Elektrotechnik

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Energie im Tunnel gewährleisten

Bahntunnels, Strassentunnels, kilometerlange Wartungsschächte und Leitungskorridore in Städten brauchen alle eine mehr oder minder leistungsstarke und zuverlässige Stromversorgung. Sie alle haben die gleiche kettenartige Verteilstruktur aufgrund der geometrischen Längenausdehnung bis zu 57 Kilometer.

ür die elektrische Versorgung hat der Energieverbrauch grundsätzlich zwei Bedeutungen: Erstens wird die im Bauwerk verbrauchte Energie grösstenteils mit elektrischen Leitungen zugeführt und bestimmt also die Auslegung dieser Leitungen und zweitens haben diese Leitungen selbst einen Energieverbrauch. Diesen Energieverbrauch gilt es insbesondere bei Zuleitungen für Anlagen, die regelmässig oder gar dauernd in Betrieb sind, zu minimieren. Bei Neuanlagen kann mit der interdisziplinären Bestimmung der Lastschwerpunkte (Lüftungs- und Beleuchtungsverteilpunkte) und mit den Leitungsquerschnitten eine Optimierung erreicht werden. Beim Ersatz nach dem Erreichen der Lebensdauer sollten die Kabelquerschnitte auch aufgrund der Abschaltbedingungen und aufgrund der Verlegungsart überprüft werden. Oft sind alte Leitungen – gemessen an den neuen Vorschriften – übersichert.

Kritische Eckpunkte

Die kritischen Eckpunkte eines solchen Projektes sind die thermische Belastung der Leitungen, die Einhaltung der Abschaltbedingungen im Fehlerfall, der Spannungsabfall und der Leitungsverlust. Dazu sind auch die Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Feuchte, Verlegungsarten usw. zu berücksichtigen.

Was insbesondere bei den Strassentunneln durch Studien belegt ist, gilt auch für andere Bauwerke dieser Art: Die Energieeffizienz wird massgeblich in der Planung bestimmt, wogegen im Betrieb nur geringer Handlungsspielraum zur Verbesserung besteht. Das gilt insbesondere für die Energienutzung für Anlagen, die dauernd oder regelmässig in Betrieb stehen wie die Lüftung, Beleuchtung und Hilfseinrichtungen.

Bei sehr langen Tunnels erfolgt die Versorgung in bis zu drei Stufen:

- Hochspannungszuführung und Schwerpunktverteilung

- Mittelspannungsverteilung

- Niederspannung 690 Volt bis 990 Volt und Niederspannung 400 Volt

Wir gehen im Folgenden auf die Spannungserhöhung auf 690 Volt oder 900 Volt näher ein.

Um den Spannungsabfall unter 4 Prozent halten zu können und um die Leitungsverluste möglichst gering zu halten, wird die Energie mit einer möglichst hohen Niederspannung um die 900 Volt im Tunnel an die Lastschwerpunkte gebracht. Das funktioniert mit relativ kleinen Leistungen recht gut. Der Spannungsabfall am Verbraucher kann so optimal tief gehalten werden und die Leitungsverluste bleiben ebenfalls klein. Anders ist dies mit dem Kurzschlussstrom, der immer kleiner gegen Ende der Leitung wird. Daher müssen die Abschaltbedingungen im Auge behalten werden.

Spannungsanpassung

Damit die Spannung am Verbraucher an jeder Stelle im Tunnel stimmt, werden Trafos mit verschiedenen Anzapfungen eingesetzt. So kann lastabhängig die Spannung optimal eingestellt werden. Damit das gelingt, ist aber bei der Planung das Netz so auszulegen, damit an jeder Stelle eine geeignete Anzapfung gefunden werden kann. Beim einspeisenden Trafo werden die Wicklungen der Unterspannungsseite (400 Volt) in Sternschaltung geschaltet und der Sternpunkt geerdet. Die Oberspannungsseite – meist 980 Volt (Leerlauf) – ist in Dreieck geschaltet und hat keine Erdverbindung, ist also isoliert betrieben. Auf der Ausspeisungsseite in den Querschlägen oder Kavernen werden die Trafos oberspannungsseitig wieder in Dreieck und unterspannungsseitig in Stern geschaltet. Der Sternpunkt wird wieder geerdet und bildet das neue unabhängige Bezugssystem für alle daran angeschlossenen Verbraucher.

Um den Leitungsverlust möglichst tief zu halten, wird die Spannung möglichst hoch gewählt. Sie muss aber im Leerlauf unter 1000 Volt bleiben, um als Niederspannungsanlage zu gelten.

Schutz

Mit grösseren Leistungen kommt bei langen Leitungen die übertragene Betriebsleistung nahe an die Kurzschlussleistung. Da kann es gefährlich werden, denn Niederspannungsschaltgeräte können damit nicht umgehen, anders als Schutzrelais der Mittel- und insbesondere Hochspannungstechnik.

Daher muss auch der kleinstmögliche Kurzschlussstrom stark im Fokus bleiben, insbesondere wenn ein Dieselnotstromaggregat Teile der Tunnelversorgung
sicherstellen soll. Massgeblich ist die gesamte Impedanzkette vom Einspeisungspunkt bzw. von der Quellenimpedanz des Generators über die Transformatoren, die Übertragungsleitungen im Tunnel bis hin zu den Verbraucherleitungen. Leistungsschalter mit elektronischen Auslösern sind hier gegenüber den thermomagnetischen Auslösern und den Schmelzsicherungen klar im Vorteil. Oft ist die Abschaltbedingung das massgebende Kriterium für die Auslegung der Leitungen. Im Übertragungsbereich mit erhöhter Spannung spielt der Spannungsabfall eine untergeordnete Rolle, hingegen trägt die Impedanz beträchtlich zur gesamten Schlaufenimpedanz und damit zum Kurzschlussverhalten bei. Die Impedanz der 900-Volt-Leitung muss zudem mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses korrigiert werden, was allerdings die  Berechnungsprogramme automatisch tun.

Bei der Auslegung und Einstellung der Leistungsschalter muss dann auch der Einschaltstrom der Trafos berücksichtigt werden, um Fehlauslösungen beim
(Wieder-)Einschalten zu vermeiden.

Je nach Leistungsbedarf und Redundanzanforderung kommen auch unterschiedliche Schutzkonzepte infrage.

Grosse Leistungsschalter bieten mehr Möglichkeiten für die Gestaltung der
selektiven Abschaltung, wogegen kleinere Anlagen mit einfachen Schutzkonzepten auskommen müssen. Die Auslegung ist immer eine Abwägung maximaler Schutzfunktionalität und Kosten. Zudem ist auch die hohe Spannung relevant für die Schaltgeräte, denn einerseits wird das Angebot dünner und das Grenzschaltvermögen der Leistungsschalter ist geringer.

Fazit

Im Allgemeinen ist die Abschaltbedingung das bestimmende Kriterium für eine Tunnelversorgung. Bei (temporär) stark und besonders induktiv belasteten Leitungen kann der Spannungsabfall dominant werden. Wenn dann die Leitungen etwas grosszügig ausgelegt werden, dann wird auch der Leitungsverlust geringer, was besonders bei langen Betriebszeiten mit hoher Belastung von Bedeutung ist. Die Auslegung ist eine vielseitige interessante Optimierungsaufgabe des Planers.

 

Quellen: gotthard-strassentunnel.ch/, Frey et.al. A+W
Progress AG in Strassen und Verkehr, 5/2016, Energieeffizienz von Strassentunneln am Beispiel der Lüftung Frey et.al. Amstein+
Walthert Progress AG, Bundesamt für Strassen (Hrsg.), Verbesserung der Energieeffizienz von Strassentunneln 2016.