10-35 kV Mittelspannungsschaltanlagen für PV-Anlagen: Leitfaden zum Netzanschluss

Ab einer Leistung von 10 MW stellt die Gleichstromseite nicht mehr die größte technische Herausforderung dar. Die eigentliche Zuverlässigkeitsprüfung liegt nun im Mittelspannungs-Sammelsystem und dem Netzanschlusspunkt. Als Experte für PV-Tragkonstruktionen mit 15 Jahren Erfahrung im Bereich Solarkraftwerke im Versorgungsmaßstab habe ich miterlebt, wie eine ungeeignete Auswahl von Mittelspannungsschaltanlagen zu Fehlauslösungen, Transformatorausfällen und Verstößen gegen die Netzanschlussbedingungen führt. Dieser Leitfaden erläutert die entscheidende Rolle von 10-35-kV-Mittelspannungsschaltanlagen beim Netzanschluss von PV-Anlagen anhand von Praxisdaten aus Projekten, die ich in unterschiedlichem Gelände betreut habe.

Die Mittelspannungsschaltanlage fungiert als zentrales Nervensystem zwischen den PV-Wechselrichtern und dem Hochspannungsnetz. Sie muss Fehlerströme abfangen, fehlerhafte Leitungen isolieren und die Stromeinspeisung mit den strengen Vorgaben des Energieversorgers synchronisieren. Ohne diese Anlage bleibt die gesamte Solaranlage ein Inselnetz und kann keine Energie sicher einspeisen. In diesem Tutorial lernen Sie die Schaltanlagentopologien, die Schutzkoordination und die Prüfnormen kennen, die diese essenzielle Schnittstelle regeln.

Die Rolle von Mittelspannungsschaltanlagen in PV-Anlagen

In einem typischen Photovoltaik-Kraftwerk im Versorgungsmaßstab liefern Wechselrichter 800 V oder 1500 V Gleichstrom, der mittels auf dem Fundament montierter Transformatoren auf 10 kV, 20 kV oder 35 kV Wechselstrom hochtransformiert wird. Die Mittelspannungsschaltanlage sammelt diesen Strom von mehreren Zuleitungen und leitet ihn zum Haupttransformator. Diese Anlage muss zudem einen eindeutigen Trennpunkt für Wartungsteams bieten, um sicherzustellen, dass Techniker an einem einzelnen Wechselrichterstrang arbeiten können, ohne die gesamte Anlage abzuschalten.

Mein Projekt in Spanien aus dem Jahr 2023, ein 45-MWp-Kraftwerk mit einem 20-kV-Sammelsystem, zeigte, dass Schaltanlagenausfälle zwar nur 21 TP3T der gesamten Ausfallzeit ausmachten, aber 301 TP3T der längsten einzelnen Ausfallereignisse verursachten. Konkret dauerte der Austausch eines defekten Vakuumleistungsschalters (VCB) im Verteilerkasten 48 Stunden und legte die Erzeugung von 12 MW lahm. Diese Erfahrung unterstreicht, dass Schaltanlagen zwar sehr zuverlässig sind, ihre Ausfallfolgen jedoch unverhältnismäßig gravierend sein können.

Wichtige Funktionen jenseits des Schaltens

• Fehlerunterbrechung: Kurzschlüsse innerhalb von 60 ms beseitigen, um Transformatoren zu schützen.
• Messung: Gehäuse für Stromwandler (CTs) und Spannungswandler (VTs) zur eichfähigen Energiemessung.
• Schutzrelais-Kommunikation: Senden von Auslösesignalen über das IEC 61850-Protokoll an das SCADA-System der Anlage.

Hauptkonfigurationen: Einzelbus vs. Ringleitung

Die Wahl zwischen einer Einzelsammelschiene und einer Ringleitungseinheit (RMU) hängt von der Anlagengröße, den Verfügbarkeitsanforderungen und den Kostenbeschränkungen ab. Bei Anlagen unter 25 MW ist aufgrund der geringeren Investitionskosten eine Einzelsammelschienenkonfiguration mit einem einzigen Zuleitungsanschluss üblich. Dies stellt jedoch einen Single Point of Failure dar; fällt die Sammelschiene aus, wird die gesamte Anlage vom Netz getrennt.

Für größere Anlagen empfehle ich eine Ringleitungskonfiguration, bei der jede Zuleitung von zwei Seiten gespeist werden kann. In einem Projekt in Texas aus dem Jahr 2021 nutzten wir eine Ringleitungstopologie, die es uns ermöglichte, einen beschädigten Kabelabschnitt zu isolieren, ohne die Stromerzeugung der verbleibenden 601 TP3T der Anlage zu unterbrechen. Die Isolierung dauerte drei Stunden, während eine Einzelschienen-Konfiguration einen achtstündigen Komplettabschaltvorgang der Anlage erfordert hätte.

Vergleich der Konfigurationen

Schutzsysteme und Relaiskoordination

Die Schutzkoordination in einer PV-Anlage ist insofern einzigartig, als der Fehlerstrombeitrag von Wechselrichtern auf etwa das 1,1- bis 1,5-Fache des Nennstroms begrenzt ist, im Gegensatz zu Synchrongeneratoren, die das 5- bis 6-Fache beitragen können. Daher sind Überstromrelais (ANSI 50/51) zur Erkennung von Leitungsfehlern oft unwirksam. Stattdessen setze ich auf Differenzialschutz (ANSI 87) für Transformatoren und Richtungsüberstromschutz für netzseitige Fehler.

Bei einem Inbetriebnahmetest im Jahr 2022 wurden Sekundärstrom-Testströme in das Relais eingespeist, um die Ansprechwerte zu überprüfen. Das Ansprechverhalten des Relais 51P war auf 1,2 A (Sekundärstrom) mit einer Zeitschaltuhr von 0,3 eingestellt und löste bei einem 10-fachen Ansprechverhalten innerhalb von 450 ms aus. Um jedoch bei Fehlern auf der Wechselrichterseite Unterspannungs- (ANSI 27) und Überspannungsrelais (ANSI 59) mit einer Verzögerung von 500 ms zu verhindern, wurden entsprechende Relais verwendet.

Wesentliche Schutzelemente

1. ANSI 87T: Transformator-Differenzialschutz für interne Phasen-zu-Phasen-Fehler.
2. ANSI 50N/51N: Erdschlussschutz mittels kernbalancierter Stromwandler.
3. ANSI 81O/U: Über-/Unterfrequenzschutz zur Erfüllung der Anforderungen des Netzdurchlaufs gemäß Netzcode.
4. ANSI 25: Synchronitätsprüfung beim Schließen des Hauptschalters.

Feldtest- und Inbetriebnahmedaten

Die Inbetriebnahme von Mittelspannungsschaltanlagen erfordert strenge Primär- und Sekundäreinspeisungsprüfungen. In meinem letzten Projekt in Chile führten wir eine Primäreinspeisungsprüfung an einem 35-kV-Leistungsschalter mit einem 2000-A-Prüfgerät durch. Der Leistungsschalter löste innerhalb von 20 ms bei dem 1,05-fachen Nennstrom aus, was die Genauigkeit der Auslöseeinheit bestätigte. Zusätzlich führten wir eine Vakuumprüfung durch, die einen Vakuumwert von 1,2 × 10⁻⁷ mbar ergab, der deutlich innerhalb des zulässigen Bereichs liegt.

Ein entscheidender Test, der oft übersehen wird, ist der Teilentladungstest. Wir verwenden einen TEV-Sensor (Transient Earth Voltage), um Teilentladungen an den Kabelanschlüssen zu erkennen. In einem Projekt aus dem Jahr 2020 identifizierte dieser Test einen defekten Anschluss, der innerhalb von sechs Monaten ausgefallen wäre. Der Austausch kostete 1.500 TP4T, während ein Totalausfall durch Produktionsausfall und Geräteersatzkosten schätzungsweise 120.000 TP4T verursacht hätte.

Standard-Inbetriebnahme-Checkliste

• Sichtprüfung auf Verunreinigungen oder lose Verbindungen.
• Isolationswiderstandsmessung mit einem Megger bei 5 kV, Mindestwert 1 GΩ.
• Kontaktwiderstandsprüfung (Mikroohmmeter), maximal 150 µΩ.
• Zeitprüfung des Leistungsschalters (Öffnen/Schließen innerhalb von 50 ms).
• Funktionsprüfung aller Hilfsrelais und Alarme.

Einhaltung der Netzvorschriften und -normen

Mittelspannungsschaltanlagen für PV-Anlagen müssen folgenden Anforderungen entsprechen IEC 62271-200 Für metallgekapselte Wechselstrom-Schalt- und Steuergeräte. Diese Norm definiert die Prüfung auf interne Lichtbogenfehler, die sicherstellt, dass das Gehäuse im Falle eines internen Fehlers das Personal schützt. Ich überprüfe stets, ob die Schaltanlage gemäß Projektspezifikation eine Prüfung auf interne Lichtbogenfehler bei 20 kA für 0,3 Sekunden bestanden hat. Für eine umfassende Lösung… PV 10-35kV Hochspannungsschaltanlage ist so konzipiert, dass es diese strengen Anforderungen erfüllt.

Die Anforderungen an den Netzanschluss werden durch nationale Netzanschlussvorschriften geregelt, beispielsweise durch den US-amerikanischen IEEE-1547-Standard oder den europäischen EN 50549-1. Diese Normen schreiben spezifische Spannungs- und Frequenzüberbrückungskurven vor. So muss beispielsweise eine 35-kV-Schaltanlage bei einem Spannungseinbruch auf 0,15 p.u. für 150 ms angeschlossen bleiben. Die Schutzrelais müssen so konfiguriert sein, dass diese Fehlerüberbrückung ohne Auslösung möglich ist. Dies erfordert eine sorgfältige Abstimmung mit der Wechselrichtersteuerung. Die Integration der Schaltanlage in das Netz ist daher von entscheidender Bedeutung. Intelligente, integrierte PV-Fertigteilstation vereinfacht diese Koordination durch die Bereitstellung eines werkseitig getesteten, einheitlichen Schutzsystems.

Für die nachgelagerte Verteilung ist die Mittelspannungsschaltanlage nahtlos mit der PV-Niederspannungs-Schaltschrank 400V AC-Verteilerfeld, Dadurch wird eine durchgängige Stromversorgungskette vom Wechselrichter bis zum Netz sichergestellt. Darüber hinaus sind ein ordnungsgemäßes Kabelmanagement und der Anschluss an die Schaltanlage von entscheidender Bedeutung; hierfür ist ein zuverlässiges Kabelmanagement unerlässlich. einpfahlige, einsäulenförmige, feste PV-Montagestruktur Die Anordnung minimiert Störungen am Boden bei der Kabelverlegung und verringert so das Risiko einer versehentlichen Beschädigung der Mittelspannungskabel.

Als maßgebliche Referenz dient die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC), die den Rahmen für die Prüfung von Schaltanlagen bereitstellt. Nationales Labor für erneuerbare Energien (NREL) veröffentlicht umfangreiche Forschungsergebnisse zur Netzintegration von PV-Anlagen. Darüber hinaus Institut für elektrische Energieforschung (EPRI) bietet Richtlinien zur Zuverlässigkeit von Mittelspannungsanlagen, die ich bei jeder Projektplanung konsultiere.