Strom braucht Sicherungen. Schalter, die bei einem Kurzschluss blitzschnell in der Lage sind, die kurzgeschlossene Leitung abzuschalten - damit, zum Beispiel, kein Brand entsteht. Das ist im Haushalt nicht anders als im Stromnetz. Sollen Hochspannungs-Gleichstromleitungen jedoch zu einem Netz zusammengefügt werden, haben die Techniker ein Problem, so Jochen Kreusel vom VDE, gleichzeitig beim Unternehmen ABB zuständig für intelligente Stromnetze.
"Warum bauen Sie ein Netz. Ein Netz bauen Sie, damit Sie Redundanz haben und damit Sie im Störfall nur Teile verlieren. Und das heißt, dass Sie im Störfall aber auch Teile isolieren können müssen. Und das geht heute nicht, wir haben keine Leistungsschalter für Gleichstrom, bisher."
Leistungsschalter sind Sicherungen für hohe Spannungen. Sie müssen schnell und sicher sein und möglichst keinen Strom verbrauchen. Mechanische Schalter zum Beispiel würden kaum Strom verbrauchen. Aber sie wären nicht schnell und sicher: Beim Öffnen der Kontakte kann die Luft dazwischen leitfähig werden: Ein Lichtbogen entsteht, der Strom fließt einfach durch die Luft weiter.
Das passiert bei Gleich- wie auch bei Wechsel- oder Drehstrom. Der Unterschied ist jedoch: Bei Wechsel- und Drehstrom pendelt die Spannung zwischen plus und minus immer hin und her und fällt dabei kurz mal auch auf null. In diesem Bruchteil einer Sekunde bricht dann der Lichtbogen zusammen - oder wird schwächer. Die Luft wird dabei Stück für Stück immer weniger leitfähig, bis der Lichtbogen erlischt.
Bei Gleichstrom klappt das jedoch nicht. Entsteht ein Lichtbogen, bleibt der stehen, und müsste künstlich gelöscht werden. Das würde zu lange dauern. Entsteht entlang einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitung, kurz HGÜ, ein Kurzschluss, muss daher heute die Stromzufuhr für die ganze Leitung abgeschaltet werden. Jochen Kreusel:
"Das heißt, wenn Sie heute ein Netz bauen würden, dass im Normalbetrieb schon funktionieren würde und dann würde es Ihnen aber im Störfall komplett wegfallen, weil Sie die Trennung eben nur außerhalb des Systems machen können, auf der Drehstromseite, und das ist natürlich nicht das, was Sie von einem Netz wollen."
Ein Leistungsschalter muss aber nicht mechanisch funktionieren, es geht auch elektronisch mit Transistoren. Diese Bauteile können so gesteuert werden, dass sie keinen Strom mehr leiten. Ohne, dass ein Lichtbogen entsteht. Elektroloks werden heute meist mit solchen Leistungselektroniken gesteuert. Aber mit Blick auf den Stromtransfer haben diese elektronischen Schalter einen Schönheitsfehler: Sie verbrauchen Strom.
"Und das ist der Konflikt, wenn Sie jetzt also einen reinen Leistungshalbleiter als Schalter einsetzen, dann ist der zwar schnell genug, aber er verursacht - kleine zwar, aber Verluste, die sich im Laufe der Lebenszeit dann halt doch summieren, das wollen Sie also nicht."
Ingenieure von ABB haben daher beide Techniken kombiniert: Sie haben eine HGÜ-Sicherung konstruiert, die einerseits aus einem mechanischen oder metallischen Schalter besteht, andererseits aus einem elektronischen. Jochen Kreusel:
"Sie haben beide Pfade in Betrieb, aber dadurch, dass der metallische im geschlossenen Zustand einen niedrigeren Widerstand hat, weil er ja kaum Verluste - zieht er ja den großen Teil des Stroms über sich. Aber den anderen gibt's halt auch. Wenn Sie jetzt den metallischen Kontakt öffnen, dann, weil ja sowieso beide Pfade in Betrieb sind, bleibt dem Strom nichts anderes übrig, als über den anderen Pfad zu fließen."
Ein Lichtbogen am mechanischen Schalter bleibt aus, weil der Weg über die Transistoren des elektronischen Schalters dann der Weg des geringeren Widerstands ist.
"Und da schlägt dann der leistungselektronische Schalter zu."
Und trennt im Bruchteil einer Sekunde den Stromfluss.
Der erste Prototyp dieser Sicherung für Hochspannungs-Gleichstromnetze funktioniert. Bis zum Ende des Jahrzehnts hofft das Unternehmen, sie in Serie bauen zu können - genau zu dem Zeitpunkt, zu dem die ersten HGÜ-Leitungen gebaut oder miteinander verknüpft werden könnten.
"Warum bauen Sie ein Netz. Ein Netz bauen Sie, damit Sie Redundanz haben und damit Sie im Störfall nur Teile verlieren. Und das heißt, dass Sie im Störfall aber auch Teile isolieren können müssen. Und das geht heute nicht, wir haben keine Leistungsschalter für Gleichstrom, bisher."
Leistungsschalter sind Sicherungen für hohe Spannungen. Sie müssen schnell und sicher sein und möglichst keinen Strom verbrauchen. Mechanische Schalter zum Beispiel würden kaum Strom verbrauchen. Aber sie wären nicht schnell und sicher: Beim Öffnen der Kontakte kann die Luft dazwischen leitfähig werden: Ein Lichtbogen entsteht, der Strom fließt einfach durch die Luft weiter.
Das passiert bei Gleich- wie auch bei Wechsel- oder Drehstrom. Der Unterschied ist jedoch: Bei Wechsel- und Drehstrom pendelt die Spannung zwischen plus und minus immer hin und her und fällt dabei kurz mal auch auf null. In diesem Bruchteil einer Sekunde bricht dann der Lichtbogen zusammen - oder wird schwächer. Die Luft wird dabei Stück für Stück immer weniger leitfähig, bis der Lichtbogen erlischt.
Bei Gleichstrom klappt das jedoch nicht. Entsteht ein Lichtbogen, bleibt der stehen, und müsste künstlich gelöscht werden. Das würde zu lange dauern. Entsteht entlang einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitung, kurz HGÜ, ein Kurzschluss, muss daher heute die Stromzufuhr für die ganze Leitung abgeschaltet werden. Jochen Kreusel:
"Das heißt, wenn Sie heute ein Netz bauen würden, dass im Normalbetrieb schon funktionieren würde und dann würde es Ihnen aber im Störfall komplett wegfallen, weil Sie die Trennung eben nur außerhalb des Systems machen können, auf der Drehstromseite, und das ist natürlich nicht das, was Sie von einem Netz wollen."
Ein Leistungsschalter muss aber nicht mechanisch funktionieren, es geht auch elektronisch mit Transistoren. Diese Bauteile können so gesteuert werden, dass sie keinen Strom mehr leiten. Ohne, dass ein Lichtbogen entsteht. Elektroloks werden heute meist mit solchen Leistungselektroniken gesteuert. Aber mit Blick auf den Stromtransfer haben diese elektronischen Schalter einen Schönheitsfehler: Sie verbrauchen Strom.
"Und das ist der Konflikt, wenn Sie jetzt also einen reinen Leistungshalbleiter als Schalter einsetzen, dann ist der zwar schnell genug, aber er verursacht - kleine zwar, aber Verluste, die sich im Laufe der Lebenszeit dann halt doch summieren, das wollen Sie also nicht."
Ingenieure von ABB haben daher beide Techniken kombiniert: Sie haben eine HGÜ-Sicherung konstruiert, die einerseits aus einem mechanischen oder metallischen Schalter besteht, andererseits aus einem elektronischen. Jochen Kreusel:
"Sie haben beide Pfade in Betrieb, aber dadurch, dass der metallische im geschlossenen Zustand einen niedrigeren Widerstand hat, weil er ja kaum Verluste - zieht er ja den großen Teil des Stroms über sich. Aber den anderen gibt's halt auch. Wenn Sie jetzt den metallischen Kontakt öffnen, dann, weil ja sowieso beide Pfade in Betrieb sind, bleibt dem Strom nichts anderes übrig, als über den anderen Pfad zu fließen."
Ein Lichtbogen am mechanischen Schalter bleibt aus, weil der Weg über die Transistoren des elektronischen Schalters dann der Weg des geringeren Widerstands ist.
"Und da schlägt dann der leistungselektronische Schalter zu."
Und trennt im Bruchteil einer Sekunde den Stromfluss.
Der erste Prototyp dieser Sicherung für Hochspannungs-Gleichstromnetze funktioniert. Bis zum Ende des Jahrzehnts hofft das Unternehmen, sie in Serie bauen zu können - genau zu dem Zeitpunkt, zu dem die ersten HGÜ-Leitungen gebaut oder miteinander verknüpft werden könnten.