Mittelspannungsnetz
Mittelspannungsnetze sind ein Teil des Stromnetzes zur Verteilung der elektrischen Energie auf Strecken im Bereich einiger Kilometer bis zu 100 km. Sie werden üblicherweise mit Hochspannung von 10 kV oder 20 kV, seltener auch mit 30 kV oder 35 kV Nennspannung betrieben, was höchsten Systemspannungen von 12 kV, 24 kV, 36 kV und 40,5 kV entspricht (die Spannungsangaben bezeichnen den Effektivwert der verketteten Spannung bzw. Außenleiterspannung des dreiphasigen Wechselspannungsnetzes). Ein Mittelspannungsnetz dient typischerweise der elektrischen Energieversorgung einer Region, die mehrere Ortschaften, oder in Städten einen Stadtteil, umfasst. Des Weiteren werden in der Bahnstrom-Versorgung von Vollbahnen als Fahrleitungsspannung 15 kV mit der Sonderfrequenz 16,7 Hz (früher 16 2⁄3 Hz) und 25 kV mit 50 Hz verwendet.
Unter Mittelspannung wird in der elektrischen Energietechnik eine Hochspannung im Bereich über 1 kV bis einschließlich 52 kV verstanden. Die obere Grenze ist nicht eindeutig festgelegt,<ref name="Flosdorff" /> nach VDE liegt diese bei 60 kV.<ref>Technische Anschlussregel Mittelspannung (VDE-AR-N 4110). Abgerufen am 26. Oktober 2023.</ref> Der Begriff Mittelspannung ist nicht genormt bzw. in den Grenzen nicht exakt definiert. So werden die in Schleswig-Holstein noch existenten 60-kV-Leitungen als Mittelspannungsleitungen,<ref>Die Seite Vorlage:Webarchiv/styles.css hat keinen Inhalt.Ergänzende Bedingungen für den Anschluss an das Mittelspannungsnetz der Schleswig-Holstein Netz AG ( vom 8. April 2016 im Internet Archive)</ref><ref>Anschlussnutzungsvertrag Mittelspannung der E-ON Hanse AG</ref> in der Schweiz hingegen 50-kV-Leitungen als Hochspannungsleitungen geführt.
Netzaufbau[Bearbeiten]
Speisung[Bearbeiten]
Mittelspannungsnetze der regionalen Verteilnetzbetreiber werden im Regelfall in Umspannwerken aus dem übergeordneten Hochspannungsnetz wie der 110-kV-Ebene (Verteilnetzebene) gespeist und dienen der Anspeisung der regional verteilten Transformatorenstationen, welche die einzelnen Niederspannungsnetze zu den Endkunden versorgen. Mittelspannungsnetze dienen nicht dem überregionalen Stromaustausch. Größere Stromkunden, wie beispielsweise Industriebetriebe, Krankenhäuser, aber auch größere Schwimmbäder und größere Rundfunktürme, haben meist eigene Mittelspannungsanschlüsse mit betriebseigener Umspannanlage.
Die für die Versorgung nötigen Leistungstransformatoren zur Anspeisung bewegen sich im Bereich von 20 MVA bis 60 MVA, konkrete Werte hängen stark von dem jeweiligen Netzbetreiber ab. In der Regel sind diese Leistungstransformatoren auch die letzte Ebene, auf der mittels Stufenschalter lastabhängige Spannungsschwankungen ausgeglichen werden können. Bei Bedarf können bei großer Einspeiseleistung von dezentral gewonnenen regenerativen Energieträgern elektronische Mittelspannungsregler eingesetzt werden. Dadurch lässt sich die Spannung fernab vom zentralen Umspannwerk in einzelnen Abschnitten wieder auf einen Sollwert anheben oder absenken. Ein elektronischer Mittelspannungsregler besteht aus zwei Wechselrichtern, die über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis verbunden sind. In Abhängigkeit vom Lastzustand regeln diese Spannungsschwankungen lastseitig aus.
Mittelspannungsnetze haben vor jedem Einspeise- und Bezugspunkt immer eine Schaltanlage. Diese können als Freiluftanlage oder in Schrankform ausgeführt sein.
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Leistungstransformator zur Speisung eines Mittelspannungsnetzes.
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Elektronische Mittelspannungsregler für 20 kV
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Einliniendiagramm eines elektronischen Mittelspannungsreglers
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Gekapselte Schaltanlage für 20 kV
Versorgungssicherheit[Bearbeiten]
Zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit werden Mittelspannungsnetze im Regelfall mit Erdschlusskompensation betrieben, bei nur geringer räumlicher Ausdehnung in Ausnahmefällen auch mit isoliertem Sternpunkt – typischerweise ist dies bei Industrienetzen der Fall. Zusätzlich können auch sogenannte Pausenschalter zur Erhöhung der mittleren Versorgungssicherheit bei Freileitungen eingesetzt werden. Diese beschränkt in einem ausgedehnten Mittelspannungsnetz einen längerdauernden Stromausfall auf ein kleineres Versorgungsgebiet.<ref name="fhdort1" />
Netztopologie[Bearbeiten]
Mittelspannungsnetze sind in der Topologie als Strahlennetz oder als Ringnetz ausgeführt, insbesondere in städtischen Bereichen sind Ringleitungen üblich. Ringleitungen haben den Vorteil, dass ein Leitungsabschnitt, beispielsweise zufolge von Kabelunterbrechungen oder zu Wartungsarbeiten, abgeschaltet werden kann, ohne dass die Versorgung zu den untergeordneten Niederspannungsnetzen unterbrochen wird. Des Weiteren können Mittelspannungsnetze von mehreren Punkten gespeist werden, auch kleinere Kraftwerke wie Windkraftanlagen, Biogasanlagen und große Photovoltaikanlagen speisen in regionale Mittelspannungsnetze ein.<ref name="Flosdorff" /><ref name="eigenerzeug" /> Die rechtlichen Rahmenbedingungen dazu sind in Deutschland in der Mittelspannungsrichtlinie festgelegt.
Auf Seeschiffen sind, aus den genannten Gründen zur Betriebssicherheit und Wartung, fast nur Ringtopologien üblich. Diese werden zur Begrenzung der Kurzschlussströme offen betrieben.
Steuersignale[Bearbeiten]
Auf Mittelspannungsebene werden teilweise auch noch die so genannten Rundsteuersignale eingespeist, mit denen verschiedene Schalthandlungen auf Niederspannungsebene wie Tarifumschaltungen oder das Ein- und Ausschalten der Straßenbeleuchtung ausgelöst werden. In den meisten Fällen werden diese Signale aber mittlerweile mithilfe der Funkrundsteuertechnik übertragen.
Leitungen[Bearbeiten]
Mittelspannungsnetze sind im Regelfall in dicht verbauten Regionen als Erdkabel ausgeführt. Auf dem Erdkabel stehende Kürzel, etwa 18/30 gibt die Spannung U0 von 18 kV von Außenleiter zur Umgebung (Erde, Schirmung und Co.) an, die 30 kV Nennspannung bezieht sich auf die Spannungsdifferenz zweier unter Spannung stehende Außenleiter, vereinzelt wird die maximale Bemessungsspannung 36 kV in Klammern dahinter geschrieben: 18/30 (36) kV.<ref>Nennspannung und Betriebsspannung. Abgerufen am 1. Mai 2024.</ref> Als Leiterwerkstoff kommen Kupfer oder Aluminium zum Einsatz. In deutschen Mittelspannungsnetzen dominierende Kabeltypen nach DIN VDE 0276-620 sind N2XSY (Kupferleiter, PVC-Mantel) und NA2XSY (Aluminiumleiter, PVC-Mantel) sowie die entsprechenden Varianten mit PE-Außenmantel (N2XS2Y / NA2XS2Y). An den Kabelenden werden in modernen Anlagen in Deutschland und Europa überwiegend steckbare Garnituren nach DIN EN 50180/50181 eingesetzt, die eine schnelle und sichere Verbindung zur Schaltanlage oder zum Transformator ermöglichen. Auch Leitungsabschnitte, die durch Wälder führen, werden zunehmend als Erdkabel verlegt, um bei Windbruch Erdschlüsse zu vermeiden. In freien ländlichen Regionen sind Mittelspannungsleitungen, auch aus Kostengründen, als Freileitung ausgeführt.<ref name="salznetz" /> Mittelspannungsfreileitungen werden auf Holz-, Beton- oder Gittermasten installiert. Ihre Leiterseile können auch auf Masten, die auch Stromkreise für höhere Spannungen tragen, untergebracht sein. Es gibt auch für 110 kV ausgelegte Freileitungen, die bis zu einer möglichen späteren Umstellung mit Mittelspannung betrieben werden. Mittelspannungsfreileitungen verwenden praktisch immer Einfachleiter und tragen meist nur einen Stromkreis, auch wenn vielerorts Leitungen mit 2 (und selten) mit noch mehr Stromkreisen existieren. Erdseile sind bei reinen Mittelspannungsfreileitungen selten, ebenso Luftkabel zur Datenübertragung. Mittelspannungsfreileitungen verfügen über viele Abzweigleitungen, die häufig über Masttrenner verfügen, um diese Leitung gezielt vom Netz nehmen zu können. Ein weiteres typisches Element von Mittelspannungsleitungen sind Masttransformatoren zur Stromversorgung kleinerer Verbraucher. Bei Freileitungen werden auch im Mittelspannungsnetz Verfahren wie die automatische Wiedereinschaltung eingesetzt, da die Fehlerursache wie ein auf die Freileitung herabgefallener Ast, Blitzeinschlag o. Ä. oft von selbst verschwindet, und damit die Versorgungssicherheit gesteigert werden kann.
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Erdkabel für 10 kV, auch als Höchstädter-Kabel bezeichnet
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Mittelspannungs-Freileitungsmast für 20 kV, wie er in ländlichen Regionen üblich ist.
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Stahlgittermast für einen Leitungsabzweig
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Einspeisewandler für Rundsteuersignale
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Messwandler von 30 kV auf 100 V/50 Hz
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Schaltzelle in offener Bauweise für Mittelspannung
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Masttrenner für 20 kV in ländlicher Gegend
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Umspannstationen[Bearbeiten]
Umspannstationen in Mittelspannungsnetzen sind im Regelfall in geschlossenen Gebäuden untergebracht, welche in ländlichen Gegenden häufig als turmartiges Gebäude realisiert sind, an dessen Wand Mittel- und Niederspannungsleitungen enden können.
Umspannstationen, insbesondere in Städten, sind in containerartigen Fertigteilbauten untergebracht. Mittelspannungsumspannstationen können sich auch in Gebäuden befinden. Eine weitere Bauform der Umspannstation ist der auf einem Mast montierte Transformator, der sogenannte Masttransformator. Umspannstationen für Leitungen ab 30 kV können auch als Freileitungsschaltanlage ausgelegt sein. Für 60-kV-Leitungen ist dies, wie für 110-kV-Leitungen, die Regel.
Länderspezifische Varianten[Bearbeiten]
Während in Deutschland und den meisten Ländern Europas Mittelspannungsleitungen meist querfeldein verlaufen und innerhalb der Ortschaften in der Regel verkabelt sind, sind in vielen Ländern außerhalb Europas ausgedehnte Netze an Mittelspannungsleitungen zu finden, welche direkt entlang der Straßen verlaufen und z. T. mehrere Systeme mit teilweise unterschiedlichen Spannungsebenen tragen, so dass sich oft ein chaotischer Leitungsverlauf ergibt.
Insbesondere in ländlichen Gebieten in Australien oder Kanada werden räumlich weit ausgedehnte Mittelspannungsnetze aus Kostengründen als einphasiges Single-Wire-Earth-Return-System (SWER) realisiert. Dabei wird auf Hochspannungsseite nur ein Leiterseil verlegt und die Erdung als betriebsmäßiger Leiter verwendet.
Auch die als Dreiphasennetze realisierten Mittelspannungsnetze sind in diesen Ländern oft so großräumig ausgeführt, dass ein unzulässig hoher Spannungsfall entlang der Leitung auftritt. Um diesen Spannungsverlust zu kompensieren, werden daher räumlich verteilt Spartransformatoren (Autotransformatoren) in Reihe in die Leitung geschaltet, wie in nebenstehender Abbildung in einer kanadischen Freiluftanlage auf einem Holzmast mit drei einzelnen Transformatoren für 14,4 kV dargestellt. Die Spannung kann dabei einstellbar sein und je nach konkreter Lastsituation bis zu 10 % angehoben werden.
In manchen Gebieten, wie in Deutschland im Regierungsbezirk Münster, existieren zwei Mittelspannungsebenen mit 30 kV und 10 kV parallel.<ref>RWE und Westnetz installieren neue Schaltanlage des Umspannwerks</ref> Hierbei dient erstere der Grobverteilung und letztere der Feinverteilung.
Sonstige Mittelspannungsnetze[Bearbeiten]
Auf Hochseeschiffen wird ab einer gewissen Größe und bei bestimmten Anforderungen Mittelspannung in Form eines Inselnetzes eingesetzt. Die Leitungslängen betragen auf Schiffen deutlich unter einem Kilometer, die Gründe, die hier eine Rolle für den Einsatz von Mittelspannung spielen, sind die Gewichtseinsparung bei Kabeln, der Betrieb leistungsstarker Antriebsmotoren direkt an Mittelspannung sowie die Bildung kleiner durch Transformatoren getrennter Abschnitte von IT-Netzen, was eine Erhöhung der Betriebssicherheit mit sich bringt. Die Spannungsebenen auf Seeschiffen sind typischerweise 6,6 kV und 11 kV. Erstere ist überwiegend auf modernen Frachtschiffen anzutreffen. Dort ergibt sich ein hoher Leistungsbedarf durch den hohen Anteil an Kühlcontainern, die eine Stromversorgung benötigen. Letztere ist auf großen Passagierschiffen wie Kreuzfahrtschiffen üblich, da diese über leistungsfähige Manövrierantriebe verfügen oder sogar komplett dieselelektrisch arbeiten. Ein Landanschluss für größere Schiffe wird erst durch Mittelspannung praktikabel. Da Seeschiffe über unterschiedliche Netzfrequenzen verfügen, es sind 50 Hz und 60 Hz üblich, wird ein Landanschluss fast immer über Umrichter durchgeführt. Zunehmend kommen bei rein dieselelektrischen Schiffen Mittelspannungssysteme mit Gleichspannung zum Einsatz.
Naturschutz[Bearbeiten]
Am 31. Dezember 2012 ist im § 41 des deutschen Bundesnaturschutzgesetzes die Regelung in Kraft getreten, dass an Freileitungen des Mittelspannungsnetzes mit hoher Gefährdung für Vögel entsprechende Schutzvorrichtungen wie Vogelschutzarmaturen anzubringen sind.<ref>§41 Vogelschutz an Energiefreileitungen</ref>
Literatur[Bearbeiten]
- Rene Flosdorff, Günther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. 9. Auflage. Teubner+Vieweg, 2005, ISBN 978-3-519-36424-5.
Quellen[Bearbeiten]
<references> <ref name="salznetz">Die Seite Vorlage:Webarchiv/styles.css hat keinen Inhalt.Mittelspannungsnetze ( vom 8. September 2011 im Internet Archive) und Betriebsspannungen bei der Salzburg Netz GmbH.</ref> <ref name="Flosdorff"> Rene Flosdorff, Günther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. 9. Auflage. Teubner+Vieweg, 2005, ISBN 978-3-519-36424-5, Kapitel 1. </ref> <ref name="eigenerzeug">Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke (Hrsg.): Eigenerzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, Richtlinie für Anschluß und Parallelbetrieb. VDEW - e. V., 1998. </ref> <ref name="fhdort1"> Fachhochschule Dortmund, Fachbereich Informations- und Elektrotechnik. RWE Rhein-Ruhr Netzservice GmbH (Hrsg.): Pausenschaltverfahren im Mittelspannungsverteilungsnetz. Heft 5, Nr. 109. ew – Magazin für die Energiewirtschaft, 2010, S. 36–40 (Online [PDF]). </ref> </references>