Wie wählt man zuverlässige Mittelspannungs-Schaltanlagen für industrielle Stromversorgungssysteme aus?

Was sind Mittelspannungs-Schaltanlagen und warum sind sie für Stromversorgungssysteme entscheidend?

Mittelspannungs-(MV-)Schaltanlagen steuern und schützen elektrische Stromkreise im Spannungsbereich von 600 V bis 69 kV – eine zentrale Komponente moderner Strominfrastruktur. Diese Geräte isolieren Störungen innerhalb weniger Millisekunden und verhindern so Kettenreaktionen von Ausfällen im gesamten Netz. Als Orientierungshilfe: Ungeplante Ausfälle verursachen industriellen Betrieben Kosten von über 740.000 US-Dollar pro Stunde (Ponemon Institute, 2023); eine schnelle Unterbrechung von Fehlerströmen ist daher unverzichtbar.

Mittelspannungs-Schaltanlagen ermöglichen eine sichere und zuverlässige Stromverteilung in städtischen Netzen, Produktionsanlagen und Projekten im Bereich erneuerbarer Energien. Ihre Schutzfunktionen schützen Transformatoren, Kabel und nachgeschaltete Anlagen vor Beschädigung bei Überspannungen oder Kurzschlüssen – wodurch das Risiko von Bränden, Gerätezerstörung und längeren Ausfallzeiten verringert wird.

Die Technologie unterstützt zudem die Integration erneuerbarer Energien, indem sie die schwankenden Einspeisungen aus Solar- und Windparks vor der Einspeisung ins Netz stabilisiert. Mit steigendem Energiebedarf und beschleunigtem Dekarbonisierungsprozess wird leistungsfähige Mittelspannungs-Schalttechnik unverzichtbar, um Zuverlässigkeit, Sicherheit und betriebliche Effizienz in sich wandelnden Stromnetzen auszubalancieren.

Kernarten von Mittelspannungs-Schaltanlagen: luftisoliert vs. gasisoliert vs. festisoliert

Schaltanlagen für Mittelspannung sind in drei Hauptausführungen erhältlich, wobei jede eine eigene Isolationstechnologie und spezifische Betriebsvorteile aufweist. Die Auswahl des optimalen Typs hängt von räumlichen Beschränkungen, Umgebungsbedingungen und Zuverlässigkeitsanforderungen ab – was sich unmittelbar auf Sicherheit und Systemresilienz auswirkt.

Luftisolierte Schaltanlagen (AIS): Merkmale und Einsatzgebiete

Schaltanlagen mit Luftisolierung nutzen normale Umgebungsluft als Hauptisolierstoff, was bedeutet, dass die Installation in der Regel einfacher ist und die Anschaffungskosten im Vergleich zu anderen Optionen relativ niedrig bleiben. Aufgrund ihres Funktionsprinzips benötigt das System mehr Platz zwischen den spannungsführenden Komponenten; diese Konfiguration ist daher sinnvoll an Standorten mit ausreichend verfügbarem Raum, beispielsweise großen Außen-Umspannwerken oder weitläufigen Industrieanlagen. Obwohl der Zugang zu Wartungspunkten keinerlei Schwierigkeiten bereitet, sollten Betreiber wissen, dass Feuchtigkeit, Staubansammlung sowie die Einwirkung aggressiver Chemikalien die Leistungsfähigkeit im Laufe der Zeit erheblich beeinträchtigen können. Deshalb spielt die sorgfältige Standortauswahl bei der Beurteilung der Langzeitzuverlässigkeit eine entscheidende Rolle.

Vorteile von gasisolierten Schaltanlagen (GIS) in raumkritischen Umgebungen

Gasisolierte Schaltanlagen (GIS) verwenden Schwefelhexafluorid (SF6)-Gas als Isoliermedium, wodurch diese Anlagen etwa 70 % weniger Platz beanspruchen als herkömmliche luftisolierte Schaltanlagen (AIS). Die geringere Bauform macht GIS besonders nützlich dort, wo Platz knapp ist – beispielsweise in Umspannwerken im Stadtzentrum, in Hochhäusern, unterirdischen Installationen und sogar in tiefen Bergwerksstollen. Die außergewöhnlichen dielektrischen Eigenschaften von SF6 machen dieses Gas so wirksam: Sie verhindern elektrische Lichtbögen und gewährleisten die Systemstabilität auch bei hohen Lasten. Allerdings gibt es einen Haken: Da SF6 ein starkes Treibhausgas ist, erfordert der Umgang damit spezielle Schulungen sowie die Einhaltung strenger umweltrechtlicher Vorschriften. Viele Unternehmen verfügen daher mittlerweile über eigene Fachteams, die ausschließlich für den sicheren Umgang mit dieser Art von Anlagen zuständig sind.

Feststoffisolierte Schaltanlagen (SIS) für erhöhte Sicherheit und Nachhaltigkeit

Die SIS-Technologie umhüllt Leiter entweder mit Epoxidharz oder Silikonkautschuk und eliminiert damit die schädlichen SF6-Gase sowie andere fluorierte Treibhausgasemissionen. Praktisch bedeutet dies, dass kein Wasser eindringen kann, keine Korrosion auftritt und nichts das System kontaminiert. Das Ergebnis? Eine zuverlässige Funktionsweise selbst bei Installation in Küstennähe, in tropischen Klimazonen oder generell an Standorten mit hohen Luftfeuchtigkeitswerten. Da nur geringer Wartungsaufwand erforderlich ist und Schmutz oder Fremdkörper keinerlei Einfluss auf die Funktion haben, entscheiden sich immer mehr Unternehmen für SIS-Lösungen bei ihren Solarparks, Elektrofahrzeug-Ladestationen sowie praktisch jeder Infrastruktur, bei der heutzutage ökologische Nachhaltigkeit wirklich zählt.

Schlüsselanwendungsszenarien für Mittelspannungs-Schaltanlagen in verschiedenen Branchen

Mittelspannungs-Schaltanlagen bilden das Rückgrat der elektrischen Sicherheit und Zuverlässigkeit in kritischen Infrastruktursektoren – sie werden dort eingesetzt, wo ein kontinuierlicher Betrieb zwingend erforderlich ist.

Versorgungsnetz-Unterstationen und Netzanschlüsse

In Übertragungs- und Verteilungsnetzen steuern Mittelspannungs-Schaltanlagen den Stromfluss, isolieren Störstellen bei Ausfällen und gewährleisten die Spannungsstabilität für Millionen von Verbrauchern. Ring-Main-Einheiten (RMUs) werden in städtischen Verteilnetzen häufig eingesetzt, um eine segmentierte Stromversorgung mit integrierter Redundanz und geringem Platzbedarf zu ermöglichen.

Industrieanlagen mit hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Fehlermanagement

Fabriken, Ölraffinerien und große Datenzentren sind alle auf Mittelspannungs-Schaltanlagen angewiesen, um ihre teuren Anlagen zu schützen und die Mitarbeiter vor Gefahren zu bewahren. Diese Systeme schützen Motoren, industrielle Antriebe sowie jene kritischen Prozessleittechnik-Steuerungen vor plötzlichen Spannungsspitzen und gefährlichen Kurzschlüssen, die zu schweren Schäden an der Ausrüstung führen können. Wenn bei der Hauptstromversorgung Störungen auftreten, übernehmen automatische Umschalter (Automatic Transfer Switches, ATS) die Aufgabe, einen Produktionsstillstand zu verhindern. Sie ermöglichen es den Anlagen, automatisch auf Notstromaggregate umzuschalten, ohne den Produktionsbetrieb zu unterbrechen – daher betrachten viele Anlagenleiter die Installation von ATS als unverzichtbar für die Planung der Geschäftskontinuität.

Integration erneuerbarer Energien (Wind-/Solarparks)

Sowohl Solaranlagen als auch Windparks setzen Mittelspannungs-Schaltanlagen ein, um wichtige Funktionen wie die Synchronisierung mit dem Stromnetz, die Reduzierung von Oberschwingungen und die Aufrechterhaltung geeigneter Spannungsniveaus zu gewährleisten. Bei Offshore-Windprojekten hat sich die gasisolierte Schaltanlage (GIS) als bevorzugte Lösung durchgesetzt, da diese Systeme weniger Platz beanspruchen, widerstandsfähig gegenüber Salzwasserschäden sind und keinen ständigen Wartungsaufwand erfordern – ein entscheidender Vorteil, wenn Techniker für Reparaturen auf See reisen müssen. Für solarbetriebene Anlagen an Land gewinnt die feststoffisolierte Schaltanlage (SIS) zunehmend an Beliebtheit, dank ihrer umweltfreundlichen Eigenschaften, einer verlängerten Lebensdauer und der Fähigkeit, ohne regelmäßige Überwachung zu betreiben. Viele Betreiber schätzen dies besonders, da entfernt gelegene Solarstandorte oft über keine nahegelegenen Wartungsteams verfügen.

Auswahl der richtigen Mittelspannungs-Schaltanlage: Kritische technische und betriebliche Faktoren

Spannungsstufe, Kurzschlussfestigkeit und Schaltleistungsanforderungen

Bei der Auswahl von Mittelspannungs-Schaltanlagen sollten Sie zunächst die technischen Spezifikationen an die tatsächlichen Anforderungen des Standorts anpassen. Prüfen Sie, ob die Spannungsstufen sowohl den normalen Betrieb als auch Spitzenlastbedingungen bewältigen können. Die meisten industriellen Anlagen arbeiten heutzutage im Bereich von 3,3 kV bis etwa 36 kV. Die Schaltanlage muss zudem Kurzschlussbelastungen aushalten. Falls sie die Fehlerströme am jeweiligen Standort nicht bewältigen kann, ergeben sich langfristig ernsthafte Probleme – sowohl hinsichtlich der Sicherheit als auch der Kosten. Berücksichtigen Sie, wie häufig Schaltvorgänge erforderlich sind: Vakuum-Leistungsschalter eignen sich in der Regel besser für Anwendungen mit häufigem Ein- und Ausschalten, beispielsweise bei Kondensatorbänken. SF6-Geräte behalten jedoch weiterhin ihre Berechtigung dort, wo Schaltvorgänge selten, aber eine hohe Unterbrechungsleistung erforderlich ist. Kritische Systeme wie automatische Umschalter oder Notstromleitungen erfordern besondere Aufmerksamkeit. Stellen Sie sicher, dass die angegebenen Unterbrechungsleistungen den ungünstigsten Fehlerfällen gemäß der Norm IEC 62271-100 tatsächlich entsprechen.

Umweltbedingungen, Wartungsanforderungen und Lebenszykluskostenanalyse

Wie gut eine Ausrüstung gegenüber Umgebungsbedingungen abschneidet, hat einen erheblichen Einfluss auf ihre Lebensdauer, ihre Betriebssicherheit sowie die über die Zeit anfallenden Kosten. Bei der Betrachtung unterschiedlicher Umgebungen spielen Faktoren wie extreme Temperaturen, Feuchtigkeitsgrade, salzhaltige Luft in Küstennähe, Staubansammlungen und chemische Einwirkungen alle eine Rolle. Die Norm IEC 62271 hilft dabei, diese Risiken einzustufen. Die meisten Indoor-Installationen erfordern mindestens eine Schutzart IP2X; bei Außenanlagen oder in salzwasserexponierten Bereichen steigen die Anforderungen jedoch auf IP54 oder höher. Auch die Wartungsanforderungen unterscheiden sich erheblich je nach Systemtyp: AIS-Anlagen erfordern im Allgemeinen vierteljährliche Inspektionen sowie regelmäßige Reinigungsarbeiten. GIS-Anlagen benötigen hingegen speziell geschultes Personal mit Kenntnissen im Umgang mit Gasen und in der Leckageerkennung. SIS-Anlagen zeichnen sich insgesamt durch deutlich geringeren Wartungsaufwand aus und reduzieren geplante Wartungsarbeiten im direkten Vergleich zu AIS-Alternativen um rund 40 %.

Führen Sie eine ganzheitliche Lebenszykluskostenanalyse durch, die folgende Aspekte berücksichtigt:

Geben Sie modularer, skalierbarer Auslegung Priorität, die ein zukünftiges Lastwachstum oder technologische Aufrüstungen unterstützt – vermeiden Sie daher einen kompletten Austausch bei der Erweiterung der Leistungsfähigkeit oder beim Einbau digitaler Überwachungsfunktionen.

FAQ

Welche Hauptfunktion erfüllt Mittelspannungsschaltanlagen?

Mittelspannungsschaltanlagen steuern und schützen elektrische Stromkreise und isolieren Fehler innerhalb von Millisekunden, um Ausfälle zu verhindern und eine sichere sowie zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten.

Wie integriert sich Mittelspannungsschaltanlagen in erneuerbare Energiequellen?

Mittelspannungsschaltanlagen stabilisieren die schwankenden Einspeisungen aus Solar- und Windparks vor der Einspeisung ins Netz und unterstützen so die Integration erneuerbarer Energien, ohne dabei die betriebliche Effizienz zu beeinträchtigen.

Welche Faktoren sind bei der Auswahl von Mittelspannungsschaltanlagen zu berücksichtigen?

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl von Mittelspannungs-Schaltanlagen die Nennspannung, die Kurzschlussfestigkeit, die Umgebungsbedingungen, den Wartungsaufwand und die Lebenszykluskosten.

Welche Vorteile bietet die Verwendung von feststoffisolierten Schaltanlagen?

Feststoffisolierte Schaltanlagen bieten eine verbesserte Sicherheit und Nachhaltigkeit, indem sie SF6-Gase eliminieren, wetterbeständig sind und nur einen geringen Wartungsaufwand erfordern.