 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.
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Transformator

Schon gewusst?

Die Transformatoren in unseren Umspannanlagen wandeln Spannung von zum Beispiel 380 nach 220 oder 110 Kilovolt um. Mit dieser Spannung transportieren etwa Verteilnetzbetreiber den Strom weiter, um ihn dann stufenweise auf die vom Stromkunden benötigte Spannungsebene herunterzutransformieren, zum Beispiel auf 230 Volt. Die größten Transformatoren haben heute eine elektrische Leistung von bis zu 600 Megavoltampere und ein Gewicht von bis zu 450 Tonnen.

Stilisierter Schuko-Stecker

Unsichtbar, aber entscheidend: Blindleistung für stabile Netze

Unsere Anlagen übernehmen heute zusätzlich eine zentrale Aufgabe: Sie stabilisieren die Netzspannung. Dafür braucht Wechselstrom Blindleistung – vereinfacht gesagt eine Begleitenergie, die den ständigen Auf- und Abbau elektrischer und magnetischer Felder ermöglicht. Diese Energie kommt bei Haushalten und Unternehmen nicht als Nutzenergie an, belastet aber die Leitungen und verringert die übertragbare Wirkleistung.

Früher stellten vor allem Generatoren großer Kraftwerke die Blindleistung bereit. Mit der Energiewende gehen viele dieser Kraftwerke vom Netz, zugleich steigt der Bedarf, weil immer größere Leistungen über weite Distanzen transportiert werden. Amprion errichtet deshalb verstärkt Blindleistungskompensationsanlagen.

Eine Nahaufnahme des Innenraums einer technischen Anlage mit mehreren parallel angeordneten Schaltschränken und Hochspannungskomponenten. Die Konstruktion ist mit Sicherheitsgittern versehen, während Kabel und Metallstrukturen das Bild dominieren.
Drosselspulen und MSCDN

Zu den statischen Kompensationsanlagen zählen Drosselspulen, die in vielen Amprion‑Umspannanlagen installiert sind. Moderne Varianten sind in Stufen regelbar und ähneln Transformatoren. Sie senken zu hohe Knotenspannung; bei zu niedriger helfen MSCDN‑Kondensatorbänke.

Ein Innenraum einer technischen Anlage mit hohen, metallischen Gestellen, die mit elektrischen Komponenten bestückt sind. Ein engmaschiges Schutzgitter trennt den Gang von den Installationen. Die helle Beleuchtung betont die komplexe Verkabelung und technischen Systeme.
STATCOM-Anlagen

STATCOM-Anlagen sind leistungselektronische Systeme für die dynamische Spannungsregelung im Netz. Sie halten das Spannungsniveau stabil, indem sie Blindleistung stufenlos und sehr schnell liefern oder aufnehmen.

Eine Luftaufnahme einer industriellen Anlage mit einem großen, weißen Gebäude mit begrüntem Dach. Daneben befinden sich mehrere große Kühlanlagen mit Ventilatoren. Im Vordergrund sind massive Transformatoren und Hochspannungsleitungen zu sehen, die in eine Umspannstation führen.
ROTIERENDE PHASENSCHIEBER

Ein rotierender Phasenschieber ist konstruktiv einem Kraftwerksgenerator ähnlich, wird jedoch nicht von einer Turbine, sondern vom elektrischen Netz angetrieben. Als Synchronmaschine kann er Blindleistung liefern oder aufnehmen und stützt damit die Spannung im Übertragungsnetz.

Das Bild zeigt eine Außenansicht einer Umspannanlage oder eines Elektrizitätswerks. Im Vordergrund sind mehrere hohe, säulenartige Isolatoren und dicke Kabelstränge in einem hellgrünen bis grauen Farbton zu sehen. Dahinter erstreckt sich ein großes, graues Gebäude mit einer strukturierten Fassade. Im Hintergrund sind weitere Elemente der Anlage erkennbar, wie Metallgerüste und elektrische Leitungen. Der Himmel ist blau mit einigen weißen Wolken.

Gasisolierte Schaltanlagen

Bei einem kleinen Teil unserer Schaltanlagen handelt es sich um gasisolierte Schaltanlagen (GIS). Gegenüber der klassischen Freiluftschaltanlage handelt es sich um eine alternative Bauform, die ausschließlich an Standorten errichtet und betrieben wird, die einen herausragenden Vorteil gegenüber Alternativstandorten aufweisen und eine Freiluftbauweise aus Platzgründen nicht zulassen.

SF6 - Ein sicheres Isoliergas, das besondere Sorgfalt verdient

In gasisolierten Schaltanlagen wird überwiegend SF6 eingesetzt – ein farb- und geruchloses Gas, das nicht giftig, nicht brennbar und für Menschen und Tiere ungefährlich ist. Deshalb wird es nicht als Gefahrstoff eingestuft. SF6 besitzt jedoch ein hohes Treibhauspotenzial. Für uns ist es daher besonders wichtig, verantwortungsvoll damit umzugehen.

Wir stellen sicher, dass

  • das Gas nur in vollständig gekapselten, gasdichten Anlagen eingesetzt wird,
  • wir Emissionen dokumentieren und konsequent minimieren,
  • unsere Anlagen Undichtigkeiten frühzeitig anzeigen,
  • unser Fachpersonal geschult und zertifiziert ist.

Alternativgase

Unser Weg in die Zukunft

Um unsere Anlagen weiter zu optimieren und den Klimaeinfluss zu reduzieren, erproben wir kontinuierlich Alternativgase. Diese setzen wir ein, sobald sie technisch ausgereift, umfassend geprüft und betriebssicher sind. Bereits 2018 wurde ein Pilotprojekt mit 245-kV-Spannungswandlern mit synthetischer Luft in Betrieb genommen. Darüber hinaus werden aktuelle Lösungen entwickelt, mit denen im Laufe der nächsten Jahre Teile von 380-kV-GIS-Anlagen mit synthetischer Luft isoliert werden können. Neben synthetischer Luft ist für GIS zurzeit ein weiteres Alternativgas im Gasgemisch mit dem fluorierten Isoliergas Fluornitril verfügbar.

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, der sogenannte Redispatch. 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.

Was ist das Prinzip des Phasenschiebertransformators?

Ein Phasenschiebertransformator wird entsprechend des Bedarfs gesteuert. Ist beispielsweise der Lastfluss auf einer Leitung zu hoch, bremsen die Schaltingenieur*innen den Lastfluss auf dieser einen Leitung, indem sie den Wechselstromwiderstand erhöhen. In dem Fall wird vom sogenannten Bremsbetrieb gesprochen. Im Bremsbetrieb wird die Leitung entlastet, stattdessen werden parallele Leitungen stärker belastet. Im sogenannten Schiebebetrieb reduzieren die Schaltingenieur*innen den Wechselstromwiderstand, wodurch sich der Lastfluss auf der entsprechenden Leitung erhöhen wird.

Welche Technik verbirgt sich dahinter?

Bei Phasenschiebertransformatoren wird, anders als bei herkömmlichen Transformatoren zur Spannungsumwandlung, eine Wicklung in Reihe mit einem Stromkreis verschaltet. Über die andere Wicklung kann eine Quer- beziehungsweise Zusatzspannung in den Stromkreis eingeprägt werden. Größe und Richtung dieser Querspannung beeinflussen den Wechselstromwiderstand und somit den Lastfluss des Stromkreises. Ansonsten sind Aufbau und Größe der unterschiedlichen Transformatoren nahezu identisch.

Wie funktionieren Errichtung und Betrieb?

Auf vielen Leitungen in unserem Übertragungsnetz laufen zwei parallele Stromkreise mit gleicher Spannungsebene. Überall dort, wo wir als Netzbetreiber die Lastflüsse steuern müssen, installieren wir entsprechend zwei Phasenschiebertransformatoren – je einen pro Stromkreis. Wir ergreifen bei der Errichtung von Phasenschiebertransformatoren besondere Schallschutzmaßnahmen, zum Beispiel durch maximal abschirmende Einhausungen.

Auf Nummer sicher – Redundanzen

Heute arbeiten wir mit innovativen Technologien und Schaltungskonzepten, dazu gehört, dass wir Anlagen mit mehreren Sammelschienen betreiben: So schaffen wir Reserven bzw. Redundanzen und verfügen über mehrere Möglichkeiten, die ankommenden und abgehenden Stromleitungen in der Anlage zu verbinden. Diese Flexibilität erhöht Zuverlässigkeit und Sicherheit, denn bei einem Fehler können wir auf eine Reserveschiene umschalten und den Strom über eine alternative Route leiten.

Zugleich erlaubt die flexible Verschaltung, den Fluss der elektrischen Energie im Netz in gewissen Grenzen zu steuern und einzelne Leitungsabschnitte proaktiv zu führen. Da unsere Schaltanlagen zusätzlich eine Umgehungsschiene enthalten, können wir die Leitung auch bei Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten an den Schaltern unterbrechungsfrei weiterbetreiben.

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