Hochspannungsgleichstromübertragung

HGÜ-Leitungen in Europa

Typischer Freileitungsmast der HGÜ Baltic-Cable in Schweden

Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) ist ein Verfahren zur Übertragung von elektrischer Energie mit Gleichstrom hoher Spannung von über 100 kV. Der in der Praxis häufig verwendete englische Begriff lautet HVDC (high voltage direct current).

Funktionsweise

Technischer Hintergrund

Elektrische Energie wird in Kraftwerken fast immer durch Generatoren erzeugt, die Dreiphasenwechselstrom herstellen. Die Frequenz beträgt in Westeuropa 50 Hz, in vielen Staaten Amerikas 60 Hz. Zu Zeiten des Eisernen Vorhanges schwankte in Osteuropa die Netzfrequenz vergleichsweise stark - abhängig von der Belastung - zwischen 48 und 52 Hz. Seit dem Zusammenschluss osteuropäischer Staaten im europäischen Verbundsystem (sogenannter „Synchronschluss“) im Jahr 1995 unter Kontrolle der Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity sind diese Schwankungen auch in jenen Ländern beseitigt.

Die Übertragung großer Leistung (etwa 1000 MW) über Entfernungen von einigen 100 km über finanzierbare Drahtdurchmesser erzwingt Ströme unter 5000 A und damit sehr hohe Spannungen von über 400 kV. Diese lassen sich beim Kraftwerk bequem und mit sehr gutem Wirkungsgrad durch Transformatoren erzeugen. Am Ende der Freileitung wird diese Hochspannung in Umspannwerken auf niedrigere Spannungen wie 110 kV oder Mittelspannungen im Bereich von 10–30 kV heruntertransformiert. Bei Gleichspannung besteht diese Möglichkeit der einfachen und wirkungsvollen Transformation hingegen nicht, und es müssen zur Umsetzung zwischen verschiedenen Gleichspannungen technisch aufwendige Wechselrichter und Gleichrichter eingesetzt werden.

Eine Grundvoraussetzung der Wechselstromübertragung ist, dass die Kapazität zwischen den Leitungen klein ist, um die Blindleistung gering zu halten. In längeren Seekabeln ist diese Bedingung nicht erfüllbar. Dann bringt die Übertragung mit Gleichstrom große Vorteile, so dass der damit verbundene hohe technische Aufwand gerechtfertigt ist. HGÜ wird auch eingesetzt, wenn Kraftwerke gekoppelt werden müssen, die unterschiedliche Frequenzen erzeugen. Vergleichbares in kleinerem Stil gilt in Windkraftwerken, deren Drehzahl ständig schwankt, und in Solarkraftwerken. Die für die Einspeisung in das öffentliche Netz erforderliche Frequenz von exakt 50 Hz wird auch durch Wechselrichter erzeugt: Man stellt zuerst Gleichstrom her, der mittels elektronischer Wechselrichter in sinusförmigen Wechselstrom umgewandelt wird. Man spricht dabei auch von einer Kurzkupplung von zwei Stromnetzen. Die dafür notwendigen Leistungshalbleiter wurden erst nach 1970 entwickelt.

Ein weiterer Grund kommt aus dem Wellenverhalten von Wechselstrom und dem Wellenwiderstand der Leitung. Die Wellenlänge bei 50 Hz beträgt in Kabeln ca. 4000 km (2/3×300.000 km/s / 50 Hz, Faktor 2/3 wegen der Verkürzung der Wellenlänge von elektromagnetischen Wellen in Medien). Damit würde bei ca. 1000 km Kabellänge durch die auf der Leitung hin und herlaufenden Reflexionen ein Lambda-Viertel-Transformator entstehen, d. h. ein offenes Leitungsende würde sich am Leitungsanfang wie ein Kurzschluss verhalten. Mit solch einem Verhalten lässt sich bei gewissen Leitungslängen, nämlich bei ungeradzahligen Vielfachen von Lambda-Viertel, keine Energie mehr vernünftig übertragen.

Stromrichteranlagen

Konverterstation Kruseberg auf schwedischen Seite der HGÜ Baltic-Cable.

An beiden Enden einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage befindet sich eine Stromrichterstation (auch Konverterstation genannt). Sie enthält neben den Steuerungsanlagen im wesentlichen die Stromrichter, die Stromrichtertransformatoren sowie Glättungsdrosseln und Oberschwingungsfilter. Die verwendeten Stromrichter können in beide Richtungen sowohl als Gleich- oder Wechselrichter arbeiten. Daher ist der Aufbau der Gleichrichter- und der Wechselrichterstation identisch.

Mit den Transformatoren wird die meist aus dem Dreiphasenwechselstrom-Netz bezogene elektrische Spannung auf den erforderlichen hohen Wert transformiert und in den nachfolgenden Stromrichtern zu Gleichstrom umgerichtet.

Als Stromrichter werden in modernen Anlagen in Zwölfpulsschaltung geschaltete Thyristoren verwendet. In älteren Anlagen kommen noch Quecksilberdampfgleichrichter mit sehr großer Bauweise zum Einsatz. Um die erforderlichen Sperrspannungen von bis zu 450 kV zu gewährleisten, werden jeweils mehrere Dutzend Thyristoren in Reihe geschaltet. Alle in Reihe geschalteten Thyristoren müssen binnen einer Mikrosekunde durchschalten.

Die Thyristoren werden wegen der hohen Spannungen nicht mit Kupferkabeln, sondern mit Glasfaserlichtleitern angesteuert. Dadurch wird eine Potentialtrennung zwischen Ansteuereinheit und den auf Hochspannungspotential befindlichen Thyristoren erreicht. Bei mit Quecksilberdampfgleichrichtern ausgerüsteten Anlagen erfolgt die Übermittlung der Zündimpulse mittels Hochfrequenz.

Die Glättungsspule am Gleichstromausgang dient dazu, die Restwelligkeit des Gleichstroms zu reduzieren. Sie kann als Luft- oder Eisendrossel ausgeführt sein. Ihre Induktivität beträgt ca. 0,1 H bis 1 H.

Mit den Transformatoren wird nicht nur die hohe Spannung erzeugt, sie unterdrücken daneben mit ihrer Induktivität und Schaltungsweise (Serienschaltung von Dreieck- und Sternschaltung) auch bereits zahlreiche überlagerte Oberschwingungen des angelieferten Stromes. Die Oberschwingungsfilter auf der Drehstromseite unterdrücken ihrerseits weitere unerwünschte Oberschwingungen. Bei Anlagen in Zwölfpulsschaltung müssen sie nur die 11., die 13., die 23. und die 25. Oberwelle unterdrücken. Hierfür reichen auf die 12. und 24. Oberwelle abgestimmte Saugkreise aus.

Leitungsanlagen

Blockschema einer HGÜ

HGÜ-Anlagen können sowohl monopolar mit einer Rückleitung durch die Erde als auch bipolar mit zwei Kabelleitungen ausgeführt sein. Letzteres geschieht u. a. aus Umweltschutzbedenken und um den Energiefluss in beide Richtungen zu gestatten. Grundsätzlich kann die Leitung der Hochspannungsgleichstromübertragung als Erdkabel oder als Freileitung ausgeführt werden.

Erdungselektroden müssen, je nachdem, ob sie Kathode oder Anode sind, verschieden ausgeführt werden. Kathoden können als große blanke Kupferringe, Anoden müssen korrosionsfest als Graphitelektroden oder als Titannetze ausgeführt sein. Grundsätzlich können die Elektroden sowohl an Land (im Boden) als auch im Meer platziert werden. Nicht genügend korrosionsfeste Metalle werden als (positive) „Opferanode“ durch elektrochemischen Angriff in positiv geladene Ionen aufgelöst, also zerstört. Zahlreiche bipolare Anlagen sind so ausgelegt, dass auch ein monopolarer Betrieb möglich ist. Wenn wie in diesen Fällen Elektroden sowohl als Kathode als auch als Anode dienen sollen, müssen alle korrosionsfest ausgelegt sein.

HG-Freileitungen besitzen meist zwei Leiterseile. Bei monopolarer Ausführung sind dies ein Hochspannungsleiter und ein Niederspannungsleiter für die Elektrodenleitung (der Leitungsverbindung von der Stromrichterstation zur Erdungselektrode), bei bipolarer Ausführung zwei Hochspannungsleiter und eventuell ein Niederspannungsleiter für die Elektrodenleitung. Häufig werden monopolare Leitungen für einen späteren bipolaren Ausbau mit zwei Leiterseilen ausgestattet, die, solange der bipolare Ausbau nicht vollzogen wurde, parallel geschaltet werden oder von denen eines als Niederspannungsleiter für die Elektrodenleitung dient. Fast immer wird die Ein-Ebenen-Anordnung der Leiterseile angewandt.

Der Leiter für die Erdungselektrode kann auch die Funktion als Erdseil übernehmen, da er über die Erdungselektrode sehr niederohmig geerdet ist. Er muss aber, um elektrochemische Korrosion der Masten zu vermeiden, an diesen isoliert befestigt sein. Zur Ableitung von Blitzströmen sind daher Funkenstrecken an den Isolatoren nötig.

Zur Vermeidung elektrochemischer Korrosion darf die Erdungselektrode nicht unmittelbar bei der Leitungs-Trasse liegen, so dass zumindest für das letzte Stück der Elektrodenleitung eine separate Trassenführung nötig ist. Diese kann, wie auch im Fall der nicht-parallelen Verlegung der Elektrodenleitung zur Hochspannungstrasse entweder als Freileitung (ähnlich wie eine Mittelspannungsleitung), als Erdkabel oder als Kombination von Freileitung und Erdkabel ausgelegt sein.

Die Isolation der Elektrodenleitung ist meistens für eine Betriebsspannung von ca. 10–20 kV (Mittelspannungsbereich) ausgelegt.

Anwendung

Schaltplan der Oberschwingungsfilter der einstigen GKK in Etzenricht

Die Hochspannungsgleichstromübertragung bietet bei der Übertragung über große Entfernungen Vorteile gegenüber der konventionellen Drehstromübertragung. Neben der Anwendung für lange Freileitungen (Länge ab 500 Kilometer) und lange Kabel (insbesondere Seekabel, Länge ab 30 Kilometer) wird die Hochspannungsgleichstromübertragung auch zur Kopplung von Wechselstromnetzen unterschiedlicher Frequenz und/oder Phasenzahl oder zur Kopplung nicht synchron zueinander arbeitender Stromnetze eingesetzt. In diesen Fällen beträgt die Übertragungslänge mitunter nur wenige Meter, und beide Stromrichter sind im gleichen Gebäude untergebracht. Man bezeichnet eine derartige Anlage als GKK (Gleichstromkurzkupplung).

In Deutschland wurde von 1993 bis 1995 eine derartige Anlage zur Kopplung des deutschen und tschechischen Stromnetzes in Etzenricht betrieben.

Vorteile

Bei den verbreiteten Dreiphasen-Drehstromnetzen sind stets Verbindungen mit mindestens drei Leitersträngen nötig; demgegenüber kommt die Gleichstromübertragung mit zwei, bei Nutzung der Erde als zweitem Pol sogar nur einem einzigen Leiter aus. Dies spart sowohl beim Leitungsmaterial als auch der Freileitungsanlage (Masten und Isolatoren etc.) hohe Kosten.

Die bei Wechselspannungs-Übertragung auftretenden kapazitiven Blindströme entfallen und damit auch die Erfordernis, in gewissen Abständen Kompensationsspulen in ein Kabel einzubauen – was insbesondere bei Seekabelübertragungen unmöglich ist. Deshalb muss beim Energietransport unter Wasser (Seekabel) ab etwa 70 km Übertragungslänge Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung eingesetzt werden. Auch bei langen Drehstrom-Freileitungen ist eine Blindleistungskompensation erforderlich. Dies entfällt beim Einsatz von HGÜ.

Bei Gleichstrom tritt der Skineffekt nicht in Erscheinung, der bei Wechselstrom zur Stromverdrängung an die Ränder des Leitungsquerschnitts führt. Daher können die Leitungsquerschnitte besser ausgenutzt werden als bei einer vergleichbaren Wechselstromübertragung.

Bei Gleichspannung treten in der Kabelisolation keine dielektrischen Verluste auf, und Inhomogenitäten führen nicht zu Vorentladungen. Die Isolierung kann deshalb weniger aufwändig ausgeführt sein als für ein Drehstromkabel. Bei Freileitungen sind bei Gleichspannung die Verluste durch Koronaentladungen wesentlich geringer als bei einer gleich hohen Wechselspannung; sie erfordern bei Wechselspannung schon bei niedrigeren Spannungen (über etwa 100 kV) parallele Leitungen gleichen Potentials (Mehrfachleiter, Leiterbündel), um die Feldstärke an der Leiteroberfläche zu verringern.

Die Verlustleistung bei einer HGÜ-Leitung beträgt bei entsprechend hohen Spannungen - wie bei dem hypothetischen Modell eines Solarstromtransports von Nordafrika nach Europa (siehe TREC) - im Optimum und ohne die Verluste der Wechselrichter nur ca. 3 % auf 1000 km ^[1]. Wird andererseits nur eine Bohrinsel mit vergleichsweise wenig elektrischer Leistung über ein elektrisches Kabel versorgt, sind die relativen Verluste je Kilometer weitaus höher, da die verwendete Spannung niedriger ist. Die absoluten Verluste je Kilometer sind beim Kabel zu einer Bohrinsel allerdings wesentlich geringer als die Verluste je Kilometer bei einer Strecke von Nord-Afrika nach Europa, da die transportierte Leistung für den Bedarf einer Bohrinsel wesentlich geringer ist.

Während bei Wechselstrom-Übertragung zwingend eine Synchronisierung der zu verbindenden Netze erforderlich ist, entfällt dies bei der Gleichstromübertragung. HGÜ wird auch manchmal auf Zwischenverbindungen in einem großen räumlich ausgedehnten synchronen Wechselstromnetz verwendet, da durch die räumliche Ausdehnung Phasenverschiebungen auftreten können. Ein Beispiel einer solchen Strecke ist die HGÜ innerhalb des synchronen europäischen Verbundnetzes zwischen dem italienischen Ort Galatina und dem ca. 300 km entfernten Ort Arachthos in Griechenland (allerdings ist hier HGÜ schon wegen der Länge des Seekabels nötig).

Darüber hinaus muss im Gleichstromnetz die Isolation nicht auf einen Spitzenwert von $\sqrt{2} \cdot U_{nenn}$ ausgelegt werden, da bei Gleichstrom die Spitzenspannung der Effektivspannung entspricht.

Nachteile

Die Stromrichterstationen sind (im Vergleich zu Drehstromtransformatoren) sehr teuer und nur wenig überlastbar. Es ist sehr schwierig, in eine bestehende Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung nachträglich einen Abzweig einzufügen. Die HGÜ ist prädestiniert für die Energieübertragung zwischen nur zwei Punkten.

Da eine normale HGÜ mit einem netzkommutierten Wechselrichter immer induktive Blindleistung benötigt, wird ein bestehendes Drehstromnetz benötigt, um Energie zu übertragen. Benutzt man einen selbstgeführten Wechselrichter (z. B. mit Spannungszwischenkreis), kann auch ein Inselnetz (z. B. eine Bohrinsel ) betrieben werden. Die benötigte Blindleistung erzeugt der Stromrichter in Verbindung mit dem Energiespeicher im Gleichstromzwischenkreis. Wegen der starken Spannungsspitzen am Ausgang des Stromrichters ist der Einsatz eines Filters zum Schutz der Verbraucher notwendig.

Im stationären Zustand ergeben sich bei hohen Gleichspannungen ab ca. 500 kV Probleme durch Verschmutzung und Benetzung durch Regenwasser (Freiluftanlagen) auf den Isolatoroberflächen und Leiterdurchführungen:
Bei hohen Wechselspannungen wird das räumliche elektrische Feld durch die Streu- und Betriebskapazitäten bestimmt; die Feldverzerrung durch leitfähige Schmutzschichten am Isolator bleibt jedoch wegen der dabei auftretenden und vergleichsweise großen kapazitiven Verschiebungsströme meist vernachlässigbar klein. Demgegenüber wird bei Gleichstrom hoher Spannung das elektrische Feld allein durch die (hohen) ohmschen Widerstände der Isolationsanordnung verändert. Eine feuchte Schmutzauflage kann daher eine Verzerrung des elektrischen Feldes entlang des Isolators verursachen, die zu einem Durchschlag längs des Isolierkörpers führen kann.

Geschichte

Kleinere und eher der Mittelspannung zuzurechnende GÜ-Anlagen entstanden ab den 1890er Jahren besonders in Italien und der Schweiz, beispielsweise St-Maurice–Lausanne 22 kV, 3,7 MW, 60 km; 1897). Die erste HGÜ-Anlage war das Lyon–Moutiers-System mit 150 kV bipolarer Spannung, 14,7 MW Übertragungsleistung und 200 km Länge. Die Anlage war von 1906 bis 1936 in Betrieb und funktionierte ohne Umrichtwerke. Der Strom wurde mittels in Reihe geschalteter Gleichstromgeneratoren direkt in einem Wasserkraftwerk bei Moutier erzeugt und von Gleichstrommaschinen in Lyon verbraucht.^[2]

Die erste deutsche HGÜ-Anlage war die nie in Betrieb gegangene bipolare Kabelübertragung des Elbe-Projekts zwischen Dessau und Berlin 1945 (symmetrische Spannung von 200 kV gegen Erde, maximale Übertragungsleistung 60 MW). Diese Anlage wurde von der sowjetischen Besatzungsmacht abgebaut und 1950 zum Aufbau einer 100 Kilometer langen, monopolaren Hochspannungsgleichstromleitung mit einer Übertragungsleistung von 30 MW und einer Betriebsspannung von 200 kV zwischen Moskau und Kaschira genutzt. Diese Leitung ist inzwischen stillgelegt.

Im Westen wurde die erste HGÜ-Anlage 1954 zwischen der schwedischen Insel Gotland und dem schwedischen Festland in Betrieb genommen. Die älteste noch bestehende HGÜ-Anlage ist die Konti-Skan 1 zwischen Dänemark und Schweden.

1972 wurde im kanadischen Eel River die erste HG-Anlage mit Thyristoren in Betrieb genommen und 1975 in England die HGÜ Kingsnorth zwischen dem Kraftwerk Kingsnorth und der Innenstadt von London mit Quecksilberdampfgleichrichtern. Das Fenno-Skan zwischen Schweden und Finnland wurde 1989 in Betrieb genommen.

In Deutschland entstand von 1991 bis 1993 die erste HGÜ-Anlage in Form der Kurzkupplung in Etzenricht. 1994 ging die 262 Kilometer lange Gleichstromleitung Baltic-Cable zwischen Lübeck-Herrenwyk und Kruseberg in Schweden in Betrieb, der 1995 die 170 Kilometer lange vollständig verkabelte Kontek zwischen Bentwisch bei Rostock und Bjæverskov in Dänemark folgte.

Mit 580 Kilometern ist die Ende September 2008 eingeweihte NorNed genannte Verbindung zwischen Feda in Norwegen und Eemshaven in den Niederlanden derzeit (2008) längste Verbindung dieser Art. Die Betreiber sind Statnett und TenneT.^[3]

Mit einer Übertragungsleistung von 5000 MW und einer Übertragungsspannung von 800 kV entsteht derzeit zwischen den chinesischen Provinzen Guangdong und Yunnan die leistungsstärkste HGÜ-Fernverbindung der Welt. Die Anlage soll bis Mitte 2010 ihren kommerziellen Betrieb aufnehmen.

Zukunftsaussichten

Als Alternative zur konventionellen HGÜ-Technik mit Stromzwischenkreis kommen zunehmend Technologien mit Spannungszwischenkreis zum Einsatz. Dabei werden als schaltende Elemente zum Beispiel IGBTs eingesetzt. Solche Anlagen werden aber bisher nur für kleinere Leistungen eingesetzt.

Fraglich ist, ob es einmal Gleichspannungsleitungen mit mehr als zwei Stationen oder gar Gleichspannungsnetze geben wird. In der Theorie ist dies realisierbar, praktisch ist jedoch noch keine solche Anlage ausgeführt worden.

Aufgrund steigender Energiepreise und zunehmender Industrialisierung weltweit ist zu erwarten, dass auch in Zukunft noch häufiger die HGÜ als Alternative zum Drehstromnetz zum Einsatz kommen wird, um kostengünstig und effizient Energie zu übertragen.^[4]

Siehe auch

• Liste der HGÜ-Anlagen
• Liste von Schaltanlagen
• HGÜ-Konversion
• HGÜ-Kurzkupplung

Quellen

1. ↑ Solarkraftwerke in der Sendung „W - Wie - Wissen“, Erstes Deutsches Fernsehen
2. ↑ Electrosuisse: René Thury
3. ↑ fingrid.fi :NorNed inaugurated (30.09.2008)
4. ↑ Der große Blackout (Film im wmv-Format), 3sat hitec vom 14.6.2007, Alternativlink