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Modernisierung des Hochspannungsbereiches der PTB

30.11.2021

Die elektrische Energieversorgung und -verteilung wird im Rahmen der Energiewende zukünftig starke Veränderungen erfahren. Der Wechsel von der Energieerzeugung in Großkraftwerken hin zu dezentralen, nachhaltigen Energieerzeugern stellt auch die Hochspannungsmesstechnik der PTB vor große Aufgaben. Um den zukünftigen Anforderungen gerecht werden zu können, wird der gesamte Hochspannungsbereich der PTB neu ausgerichtet und an die modernsten Anforderungen angepasst.

 

 

 

Im Bereich der Kalibrierdienstleistungen gilt es dabei zu berücksichtigen, dass neben transienten (äußeren und inneren) Überspannungen, wie etwa durch Blitzeinschläge und Schaltvorgänge verursacht, durch den vermehrten Betrieb von mit Umrichtern gespeisten Teilnetzen sowohl 50 Hz Drehstromnetze (AC) als auch Gleichspannungsnetze (DC) mit überlagerten Schaltfrequenzen von bis zu 100 kHz verschmutzt werden. Die dadurch auftretenden zusätzlichen Belastungen müssen für Netzbetreiber, Abrechnungsstellen und bei der Entwicklung von Hochspannungskomponenten sicher messbar sein. Zudem müssen Arbeitskreise in Normung und Standardisierung gegenüber diesen neuen Anforderungen sensibilisiert werden. Als politischer Innovationstreiber erfordert das Green-Deal-Ziel der EU für 2050 (Netto-Null-Emissionen) einen sehr hohen Anteil an erneuerbarer CO2-armer Stromerzeugung (über 80 %). Diese beispiellose Wachstumsforderung stellt auch besondere Anforderungen an die Stabilität des elektrischen Verbundnetzes und an die Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung. Um all diesen Anforderungen Rechnung tragen zu können etabliert die PTB entsprechende neue Kalibrierdienstleistungen und -einrichtungen sowie Prüfprotokolle und neue Messverfahren und -instrumente.


Insbesondere zur Sicherung von Verfügbarkeit und Versorgungsqualität über die bislang üblichen Spannungsbereiche hinaus sind Prüfungen von Geräten und Komponenten bei höchsten Gleichspannungen erforderlich. Hochspannungsprüfungen und Kalibrierungen oberhalb 1000 kV Gleichspannung waren bislang jedoch in der PTB nicht verfügbar. Im ersten Ausbauschritt hat die PTB ihre Einrichtungen entsprechend erweitert. Neben einem Labor für DC-Spannungen bis 300 kV sind alle Komponenten einer modularen Hochspannungserzeugung sowie der Messteiler bis 2000 kV Gleichspannung in der PTB Braunschweig entwickelt und gefertigt sowie durch Messungen auf dem Freifeld der PTB erfolgreich erprobt und überprüft worden. Das Freifeld erlaubte bislang den Einsatz von Gleichspannungen bis 1600 kV. Die noch ausstehende Überprüfung bei 2000 kV ist für den Sommer 2022 unter Einbeziehung internationaler Prüfinstitute geplant. Fortlaufend werden diese Entwicklungen auf nationaler und internationaler Ebene durch die PTB in die Überarbeitung der IEC 60060-Reihe im Technical Commitee 42 der IECHigh-voltage and high-current test techniques” eingebracht.

 

Die gleichzeitige Messung von transienten Störungen in DC- und AC- Hochspannungsnetzen steht im Fokus laufender Untersuchungen. Dazu werden Hochspannungsteiler eingesetzt, die ursprünglich für DC-Spannungsmessungen mit relativen Unsicherheiten von wenigen Teilen in einer Million aufgebaut worden sind, sich jedoch auch für die Untersuchung transienter Spannungen geeignet erwiesen haben. Erweitert werden diese Messmöglichkeiten bis hinauf zu 100 kV Nennspannung durch modulare Messteiler, die auf Basis von Leiterplattentechnologie gefertigt werden. Diese Ausbaustufe kann mit hinreichender Genauigkeit sowohl AC-, DC-, als auch Blitzstoß- und Schaltstoßspannungen gleichzeitig messen. Ein erster Messteiler-Prototyp ist in der Abbildung gezeigt. Die Neuplanung des Hochspannungs-AC-Bereichs der PTB ist abgeschlossen und wird nun umgesetzt. Bei der Ausrüstung mit zeitgemäßer Messtechnik wird auch die weitere Optimierung der Automatisierung berücksichtigt.


Zukünftig ist geplant, die messtechnische Erfassung der Netzbelastung durch höhere Frequenzen im Rahmen eines internationalen Forschungsprojekts in den Fokus zu nehmen, wobei rückführbare Hochspannungsmesstechnik für höhere Frequenzen entwickelt und aufgebaut und im internationalen Vergleich bewertet werden soll.

 

 

Bild: Messteiler in Leiterplattentechnologie für Hochspannungsprüfungen mit zusammengesetzten und kombinierten Spannungsformen (Mitte/links: Spannungserzeuger, rechts: DC-Referenzteiler)

 

 

 

Veröffentlichungen:

  • High Frequency High Voltage Power Supplies“, F. Schilling, S. Passon, J. Meisner, A. Walker, M. Kurrat, B. Weber. Erschienen in: Proceedings of the 21st International Symposium on High Voltage Engineering (Springer International Publishing)

  • „Standardisierung von Hochspannungsprüfungen mit zusammengesetzten und kombinierten Spannungsformen“, J. Meisner, et al.. Erschienen in: ETG-Fachbericht Nr. 162, VDE Verlag GmbH, Berlin

 

 

 

 

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