Entwicklung optischer Wandler geht in die heiße Phase

Der Lehrstuhl Energieverteilung und Hochspannungstechnik der BTU Cottbus hat jetzt mit dem erfolgreichen Start eines Feldversuches zur Entwicklung der optischen Strom- und Spannungswandler eine neue Phase eingeläutet: „Indem wir erstmals erfolgreich in der Praxis testen konnten, dass optische Strom- und Spannungswandler die wesentlich langsameren und schwereren, konventionellen Wandler ersetzen könnten, sind wir in Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet ein großes Stück voran gekommen.

Noch steht zwar die langfristige Erprobung aus. Aber mit den beiden Versuchsanlagen im Umspannwerk in Guben (envia) sowie im Umspannwerk Nowa Sol in der Nähe von Zielona Gora können wir über ein Jahr lang in der Praxis testen, was bisher in den Laborhallenversuchen schon gelungen war“ so Prof. Harald Schwarz von der BTU, der auch das Centrum für Energietechnologie Brandenburg (CEBra) mitinitiiert hat und dessen Direktor ist.

„Wenn das Projekt sich auch in der Praxis bewährt hat, können die Arbeiten der BTU die Basis bilden für eine Kleinserienfertigung von optischen Wandlern, verbunden mit der Hoffnung, diese in der Cottbuser Region zu realisieren“ sagt Prof. Harald Schwarz und fügt hinzu: „Der weltweite jährliche Bedarf an Wandlern für die Energieversorgungsnetze, die mit einer Spannung von mehr als 110 kV arbeiten, beträgt mehrere zehntausend Stück. Wie hoch hieran der Bedarf an optischen Messwandlern sein kann, sollen nun beginnende Untersuchungen zeigen.“

Das Novum der optischen Wandler besteht darin, dass die Höhe des Stromes oder der Spannung mit Licht gemessen werden kann. Der große Vorteil optischer Messmethoden besteht darin, dass sich zwischen der Hochspannungsebene und der empfindlichen Mess-, Schutz-, und Leittechnik nur Lichtwellenleiter befinden, die einen elektrischen Strom nicht leiten können. Somit können Überspannungen, wie sie z.B. durch Blitzeinschläge oder Schalthandlungen entstehen, nicht mehr die empfindlichen elektronischen Komponenten beschädigen oder gar zerstören. Bedingt durch ihr physikalisches Wirkungsprinzip haben optische Wandler nur noch ein Viertel des Gewichtes konventioneller Wandler, geringere Baugrößen, und sie sind in der Lage, die Spannungen und Ströme mit einer höheren Bandbreite zu wandeln.

Hintergrund
Strom- und Spannungswandler werden in den Energieversorgungsnetzen eingesetzt, um die hohen Ströme und Spannungen auf ein für die nachfolgende Messtechnik verarbeitbares Level „herunterzuwandeln“. Bisher nutzte man dazu konventionelle Wandler, die im Prinzip wie ein Trafo arbeiteten.

Das Prinzip der optischen Messung hoher Spannungen und Ströme ist schon seit Beginn des 20. Jahrhunderts bekannt. Mit der rasanten Entwicklung optoelektronischer und optischer Komponenten konnten erste Labormuster in den siebziger Jahren gebaut werden. Allerdings kamen diese Muster nie über das Stadium des Laborversuches hinaus. Die teuren Anschaffungskosten, mangelnde Genauigkeit und vor allem die Störempfindlichkeit auf variierende Umgebungsbedingungen verhinderten einen großflächigen Einsatz in den Energieversorgungsnetzen.

Am Lehrstuhl Energieverteilung und Hochspannungstechnik der BTU Cottbus beschäftigt man sich seit 1997 mit der optischen Messung hoher Spannungen, seit 2001 mit der optischen Messung hoher Ströme. Ein erster großer Meilenstein wurde 2001 erreicht, als man ein Labormuster entwickelte, bei dem räumlich verteilte Kristalle eine optische Integration der elektrischen Feldstärke durchführten, was praktisch einer Spannungsmessung gleichkam. Zudem richtete man einen großen Anteil der Forschungsaktivitäten darauf, den Wandler so zu gestalten, dass er unabhängig von den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Vibrationen, Feldverzerrungen, Feuchte) mit einer hohen Genauigkeit funktioniert. Mit der praxisnahen Realisierung wurde 2002 begonnen. Das CEBra wurde mit der Aufgabe betraut, 5 optische Wandler als Versuchsmuster zu bauen, die in den 110-kV-Netzen regionaler Energieversorger eingebaut werden sollen. Dafür wurden Kooperationsverträge mit der enviaM und dem polnischen Energieversorger ENEA geschlossen. Eine große finanzielle Unterstützung erfolgte dabei durch die Investitionsbank des Landes Brandenburg. Der Übergang vom Labormuster zum Prototyp war allerdings nicht ohne Hürden: Bei den ersten praxisnahen Tests wurde klar, dass noch ein Optimierungsbedarf bestand. Eine Überarbeitung des Sensorelementes war nötig, die Ende 2006 erfolgreich abgeschlossen werden konnte.

Nach einer erfolgreichen Typprüfung in der Hochspannungshalle der BTU Cottbus wurden die ersten beiden optischen Wandler in das Umspannwerk Guben des Regionalversorgers enviaM installiert. Die Zuschaltung der Leitung verlief reibungslos.

Nun müssen die optischen Wandler im reellen Einsatz zeigen, ob sich ihr Betriebsverhalten im Laufe der Zeit nicht ändert. Der gestartete Feldversuch wird über ein ganzes Jahr lang durchgeführt, bei dem täglich die Messdaten der optischen Wandler und der Vergleichswandler aus dem Umspannwerk Guben in Cottbus eintreffen. Ein zweiter Feldversuch wird im Umspannwerk Nowa Sol in der Nähe von Zielona Gora im Juli dieses Jahres beginnen. Kooperationspartner ist hier der polnische Energieversorger ENEA.

Weitere Informationen: Prof. Harald Schwarz, Lehrstuhl Energieverteilung und Hochspannungstechnik der BTU Cottbus, Tel.: 0355/4502