Medium-Voltage Solid State Transformer Schutzkonzepte, Mittelspannungsnormen und Fehlermodi

Abstract

Ein modernes, sicheres und leistungsfähiges Stromnetz ist nicht nur relevant zur Sicherung und Steigerung des Lebensstandards, sondern auch ein zentrales Element für die Energiewende hin zu erneuerbaren Energien und letztendlich auch der Grundstein für Innovation in allen Bereichen. Der sich dadurch bedingte stetige Ausbau von erneuerbaren Energien, wie Photovoltaik, und die steigende Last, beispielsweise durch neue Rechenzentren, erfordert einen gezielten Ausbau der bestehenden Netzinfrastruktur. Hierbei ist insbesondere die Entwicklung von innovativen Betriebsmitteln, die Material- und kostensparend sind, von größter Bedeutung. Natürlich müssen diese auch den bestehenden Normen entsprechen, um Qualität und Sicherheit zu gewährleisten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde sich der Frage gewidmet, welche Maßnahmen anhand von bestehenden Normen getroffen werden können, um die Überspannungen für einen Solid State Transformer (en: Solid State Transformer) (SST) zu senken und somit die Luftstrecken des Mittelfrequenztransformator (en: Medium Frequency Transformer) (MFT) zwischen dem Anschluss der Mittelspannungswicklung und dem Anschluss der Niederspannungswicklung zu verringern, um Material zu reduzieren. Ausgehend von der Norm OVE EN IEC 61800-5-1 wurden die notwendigen Maßnahmen betrachtet und mit anderen Normen ergänzt. Dabei wurde untersucht, wie sich eine Änderung der Überspannungskategorie, des Versorgungsnetzes, des Nicht-Netzstromkreises und der Netzsysteme auf die Auslegung auswirken würde. Unter anderem haben sich folgende Kernelemente herausgestellt. Die Überspannungskategorie hat einen sehr großen Einfluss auf die Stehstoßspannung. Daher sollten alle Maßnahmen ergriffen werden, um diese normgerecht so weit wie möglich zu reduzieren. Das verwendete Netzsystem hat einen großen Einfluss auf die Dauer und die Höhe der Überspannung und ist damit wesentlich für die Auswahl der Überspannungsableiter und der Schutzkonzepte. Diese sind unbedingt mit dem vorgelagerten Netzbetreiber abzustimmen. Dabei sind TN-C-Netze und das TT-DC ausgeschlossen. Das TN-C-Netz wird aufgrund von elektromagnetischen Verträglichkeiten in Neuanlagen insbesondere bei Anlagen mit vielen Informationstechnologien ausgeschlossen. Das TT-DC-System wird aufgrund des gemeinsamen Potentialausgleichs der Stromanlage und der elektrischen Anlage als Netzsystem ausgeschlossen. Ist der SST an ein Versorgungsnetz angeschlossen, ergeben sich strengere Anforderungen als bei einem Nicht-Netzstromkreis. Entgegen der Annahme, dass die Stehstoßspannung immer die erforderlichen Luftstrecken bestimmt, wird je geringer die Überspannungskategorie wird, desto mehr wird auch die zeitweilige Überspannung für die Luftstrecke zur maßgebenden Spannung. Daher sind immer alle drei Spannungen: Arbeitsspannung, Stehstoßspannung und zeitweilige Überspannungen für die Luftstreckenbestimmung zu betrachten. Die größte Luftstrecke muss angewendet werden. Zwischen dem Mittelspannungsnetz und dem Niederspannungsnetz ist eine erhöhte Luftstrecke, Luftstrecke für die verstärkte Isolierung, einzuhalten. Diese bestimmt auch die Länge der Durchführung des MFT, damit die Zuleitung der Mittelspannungsseite nicht auf die Niederspannungsseite durchschlägt. Wird die Spannung auf der Niederspannungsseite oder auf der Mittelspannungsseite abgesenkt, reduzieren sich die erforderlichen Luftstrecken, jedoch erhöht sich der Strom. Durch höhere Ströme ergeben sich höhere Querschnitte der Sammelschienen. Eine Querschnittserhöhung muss insbesondere bei der Mittelspannungssammelschiene der Reduktion des Materials beim SSTs gegenübergestellt werden. Diese Arbeit stellt eine Analyse anhand von Normdaten dar und kann als Basis genutzt werden, um in weiterer Folge Kurz- und Erdschlussrechnungen durchzuführen, um genauere Erkenntnisse über die verschiedenen Sternpunkterdungen auch hinsichtlich der betrachteten Leiterstruktur zu gewinnen. Um einerseits die auftretenden Überspannungen, die Strompfade und gegebenenfalls auftretende Beeinflussungen auf die Leistungselektronik durch die verschiedenen Erdungssysteme zu betrachten.

A modern, safe, and high-performance power grid is not only essential for maintaining and improving living standards, but also a key element of the energy transition toward renewable energy sources and, ultimately, the foundation for innovation across all sectors. The resulting continuous expansion of renewables, such as photovoltaics, and the increasing demand—for example due to new data centers—requires targeted reinforcement and expansion of the existing grid infrastructure. In this context, the development of innovative equipment that saves material and reduces costs is of paramount importance. Naturally, such equipment must also comply with existing standards to ensure quality and safety. In this thesis, the question is addressed of which measures, based on existing standards, can be taken to reduce overvoltages for a Solid State Transformer (SST) and thus decrease the required clearances of the MFT between the connection of the medium voltage winding and the connection of the low-voltage winding in order to reduce material usage. Starting from the standard OVE EN IEC 61800-5-1, the required measures were examined and supplemented with additional standards. In particular, the impact of changes in the overvoltage category, the circuit that is directly connected to the main supply, the circuit that is not directly connected to the main supply, and the earthing systems on the design was investigated. Among other findings, the following key elements were identified. The overvoltage category has a very strong influence on the impulse voltage. Therefore, all measures should be taken to reduce it as far as possible in compliance with the applicable standards. The earthing system used has a significant impact on both the magnitude and the duration of overvoltages and is therefore crucial for selecting surge arresters and protection concepts. These must be coordinated with the upstream grid operator. In this context, TN-C systems and TT-DC are excluded. TN-C systems are excluded in new installations due to electromagnetic compatibility considerations, especially in installations with extensive information technology. The TT-DC system is excluded as an earthing system due to the common equipotential bonding of the power system and the electrical installation. If the SST is directly connected to a main supply, stricter requirements apply than in the case of a circuit that is not directly connected to a main supply. Contrary to the assumption that the impulse voltage always determines the required clearances, the lower the overvoltage category, the more temporary overvoltage becomes the decisive voltage for clearance dimensioning. Therefore, all three voltages—working voltage, impulse voltage, and temporary overvoltage—must always be considered when determining clearances. The largest resulting clearance must be applied. Between the medium-voltage grid and the low-voltage grid, an increased clearance (clearance for reinforced insulation) must be maintained. This also determines the required length of the bushing of the Medium Frequency Transformer (MFT) so that the medium-voltage lead cannot flash over to the low-voltage side. If the voltage on the low-voltage side or on the medium-voltage side is reduced, the required clearances decrease; however, the current increases. Higher currents lead to larger required cross-sections of the busbars. In particular, for the medium-voltage busbar, any increase in cross-section must be weighed against the potential material reduction achieved within the SST. This work provides an analysis based on standard data and can serve as a basis for subsequent short-circuit and earth-fault calculations in order to gain more detailed insights into the various neutral grounding concepts, also with respect to the conductor arrangement considered. This would make it possible to analyse the occurring overvoltages, current paths, and potential interactions with the power electronics resulting from different earthing systems.