Wesentliche elektrische Designherausforderungen in modernen Kraftwerken: Umfassender Überblick

Kraftwerksbezeichnungen und Grundlagen

Kraftwerk, Kraftwerksanlage und elektrische Erzeugungsanlage sind gängige Bezeichnungen für Kraftwerke. Sie sind essenziell für das moderne tägliche Leben: Kein Fernsehen, kein Internet, keine Elektrizität, kein Licht. Die Stromerzeugung existiert seit dem späten 19. Jahrhundert, als Seewasser zur Anregung von Siemens-Dynamos genutzt wurde. Der Strom versorgte Beleuchtung, Heizung, Warmwasser, Aufzüge sowie arbeitsparende Geräte und Farmgebäude.

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Kraftwerks-Erzeugungsanlage

Bis vor Kurzem war das Hauptziel elektrischer Systeme die Gewährleistung unterbrechungsfreien Betriebs von Beleuchtung, Prozessen und Umweltsystemen einer Anlage. Dieses einfache Modell stammt aus dem frühen 20. Jahrhundert, als der Energieverbrauch primär von linearen Lasten stammte. In jüngeren Jahren sind nichtlineare Lasten wie drehzahlvariable Motoren, programmierbare Logiksteuerungen (SPS) und andere elektrische Geräte zur Norm geworden. Im Vergleich zu linearen Lasten sind diese nichtlinearen Lasten weitaus empfindlicher gegenüber Überspannung, Unterspannung und anderen Störungen, die stets im Versorgungsnetz existieren. Solche routinemäßigen Störungen können Probleme von geringfügigen Gerätefehlfunktionen bis zu kostspieligen Systemabschaltungen und Geräteschäden verursachen. Zusätzlich können nichtlineare Geräte eigene Netzstörungen erzeugen, die Probleme in anderen Anlagenteilen verursachen und ins Versorgungsnetz zurückspeisen können. Die erhöhte Abhängigkeit von nichtlinearen Lasten hat neue Ziele zum elektrischen Systemdesign hinzugefügt. Während die garantierte Stromversorgung entscheidend bleibt, werden Zuverlässigkeitsfragen und Netzqualität paramount, und Kapazitätsanforderungen sind gestiegen. Zudem besteht weiterhin die Notwendigkeit, Energieverbrauch und -kosten zu kontrollieren, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Angesichts dieser Herausforderungen müssen Elektroingenieure das Risiko von Zuverlässigkeits- und Netzqualitätsproblemen bewerten, die wirtschaftlichen Auswirkungen abschätzen und ein kosteneffektives Risikomanagementprogramm implementieren.

Zuverlässige Stromversorgung

Eine zuverlässige Stromversorgung liefert Elektrizität ausreichend, um die Last einer Anlage mit der gewünschten Netzqualität zu bedienen, und stellt bei Einschränkungen oder Notfällen genügend Leistung bereit, um Personensicherheit und Schutz kritischer Prozesse und Prozessausrüstung zu gewährleisten. Ein Kraftwerks-Elektrodesign, das die von der Anlage geforderten Lastanforderungen antizipieren kann, ist selten ideal. Es ist notwendig, dass Anlageningenieure ein Lastprofil der Anlage erstellen. Das Profil gibt dem Managementteam ein gründliches Verständnis darüber, wie der elektrische Verbrauch der Anlage pro gewünschtem Zeitintervall variiert. Eine Methode zur Identifikation des elektrischen Lastmusters ist die Analyse durch Lastdiagramme. Alternativ können Messsysteme genutzt werden, um Daten mit Informationen zu Spitzenlastzeiten zu übertragen. Instrumentierung ist essenziell für die kontinuierliche Überwachung elektrischer Systeme und Information der Bediener über Leistung und Effizienz.

Unzuverlässige Stromversorgung

Netzqualität (Power Quality)

In Bezug auf Netzqualität ist konventioneller Versorgungsdienst nicht 100 % zuverlässig. Für einige Versorgungsunternehmen, die bereit sind, Prämien zu zahlen, kann die Stromversorgung nahe an 100 % Zuverlässigkeit gebracht werden. Auch auf diesem höheren Zuverlässigkeitsniveau kann es für manche Nutzer notwendig sein, hauseigene Netzkonditionierungssysteme bereitzustellen. Trotz Diagnostik und Präventivmaßnahmen durch Anlageningenieure treten unerwartete Ausfälle und andere Fehler auf. In solchen Situationen stellt ein gut gemanagtes Anlagenstromsystem Notstrom bereit, zumindest genug für geordnete Geräteabschaltung. Notstrom kann durch Hilfsgeneratoren oder eine Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV/USV) geliefert werden. In wachsender Zahl von Anlagen kann es wirtschaftlich sinnvoll sein, vor Ort durch ein BHKW (Kraft-Wärme-Kopplung) Strom zu erzeugen. BHKW-Systeme nutzen Abfall- oder zugekaufte Brennstoffe zur Stromerzeugung und gewinnen Abwärme zurück.

Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Quellen von Netzqualitätsproblemen

Obwohl Versorger heute fortschrittliche Hardware und Software in ihren Umspannwerken und Verteilnetzen einsetzen, treten Netzstörungen auf. Diese können resultieren aus:

• Übertragungsfehlern
• Schaltfehlern im Verteilnetz
• Blitzeinschlägen
• Gleichzeitiger Betrieb von Geräten

In vielen Fällen lassen sich Störungen auf Verkabelungs- und Erdungsprobleme innerhalb der Anlage selbst zurückführen. Häufige Störungen sind Ausfälle, Unterspannung, Überspannung, Spikes, Sags, Surges oder Rauschen. Diese Störungen reichen in der Dauer von anhaltenden Ausfällen von mehreren Stunden bis zu Überspannungen von nur wenigen Mikrosekunden, für Anlageningenieure nicht wahrnehmbar.

Blitzeinschläge verursachen Netzqualitätsprobleme

Ältere elektrische Geräte wie Motoren, Magnetventile und elektromechanische Steuerungen sind von kurzzeitigen Störungen weitgehend unbeeinflusst. Festkörperelektronische Geräte sind jedoch weitaus anfälliger für ein breites Spektrum an Störungen. Diese Verwundbarkeit resultiert aus der Art, wie elektronische Geräte die zugeführte Wechselspannung (AC) verbrauchen. Elektronische Geräte, die AC-Leistung nicht in Gleichstrom (DC) umwandeln können, können Probleme haben:

• Geräteunterbrechung
• Datenfehler
• Speicherverlust
• Sogar Abschaltungen

Im schlimmsten Fall können Geräte Schaden nehmen.

Überlegungen zur Korrektur von Netzqualitätsproblemen

Es gibt mehrere Arten von Abhilfemaßnahmen, um leistungsempfindliche Festkörpergeräte vor Netzstörungen zu schützen; die meisten sind einfach und kostengünstig. Zusätzlich können Störungen ganz verhindert werden, indem die Stromversorgung konditioniert wird, um die Sinuswellenform zu glätten (Details hier). Da Netzkonditionierungsausrüstung kostspielig ist, eignet sie sich am besten nur für Anwendungen, die die höchste Netzqualität erfordern.

• Verkabelung und Erdung
  Ca. 80 % der Netzqualitätsprobleme in gewerblichen und industriellen Anlagen lassen sich auf Probleme mit unsachgemäßer Erdung, unzureichender Verkabelung, lockeren Verbindungen und Ansammlung von Staub und Schmutz durch schlechte Wartungspraktiken zurückführen. Die Wichtigkeit einer guten, niederohmigen Erdung kann nicht genug betont werden, besonders da Festkörpersysteme auf die Erdung als Referenz für den Betrieb und zur Ableitung streuender Leistung angewiesen sind, die Schaden verursachen könnte, wenn sie im Stromkreis verbleibt. Dies ist eine kostengünstige Präventionsmaßnahme für Netzqualitätsprobleme.
• Dedizierte Stromkreise
  Die meisten Netzstörungen in Form von Rauschen werden innerhalb der Anlage selbst erzeugt. Daher ist eine effektive Methode zum Schutz kritischer oder hochempfindlicher Geräte, diese auf einem eigenen isolierten Stromkreis zu platzieren, um sie vor Störungen durch andere Geräte in der Nähe zu schützen.
• Überspannungsschutz (Spike Suppressor)
  Überspannungsschutz reduziert die Amplitude von Spannungsspitzen auf sichere Niveaus und kann viele plötzliche Spannungsänderungen eliminieren. Sie sind die einfachsten und günstigsten Schutzgeräte; ihre Leistungsfähigkeit hängt jedoch von der Qualität des gekauften Schutzgeräts ab.
• Isolationstransformatoren
  Isolationstransformatoren filtern elektrisches Rauschen und Verzerrungen von anderen ortsfesten Geräten oder eingehender Stromversorgung. Sie können jedoch nicht vor anderen Störungsarten wie Spikes und Surges schützen.
• Spannungsregler
  Spannungsregler halten eine relativ konstante Spannung, indem sie vor Surges und Sags durch mechanische oder elektrische Mittel schützen. Diese Option ist kostspieliger als die oben genannten, liegt aber in der Mitte des Kostenspektrums für Netzverbesserungsgeräte.
• Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
  Eine USV schützt vor kurzfristigen Stromunterbrechungen und externen Netzstörungen. USV-Systeme bestehen typischerweise aus Gleichrichter/Ladegerät, Batteriebank, statischem Wechselrichter und automatischem oder manuellem Bypass-Schalter. Sie bietet Schutz vor allen Netzqualitätsproblemen, einschließlich momentaner Ausfälle. Schutz vor anhaltenden Ausfällen ist auf die Größe der Batteriebank begrenzt. USV schützt nicht vor Transienten, Sags, Swells oder anderen Anomalien.

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